城市無背索獨塔斜拉橋的景觀設計理念與選型分析

馮紹海，李 清

（九江市城市規劃市政設計院，江西 九江 332000）

0 引言

斜拉橋是最新型的現代橋梁結構型式，雖然其發展歷史不是很長，但因為結構受力明確、外形美觀、跨越能力強等特點，被廣泛地應用于公路橋梁和城市橋梁的建設中。特別是斜拉橋屬于自錨式體系，其建設對于地基基礎沒有很高的要求，因此在城市環境中大量使用，而且斜拉橋的外形美觀，索塔剛勁有力、拉索輕巧明快、主梁也可以做得輕型，具有很好的美觀效果，能夠在城市景觀設計中增添色彩。

斜拉橋具有諸多優勢：跨越能力強、建筑高度小、結構受力合理、設計構思多樣化、結構整體剛度大、橋型美觀等，由常規斜拉橋可以變化成諸多子結構類型，其中無背索的獨塔斜拉橋結構型式，因為其獨特的結構造型在城市建設中廣泛采用，例如主跨320 m的杜塞爾多夫市萊茵河上的Knie橋，主跨301 m的德國Severin橋、主跨407 m的德國杜塞爾多夫市費萊厄橋等。獨塔斜拉橋的結構跨徑同樣可以做得很長，滿足各種通行要求。此外，處于城市環境的獨塔斜拉橋設計建造，還需要更多地關注結構的外形美觀[1,2]。

論文首先剖析城市環境無背索獨塔斜拉橋的景觀設計理念和方法，特別對獨塔斜拉橋的造型景觀進行了分析研究。其次，提出無背索獨塔斜拉橋的選型方法。促進無背索獨塔斜拉橋在我國城市中的設計建造。

1 無背索獨塔斜拉橋的景觀設計理念

首先分析城市環境的橋梁景觀設計理念和方法，其次分析無背索獨塔斜拉橋的結構特點，最后針對無背索獨塔斜拉橋提出其獨特的設計景觀設計要點。

1.1 城市橋梁的景觀設計要點

城市橋梁的景觀設計就是需要將橋梁構造物與周邊城市環境在外形與景觀上達到和諧一致，這種和諧統一不僅從外在尺寸上的過渡與流暢，還包含對當地人文景觀、文化背景的融合。從表現形式上，就是通過美學上的形體、造型、布局、色彩等角度進行柔和，同時以橋梁結構受力為主要參照基礎。

在明確城市橋梁的景觀設計標準下，首先需要掌握城市橋梁的功能特性。作為城市交通基礎設施的市政橋梁結構，其功能首先體現在交通通行上，是用于解決人們的出行和貨物運輸的，用于打破交通障礙、聯系區域經濟、促進社會溝通等，因此橋梁的設計首先需要滿足交通通行的基本功能，能夠滿足目前及未來較長時間內的交通通行安全。此外，城市橋梁作為城市景觀的重要構成，還是城市文明的載體和區域文化的象征，這就要求橋梁的建設能夠融合城市的人文因素，例如天津海河上的橋梁體現了天津市的發展歷程，上海黃浦江上的橋梁也承載著浦東與浦西的發展歷程，馬鞍山長江大橋橋塔設計成典型的徽派風格等。

明確了城市橋梁的功能需求后，需要結合美學的諸多要素開展景觀設計，將橋梁的結構特點、地域文化特性、時代發展特點等考慮進來。具體的設計方法是：首先，構建基本的橋梁結構型式，結構型式應該滿足橋梁跨度和受力要求，以安全受力、平穩過渡、穩定堅固為原則，達到結構外形與受力完好吻合；其次，應該凸顯景觀元素，對橋梁的橋墩、欄桿、照明設施、橋塔等做特別設計，與周邊環境融合形成一體；再則，注重結構的肌理與色彩設計，采用對應的建造材料，進行表面肌理和色彩設計，例如在綠色環境中的橋梁，其主色調應該以融合綠色為主；最后，需要注重夜景的設計，通過夜景設計凸顯橋梁的城市符號。

1.2 無背索獨塔斜拉橋結構特點

無背索獨塔斜拉橋從常規斜拉橋演化而來，但其受力特點與常規斜拉橋存在顯著的差別[3,4]，見圖1。

圖1 無背索獨塔斜拉橋與常規斜拉橋

首先，無背索獨塔斜拉橋需要通過塔的傾斜平衡拉索水平力。常規斜拉橋兩邊拉索相互平衡，因此索塔主要以承壓為主且設計成豎直形狀。無背索獨塔斜拉橋的主跨結構荷載通過斜拉索傳遞到索塔后，水平力需要斜塔自重承擔，使得傾斜索塔承受軸向力作用，但由于活載作用下索力的不確定性，使得傾斜的索塔其受力性能變得很復雜。

其次，塔梁連接區域受力非常復雜。常規斜拉橋塔梁連接區域沒有明顯的荷載傳遞，主梁軸向力相互抵消；而無背索獨塔斜拉橋的塔梁連接區域受力較為復雜，一方面主梁傳遞較大的軸向荷載作用，而斜塔也傳遞較大的軸向力，使得該區域受到雙向軸力作用，再加上活載不確定性產生的附加彎矩，如何有效解決該區域的受力問題成為關鍵之一。

最后，地基基礎的受力變得復雜。無背索獨塔斜拉橋索塔承受軸向力，而該荷載如何傳遞為豎直地基基礎變得復雜，基礎結構不僅需要承擔軸向荷載還有顯著的附加彎矩作用。

1.3 無背索獨塔斜拉橋景觀設計方法

無背索獨塔斜拉橋的結構特點是索塔的外傾型式和塔梁連接區的構造復雜性，這些要素在景觀設計中都是可以很好地考慮的。

首先，傾斜的索塔型式，由于索塔需要平衡拉索的水平力，因此塔的設計需要較為穩重，而傾斜穩重的索塔，可以為城市增添亮麗的風景，配合在索塔外形上的設計，無背索獨塔斜拉橋的景觀效果將非常顯著。圖2是酒泉神舟友誼大橋，通過采用拱形索塔型式，既能夠穩重地傳遞拉索荷載，又凸顯出明亮的景觀效果。

圖2 傾斜索塔型式的造型設計

其次，無背索獨塔斜拉橋的塔梁連接處較為復雜，因此設計中結構體量也很大，如果對于該區域不進行景觀設計，將使得結構美觀性差，索塔與主梁的連接過于突兀。反之，如果在設計中考慮力流傳遞的平穩性問題，對連接區域進行平緩過渡，而能夠凸顯結構的力學美觀效果，圖3是捷克易北河的Mariansky Bridge，通過索塔與主梁的流線型構型，整個力流傳遞很好，同時結構美觀效果非常突出。

圖3 捷克易北河的Mariansky Bridge

最后，針對索塔結構、拉索、主梁等構件，需要充分考慮照明設施以及色彩、肌理，對于索塔外形還需要結合當地人文因素考慮進去，設計成代表地區文化符號的地標性橋梁結構。

2 無背索獨塔斜拉橋的選型分析

城市無背索獨塔斜拉橋的設計，需要從橋跨結構型式、塔梁墩連接方式、索塔型式、斜拉索布設四方面進行結構的選型分析[5]。

2.1 橋跨結構型式

無背索獨塔斜拉橋的橋跨結構型式主要有單跨式、主跨+輔助孔、邊跨+主跨+輔助孔三種主要的結構型式，見圖4，不同結構型式的橋梁特點與設計要素具有一定的差別。

圖4 無背索獨塔斜拉橋橋跨結構型式

單跨式是應用最多的無背索獨塔斜拉橋結構型式，采用索塔與主梁和橋墩固結，另一側主梁與橋墩鉸接的型式，該結構體系下由于橋塔傾斜作用產生的傾覆力矩有拉索和主梁共同承擔，這種橋型設計中索塔和梁的結構重量具有嚴密的關系，造型設計中可以對索塔進行結構型式設計。主跨+輔助孔的結構型式，通過輔助孔卸載主跨的正彎矩作用，可以解決拉索在遠端的錨固效果問題，對于輔助孔的跨徑一般不宜選用過大，否則邊跨橋墩處的負彎矩非常顯著。邊跨+主跨+輔助孔的結構型式，則通過邊跨卸載橋墩和塔梁連接處的彎矩效應，但由于塔梁墩連接處本身較為復雜的受力型式，一般邊跨的跨徑夜不宜過大，以傳遞擴散荷載為宜。

2.2 塔梁墩連接方式

無背索獨塔斜拉橋的塔梁墩連接方式有塔梁墩固結、塔墩固結及塔梁分離、塔梁固結及塔墩支撐三種型式（見圖5），這與斜拉橋的結構體系有一定的相似性。

塔梁墩固結是剛構體系，結構體系的優勢是不需要支座，通過塔梁墩連接形成整體的受力結構型式，但難點是塔梁墩固結處受力較為復雜，特別是移動荷載和溫度荷載作用向下該連接處的變形與受力較為復雜，因此設計中需要對該區域進行特別考慮。塔墩固結及塔梁支撐是漂浮體系，拉索荷載由索塔和基礎共同承擔，主梁的受力較為簡單，但是塔梁連接處的構造也較為復雜，需要提供較大的水平力，因此該結構體系的橋梁跨徑不宜過大。塔梁固結及塔墩支撐是簡支結構體系，是外部靜定內部超靜定的結構型式，該結構體系相對于前兩種體系的拉索調整更為復雜，結構在活載下的受力更為不利，且支座噸位較大。

圖5 無背索獨塔斜拉橋的塔梁墩連接型式

2.3 索塔型式

無背索獨塔斜拉橋的索塔型式與常規斜拉橋一樣可以選用多種型式，包括A,I,Y等形式，一般不選用磚石型等復雜的結構型式，因為結構受力以承受很大的軸向力為主，因此以直線型線條為主要索塔構造型式。此外，拱形索塔在無背索獨塔斜拉橋中采用也較多。

2.4 斜拉索布設方式

斜拉索的布設方式主要受到索塔型式決定，有空間索面和平行索面型式，根據索的分布型式有豎琴形和扇形等，這些斜拉索的布設方式在橋梁設計中都有涉及。

3 結語

隨著城市化發展的進程，越來越多的橋梁結構型式應用到城市橋梁的建設中，不僅解決了城市交通運輸需求，還為城市的景觀添磚加瓦。無背索斜拉索是近期在城市橋梁建設中應用較多的結構型式，論文詳細論述了無背索獨塔斜拉橋的景觀設計理念，并針對無背索斜拉橋的結構特點，對其結構體系、型式、構件等進行了選型分析，促進無背索獨塔斜拉橋結構型式在城市橋梁建設中的應用。

參考文：

[1]楊揚,唐宗富,王亮.淺析城市無背索斜拉景觀橋的結構選型及設計[J].黑龍江交通科技,2016,39(5)：95-96.

[2]高曉明.淺談城市橋梁景觀設計[J].城市道橋與防洪,2016(5)：110-113.

[3]陳愛軍,邵旭東.無背索豎琴式斜拉橋合理結構體系分析[J].中外公路,2009，29(4)：89-95.

[4]朱冰冰.獨塔無背索斜拉橋的設計研究[J].中國新技術新產品,2011(22)：86.

[5]章曾煥,盧永成,方亞非,等.哈爾濱太陽橋無背索斜拉橋設計要點[A].中國公路學會橋梁和結構工程學會2002年全國橋梁學術會議[C].2002.