神農湖獨塔斜拉橋設計分析

牛偉迪

［同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

隨著社會的發展,人們對精神層面的審美要求不斷提高，城市橋梁不僅需要滿足基本的交通功能，對其建筑景觀功能也提出了更高的要求。因此，橋梁的景觀造型往往成為方案設計的重要考慮因素。斜拉橋以其結構受力性能良好、索塔造型豐富、景觀表現手法多樣等優點而被設計師青睞[1]。現以山西省長治市神農湖大橋為背景，介紹其主要設計過程，為類似橋梁設計提供借鑒。

神農湖大橋位于山西省長治市漳澤水庫國家濕地公園濱湖景觀大道，道路等級為城市主干路，設計車速為60 km/h。大橋全長520.98 m，其中，主橋為獨塔雙索面斜拉橋，兩側連接道路的引橋為PC連續梁；跨徑布置為（4×32.5）m+（2×130）m+（4×32.5）m。

主要技術標準如下：

（1）汽車荷載：城—A級。

（2）主橋平面位于直線段；主橋立面位于豎曲線R=11 000 m的凸曲線上，前坡、后坡為±0.5%。

（3）抗震設防要求：地震基本烈度7度；地震動峰值加速度0.10g；橋梁抗震設防分類：主橋為甲類，引橋為乙類。

（4）水務標準：航道等級不通航；測時水位：900.17～900.25 m；100 a一遇最高洪水位：903.61 m。

1 結構設計

1.1 總體設計

該項目在方案設計階段定位為地標性的景觀建筑，主橋方案以“風帆”為主題，提取其造型特點，結合斜拉橋的索塔與拉索，形成該橋的最終方案（見圖1、圖2）。

圖1 神農湖大橋索塔造型方案圖

圖2 神農湖大橋鳥瞰效果圖

主橋采用塔梁墩固結體系-獨塔鋼結構斜拉橋；跨徑布置（2×130）m；索塔總高109 m；主梁采用分離式雙邊箱鋼箱梁，中心梁高3.5 m；斜拉索為空間雙索面密索體系，梁上標準索間距9 m，塔上索間距2.75～3.15 m；索塔基礎為鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m（見圖3）。

圖3 主橋立面布置圖（單位：m）

橋梁標準寬度：0.3 m（欄桿）+2.7 m（人行道）+3.5 m（非機動車道）+2.5 m（錨索區）+11 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+6 m（索塔區）+0.5 m（防撞護欄）+11 m（機動車道）+2.5 m（錨索區）+3.5 m（非機動車道）+2.7 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=47 m（見圖4）。

圖4 索塔處橫斷面圖（單位：m）

1.2 索塔設計

1.2.1 索塔外形

該橋索塔總高109 m，橋面以上塔高88 m。關于道路中心線和分孔線對稱布置,順橋向呈“人”字造型，立面從下至上由雙塔柱按照樣條曲線合并為獨塔柱，索塔塔壁均為空間曲面。

1.2.2 塔柱總體布置

索塔從下至上共分為12個節段，見圖5所示。

圖5 索塔總體布置圖（單位：m）

節段1為預應力混凝土塔柱節段，采用單箱雙室截面，外輪廓尺寸為六邊形截面，塔壁厚度為1.2 m，中腹板厚度為1.0 m。

節段2為鋼混結合段，采用雙端板承壓的傳力方式，實現鋼塔柱與混凝土塔柱之間的有效傳力。混凝土塔柱鋼筋在兩層端板上分批錨固，上層承壓端板板厚46 mm；下層端板鋼板厚度40 mm。同時，為保證鋼結構與混凝土的結合，采用PBL鋼筋與剪力釘組合的結合方式[2]。

節段3～節段12為鋼塔柱段，其壁板厚度根據總體計算沿塔高變化；根據壁板厚度及截面尺寸采用塔壁采用T型和板式兩種加勁形式；橫隔板沿塔柱水平布置。節段3為塔梁固結段，實現索塔與主梁的固結體系，索塔塔壁與主梁頂底板焊接，并增加兩道腹板加強受力；節段4為上塔柱雙柱段；節段5、節段6為分叉合并段，索塔在該段由雙柱合并為單柱；節段8～節段11為索塔錨固段，對稱布置24對拉索錨固結構，節段12為索塔塔冠。

1.2.3 索塔截面

索塔采用多邊形截面，其雙塔柱段主受力截面為6邊形截面，合并后單塔柱主受力截面為10邊形；鋼塔柱順橋向兩側采用圓弧板進行裝飾。索塔特征截面見圖6～圖8所示。

圖6 索塔混凝土及鋼混結合段斷面圖（單位:m）

圖8 索塔鋼結構單柱段斷面圖（單位:m）

1.2.4 索塔錨固構造

索塔錨固結構采用鋼錨管形式錨固斜拉索；在拉索平面內設置上下兩道錨板用于輔助錨管傳力，分別與壁板和隔板焊接；錨板設置翼緣板。錨管端部設置兩塊矩形承壓板。錨固隔板間距根據斜拉索安裝空間需求，采用不等間距布置（見圖9）。

圖7 索塔鋼結構雙柱段斷面圖（單位:m）

圖9 錨固構造軸側示意圖

1.3 主梁設計

1.3.1 主梁結構

主梁總寬47 m，采用雙邊箱及橫梁組成的π型斷面，兩側邊箱為單箱雙室截面，主梁整體關于索塔中心線對稱布置。主梁中心梁高3.5 m；兩側邊箱寬度均為9 m，邊箱中心距為32 m；挑臂長3m。主梁頂、底板箱室內均采用U型加勁肋；頂板懸臂位置采用平鋼板加勁肋；主梁頂板靠近索塔處設置一道倒T小縱梁（見圖10）。

圖10 主梁標準段截面圖（單位：m）

1.3.2 主梁節段劃分及主要尺寸

主梁由索塔至梁端劃分為A、B、C1～3、D、E共計7種類型，節段劃分如圖11所示。

圖11 主梁節段劃分圖（節段尺寸單位：m；板厚單位：mm）

1.3.3 主梁錨固構造

主梁采用錨箱式錨固，錨箱安裝在主梁中腹板外側，并與其焊成一體。斜拉索拉力通過錨箱的錨固板傳遞給主梁腹板，主梁腹板和承壓板內側均設置了補強板，以利于錨固處的應力合理分散到主梁上。

1.4 斜拉索

主橋采用密索體系，共對稱布置設置24對斜拉索，斜拉索梁端間距為11×9 m；塔端根據張拉斜拉索角度和張拉空間等因素，采用不等間距布置，間距由下至上為（3.1+3+2.9+8×2.75）m；斜拉索采用規格為PES7-121的平行鋼絲斜拉索，標準強度1 770 MPa；全橋共48根。

2 基于CATIA的索塔BIM正向設計

主橋索塔設計過程具有以下難點：

（1）方案到施工圖階段，索塔造型尺寸需在受力和外觀兩方面進行協調；

（2）索塔為三維空間曲面異形塔造型,設計放樣難度較大；

（3）索塔錨固構造由于空間曲面和斜拉索角度不同，導致其構造設計復雜；

（4）塔內各細部構件相互關聯、容易發生碰撞。

采用基于CATIA的索塔BIM正向設計可以解決上述難點，有效地降低設計難度[3]。

2.1 索塔外形設計

初步設計階段，索塔尺寸擬定時需兼顧結構受力和整體造型的需要。因此，在設計過程中，存在根據計算和景觀效果對索塔尺寸進行調整的反復過程。采用參數化設計，橋塔尺寸可根據計算結果及時調整且整體效果隨時可見，使得優化過程方便快捷有效，保證索塔的設計效果。塔壁空間曲面可在模型中直接生成（見圖12）。

圖12 索塔外形設計圖

2.2 錨固構造參數化設計

索塔錨固構造采用鋼錨管+錨板的結構形式。由于索塔為空間曲面異形塔，因此全橋共12組（M1~M12）構造相似但尺寸和角度均不同的錨固構造。

在該項目設計過程中，以最長索M12錨固構造為模板，設置斜拉索角度、出索點位置等為基礎參數，通過調整基礎參數批量生成其余錨固構造。由于角度關系，M1、M2錨固構造無法采用標準模板生成，故只能進行單獨設計（見圖13~圖15）。

圖13 索塔錨固構造總體模型

圖14 索塔錨固構造標準模型

圖15 索塔錨固構造特殊模型

同時，在設計過程中，可直觀檢查發現塔內構件是否相互碰撞，進而通過修改參數即可調整各構件的空間關系，有效地避免構件發生碰撞，避免出現設計錯誤。

2.3 索塔二維表達

為了更好地將三維空間結構進行二維圖紙表達，該橋索塔外形及構造在繪圖時以控制點三維坐標為基礎，并根據索塔壁板、橫隔板、加勁肋、錨固結構等構造參數進行定位放樣。

索塔控制點局部坐標系定義如下：（1）原點在道路中心線與主橋分孔線交點且85國家高程系統為+897.777處；（2）X軸為順橋水平方向，正向指向大樁號方向；（3）Y軸為橫橋水平方向，向西為正；（4）Z軸為豎向，向上為正（見圖16）。

圖16 索塔局部坐標系示意圖

節段1～節段4以控制點0～4為基礎進行放樣，節段5～節段6以控制點0～8為基礎放樣；節段7～節段12以控制點0～2、7～8、5～6為基礎放樣。索塔三維坐標可由CATIA軟件直接導出（見圖17）。

圖17 索塔節段控制點位置圖

索塔主受力截面的控制點為：索塔斷面相鄰壁板外邊線延長線的虛交點，共計控制點1～8；索塔裝飾板的控制點0為裝飾圓弧板的頂點。控制點大樣見圖18所示。

圖18 索塔控制點大樣圖

結合索塔的構造特點和三維模型正向設計的優勢，索塔節段圖紙采用“總體定位+三維控制點坐標+軸側示意圖+板件投影圖+特征截面”的表達方式（見圖19），不僅可以使讀圖者方便直觀地理解三維結構，同時索塔的控制點三維坐標可保證板件制作安裝時的精度要求。

圖19 索塔節段圖

3 結構分析

3.1 總體計算概況

主橋整體結構靜力計算采用Midas/Civil空間桿系有限元方法進行計算，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單元，并計入由于垂度效應引起的彈性模量折減。主梁采用雙主梁模型，并計入小縱梁對橫向剛度的影響，主梁通過橫向剛臂與拉索節點連接。有限元計算模型見圖20所示。

3.2 總體靜力計算

計算荷載考慮了永久作用包括結構自重、二期恒載、基礎變位、混凝土收縮徐變，以及可變作用包括：車道荷載、人群荷載、風荷載、溫度荷載。總體靜力計算對以下方面進行了驗算，結果表明，受力滿足規范要求[4-5]：

（1）主梁、主塔承載能力極限狀態驗算；

（2）主梁、主塔正常使用狀態驗算；

（3）主梁疲勞驗算；

（4）斜拉索承載能力及疲勞應力幅；

（5）腹板、加勁肋等構件局部穩定驗算；

（6）整體穩定驗算；

（7）短暫工況施工階段及換索工況驗算；

（8）斷索偶然工況驗算；

（9）施工階段主橋驗算。

3.3 索塔局部分析

索塔分叉合并段及塔梁固結段構造復雜（見圖21），有必要對其受力特性進行具體分析。

圖21 索塔三維示意圖

采用有限元軟件ANSYS建立節段局部模型，為減小邊界效應的影響，對塔柱節段3（塔梁固結段）、節段4（下塔柱雙柱段）、節段5（分叉合并段）、節段6（合并段）及部分主梁進行建模；采用自底向上的建模方式，利用BIM三維模型導出索塔的高精度三維坐標生成關鍵點，再進一步連成線并生成索塔平面，形成幾何模型，采用三角形網格劃分模型生成有限元模型進行驗算；模型采用彈性殼單元（shell63）和質量單元（Mass21）。

在索塔頂端和梁端，利用主從節點形成剛性面，根據總體計算的結果，選取最不利工況將結構內力施加于主節點處；在塔梁固結段底部的節點施加全固結約束。索塔局部三維模型見圖22所示。

圖22 索塔局部有限元模型

根據計算，除節段3塔壁壁板與主梁上下底板連接處、節段5的塔壁中間拐角處，以及橫隔板與塔壁連接處，局部出現應力集中現象外，節段3（塔梁固結段）構件等效應力小于225 MPa，節段5（分叉合并段）構件等效應力小于200 MPa；索塔節段3（塔梁固結段）和節段5（分叉合并段）受力安全可靠。

4 橋梁施工

主塔利用塔吊采用節段拼裝施工，主梁采用支架+吊裝施工，待主塔和主梁施工完成后進行拉索安裝及張拉，實施二期荷載后進行調索，使成橋內力和線形等滿足設計要求。施工步驟如下：

（1）人工筑島+棧橋施工；場地整平、支架范圍平整、硬化。

（2）索塔基礎處進行鋼板樁圍堰，施工樁基、承臺；塔吊基礎施工。

（3）主墩承臺搭設下塔柱支架并預壓；利用履帶吊開始拼裝塔吊。

（4）施工索塔塔座、下塔柱混凝土段和鋼-混凝土結合段；利用履帶吊拼裝塔吊至獨立高度。

（5）由履帶吊配合塔吊、吊裝拼接索塔鋼結構部分；同步搭設主梁支架并預壓。

（6）由履帶吊配合塔吊，支架吊裝拼接主梁階段；分塊澆筑橋面UHPC。

（7）由索塔至梁端方向依次對稱安裝斜拉索并張拉；由索塔至梁端依次對稱拆除主梁支架；施工除瀝青混凝土鋪裝以外所有的二期附屬工程。

（8）由索塔至梁端方向依次對稱調節索力；施工瀝青鋪裝；拆除塔吊等施工設施，河道恢復；全橋貫通，準備通車。

5 結語

本文以山西省長治市神農湖大橋為背景，對大橋的方案構思、總體設計，以及對索塔、主梁、斜拉索、錨固構造等主要結構進行介紹；接著，介紹了基于CATIA的索塔BIM正向設計過程，包括索塔外形、錨固構造在設計過程中對參數化的運用，并簡要說明了三維空間索塔結構二維圖紙的表達方法；然后，對橋梁結構進行了整體靜力分析和局部分析，結果表明，橋梁結構設計合理，驗算結果滿足要求；最后，介紹了該橋的施工方案。其研究成果可為同類橋梁的設計、計算提供建議和參考。