風景區景觀橋梁橋型選擇與創新設計

劉喆，馬乃軒

1.中國電建集團核電工程有限公司，山東濟南 250100； 2.山東高速工程檢測有限公司，山東濟南 250002

0 引言

風景區內的景觀橋梁應與四周自然風光和諧統一。橋梁作為室外空間中富有魅力的建筑，設計時多融入當地特色地域文化，是我國新時代對橋梁建設特色品質提升提出的新要求[1]。風景區內的景觀橋梁不孤立于環境，可起到當地文化和旅游觀景平臺的作用，如在設計時融入典型徽派建筑風格的馬鞍山長江大橋的橋塔，上海黃浦江的外灘大橋也成為黃浦江兩岸城市發展的重要平臺[2]。

選擇景觀橋梁的設計方案時需注意造型美觀、結構安全和造價經濟。因此，在景觀橋梁方案設計初期階段，應將風景區景觀特點、歷史文化內涵與技術、經濟、功能、安全等因素和諧配置(如圖1所示)，優化調整，使本橋在風景區內與周圍環境協調共處，既體現當地文化及人文特點，又能作為游人駐足景區、欣賞周圍自然風光的觀景平臺[3-4]。

圖1 風景區景觀橋梁方案構思圖解

1 方案比選

1.1 工程概況

某市文化旅游區內跨河橋位于某風景區內，地表形態較簡單，地貌單元為河流漫灘。橋長51 m，跨徑組成為30 m+15 m，選用斜拉-懸索協作體系連續梁橋結構，如圖2所示。本橋中心線與河道夾角約為60°，平面位于直線上，立面單向縱坡坡度為3.8%。

單位：cm。圖2 斜拉-懸索協作體系連續梁橋總體布置圖

本橋主梁為現澆混凝土箱形梁，單箱雙室結構，標準斷面為16.6 m，橋墩處受橋塔預埋段影響加寬至18.8 m。橋塔由主塔和副塔2部分組成，主塔線型為橢圓形，主塔向15 m跨方向傾斜78°，通過主纜及斜拉索保持自身穩定；副塔與主塔夾角為30°，橋塔為鋼箱結構，內部設置加勁肋，全部采用Q345qD鋼材。主纜采用1束15-8填充型環氧涂層鋼絞線，經過副塔分束為4股，每股2根，通過主塔后錨固在主梁上；采用耳板式連接吊桿與主梁，通過預埋鋼筋連接耳板與主梁，采用索夾連接吊桿與主纜。本橋主梁采用滿堂支架施工，橋塔為工廠節段制造后現場拼裝，主梁和橋塔施工完成后安裝纜索和吊桿。

1.2 設計理念

本橋位于整個旅游文化區的中心位置，周圍為盆地地形，游客觀測點多處于高點，且水面較窄，不利于形成水與橋的共融景觀。方案設計中，在滿足交通需求和橋下河水行洪要求的前提下，應體現風景旅游區的歷史文化底蘊和現代氣息，以簡約、美觀、適用的結構形式，力求具有明顯的現代風格和個性，避免“放之四海而皆準”的雷同效果，建成后成為景區標志性景觀[5-6]。

1.3 橋塔和橋型選擇

橋塔可采用鋼橋塔結構和混凝土橋塔結構2種類型。本橋所處位置地勢較低，需通過梁上的橋塔，在外觀上區別本橋與周圍環境，在區域環境中更好地凸顯橋塔的標志性和特征性[7]。景區內植被茂盛，施工運輸條件較差。鋼橋塔結構自重輕，能減小下部基礎尺寸，便于工廠加工，可平行施工，工期大大縮短，鋼橋塔結構尺寸較小，橋塔所占橋面寬度和橋面建筑面積較少，在一定程度上節約成本，施工質量可控，進度快，拼裝后可整體吊裝，降低施工風險。混凝土橋塔結構自重大，下部基礎尺寸大，爬模施工，需現場搭設支架；由于工程量小，單價提高，性價比低，混凝土橋塔結構尺寸大，浪費橋面空間，工期長，不能平行施工。

景觀橋梁方案設計比選時，根據橋址條件，合理選擇橋型方案和布跨，在保證結構合理，節約成本的前提下，力爭做到造型美觀新穎[8]。本橋橋型設計提供了4種方案：方案一是斜拉-懸索協作體系連續梁橋，橋塔采用橢圓形結構，由主塔和副塔組成；方案二是將方案一橋塔改為2個分離式塔，橋塔造型類似青銅寶劍；方案三是將方案一橋塔改為直立橋塔，將原來的斜拉懸索組合體系改為斜拉橋；方案四是將方案一跨徑調整為1孔45 m，取消方案一中的副塔，造型仍為橢圓形。4種方案的橋塔和主梁結構及工程造價如表1所示。

表1 橋型方案對比

由表1可知：4個方案造價相差不大，其中方案三造價最低。方案一與方案二、三相比，橢圓形橋塔線型美觀，混凝土橋塔截面較大，顯得笨重，直立的橋塔爬模施工周期較長；與方案四相比，方案一主塔和副塔可將主纜在橋塔位置進行分散，并獨立錨固在主梁上，通過主纜、吊桿和斜拉索，比單根主纜在空間上更具有表現力。經對比研究，最終確定方案一提出的30 m+15 m斜拉-懸索協作體系連續梁橋作為本橋最終方案。

1.4 全橋三維表現

依據文獻[9]相關規定，在環境要求較高的情況下，借助三維和全景透視圖，直觀地表現新建橋梁的工程形象[10-12]。本橋制作了4種比選方案的三維效果圖，方案一效果圖如圖3所示。

三維效果圖立體效果強，但建模時精度較低，且對實際施工指導意義不大。結合施工圖，借助AutoCAD的三維技術功能對橋梁進行1:1實體精確建模，將坐標系調整至施工控制點處，可在程序中提取全橋任意1點的設計坐標，可為施工放樣、測量自檢和內業資料編制等相關工作提供依據，極大地提高測量放樣和施工的工作效率，如圖4所示。

圖3 方案一效果圖 圖4 橋梁1:1實體上部結構模型

2 設計關鍵點

2.1 低應力水平下拉索結構的錨固可靠性

本橋由主梁承受主要荷載，橋塔僅承受成橋后的風荷載及溫度引起的部分荷載，拉索僅起裝飾作用，對拉索張拉的錨固力較小。為保證低應力水平下拉索結構的錨固可靠性，本橋拉索采用填充型環氧涂層鋼絞線，錨固位置采用三片式夾片，可使鋼絞線的環向正壓力更均勻。由于填充型環氧涂層鋼絞線外表涂層較厚，夾片牙絲采用增加牙高的粗牙，穿透鋼絞線的表面并咬入基材，使機械咬合作用得到充分發揮。張拉錨固方法采用“頂壓”式，在預應力錨具安裝前，應確保錨板的錐孔、夾片的外錐面表面平滑，可在一定范圍內選擇夾片的錐角[13-15]。

2.2 橋塔與主梁連接可靠性

橋塔主塔的橫斷面方向為橢圓形，橢圓長軸方向為豎直方向，長16.2 m；短軸方向為橫橋向，長12.8 m。主塔和副塔均為矩形斷面，主、副塔夾角為30°，采用焊接連接，主塔立面與主梁水平線夾角為78°，橋塔埋入主梁內深度為1.2 m。為保證橋塔與主梁連接的可靠性，在縱橋向橋塔與主梁混凝土結合面，將已焊接剪力釘的鋼板焊接在塔壁上，增大橋塔與混凝土的結合面，提高橋塔抗拔力。在橋塔內部，混凝土主梁表面以上3 m內灌注C50微膨脹混凝土，增加橋塔根部自身穩定性。由于橋塔預埋段在混凝土箱梁中橫梁位置，考慮到若縱、橫向預應力均從橋塔穿過，勢必削弱橋塔預埋段截面，因此在設計時增大橋塔橫橋向跨度，避開主梁內縱向預應力鋼筋，僅在橋塔橫橋向開孔，穿過和錨固橫梁預應力鋼筋。在塔壁每60 cm打孔通過1根骨架鋼筋，其余骨架鋼筋則在塔壁焊接并滿足焊接長度要求，使橋塔和主梁得到可靠連接。

2.3 主纜散索器設計

本橋主纜在副塔內分束為4股后通過主塔，在主塔內彎折最終錨固在主梁上。在副塔內設置1個散索器,散索器由喇叭形的散索套和定型器2部分組成。主纜在散索套內分散為4股后，穿過定型器進行定向，待主纜安裝調整就位后，在主纜與散索套的空隙內填充柔性材料，防止使用過程中主纜因振動在散索套內滑動。考慮到每股鋼絞線均具有一定剛度，在主塔內設置轉向導引管，因主塔內空間受限，導引管的轉向半徑需滿足每股鋼絞線彎折所要求的最小半徑，采用圓弧-直線段的方式確保每股鋼絞線按照設計角度進行定位，解決了主纜在橋塔上的安裝和定位問題。

3 結構靜力計算

景觀橋梁上道路等級為風景區內主干道，設計使用年限為100 a，汽車荷載為公路-Ⅱ級，人群荷載為3 kPa。標準斷面布置為2.2 m(人行道及欄桿)+0.6 m(拉索錨固區)+11.0 m(行車道)+0.6 m(拉索錨固區)+2.2 m(人行道及欄桿)=16.6 m。抗震設防烈度為7度(0.15g，g為重力加速度)，設計地震分組為第二組，地震動反應譜特征周期0.4 s。溫度荷載中升、降溫的初始溫度為25 ℃，溫度梯度按文獻[16]要求取值。基本設計風速為v=27.4 m/s。橋面鋪裝10 cm厚瀝青混凝土鋪裝層+防水層+6 cm混凝土調平層。

3.1 計算模型簡介

采用橋梁有限元分析軟件MIDAS Civil，以方案一中提出的30 m+15 m斜拉-懸索協作體系連續梁橋設計方案建立空間有限元模型，進行結構整體靜力計算分析。其中，空間梁單元用于模擬主梁和橋塔，桁架單元用于模擬本橋中的纜索體系，主梁采用預應力混凝土設計截面，劃分為230個節點，194個單元，并在變截面處單獨設置節點。景觀橋主梁上部結構有限元模型如圖5所示。

圖5 景觀橋主梁上部結構有限元模型

3.2 主梁靜力計算

本橋的主梁通過MIDAS Civil進行截面驗算，作用效應組合依據文獻[17]要求，驗算其承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，計算模型中的主梁上部結構邊界約束形式如圖6所示。

圖6 主梁上部結構邊界約束示意圖

分別計算主塔結構在自重、汽車和人群荷載作用下的支座反力，中支座反力大于2個邊支座，15 m跨的邊支座反力小于30 m跨的邊支座，計算結果如表2所示。

表2 標準組合下主塔應力計算結果 kN

由表2數據選取盆式橡膠支座，其中，中支座選取7000 kN型，30 m跨的邊支座選取4000 kN型，15 m跨的邊支座選取2500 kN型，滿足計算要求。

3.2.1 主梁強度

主梁的混凝土強度等級為C50，梁高1.6 m，標準段寬16.6 m，中支座橋塔位置主梁加寬至17.8 m，主梁懸臂長2.3 m，懸臂尺寸根部為60 cm，端部為20 cm。按全預應力混凝土進行主梁設計，持久狀況和短暫狀況下主梁上、下翼緣最大、最小應力包絡圖如圖7、8所示。

單位：MPa。圖7 持久狀況主梁上、下翼緣最大、最小應力包絡圖

單位：MPa。圖8 短暫狀況主梁上、下翼緣最大、最小應力包絡圖

由圖7、8可知：持久狀況下主梁上翼緣和下翼緣最大和最小應力在30 m跨的跨中位置，30 m跨計算結果大于15 m跨；在短暫狀況下主梁上翼緣最大應力位于30 m跨的跨中位置，下翼緣最大應力靠近中跨支座處。主梁在持久和短暫效應組合下混凝土應力均低于C50混凝土設計強度，結構具有一定的安全儲備。

3.2.2 主梁變形

按照施工過程和成橋正常使用階段對主梁進行變形計算，施工過程分為4個施工階段：CS1為滿堂支架，澆筑主梁，張拉預應力；CS2為拆除滿堂支架，安裝永久支座；CS3為二期鋪裝；CS4為10 a收縮徐變。各施工階段主梁變形如圖9所示，成橋正常使用階段主梁變形如圖10所示。

單位：mm。圖9 各施工階段主梁變形

單位：mm。圖10 正常使用狀態主梁變形

由圖9、10可知：主梁的最大應力及變形計算結果均小于規范限值，主梁受力安全可靠且具有足夠的安全系數。

3.3 橋塔計算

3.3.1 橋塔應力

采用標準值組合驗算鋼結構強度。驗算主塔塔根和主塔與副塔連接部位兩處應力，采用恒載-車輛-人群-溫度荷載組合，計算時不考慮主塔的根部澆筑混凝土。

通過計算可知：主塔塔根處的上翼緣壓應力為31.1 MPa，下翼緣拉應力為19.7 MPa，主塔與副塔交接處的上翼緣壓應力為10.9 MPa，下翼緣拉應力為18.8 MPa。在各工況下橋塔主塔的應力計算結果如表3所示。

表3 標準組合下主塔應力計算結果 MPa

3.3.2 橋塔抗風計算

本橋所在地區的設計基本風速v=27.4 m/s。在風荷載作用下，采用恒載-活載-溫度荷載-橫橋向風荷載(組合一)和恒載-活載-溫度荷載-順橋向風荷載(組合二)模式，計算主塔應力，結果如表4所示。

表4 風荷載作用下主塔應力計算結果 MPa

由表4可知：主塔在組合一作用下的最大拉應力為68.4 MPa，最大壓應力為82.7 MPa，組合二作用下的最大拉應力為25.6 MPa，最大壓應力為34.3 MPa，均滿足文獻[18]要求。

4 結構穩定性計算

4.1 全橋穩定性

采用MIDAS Civil軟件分析成橋階段的整體穩定性，失穩模態如圖11所示。

a)側視圖 b)立面圖 c)俯視圖 d)正視圖圖11 本橋一階線彈性失穩模態

由圖11及MIDAS Civil軟件分析可知：本橋一階靜力線彈性穩定系數為20.61，結構在不同狀態下的最小穩定系數均大于4[19]。

4.2 主塔穩定性

采用ANSYS軟件建模計算主塔穩定性，采用殼單元shell 143分析，將結構劃分為45 483個節點和45 529個單元，在橋塔的塔根位置采用固定約束的邊界條件。本橋主塔施工時采用階段拼裝、整體吊裝的方案，故建模分析時僅考慮橋塔內設置的加勁板，沒有考慮主塔根部的內填混凝土，在恒載作用下計算其穩定性，變形結果如圖12所示。

a)正視圖 b)反視圖圖12 主塔變形結果

由圖12可知：主塔在接近24倍的恒載作用下發生一類屈曲失穩，塔根位置首先出現屈曲失穩現象。因此，在主塔吊裝就位未灌注混凝土時，主塔具有足夠的安全系數；主塔在主梁上的預埋區域內，通過灌注收縮自補償式微膨脹混凝土可提高主塔的穩定性,保障橋梁的安全性[20-22]。

5 結論

以某市文化旅游區內跨河景觀橋為背景，在方案比選階段采用三維建模，采用橋梁有限元分析軟件MIDAS Civil和有限元軟件ANSYS進行結構分析，并對主塔在整體吊裝未灌注柱腳混凝土的施工工況進行整體穩定性計算。

1)與一般的公路橋梁相比，風景區景觀橋梁有自身的獨特性。設計時應考慮橋梁與整體景觀的協調性，在滿足基本使用功能的前提下與景區文化特色協調統一。

2)橋塔設計需滿足現場施工安裝要求，在結構設計階段需驗算施工不利工況。通過ANSYS模型計算景觀橋變形，矩形橋塔截面穩定性較高。因造型需要，橋塔與主梁成一定夾角的景觀橋梁可在橋塔的塔根鋼結構位置內部灌注混凝土，防止局部屈曲。

3)因風景區景觀橋梁異型橋梁偏多，可借助有限元分析軟件對主體結構和特殊工況下的構件進行驗算和分析。通過計算可知，本橋主梁結構滿足規范要求，橋塔設計滿足施工安裝要求，整體結構安全可靠。