基于地方文化的獨塔單索面斜拉橋設計研究

1.前言

1.1 國內斜拉橋建設現狀

近些年國內斜拉橋發展速度很快，型式多，橋跨跨徑不一，建橋總量已經居世界前列，據統計，國內共建設斜拉橋超過200座，達到全世界斜拉橋總數的1/3。

我國的斜拉橋分布較廣，型式多樣，跨徑有50m以下的景觀斜拉橋，同時已建設的大跨斜拉橋的跨徑已突破1000米。斜拉橋具有跨越能力大的特點，目前較普遍的看法為適合跨徑200～800m的橋梁。但隨著一些城市景觀橋的需要，也陸續出現一些100～200米跨徑的橋梁，這些橋梁以獨塔斜拉橋居多，主要從主塔及斜拉索索面造型來突出景觀效果，彰顯當地文化特色。

1.2 設計研究背景

上杭縣城區已建橋梁數量不多，類型單一，除一座石拱橋外，其余均為梁橋。潭頭位于汀江的城區中心位置，正對紫金山公園。在對該位置設置橋梁的設計研究中，結合各方需求，得出在橋型選擇上應盡量宏偉大氣、新穎獨到，且景觀效果顯著，既能融入汀江橋梁建筑群，又具有鮮明的標志性，成為汀江上一代表性橋梁。

橋梁所在處水面開闊，寬約170米，兩岸風光秀麗。根據要求，需預留五級通航航道，且該區域為皮劃艇訓練基地，要求場地寬闊，同時兼顧景觀要求，故設計選定主跨跨徑為138米的獨塔斜拉橋。上杭為客家人聚集地，結合該地建筑設計習慣，在建筑外形上融入地方文化特色，故橋梁擬在橋塔景觀上融入客家文化元素。

1.3 設計概況

上杭城區潭頭大橋跨越汀江，橋梁總長323m，主橋采用獨塔四跨單索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋，跨徑布置為40+45+138+30=253m，邊跨及主跨各設一個輔助墩；索塔下部及塔頂分別采用水滴和春筍造型，橋面總寬32m，布置雙向四車道、非機動車道和人行道。主橋布置如圖1-1。

圖1-1 橋梁布置圖

2.橋梁造型及景觀設計研究

2.1 塔型選擇

縱橋向主塔結構型式有獨柱型、倒Y型和A字型等。單柱型主塔構造簡單，外形輕盈美觀，施工方便，是常用的塔型。A字型和倒Y型主塔剛度大，具有良好的抗震能力，施工復雜，此類主塔應用較少。本斜拉橋主跨跨徑為138米，屬于斜拉橋中跨徑較小的橋梁，橋梁寬度32米，主塔縱橫向均采用獨柱型較合理。在比較直塔和斜塔造型時，直塔造型更能體現客家文化正直向上的精髓，因此采用直塔造型。在主塔中融入客家文化元素，形成下水滴、上春筍的獨特造型。

圖2-1 橋梁日景及夜景效果圖

獨柱主塔上窄下寬，下寬部分鏤空為水滴型，喻為“水納百川，匯聚八方”。客家文化在客家人南遷的過程中與當地文化不斷融合，水滴造型正是對兩種文化匯聚貫通、不斷發展的表達。塔頂取型雨后春筍，喻為“年年好，節節高”，體現了上杭客家人“勤奮向上、團結進取”的精神，凸顯出橋型的設計主題：“逐（竹）夢”。

2.2 索面設計

獨柱式主塔設置在橋梁中間4米索區范圍，對應斜拉索僅能設置單索面。斜拉索面根據景觀要求有扭索面、編花索面及常規的平索面。扭索面要求塔身較高，結構受力復雜，拉索索力大，結構效率較低，而編花索面一樣存在扭索面的缺點，同時還存在獨塔單索面難以布置的問題。通過分析，本橋采用較適合的平索面布置形式。平索面斜拉索一般有三種形狀：放射形、豎琴形、扇形，扇形布置的斜拉索兼具放射形和豎琴形兩種布置方式的優點，在設計中獲得廣泛應用。本橋索面采用扇形布置，與主塔相協調。橋梁日景及夜景效果如圖2-1 。

2.3 夜景設計

夜景設計主要是突出亮化主塔，塔身為一級亮化結構，塔鏤空與主梁形成日字形，喻為旭日東升；塔身投射柔和紫光，喻為紫氣東來；主梁為二級亮化結構，投射波浪光，喻為翔云環繞；弱化斜拉索燈光，拉索燈光僅作為調和塔梁的輔助燈光。橋型及夜景構思如圖2-2。

綜上，通過對橋梁造型及夜景的設計研究，利用主塔造型、索面選擇及夜景燈光投射，在當地的橋梁群中，塑造一座具有特殊文化底蘊的現代化橋梁。

圖2-2 橋型及夜景構思圖

3.橋梁重要節點的設計研究

3.1 主體結構的設計計算

主橋結構采用塔、梁、墩固結結構形式，其它墩頂支座按橫向固定、縱向活動設置。橋梁采用有限元方法進行空間結構分析，建立包括主梁、索塔、斜拉索和基礎在內的全橋有限元模型。其中主梁、索塔采用空間梁單元，斜拉索采用只受拉桁架索單元。計算模型如下圖3-1所示。

主梁采用脊骨梁模型，通過橫向剛臂與拉索節點連接。邊墩位置主梁梁端約束豎向自由度，支承位置位于主梁實際支座處，通過鋼臂引出后支承，并約束其中一個支承點的橫橋向平動自由度。塔梁固結位置主梁與橋塔節點采用剛性連接實現完全耦合，主塔底部接承臺和樁基，樁基邊界采用土彈簧模擬。

經過詳細計算，砼主梁、鋼主梁、斜拉索、主塔及下部結構均滿足規范要求。

圖3-1 主橋三維及有限元模型

3.2 主橋邊跨是否設置輔助墩的分析研究

斜拉橋采用混合梁體系，即主跨采用鋼梁，輔助跨采用砼梁的型式。該型式梁主要利用鋼梁的輕巧特性和砼梁截面較重的特點，用在輔助跨的砼梁可以很好地平衡主跨的重量，其造價也比全鋼梁或者鋼混疊合梁節省。針對主梁采用混合梁后，邊跨是否再設置輔助墩，本次從結構受力上進行比較研究。

對于是否設置輔助墩，主要根據橋梁在活載作用下結構的受力狀態來分析。現在活載作用下，分別計算有、無設輔助墩的兩種工況，分析對塔梁及斜拉索的影響，計算結果如下圖3-2和3-3。

通過對計算結果的分析得出，設置輔助墩后主梁及主塔的位移及彎矩均較小。可知設置輔助墩有利于增強結構體系的剛度，改善邊跨內力和減少撓度，減少主塔的橫向位移及主塔墩底彎矩，同時減少拉索應力變幅。根據斜拉橋“塔直梁平”的設計原則，設置輔助墩的方案對結構受力較有利，因此本次在邊跨設置一個輔助墩。

圖3-2 無設輔助墩結構及位移圖

圖3-3 有設輔助墩結構及位移圖

3.3 塔柱水滴分肢的分析研究

為了使主塔形成水滴造型，塔柱在距離梁頂19.1m處，縱向箱形截面分肢為雙薄壁結構（單薄壁厚3.25m），雙薄壁凈距由頂部0.899m漸變到塔底處的2.674m。通常在橋梁整體計算中容易對該部分單元簡化為單肢計算，忽略分肢處的結構驗算。本次分別對上塔柱和下塔柱（兩肢分不同單元）進行計算分析（對主塔結構圖中的A～F截面進行計算）：上塔柱按柱底（橋面處）固結，尾索錨點為自由端，按2倍高度即114m取計算長度。下塔柱順向兩肢分別取內力單獨驗算截面，計算發現主跨側分肢受力大，邊跨側分肢受力小。下塔柱則按兩端固結進行結構驗算，確保橋塔結構安全。主塔結構如圖3-4。

3.4 塔頂筍節的分析研究

塔頂筍節設在拉索錨固區以上部分，設置三節，上節比下節單側縮窄40cm，高度節節增高，模仿新生春筍的尺寸比例，截面與主塔一致，為空心矩形，短邊為橢圓弧形。

塔頂筍節不參與受力，主要是與塔柱協調，形成節節高的景觀造型。其效果如下圖3-5。

圖3-4 主塔結構圖

圖3-5 塔頂筍節效果圖

圖3-6 鋼錨梁結構圖

圖3-7 鋼錨梁計算模型圖

3.5 拉索錨固的分析研究

拉索錨固是斜拉橋傳力可靠的重要結構，錨固節點要求適應剛度變化大的特點，應能承受局部較大應力，在斜拉橋設計中應特別注重。該橋梁拉索錨固節點分塔上錨固區、砼梁錨固區及鋼箱梁錨固區。

在主塔上，斜拉索錨固在前后兩側，通過局部加強配筋，并在塔壁內設環向對拉預應力高強螺桿平衡斜拉索在塔內的水平分力；砼梁錨固區通過設置橫隔板，并在橫隔板上設預應力平衡斜拉索在梁上的豎向分力；本橋橋面寬達32米，采用單索面比傳統的雙索面鋼箱梁斜拉橋受力大，主梁單根最大索力達6047kN，索梁錨固區位于鋼箱中室，由于梁的高度較低，導致可用于索梁錨固區的設計空間較小，因此在鋼箱梁拉索錨固區內設置鋼錨梁作為傳力構造。鋼錨梁由各板塊組成小長條箱型結構，受錨固張拉空間及梁高限制，局部剪應力較大，經采用實體單元模型計算分析，擬定端承板厚度80mm，錨固區腹板厚度24mm（要求Z向性能），錨梁板厚度30mm，上下布置兩塊。鋼錨梁結構圖見圖3-6。

對鋼錨梁建立模型進行分析，設計中鋼箱梁每隔3m設置一道小橫梁，因此取3m梁段作為一個標準段進行橫向分析，考慮對稱性，只建立1/2模型；約束腹板邊界豎向位移及約束對稱面橫橋向位移，模型采用midas FEA板單元，計算模型見圖3-7，鋼錨梁的正應力及剪應力計算結果見圖3-8及圖3-9，經驗算，其結果滿足規范要求。

圖3-8 鋼錨梁σx正應力（單位：MPa）

圖3-9 鋼錨梁 txy剪應力（單位：MPa）

4.結束語

(1)小跨徑獨塔單索面斜拉橋在滿足功能要求的基礎上，還具有較強的景觀效果。主塔可很好地融入當地文化元素，適合有特色造景需求的城市橋梁。

(2)通過計算分析，通過在邊跨設置輔助墩，改善了橋梁在活載作用下的受力狀態，同時輔助墩靠近主橋下的江濱路橋梁，因此對總體景觀效果基本不影響。

(3)根據斜拉橋的受力特點，采用鋼一混凝土混合主梁，利用鋼箱梁的輕巧及輔助跨砼梁厚重，達到重力相平衡，降低了橋塔及拉索的受力，減小了主梁的高度，橋梁結構協同工作，整體輕盈美觀。

(4)針對本型式斜拉橋開展的混合梁結合段、拉索錨固段、分肢結合段等多項關鍵技術節點的研究分析，獲得了理論數據，確保橋梁設計工作安全可靠。

(5)在橋型上融入地方文化元素，并從結構上保證安全，實現橋梁結構與文化元素的良好結合，為同種類型的橋梁建設提供思路和積累經驗。