一座組合索塔錨固結構斜拉橋的設計特色

孫月明，梅勤華，何長江，徐海軍

(1.盛澤鎮建設管理服務所,江蘇蘇州 212500；2.吳江市盛澤城區投資發展有限公司,江蘇蘇州 215228;3.同濟大學建筑設計研究院 (集團)有限公司,上海市 200092）

0 引 言

一般認為斜拉橋適宜的跨徑不應小于200 m[1][2]，這主要是結構受力和經濟性方面的考慮。近年來，由于斜拉橋景觀造型要優于常規梁橋，所以很多跨徑不足200 m的城市橋梁也采用了斜拉橋這種橋型。城市橋梁由于交通量較大造成橋面比一般公路橋梁寬許多。由于跨度不大（同時決定了索塔高度不高）而橋面很寬，跨度、高度和寬度空間比例不符合美學規則，如果設計時缺乏這方面的考慮，會造成橋梁建成后比例失衡，難以體現斜拉橋的景觀特點。

從索塔本身造型來看，除非刻意強調塔身的厚重感，現代斜拉橋設計總希望塔柱看起來更加挺拔，這就要求塔柱的截面尺寸相對于塔高應足夠小，這對于大跨度斜拉橋來說很容易做到，但對于中小跨度的城市橋梁往往存在困難，因為索塔截面的尺寸是由張拉空間決定而非受力要求。

本文所介紹的斜拉橋在設計中對空間比例關系進行了仔細考慮，對如何優化索塔截面進行了分析研究，并在索塔錨固方式上采用了一種近年來發展出來的新型結構——外露式鋼錨箱組合錨固結構。

1 總體設計和改善主橋空間比例的方法

蘇州市盛澤鎮舜湖西路跨京杭運河大橋是一座兩跨獨塔斜拉橋，跨徑布置91 m+123 m。作為一座連接新城區的市政道路上的橋梁，橋面寬度達到了38.1 m。在方案比選中，業主要求橋型采用斜拉橋以體現橋梁結構的景觀效果，提升城市形象，但同時要求控制工程造價和方便施工，因此本橋沒有采用夸張的結構設計，從經濟性和適用性的角度確定橋梁建設規模和結構形式。

根據地形、所跨越京杭運河的水文、通航等要求，確定主跨為L主=123 m，一孔跨越運河，這樣也可以避免出現水中墩。

為了提高索塔高度，采用了獨塔斜拉橋，通過受力分析反復比較主梁剛度，確定錨跨長度為91 m，兩跨的布置既也符合地形的要求，也更為經濟[2]。

索塔高度由主跨跨徑決定，根據文獻[2]，索塔有效高度為46～52 m，根據文獻[1]，國內已建斜拉橋橋塔有效高度中值在0.5 L主，對于本橋為61.5 m。本橋有效高度為58.6 m，比文獻[2]推薦值略大，主要考慮適當提升索塔高度以體現標志性?；谕瑯拥目紤]，適當加高塔冠高度，最終橋面以上索塔高度為63 m，橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

由于橋面很寬，橋梁橫向采用雙索面布置，從簡化構造和方便施工角度考慮采用豎直索面，因此橋塔橫向可以考慮采用雙柱、門式和H形。但無論采用何種形式，都遇到同樣的問題，就是橋梁寬度和索塔高度在比例上難以符合美學基本規則[3]。因為常規的設計將塔柱布置于梁體外側，那么索塔橫向外邊緣距離將達到45 m，雖然已經將索塔高度提升到63 m，但仍然會顯得“矮胖”。設計通過以下措施進行改進：

（1）在合理范圍內適當增加塔高；

（2）將塔柱移至橋面以內，利用機非分隔帶（同時也是布索區）寬度設置塔柱，如此可以大幅減少兩根塔柱橫向間距，塔柱橫向外邊緣距離減少至30.5 m，使得整個索塔的高寬比符合美學規則；

（3）采用H形索塔，將上橫梁設置在塔柱“黃金分割點”附近，橫梁重心距離橋面39 m=63 m×0.618；

（4）整個塔柱外輪廓尺寸保持一致，讓塔柱看起來更加挺拔。

圖2顯示了橋面以上橫斷面透視效果。

2 索塔構造和景觀設計

2.1 塔柱構造設計

圖2 索塔橫向透視效果（單位：m）

雖然橋梁跨度不大，索距相對可以取較小值（本橋為6 m），但城市橋梁由于橋面寬，荷載較大，實際每根斜拉索分擔到的力并不小。本橋運營階段最不利工況下，標準組合下索力最大可達7 200 kN，近一半斜拉索索力超過4 200 kN。

索塔截面尺寸一般由兩方面因素確定：其一是截面必須滿足索塔整體受力的要求，這與橋梁的整體規模成正比，跨徑和橋寬越大，受力要求越大，則截面尺寸越大；其二是截面尺寸必須滿足斜拉索張拉空間的要求，這與單根索力大小成正比。對于大跨度斜拉橋來說，一般由第一個因素控制截面設計，但對于類似于本橋的這種單根索力很大的中小跨度斜拉橋來說，截面尺寸是由第二個因素決定的。

由于單根索力較大，為滿足塔內同時對稱張拉的要求，索塔內部尺寸不能過小，再加上塔壁厚度，使得塔柱順橋向尺寸達到6 m以上，與塔柱的高度相比，就會加劇了塔柱視覺上的笨重感。為了解決這個問題，設計在索力較大的上塔柱采用了一種新型的錨固結構——外露式鋼錨箱式組合錨固結構。

鋼錨箱錨固結構是20世紀90年代發展出的一種新的索塔錨固結構，最早出現在日本和歐洲橋，國內也在蘇通大橋、上海長江大橋等工程中應用了這種結構。由于受力方式的改變，使得這種結構可以取消順橋向塔壁混凝土，將鋼結構直接作為結構表面，成為外露式鋼錨箱（見圖3），因此可以減小塔柱順橋向幾何尺寸至5 m以內。

橫梁以下的中塔柱由于索力相對較小，為降低造價而采用混凝土塔壁錨固。塔柱截面采用五邊形，可以將塔壁外側5 m順橋向寬度“分割”為兩個較小的面，并通過設置凹槽，在視覺上“誘導”強化塔柱豎向線條，體現塔柱的挺拔之感，見圖4。

圖3 外露式鋼錨箱構造圖

圖4 通過分割截面和設置凹槽強化塔柱豎向線條

2.2 索塔配色和燈光設計

索塔是斜拉橋最能體現造型的結構，除了注意空間比例協調之外，索塔的色彩、質感以及燈光也是造型和景觀設計的重點。

按照“統一、均衡”[3]的原則，索塔混凝土結構采用材料的原色和質感，即不做任何處理或者在混凝土澆筑質量不佳的情況下采用清水混凝土涂料粉飾。按照“重點配色”[3]的原則，對索體和外露式鋼錨箱進行配色涂裝，采用深灰色，以體現橋梁大氣莊重的一面。

在夜景燈光設計方面，除了設置常規的拉索投射燈外，本橋的設計特色是在鋼錨箱和塔柱五邊形截面凹槽設置白色LED燈，可以實現索塔白天和夜晚完全不同的明暗對比效果：即白天淺色塔柱混凝土為明色調，深灰色鋼錨箱和斜拉索為暗色調；夜晚則正好相反，見圖5。

圖5 通過配色和燈光實現白天和夜晚完全不同的明暗對比

3 外露式鋼錨箱組合錨固結構設計

本橋主梁、拉索、索塔等結構設計較為常規，但索塔錨固形式采用了一種新結構，即外露式鋼錨箱組合錨固結構。鋼錨箱組合錨固結構受力上的優點是以鋼結構承受大部分的水平力，以混凝土塔壁承擔豎向壓力，發揮材料各自的優勢，此外，它還具有加工制造方便、質量穩定、錨箱上下聯通使錨固點定位準確等施工方面的優點。

本橋在索力較大的上塔柱采用該結構（對應9～18號拉索），見圖6，鋼錨箱通過橫向預應力和焊釘連接件與塔壁緊密結合，見圖7。鋼錨箱總高19.69 m，順橋向長4.7 m，橫橋向寬1.2 m。共分10個節段，每一節段分別錨固一對斜拉索，節段高度從下至上分別為2.33 m（含預埋底座，預埋于塔柱中央橫隔之上）、8×1.8 m、2.96 m?；炷了谥许槝蛳蝾A應力通過Φs15.24鋼絞線施加，橫橋向預應力通過JL32精軋螺紋鋼施加。連接件采用φ25 mm×200 mm的圓柱頭焊釘，按每側6列布置于錨箱側板。鋼錨箱主要由側板、端板、橫隔板、錨墊板、支撐板、加勁板等部分組成。鋼錨箱側板厚35 mm，為使其受力明確，在側板上設置孔洞，孔間拉板高1.2 m；支承板和承壓板直接傳遞索力結構，根據索力的大小，支承板和承壓板厚度采用40 mm；端板厚度為30 mm；錨下墊板厚度采用80 mm。

4 結論

（1）通過分析空間比例關系，并根據橋梁特點采用一些方法可以使得在中小跨度斜拉橋中容易出現的比例失衡問題得到很大程度的改善，從而讓橋梁造型符合美學基本規則。

圖6 錨固結構立面圖

圖7 組合索塔錨固區平面構造（單位：mm）

（2）外露式組合索塔錨固結構不僅具有受力和施工方面的優點，由于其內部操作空間較大，因而可以降低索塔的截面尺寸，為中小跨度斜拉橋設計提供了一個較好的結構方案。

[1]嚴國敏.現代斜拉橋[M].四川成都:西南交通大學出版社,1996.

[2]王伯惠.斜拉橋結構發展和中國經驗[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]陳艾榮,盛勇,錢峰.橋梁造型[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]張喜剛,劉玉擎.組合索塔錨固結構[M].北京:人民交通出版社,2010.