觀光塔樓式橋塔的人行景觀三塔斜拉橋設(shè)計

李碧卿

(江蘇東南特種技術(shù)工程有限公司,南京 210008)

湖景公園是指以湖水為主體并建有一定規(guī)模旅游休閑設(shè)施的公園，是可供旅游觀光和休閑娛樂的生態(tài)型主題公園[1-2]。隨著湖景公園觀光塔樓建筑和景觀橋梁的逐漸增多，有必要協(xié)調(diào)景區(qū)交通橋梁和景區(qū)觀光塔樓的基本需求[3-7]，將觀光塔樓建筑和景觀橋梁二合一，功能互補，形成湖景公園標志性的特色建筑物，豐富景區(qū)文化內(nèi)涵[8-10]。

湖景公園水面一般較寬闊，橋梁景觀性要求高，適宜采用觀光塔樓式橋塔的超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，中間橋塔采用觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)橋塔采用鴨蛋拱形橋塔結(jié)構(gòu)，加勁梁橋面種植植物，生態(tài)環(huán)保。建造湖景公園的超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋，可提升人行景觀橋梁的美學(xué)效果。

本文結(jié)合新疆白沙湖湖景公園的超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋設(shè)計，開展觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)的人行景觀斜拉橋構(gòu)形研究，進行工程參數(shù)設(shè)計，建立MIDAS有限元分析模型，開展豎向荷載作用下的內(nèi)力分析和動力模態(tài)分析研究，以便驗證觀光塔樓結(jié)構(gòu)和斜拉橋橋塔結(jié)構(gòu)的匹配合理性。

1 構(gòu)型研究

白沙湖位于新疆阿勒泰地區(qū)哈巴河縣境內(nèi)，新疆白沙湖景區(qū)為國家5A級旅游景區(qū)，白沙湖是一個被沙丘環(huán)繞的沙漠小湖，南北長約為1 200 m，東西寬約為500 m。

為了提升新疆白沙湖湖景公園兩岸旅游交通建設(shè)，擬在此建造一座人行景觀多塔斜拉橋，該橋主跨徑為80 m+2×240 m+80 m。為了配合景區(qū)生態(tài)景觀要求，采用基于觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)的超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋的設(shè)計形式。斜拉橋三維圖如圖1所示。

圖1 斜拉橋三維圖

該斜拉橋為三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，中間橋塔采用單葉雙曲面造型的觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)橋塔結(jié)構(gòu)采用鴨蛋拱形橋塔結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的三塔斜拉橋中間索塔兩側(cè)沒有設(shè)置輔助過渡墩，缺少對主梁和索塔剛度的約束幫助，使得柔性獨柱橋塔結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大，三塔斜拉橋中間跨的主梁活荷載撓度比常規(guī)斜拉橋相應(yīng)撓度也要大很多。因此，中間橋塔設(shè)計時采用結(jié)構(gòu)剛度較大的觀光橋塔，可大幅提高豎向剛度，減少中間跨的主梁活荷載撓度，滿足景觀性和結(jié)構(gòu)安全性的功能要求，一舉兩得。

該人行景觀三塔斜拉橋橋面結(jié)構(gòu)采用變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。在中間塔支座處，變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)與觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)牢固連接；在邊塔支座處，變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)擱置在鴨蛋拱形橋塔之上。

變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)平面呈現(xiàn)出兩端寬、中間窄的雙曲面形狀，空間造型美觀；變截面加勁梁可以減輕跨中自重荷載，加勁梁結(jié)構(gòu)剛度中間小、兩端大，有利于三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力。

多股斜拉索分批錨固于觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)和鴨蛋拱形結(jié)構(gòu)的頂部，多股斜拉索分批斜向吊住變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。斜拉橋效果如圖2所示。

圖2 斜拉橋效果

觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置巨型圓環(huán)形混凝土曲梁兼作人行觀光平臺，環(huán)形吊索斜向吊住巨型圓環(huán)形混凝土曲梁，觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)與巨型圓環(huán)形混凝土曲梁之間設(shè)置多根放射狀混凝土連系梁。

人行景觀斜拉橋和觀光塔樓共享相同的塔身和基礎(chǔ)，節(jié)約湖景公園改造建設(shè)投資，經(jīng)濟效益顯著。觀光塔樓和斜拉橋橋塔合二為一，功能互補、造型新穎、立面豐富，提升了人行景觀橋梁的美學(xué)效果。單葉雙曲面造型的小蠻腰觀光塔樓、鴨蛋拱形橋塔和單葉雙曲面狀變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁三者曲線結(jié)構(gòu)相輔相成，呈現(xiàn)出曲線構(gòu)型的婀娜多姿。

人行景觀三塔斜拉橋的橋面設(shè)置花壇、藤蔓廊架、花盆和涼亭等休閑建筑小品，生態(tài)環(huán)保，可增加人行景觀三塔斜拉橋的文化內(nèi)涵。該斜拉橋施工包括以下步驟。

(1)在湖景公園景區(qū)進行人行景觀斜拉橋的橋址選定，并進行樁基礎(chǔ)施工，中間為觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為鴨蛋拱形橋塔結(jié)構(gòu)。

(2)橋塔頂部安裝斜拉索，采用多節(jié)段懸臂澆筑法，現(xiàn)場對變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)進行施工直至橋面合龍。

(3)觀光塔塔身頂部安裝吊索，吊裝施工巨型圓環(huán)形混凝土曲梁和放射狀混凝土連系梁，形成圓環(huán)狀觀光平臺。

(4)在橋面安裝花壇、藤蔓廊架、花盆和涼亭等休閑建筑小品，形成生態(tài)橋面。

(5)進行觀光塔樓內(nèi)部裝潢，安裝電梯、欄桿和路燈，最終投入運營。

2 有限元模型的建立

新疆白沙湖湖景公園大跨徑人行景觀三塔斜拉橋的主跨徑為80 m+2×240 m+80 m，中間橋塔采用單葉雙曲面造型的觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)橋塔采用鴨蛋拱形橋塔，橋面結(jié)構(gòu)采用變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(單位：m)

觀光斜拉橋塔高度為100.5 m，觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)是由觀光塔底座、觀光塔塔身和觀光塔塔頂組成。觀光塔底座高度為5.5 m，作為接待大廳使用；觀光塔塔身高度為75 m，是單葉雙曲面筒中筒結(jié)構(gòu)；觀光塔塔頂高度為20 m，是倒錐殼形鋼結(jié)構(gòu)。

觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)底部采用樁基礎(chǔ)，觀光塔塔身采用內(nèi)部鋼筋混凝土核心筒和外部鋼管混凝土框筒的筒中筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋼筋混凝土核心筒設(shè)置螺旋樓梯和1臺圓形電梯，內(nèi)筒直徑為12 m；外部鋼管混凝土框筒采用單葉雙曲面外形，外筒直徑為12～24 m，框筒立柱直徑為1.4 m、壁厚為25 mm，由內(nèi)灌C50混凝土的8根雙曲線外形的鋼管混凝土柱構(gòu)成，設(shè)置鋼環(huán)梁結(jié)構(gòu)與8根雙曲線鋼管混凝土柱相連，鋼環(huán)梁采用直徑為900 mm、壁厚為16 mm 的鋼管，鋼環(huán)梁每6 m設(shè)置1道，形成單葉雙曲面外形的外部鋼管混凝土框筒。在內(nèi)部鋼筋混凝土核心筒和外部鋼管混凝土框筒間，設(shè)置多道橫隔板加強層(每18 m設(shè)置1道)。橋塔結(jié)構(gòu)效果如圖4所示。

圖4 橋塔結(jié)構(gòu)效果

兩側(cè)鴨蛋拱形橋塔由拋物線段塔頂和左右2個橢圓弧線段塔柱組成，橋塔最高處為65 m，橋塔最寬處為40 m，其中拋物線段塔頂?shù)膶挾葹?2 m，矢高為7 m，橢圓弧線段塔柱高度為58 m，鴨蛋拱形橋塔采用邊長為5 m的方形鋼管，鋼管壁厚為18 mm，內(nèi)灌注C40混凝土，鴨蛋拱形橋塔采用樁基礎(chǔ)，傾斜角度為24°。

變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)是半個單葉雙曲面形狀，一端固定在觀光塔塔身之中，另一端設(shè)置在鴨蛋拱形橋塔塔身上，變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁橋面寬度為10～20 m，梁高為2.5～4 m，剖面是橢圓弧形結(jié)構(gòu)，混凝土箱梁頂板厚度為250～350 mm，混凝土箱梁橢圓弧形底板厚度為200～300 mm，中間縱向腹板為波形鋼腹板，橫隔板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橫隔板，橫隔板間距為60 m。

該三塔斜拉橋橋跨布置為80 m+2×240 m+80 m的不等跨斜拉橋，邊跨為非對稱斜拉橋，其結(jié)構(gòu)處理方法為：采用變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，減少跨中荷載自重；采用傾斜的鴨蛋拱形橋塔，同時進行斜拉橋邊跨配重和增設(shè)邊跨地錨纜索等技術(shù)措施，以便調(diào)整邊塔結(jié)構(gòu)的不平衡內(nèi)力。該設(shè)計在80 m邊跨段混凝土箱梁加勁梁內(nèi)部填充煉鋼爐渣，高度為0.8 m。

全橋共計2跨×18對鋼絲纜索，中間觀光橋塔左右為7對纜索，鋼絲纜索是直徑為0.25 m的高強鋼絲纜索，纜索間距為15 m；左右2個鴨蛋拱形橋塔內(nèi)側(cè)有7對纜索，鋼絲纜索是直徑為0.25 m的高強鋼絲纜索，纜索間距為15 m；左右2個鴨蛋拱形橋塔外側(cè)有4對扭背纜索，纜索直徑為0.3 m，纜索間距為20 m；平行鋼絲纜索采用預(yù)制平行鋼絲索股法(PPWS法)的相關(guān)工藝，并采用1 770 MPa的Φ5.2 mm高強鋼絲。

觀光塔塔身四周設(shè)置巨型圓環(huán)形混凝土曲梁作為觀光平臺，巨型圓環(huán)形混凝土曲梁中心直徑為60 m，巨型圓環(huán)形混凝土曲梁梁寬為6 m、梁高為2.5 m，采用單箱單室橢圓弧形混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，混凝土箱梁頂板厚度為200 mm，混凝土箱梁橢圓弧形底板厚度為160 mm。

巨型圓環(huán)形混凝土曲梁由8根直徑為0.2 m的高強鋼絲纜索斜拉錨固于觀光塔塔身的頂部，巨型圓環(huán)形混凝土曲梁與觀光塔塔身之間設(shè)置6道混凝土連系梁，防止巨型圓環(huán)形混凝土曲梁側(cè)向變形。

根據(jù)設(shè)計定義截面尺寸及材料屬性，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸合理分割單元并建立節(jié)點。變截面橢圓弧形單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)采用變截面混凝土梁單元模擬，圓環(huán)形混凝土曲梁采用等截面混凝土梁單元模擬，鴨蛋拱形橋塔及觀光塔主塔均采用柱梁單元模擬，斜拉索采用僅受拉索單元模擬。MIDAS有限元模型如圖5所示。

圖5 MIDAS有限元模型

3 豎向荷載作用下的計算結(jié)果

依據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)中相關(guān)要求對主跨橋面做滿荷加載，考慮到橋面鋪裝層和花壇建筑小品，橋面附加恒荷載采用均布荷載，標準值為8 kN/m2，斜拉橋邊跨煉鋼爐渣配重為均布荷載，標準值為40 kN/m2，橋面活荷載采用均布荷載，標準值為5 kN/m2。

考慮到三塔斜拉橋中間跨主梁剛度問題是該橋設(shè)計的關(guān)鍵問題，因此對該橋滿跨活荷載與隔跨不利布置活荷載的受力工況進行結(jié)構(gòu)計算，豎向荷載作用下的計算結(jié)果如下。

1)滿跨活荷載工況

滿跨活荷載工況的計算結(jié)果如圖6所示，最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，豎向活荷載作用下的豎向撓度為0.231 m，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。纜索最大內(nèi)力為26 588.5 kN，纜索最大應(yīng)力為541.7 MPa，滿足強度要求。塔梁單元最大應(yīng)力為79.9 MPa，滿足強度要求。

(a)豎向荷載作用下位移計算結(jié)果

2)隔跨不利布置活荷載工況

隔跨不利布置活荷載工況的計算結(jié)果如圖7所示，不利布置活荷載作用下(僅右側(cè)一跨布置活荷載)，橋面的最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，豎向活荷載作用下的豎向撓度為0.261 m，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。沒有布置活荷載的橋面跨中出現(xiàn)向上0.105 m的輕微幅度反拱變形。中間橋塔的塔頂側(cè)向位移為0.018 m，滿足規(guī)范要求。塔頂受力彎曲后的傾斜率為0.024%，滿足規(guī)范要求，這表明中間的觀光塔樓式橋塔剛度較大，可避免三塔斜拉橋獨柱中塔的弱塔結(jié)構(gòu)問題。纜索最大內(nèi)力為28 684.9 kN，纜索最大應(yīng)力為584.4 MPa，滿足強度要求。塔梁單元最大應(yīng)力為81.1 MPa，滿足強度要求。

(a)豎向荷載作用下位移計算結(jié)果

三塔斜拉橋的中間索塔兩側(cè)沒有設(shè)置輔助過渡墩，缺少對主梁和索塔剛度的約束幫助，使得柔性獨柱橋塔結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大，三塔斜拉橋中間跨的主梁活荷載撓度比常規(guī)斜拉橋相應(yīng)撓度大很多。

三塔斜拉橋設(shè)計方案能否順利實施的關(guān)鍵是可否解決好中間跨主梁剛度問題，因此在設(shè)計中間橋塔時采用結(jié)構(gòu)剛度較大的觀光橋塔，可以大幅提升豎向剛度，有效減少中間跨主梁不利活荷載作用下的跨中撓度，觀光塔樓結(jié)構(gòu)和斜拉橋橋塔結(jié)構(gòu)可合二為一，具有良好的結(jié)構(gòu)匹配性。

4 模態(tài)計算結(jié)果

基于MIDAS軟件的非線性靜力分析和模態(tài)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。各階振型如圖8所示。

(a)1階振型(反對稱豎彎)

1階振型為反對稱豎彎，頻率為0.587 Hz；2階振型為鴨蛋拱反對稱側(cè)彎，頻率為0.596 Hz；5階振型為反對稱側(cè)彎，頻率為0.647 Hz；15階振型為正對稱扭轉(zhuǎn)，頻率為1.389 Hz。分析表明，該橋振型密集，出現(xiàn)明顯的振型分組現(xiàn)象。該橋扭轉(zhuǎn)頻率較大，扭彎頻率比達到2.37，表明該橋結(jié)構(gòu)空間剛度較好。

該橋為240 m跨徑的湖景公園人行景觀三塔斜拉橋，斜拉橋跨徑比較大，1階振型為反對稱豎彎，頻率為0.587 Hz，豎向結(jié)構(gòu)剛度合理，考慮到《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)中規(guī)定人行天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率應(yīng)不小于3 Hz要求，參照類似超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋工程，擬采取增設(shè)質(zhì)量調(diào)頻阻尼器控制動力響應(yīng)的方案，解決行人行走舒適性問題。

5 結(jié)語

以新疆白沙湖湖景公園的80 m+2×240 m+80 m的觀光塔樓式橋塔的超大跨徑人行景觀三塔斜拉橋為背景，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(tài)分析，得出以下結(jié)論。

(1)改革傳統(tǒng)斜拉橋的門式橋塔結(jié)構(gòu)，中間橋塔采用觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)橋塔采用鴨蛋拱形橋塔結(jié)構(gòu)，建造湖景公園的人行景觀三塔斜拉橋，造型美觀，橋面上設(shè)置休閑建筑小品，生態(tài)環(huán)保。

(2)大尺寸觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)提高了中間橋塔剛度，有效提升結(jié)構(gòu)剛度，解決了傳統(tǒng)獨柱中間橋塔結(jié)構(gòu)的弱塔效應(yīng)問題，降低了不利活荷載布置作用下的撓度變形，觀光塔樓結(jié)構(gòu)和斜拉橋橋塔結(jié)構(gòu)可合二為一，兩者具有良好的結(jié)構(gòu)匹配性。

(3)在豎向滿布活荷載作用下，主跨跨中的最大位移為0.231 m，斜拉索最大應(yīng)力為541.7 MPa，滿足規(guī)范要求。在不利布置活荷載作用下，主跨跨中的最大豎向位移為0.261 m，中間橋塔的塔頂水平位移為0.018 m(中間橋塔水平位移變位較小)，斜拉索最大應(yīng)力為584.4 MPa，滿足規(guī)范要求。分析表明，不利布置活荷載作用下和滿跨活荷載作用下兩者的跨中豎向位移變形相差不大，該橋中間橋塔結(jié)構(gòu)采用大尺寸觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，可避免三塔斜拉橋中塔結(jié)構(gòu)的弱塔效應(yīng)問題。

(4)依據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，1階振型為反對稱豎彎，頻率為0.587 Hz；2階振型為鴨蛋拱反對稱側(cè)彎，頻率為0.596 Hz；5階振型為反對稱側(cè)彎振型，頻率為0.647 Hz；15階振型為正對稱扭轉(zhuǎn)，頻率為1.389 Hz。分析表明振型密集，出現(xiàn)明顯的振型分組現(xiàn)象，該橋扭轉(zhuǎn)頻率較大，扭彎頻率比達到2.37，表明該橋結(jié)構(gòu)空間剛度較好。