鴨蛋拱形橋塔的三岔形人行景觀斜拉橋設計

徐金法

(江蘇交通工程咨詢監理有限公司，南京 211800)

隨著鋼化夾膠玻璃技術的不斷完善，水族館、景觀橋、觀景臺以及懸空棧道等建筑設施廣泛運用該類新技術相關材料。隨著橋梁設計水平的提高,設計師們更加關注橋梁結構的美學特性；近年來旅游業的快速發展也推動了風景區內景觀玻璃橋梁的建造[1-3]。

雞鳴三省大峽谷地處云南、四川和貴州接壤之地，赤水河和渭河劈崖交匯，蜿蜒曲折，從雞鳴三省谷底噌吰而過[4]。雞鳴三省大峽谷常出現霧溢長河、山纏霧帶、峽谷漲水、斜陽穿峽、跨省彩虹等巧奪天工的獨特奇觀，極大地增添了雞鳴三省的神秘魅力[5]。

為將生態優勢轉化為經濟優勢，充分利用地域景觀資源，雞鳴三省大峽谷需建設人行景觀玻璃橋。傳統的直線形景觀玻璃橋不能適應雞鳴三省大峽谷的地形地貌，需建設一座三岔形人行景觀玻璃橋[6-8]，從而推動當地旅游經濟的發展。

本項目提出一種三岔形橋面的人行景觀玻璃斜拉橋方案，該斜拉橋塔改良為鴨蛋拱形橋塔，橋面形式采用環形三岔交叉橋面，橋面中央設置一個巨大的圓形觀光天井，橋面加勁梁為變截面魚腹梁結構，橋面板為透明的鋼化夾膠玻璃，欄桿為銀色金屬欄桿。空間斜拉纜索交錯懸吊玻璃橋面，形成造型獨特的三岔形人行景觀玻璃斜拉橋，同時進一步提升雞鳴三省大峽谷景區的人文內涵。

結合雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋的設計，開展三岔形人行景觀玻璃斜拉橋的構形研究，進行工程參數設計，并建立MIDAS有限元模型，開展動力模態研究，以便驗證三岔形人行景觀玻璃斜拉橋的結構優越性。

1 構型研究

雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋的三岔形橋面由直線段橋面和曲線過渡段橋面組成，直線段橋面互成120°，三個直線段橋面經由圓弧狀曲面過渡段連接，橋面中心設置巨大的圓形觀光天井，橋面中心點至鴨蛋拱形橋塔根部中心線距離為100 m。

改革傳統人行景觀斜拉橋結構，采用鴨蛋拱形橋塔代替門式橋塔結構，鴨蛋拱形橋塔由上部拋物線和左右橢圓弧線組成，造型美觀，可提升人行懸索橋的景觀品位。

雞鳴三省大峽谷的三岔形橋面人行景觀玻璃斜拉橋的構造對景觀橋塔設計提出了新的要求，傳統斜拉橋門式橋塔既不能滿足空間纜索的固定需求也略顯沉悶，為更好地配合空間斜拉纜索網、豐富景觀橋層次感，該設計采用造型美觀的鴨蛋拱形橋塔，鴨蛋拱形橋塔的幾何構形如圖1所示。

圖1 鴨蛋拱形橋塔的幾何構形

鴨蛋拱形橋塔與通常的拋物線拱形橋塔不同，拋物線拱形橋塔的下部是發散向外扒開的造型，鴨蛋拱形橋塔的下部是向內收斂的造型。鴨蛋拱形橋塔占地面積更少，適合窄小的山區景觀平臺環境。

鴨蛋拱形構型優美，結構新奇、輕盈，外形流暢且形式多變，根據實際需求方便修改，可廣泛適用于各類景觀橋梁的橋塔設計，雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋采用別具新意的鴨蛋拱形橋塔可以協調景區環境。隨橋面曲線變化，靠近橋面中心圓處的加勁梁跨度較大，采用魚腹式變截面鋼梁，以達到增大截面高度而不過多增加自重和耗材的目的，同時也豐富了峽谷仰視的橋面景觀。三岔形曲線橋面和曲線形鴨蛋拱形橋塔二者曲線造型可與雞鳴三省大峽谷環境協調，建筑搭配合理，優勢互補，是結構學和建筑學的理想結合。三岔形曲線橋面交通流暢，三個巨型鴨蛋拱形橋塔門洞象征三省門戶。雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋如圖2所示。

圖2 雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋

2 有限元模型的建立

雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋橋面中心點至鴨蛋拱形橋塔底部水平距離為100 m，引橋跨度均為24 m。鴨蛋拱形橋塔采用鋼管混凝土橋塔結構，鋼管直徑為2.5 m，鋼管壁厚為18 mm，內灌C40混凝土，鴨蛋拱形橋塔傾斜角度為15°，最高處為55 m，橋塔最寬處為40 m，其中拋物線段塔頂的寬度為30 m，矢高為8 m，橢圓弧線段塔柱高度為47 m，支座處設置1根水平橫桿支撐橋面。

斜拉索分散錨固于鴨蛋拱形橋塔之上，每個鴨蛋拱形橋塔各有2組11對斜拉索，共66根斜拉索；每個鴨蛋拱形橋塔各有2組5對斜拉背索，共30根斜拉背索。斜拉纜索直徑為0.15～0.2 m，斜拉纜索采用1670 MPa的鍍鋅高強度鋼絲。玻璃橋面鋼結構加勁梁如圖3所示。

圖3 玻璃橋面鋼結構加勁梁

直線段橋面寬度為15 m，橋面中心天井洞口半徑為20 m，橋面曲線封口梁按橋面圓弧曲線變化，其圓弧半徑為175 m，在橋面中心天井洞口周圍也設置一道封口梁。

橋面采用鋼梁網格結構，梁間距為8 m，由于橋面為曲線變化，由引橋至中心處橋面加勁梁跨度逐漸增大。直線段橋面加勁梁長為15 m，加勁梁采用矩形鋼管的鋼梁結構，梁寬均為1 m，梁截面高度為2～3.5 m，曲線段橋面加勁梁為魚腹式變截面鋼梁，增加鋼梁截面高度以滿足跨中處玻璃橋面的承載力要求。橋面魚腹式鋼梁結構如圖4所示。

圖4 橋面魚腹式鋼梁結構(單位：m)

雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋的MIDAS模型如圖5所示。

圖5 雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋的MIDAS模型

3 豎向荷載作用下的計算結果

對主跨橋面做滿荷加載，橋面附加恒荷載采用均布荷載標準值5 kN/m2，橋面活荷載采用均布荷載標準值4 kN/m2，豎向荷載作用下的計算結果如圖6所示。

(a) 撓度

最大豎向位移出現在跨中位置，去除成橋狀態的找形誤差后，豎向荷載作用下的豎向撓度為0.224 m，滿足規范規定的1/500限值要求。纜索最大內力為37 548.6 kN，纜索最大應力為758.2 MPa，滿足強度要求。橋塔最大內力為537 663 kN，橋塔最大應力為77.9 MPa，滿足強度要求。

4 模態計算結果

主纜是斜拉橋的主要承力結構，動力特性分析建模時以初拉力的形式計入主纜和吊索的成橋內力。基于MIDAS的非線性靜力分析、應力剛化效應和模態分析功能，進行自振特性分析。為了不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程。典型模態如圖7所示。

(a) 1階振型(0.549 Hz)

由圖7可知，1階振型為正對稱豎彎，頻率為0.549 Hz；15階振型為扭轉振型，頻率為1.568 Hz。整體振型密集，出現明顯的振型分組現象，振型以豎彎和側彎振動為主，直到15階才出現正對稱扭轉振型，扭彎頻率比值為2.86，比值較高表明其具有良好的抗風穩定性。

5 結語

以雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋為工程背景，進行鴨蛋拱形橋塔的三岔形橋面斜拉橋的構形研究，建立MIDAS有限元模型，進行豎向荷載作用下的靜力分析，開展動力模態分析，得出以下結論。

(1) 改革傳統的斜拉橋門式斜拉橋塔，提出新型鴨蛋拱形斜拉橋塔的設計方案，鴨蛋拱形橋塔具有造型美觀、占地面積小、錨固分散、纜索方便、力學性能優良和施工便捷等優勢，該新型橋塔適合窄小的山區景觀平臺環境。

(2) 三岔形人行景觀玻璃橋面與鴨蛋拱形橋塔二者互相匹配，空間曲線形建筑結構元素與雞鳴三省大峽谷環境之間互相協調，可大幅提升景區的人文內涵，是結構學和建筑學的理想結合。

(3) 三岔形空間斜拉橋豎向剛度大、跨越能力強，其最大豎向位移出現在跨中位置，豎向恒荷載和活荷載作用下的豎向撓度為0.224 m，滿足規范要求。纜索最大內力為37 548.6 kN，纜索最大應力為758.2 MPa，滿足規范要求。

(4) 振型以豎彎和側彎振動為主，直到15階才出現正對稱扭轉振型，扭彎頻率比值為2.86，比值較高表明三岔形橋梁結構牢固，具有良好的抗風穩定性。