空間索景觀斜拉橋在城市橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

周康靜

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250101）

1 概述

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展及人民物質(zhì)文化水平的日益提高，城市橋梁設(shè)計(jì)已不再是簡單地滿足交通功能的需求，對(duì)美學(xué)及藝術(shù)的要求也“水漲船高”[1]。在橋梁設(shè)計(jì)之初，其概念性規(guī)劃設(shè)計(jì)方案在秉承結(jié)構(gòu)安全、功能適用的大原則下，其美學(xué)設(shè)計(jì)理念日益突出。本文以山東省萊蕪市龍馬河大橋的設(shè)計(jì)為例，就其概念性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及空間斜拉索塔柱及拉索進(jìn)行分析論述，提出其景觀效果及受力特點(diǎn)。

2 工程概況及方案選擇

2.1 工程概況及技術(shù)指標(biāo)

萊蕪市香港東路道路工程西起龍馬河西路，東至長芍路，長1161.83，道路寬40 m。為避開該地區(qū)垂陽鐵礦廠及其塌陷影響區(qū)域，路線方案采用以規(guī)劃路線向北偏移方案。擬建龍馬河大橋位于香港東路跨越龍馬河處，橋梁跨度按規(guī)劃河道寬度設(shè)計(jì)，如圖1所示。擬建橋梁寬度按香港東路道路斷面形成，橋梁全長204.86 m，全寬41 m，共分兩幅，其中機(jī)非混行車行道寬34 m，兩邊人行道共寬6 m，兩側(cè)各0.5 m的錨索區(qū)。

技術(shù)指標(biāo)：道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h；橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載為城-A級(jí)，設(shè)計(jì)人群荷載為3.5 kPa；橋梁兩側(cè)引道縱坡為1.889%，豎曲線為半徑R=5 000 m的圓曲線。橋面機(jī)非混行車道橫坡1.5%，人行道橫坡1.5%。河道防洪標(biāo)準(zhǔn)采用采用百年一遇的設(shè)計(jì)洪水頻率，設(shè)計(jì)洪水位為198.9 m，橋下景觀水位198.24 m；地震抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，第二組，場(chǎng)地的特征周期值為0.65 s。橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防措施等級(jí)為8度。

圖1 橋梁位置示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)方案選擇

橋梁所在道路位于龍馬河主題公園附近，橋梁及河道都有一定的景觀要求。為了達(dá)到功能及與周邊主題公園景觀融合的需求，初步擬定兩個(gè)方案。第一個(gè)方案為雙塔斜拉索方案，如圖2所示，第二個(gè)為單塔柱空間斜拉索方案，如圖3所示。

圖2 方案一橋梁立面

圖3 方案二橋梁立面

由表1可知，這兩個(gè)方案均能實(shí)現(xiàn)主梁上的景觀要求，但是由于空間塔柱及索面形式的選擇不一，實(shí)現(xiàn)的景觀效果也不一樣。方案一塔柱為單塔，塔高48 m，方案二塔柱為單塔，塔高30 m，相比之下方案一將塔柱合二為一變成空間塔柱，與周邊景觀融合度更高。

表1 方案比較表

3 橋梁設(shè)計(jì)

3.1 立面設(shè)計(jì)

橋梁采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，全長204.86 m，共分為三聯(lián)，每聯(lián)跨徑為3×22 m，橋面全寬41 m，共分兩幅。每幅橋面寬20.49 m。橋梁裝飾塔柱采用鋼結(jié)構(gòu)塔柱，立面為單塔“A”字造型，塔高48 m，塔柱設(shè)置于第二聯(lián)中跨橋墩處，橋塔與主梁相互獨(dú)立。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩采用V型實(shí)體橋墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用樁接蓋梁橋臺(tái)，如圖4所示。

圖4 橋梁立面圖（單位：cm）

3.2 平面設(shè)計(jì)

橋梁平面位于直線段，拉索及橋塔沿橋跨中心線對(duì)稱布置，如圖5所示。

圖5 橋梁平面（單位：cm）

3.3 橋梁橫斷面設(shè)計(jì)

香港道路寬40 m，分別為3 m人行道+34 m機(jī)非混行車道+3 m人行道。龍馬河橋梁全寬41 m，共分兩幅，其中機(jī)非混行車行道寬34 m，兩邊人行道各寬3 m，兩側(cè)分別設(shè)置0.5 m寬的錨索區(qū)。機(jī)非混行車道及人行道橫坡均為1.5%.

機(jī)非混行車道上面層采用4 cm厚細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13；下面層采用6 cm厚中粒式瀝青混凝土AC-16。人行道鋪設(shè)3 cm厚大理石火燒板，如圖6所示。

圖6 橋墩處橋梁橫斷面（單位：cm）

3.4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)箱梁采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，跨徑為3×22 m。箱梁截面高1.4 m，寬2 049 cm，頂板厚25 cm，底板厚23 cm，邊腹板厚45 cm，中腹板厚42 cm，箱梁懸臂板端部厚20 cm，以圓弧形式過渡至梁底。箱梁中橫梁寬2 m，端橫梁寬1.5 m，如圖7所示。

3.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋墩采用鋼筋混凝土“V”字形實(shí)體橋墩，橋墩正面做10 cm輪廓內(nèi)凹，連續(xù)墩縱橋向厚1.0 m，橋墩承臺(tái)高1.5 m，橋墩樁基直徑1.2 m。過渡墩厚由1 m擴(kuò)大至1.6 m；橋臺(tái)采用樁接蓋梁橋臺(tái)，蓋梁高1.2 m，寬1.6 m，樁基直徑為1.2 m，如圖8所示。

圖7 主梁構(gòu)造（單位：cm）

圖8 下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造（單位：cm）

3.6 塔柱設(shè)計(jì)

如圖9所示，塔柱結(jié)構(gòu)采用鋼箱結(jié)構(gòu)，塔柱橫橋向中心線為橢圓弧，截面采用鋼箱截面，截面尺寸由1.0 m×1.5 m過渡至1.0 m×1.0 m，鋼板厚度由16 mm變至10 mm。塔柱橫向連接梁截面為2.0 m×1.0 m，V型撐截面1.0 m×1.0 m。塔柱基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。

圖9 塔柱構(gòu)造（單位：cm）

3.7 拉索設(shè)計(jì)

全橋共設(shè)置18對(duì)拉索，拉索錨固于主梁及塔柱上，索體結(jié)構(gòu)采用OVMRM5-19（Ⅴ）型熱鑄錨吊桿結(jié)構(gòu)，拉索PRE5-19，錨具規(guī)格OVMRM5-19，破斷荷載為623kN，安裝拉力為49.8kN，如圖10所示。

3.8 阻尼裝置設(shè)計(jì)

拉索阻尼裝置采用永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器，對(duì)外側(cè)較長3根索采用HFMR1擋，內(nèi)側(cè)較短索采用0擋調(diào)節(jié)，如圖11所示。

圖10 拉索構(gòu)造

圖11 阻尼裝置構(gòu)造（單位：mm）

4 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用橋梁博士V3.3及MIDAS Civil 2012進(jìn)行主梁及塔柱分析。

4.1 主梁分析

（1）承載力驗(yàn)算：荷載組合按CJJ—2011城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[2]進(jìn)行，材料采用其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。計(jì)算時(shí)考慮沖擊系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，如圖12和13所示，承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算滿足要求。

圖12 最大抗力及最大彎矩圖（單位：kN·m）

圖13 最小抗力及最小彎矩圖（單位：kN·m）

（2）正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度驗(yàn)算：按作用（或荷載）短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行驗(yàn)算，如圖14所示，計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2 mm。

圖14 短期效應(yīng)組合裂縫寬度（單位：mm）

4.2 塔索分析

橋塔塔柱采用鋼結(jié)構(gòu)，塔柱截面1.0 m×1.0 m過渡至1.0 m×1.5 m，塔柱橫向連接梁截面為2.0 m×1.0 m，V型撐截面1.0 m×1.0 m。拉索結(jié)構(gòu)采用OVMRM5-19（Ⅴ）型，索體采用 PES5-19型，安裝拉力為49.8 kN。計(jì)算結(jié)果如圖15～18所示。

圖15 塔柱一階振型（Hz=0.874）

圖16 塔柱二階振型（Hz=1.377）

圖17 包絡(luò)組合下應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖18 正面風(fēng)荷載下位移

（1）振型分析

（2）應(yīng)力分析

組合下最大應(yīng)力67 MPa＜310 MPa。

（3）位移分析

由上圖，正面風(fēng)荷載下最大1.5 cm

（4）穩(wěn)定分析

取下塔柱進(jìn)行驗(yàn)算N/ψA=21 MPa＜310 MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 整體設(shè)計(jì)

如圖19所示，龍馬河大橋主橋?yàn)檫B續(xù)箱梁橋，上部采用斜拉橋型式進(jìn)行裝飾，塔柱設(shè)置于第二聯(lián)中跨墩柱處，與墩柱形成有機(jī)結(jié)合，營造出橋梁宏偉大氣的整體特點(diǎn)。

圖19 橋梁實(shí)景鳥瞰

5.2 塔柱設(shè)計(jì)

塔柱為空間鋼箱結(jié)構(gòu)，塔高48 m，立面為單塔“A”字型，橫橋向?yàn)榘霗E圓弧，與橫撐構(gòu)成寓意“希望之眼”的造型，立面、橫斷面造型宏偉。拉索采用豎琴式空間拉索體系，造型優(yōu)美大氣，如圖20和21所示。

圖20 橋梁塔柱立面

圖21 橋梁塔柱橫斷面

5.3 減震體系

拉索阻尼裝置采用永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器，如圖22所示，無需供電，不受場(chǎng)地及外部條件制約，可根據(jù)減震實(shí)際需要設(shè)置不同的阻尼力檔位，實(shí)現(xiàn)不同索長分檔調(diào)節(jié)，減小低應(yīng)力索的風(fēng)雨振效應(yīng)。

圖22 橋梁阻尼裝置

5.4 避雷及航空警示系統(tǒng)

避雷系統(tǒng)及航空警示體系：避雷系統(tǒng)（避雷針—塔柱—基礎(chǔ)—承臺(tái)—樁基形成通路），避雷保護(hù)半徑不小于105 m，保證行人、車輛安全。同時(shí)設(shè)置航空警示系統(tǒng)，保證航行安全，如圖23所示。

圖23 避雷及航空警示系統(tǒng)

5.5 人文與環(huán)境特點(diǎn)

橋梁所在位置穿越龍馬河主題公園，橋融于景，景更襯橋。河?xùn)|岸以“龍”為主題，西岸以“鳳”為主題，橋梁設(shè)計(jì)與龍鳳主題呼應(yīng)，和諧自然、相得益彰。橋梁的建成為該主題公園的標(biāo)志性建筑之一，如圖24所示。

圖24 橋梁景觀融合

6 結(jié)語

對(duì)于有景觀要求的橋梁設(shè)計(jì)，在充分分析周邊環(huán)境的基礎(chǔ)之上，利用橋梁結(jié)構(gòu)形式與環(huán)境做到相互融合、相互滲透是我們橋梁設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。本文通過對(duì)龍馬河大橋的概念性方案對(duì)比及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，為同類橋梁的塔柱及拉索設(shè)計(jì)、景觀概念設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。