一種基于建筑美學(xué)造型的新型斜拉橋設(shè)計研究＊

陳露 馮冬

（1.武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430000；2.武漢市民用建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000）

0.引言

斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用諸多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，被橋梁界公認(rèn)為解決橋梁跨徑超過200米以上技術(shù)難題的主要解決方式，也是現(xiàn)代大跨度橋梁的最主要橋型。

作為一種重要的橋梁結(jié)構(gòu)，斜拉橋最早源于17世紀(jì)的歐洲。經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程之后，隨著橋梁等各種新技術(shù)和新工藝的不斷進(jìn)步以及高強(qiáng)度材料的發(fā)展應(yīng)用，自從20世紀(jì)70年代伊始，斜拉橋的發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨馈ｋS著對斜拉橋研究的不斷深入，斜拉橋的性能愈發(fā)優(yōu)越，可適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，在我國備受重視。伴隨著我國的改革開放和交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，斜拉橋的設(shè)計與建造也獲得了迅速的發(fā)展，在我國橋梁建設(shè)史上寫下了濃墨重彩的一筆!

1.斜拉橋特點分析

1.1 斜拉橋的構(gòu)造

斜拉橋主要由索塔、主梁、斜拉索組成，可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁，其可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省材料。

（1）主梁。主梁通常采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，后兩者多為大跨度斜拉橋所采用[1]。主梁的主要作用就是將恒載、活載分散傳給拉索，主梁承受的力主要來自于拉索的水平分力所形成的軸壓力，所以其應(yīng)有足夠的剛度防止壓屈。

（2）索塔。索塔大多數(shù)采用混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土索塔常采用的截面形式有矩形、五角形、六角形、八角形以及H形。矩形截面索塔的構(gòu)造簡單，其四角宜做成倒角或圓角，以利抗風(fēng)，較之于矩形截面索塔，其他多邊形截面的索塔有更強(qiáng)的對抗風(fēng)的性能，而且還能增加橋梁外形的美觀。

（3）斜拉索。斜拉索通常采用高強(qiáng)度材料（高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線）制成。當(dāng)斜拉索始終處于拉緊狀態(tài)時，斜拉索對主梁的多點彈性支承作用使得主梁像多跨彈性支承的連續(xù)梁一樣，令彎矩值得以大大的降低，這不但可以使主梁尺寸大大的減小（梁高一般為跨度的1/50～1/200，甚至更小），而且由于結(jié)構(gòu)自重明顯減輕，既節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料，又能大幅度的增大橋梁的跨越能力[2]。

1.2 斜拉橋的技術(shù)特點

受拉的斜索將主梁多點吊起，并將主梁的恒載和車輛等其他荷載傳至塔柱，再通過塔柱基礎(chǔ)傳至地基。與懸索橋相比，斜拉橋受橋下凈空和橋面標(biāo)高的限制更少，也具備更好的抗風(fēng)性能，同時還可免去體積龐大的錨碇[3]。

斜拉橋的優(yōu)點主要分析如下：

（1）斜拉索的水平拉力相當(dāng)于對混凝土梁施加的預(yù)壓力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分發(fā)揮了高強(qiáng)材料的特性。由于受到斜拉索的彈性支承，彎矩較小，使得主梁尺寸大大減小，結(jié)構(gòu)自重顯著減輕，大幅度提高了斜拉橋的跨越能力；

（2）豎向剛度和抗扭剛度均較強(qiáng)，塔柱、拉索和主梁構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度較大，抗風(fēng)能力較懸索橋要好得多，抗風(fēng)穩(wěn)定性要好，用鋼量小。

（3）可調(diào)整主梁內(nèi)力，使內(nèi)力分布均勻合理，且能將主梁做成等截面梁，便于制造和安裝。

斜拉橋的缺點主要分析如下：

斜拉索為懸臂施工，當(dāng)跨度很大時，因主梁懸臂長度過長，承受壓力過大，風(fēng)險較大，塔高也過高，外索過長，索垂度的影響使索的剛度大幅度下降，從而引發(fā)使用壽命不長的問題，并帶來安全隱患。

2.我國斜拉橋的發(fā)展分析與改進(jìn)

2.1 我國現(xiàn)代斜拉橋的發(fā)展歷程

1975年我國四川云陽縣建成的云安斜張橋，跨徑75.8米，是一座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土公路斜拉橋，開創(chuàng)了我國現(xiàn)代斜拉橋建造的先河，為國內(nèi)斜拉橋的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗，起到了推動作用。

之后的十年，是我國斜拉橋的起步階段。雖然建造的斜拉橋不多，但摸索中積累了諸多設(shè)計建造的實踐經(jīng)驗和研究理論。尤其是我國橋梁工作者對斜拉橋的理論研究諸如對斜拉橋的分類以及改進(jìn)斜拉索防護(hù)的措施等[4]。

自從1985年后，隨著改革開放和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國的公路交通尤其是斜拉橋進(jìn)入了快速發(fā)展的通道，各種斜拉橋如雨后春筍般在全國各地拔地而起，最有代表性的莫過于以下斜拉橋巨作：

（1）1991年，上海南浦大橋建成，這是中國自主建設(shè)的第一條斜拉橋，也是我國第一座400米以上跨徑的大型橋梁，以不足日本概算一半的造價建成，為中國現(xiàn)代橋梁的崛起奠定了基礎(chǔ)。

（2）1993年，建成通車的楊浦大橋使中國斜拉橋設(shè)計建造能力一舉領(lǐng)先于國際橋梁界，奠定了中國在國際橋梁界的地位，建成時為世界第一跨徑斜拉橋。

（3）2008年，蘇通長江公路大橋建成通車，主橋跨徑1088米，是世界上首座跨徑突破1000米的斜拉橋，成為了跨度第二大的斜拉橋，同時擁有世界最大主跨、最深基礎(chǔ)、最長拉索、最高橋塔，被譽(yù)為我國由“橋梁建設(shè)大國”向“橋梁建設(shè)強(qiáng)國”轉(zhuǎn)變的標(biāo)志性建筑。

（4）2018年，投入使用的港珠澳大橋打破吉尼斯世界記錄，成為世界上最長的跨海大橋。港珠澳大橋全長55千米，擁有橋墩224座，橋塔7座，主橋為3座大跨度鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋，作為斜拉橋，具有跨越能力大、造型優(yōu)美、抗風(fēng)性能好以及施工快捷方便、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點。

2.2 我國斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀

我國斜拉橋的發(fā)展起步較晚（起步于20世紀(jì)70年代）、時間較短，但發(fā)展速度異常迅猛，目前可稱得上是世界上斜拉橋發(fā)展最快最好的國家。

（1）中國目前已建成各種類型的斜拉橋200多座，其中有20多座跨徑大于400米，成為擁有斜拉橋最多的國家。

（2）跨徑被認(rèn)為是衡量一個國家橋梁建設(shè)水平的主要指標(biāo)，我國大跨徑斜拉橋的數(shù)目已進(jìn)入世界前列。在世界跨徑十大斜拉橋排名中，我國多座大橋位列其中，尤以蘇通長江大橋為代表。

（3）我們的斜拉橋遍布全國，各種形式的斜拉橋建造都有涉獵，而且在學(xué)習(xí)吸取許多國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國家和地方特色，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料使用上又有了許多創(chuàng)新。

2.3 斜拉橋設(shè)計不足和改進(jìn)

雖然我國斜拉橋設(shè)計和建造技術(shù)已經(jīng)取得了舉世矚目的成績，但設(shè)計上仍存在諸多亟待改進(jìn)的地方。

（1）設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)理論聯(lián)系實際。當(dāng)前一些斜拉橋設(shè)計人員過多地重視數(shù)據(jù)理論分析，比較容易忽視現(xiàn)場實際，缺乏對橋的結(jié)構(gòu)實際計算和綜合性能分析，直接導(dǎo)致了設(shè)計圖紙內(nèi)容與現(xiàn)場實際施工內(nèi)容存在嚴(yán)重偏差[5]。所以，設(shè)計人員應(yīng)重視施工現(xiàn)場勘查，對現(xiàn)場地質(zhì)情況、地形條件、水文數(shù)據(jù)、氣候環(huán)境等各項數(shù)據(jù)和資料有明確地掌握，再將理論與實踐相結(jié)合，進(jìn)行綜合計算和分析。

（2）加強(qiáng)防風(fēng)抗震設(shè)計。當(dāng)前極端氣候變化加劇，導(dǎo)致各種災(zāi)害頻發(fā)，颶風(fēng)和地震時常光顧。雖然斜拉橋設(shè)計采用各種設(shè)備和技術(shù)實驗?zāi)M驗證防風(fēng)抗震，但畢竟模擬實驗與實地情況存在較大差異，因此，設(shè)計前多搜集研究實地惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)和資料也不失為一種更實際有效的方式；同時，斜拉橋的索塔、主梁、斜拉索各自振動特性以及相互受力關(guān)系也是一個重要的考慮因素[6]。

（3）加強(qiáng)更高強(qiáng)度材料研發(fā)，降低工程造價。新技術(shù)新材料能有效提高斜拉橋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也有助于進(jìn)一步提高斜拉橋的跨度。我國一些窮困的山區(qū)和丘陵地帶，交通和出行都不便，降低斜拉橋的工程造價，使具備建造條件的地方都能承擔(dān)得起，無異于造福地方，方便人民群眾的生活，這也有賴于新技術(shù)和新材料的研發(fā)。

（4）注重建筑美學(xué)設(shè)計、生態(tài)設(shè)計。斜拉橋由于規(guī)模龐大、主塔高大、外形美觀、造型豐富等優(yōu)點，能給人一種震撼的感覺，具有很強(qiáng)的生命力，因此建筑美學(xué)在斜拉橋設(shè)計中就顯得十分重要[7]。尤其在信息和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的當(dāng)下，在設(shè)計中可適當(dāng)?shù)募尤氲胤教厣兀M量不破壞周邊環(huán)境，達(dá)到和諧共存，將斜拉橋設(shè)計成為城市的地標(biāo)性建筑，成為城市宣傳的名片，從而有利于地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.一種基于建筑美學(xué)造型的新型斜拉橋設(shè)計

目前，造型新穎別致的斜拉橋遍布全國各地，從人行天橋到跨江河的幾百米甚至上千米斜拉橋都有設(shè)計建造。然而存在一部分斜拉橋設(shè)計雖然新穎美觀，但結(jié)構(gòu)不太合理，而且還帶來了工程造價的急劇上升以及結(jié)構(gòu)的安全隱患。

馬克思曾提到，美的本質(zhì)是人的本質(zhì)力量，在對象世界中的感性顯現(xiàn)。橋梁不同于一幅美麗的圖畫，雖然它需要美，但是人們更要在其中生存和活動。橋的美是人類為了更好地生存發(fā)展，人們在通過時會獲得一種美的享受，得到身心愉悅的感覺，也就是將實用與審美結(jié)合，結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一[8]。因此，在追求漂亮新穎的橋型同時，更要兼顧受力合理并且應(yīng)盡量減小工程造價，以達(dá)到受力合理、造價合適、造型優(yōu)美的目的。

3.1 新型斜拉橋設(shè)計方案

研究表明，當(dāng)斜拉橋應(yīng)用于跨度很大的場景時，因主梁懸臂長度過長，承受壓力過大，而且塔高過高，外索過長，索垂度的影響使索的剛度大幅度下降；同時在遭受惡劣環(huán)境的影響，斜拉橋易變形，存在使用壽命不長的問題。有鑒于此，本文提出了一種兼具建筑美學(xué)造型且結(jié)構(gòu)安全受力合理的新型斜拉橋設(shè)計方案。

本新型斜拉橋整體設(shè)計如圖1、圖2所示，由橋體100、索塔200和兩個斜拉索組300所組成。索塔200包括主塔體210、兩個側(cè)塔體220、兩個第一連接梁組230以及第二連接梁組240；主塔體210固定設(shè)置于橋體100的中間處，主塔體210的延伸方向與橋體100的長度方向相同，兩個側(cè)塔體220分別設(shè)置于主塔體210的兩側(cè)、且均與橋體100固定連接，兩個側(cè)塔體220的延伸方向均與橋體100的長度方向相同，主塔體210的兩側(cè)分別經(jīng)由兩個第一連接梁組230與兩個側(cè)塔體220固定連接，并形成兩個第一三角形結(jié)構(gòu)，兩個側(cè)塔體220之間經(jīng)由第二連接梁組240連接，并形成第二三角形結(jié)構(gòu)；兩個斜拉索組300的一端分別與兩個側(cè)塔體220連接，兩個斜拉索組300的另一端分別與橋體100的兩側(cè)連接。

其中，通過設(shè)置索塔200包括主塔體210、兩個側(cè)塔體220、兩個第一連接梁組230以及第二連接梁組240，主塔體210固定設(shè)于橋體100的中間處，主塔體210的延伸方向與橋體100的長度方向相同，兩個側(cè)塔體220分別設(shè)置于主塔體210的兩側(cè)、且均與橋體100固定連接，兩個側(cè)塔體220的延伸方向均與橋體100的長度方向相同，主塔體210的兩側(cè)分別經(jīng)由兩個第一連接梁組230與兩個側(cè)塔體220固定連接，此時，主塔體210通過一側(cè)的第一連接梁組230和同側(cè)的側(cè)塔體220可形成一個第一三角形結(jié)構(gòu)，兩個側(cè)塔體220之間經(jīng)由第二連接梁組240連接，此時，兩個側(cè)塔體220和第二連接兩組之間可形成一個第二三角形結(jié)構(gòu)，同時，兩個斜拉索組300的一端分別與兩個側(cè)塔體220連接，兩個斜拉索組300的另一端分別與橋體100的兩側(cè)連接，以形成整個斜拉橋結(jié)構(gòu)，該斜拉橋的索塔200具備兩個第一三角形結(jié)構(gòu)以及一個第二三角形結(jié)構(gòu)，由三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可知，索塔200結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可減少與其連接的斜拉索組300以及橋體100的晃動，斜拉橋不易變形，使用壽命長，可適用于跨度較大等具備惡劣環(huán)境的場景中。

3.2 新型斜拉橋具體實施方式

本實施方案中的橋體100包括主梁110和橋墩120，主梁110應(yīng)當(dāng)具備良好的抗形變能力，主梁110的底部與橋墩120固定連接。

本實施方案中的索塔200通過斜拉索組300與橋體100連接，用以承接橋體100所受的外力。具體地講，索塔200包括主塔體210、兩個側(cè)塔體220、兩個第一連接梁組230以及第二連接梁組240，主塔體210固定設(shè)置于橋體100的中間處，主塔體210的延伸方向與橋體100的長度方向相同，兩個側(cè)塔體220分別設(shè)置于主塔體210的兩側(cè)、且均與橋體100固定連接，兩個側(cè)塔體220的延伸方向均與橋體100的長度方向相同，主塔體210的兩側(cè)分別經(jīng)由兩個第一連接梁組230與兩個側(cè)塔體220固定連接，并形成兩個第一三角形結(jié)構(gòu)，兩個側(cè)塔體220之間經(jīng)由第二連接梁組240連接，并形成第二三角形結(jié)構(gòu)。

主塔體210為底部內(nèi)凹的弧形結(jié)構(gòu)；兩個側(cè)塔體220均為底部內(nèi)凹的弧形結(jié)構(gòu)，主塔體210沿橋體100的周向方向與兩個側(cè)塔體220之間均形成一夾角。

側(cè)塔體220沿橋體100的寬度方向呈弧形狀，側(cè)塔體220沿遠(yuǎn)離橋體100的方向到主塔體210的垂直距離逐漸增大。

側(cè)塔體220的兩側(cè)面均固定安裝有照明板，照明板為弧形，照明板的表面等間距均勻的固定安裝有若干個照明燈，照明燈為激光射燈，激光射燈的功率不低于1000瓦特。

主塔體210的高度小于側(cè)塔體220的高度，第一連接梁組230位于第二連接梁組240的下方設(shè)置。

第一連接梁組230包括沿主塔體210的延伸方向等間距設(shè)置的多個第一連接梁，每個第一連接梁的一端與主塔體210固定連接，每個第一連接梁的另一端與側(cè)塔體220固定連接。第一連接梁為長條桿狀。

第二連接梁組240包括沿側(cè)塔體220的延伸方向等間距設(shè)置的多個第二連接梁，每個第二連接梁的兩端分別與兩個側(cè)塔體220固定連接。第二連接梁為其靠近主塔體210的側(cè)壁處向內(nèi)凹陷的弧形結(jié)構(gòu)。

本實施方案中的斜拉索組300為連接橋體100和索塔200的結(jié)構(gòu)。其中，斜拉索組300包括沿橋體100的長度方向依次設(shè)置的多個斜拉索，每個斜拉索組300中的多個斜拉索的一端均與橋體100固定連接、另一端均與同側(cè)的側(cè)塔體220固定連接。

3.3 新型斜拉橋的設(shè)計特點

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本新型斜拉橋提供了一種兼具建筑美學(xué)造型和結(jié)構(gòu)安全受力合理的斜拉橋設(shè)計方案，具備以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）相比常規(guī)的斜拉橋，本新型斜拉橋的索塔由主塔體、兩個側(cè)塔體、兩個第一連接梁組以及第二連接梁組構(gòu)成；主塔體固定設(shè)于橋體的中間處，主塔體的延伸方向與橋體的長度方向相同，兩個側(cè)塔體分別設(shè)置于主塔體的兩側(cè)、且均與橋體固定連接，兩個側(cè)塔體的延伸方向均與橋體的長度方向相同，主塔體的兩側(cè)分別經(jīng)由兩個第一連接梁組與兩個側(cè)塔體固定連接。此時，主塔體通過一側(cè)的第一連接梁組和同側(cè)的側(cè)塔體可形成一個第一三角形結(jié)構(gòu)，兩個側(cè)塔體之間經(jīng)由第二連接梁組連接；兩個側(cè)塔體和第二連接兩組之間可形成一個第二三角形結(jié)構(gòu)；同時，兩個斜拉索組的一端分別與兩個側(cè)塔體連接，兩個斜拉索組的另一端分別與橋體的兩側(cè)連接，以形成整個斜拉橋結(jié)構(gòu)。該斜拉橋的索塔具備兩個第一三角形結(jié)構(gòu)以及一個第二三角形結(jié)構(gòu)，有效的保證了整體的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，大大提高了主梁的抗扭剛度和橫向抗風(fēng)能力，提升了安全性；同時索塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可減少與其連接的斜拉索組以及橋體的晃動，斜拉橋不易變形，使用壽命長，可適用于跨度較大等具備惡劣環(huán)境的場景中。

（2）本新型斜拉橋?qū)Ρ壤Ⅲw量、動感、構(gòu)形等方面進(jìn)行了深入的景觀設(shè)計，嚴(yán)格遵循斜拉橋力學(xué)結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)的和諧統(tǒng)一原則。

（3）本新型斜拉橋索塔設(shè)置在橋面中央，并且呈現(xiàn)出大圓弧曲線，因此施工比較方便，造價適宜。

（4）本新型斜拉橋的橋塔造型新穎，景觀效果突出。從側(cè)面來看，主塔體和兩個側(cè)塔體以及兩個第一連接梁組構(gòu)成一個雙手向上張開的人體圖像，猶如一個跳水運動員的跳水準(zhǔn)備動作，景觀效果突出，形象逼真，具有良好的景觀效果和經(jīng)濟(jì)性。

4.結(jié)語

橋梁設(shè)計建造對建橋地點和當(dāng)?shù)匚幕h(huán)境的尊重與共生、共融，具體包括線形設(shè)計、造型設(shè)計、平面布局設(shè)計、色彩設(shè)計、肌理設(shè)計和裝飾設(shè)計，橋梁中的符號學(xué)的運用、歷史文化表達(dá)以及技術(shù)美學(xué)特性的設(shè)計賦予了新的內(nèi)涵，即達(dá)到橋梁功能、美學(xué)、文化與技術(shù)的統(tǒng)一。設(shè)計兼具建筑美學(xué)造型且結(jié)構(gòu)安全受力合理的新型斜拉橋，主要目的是為了解決大跨度斜拉橋在遭受惡劣環(huán)境影響下，斜拉橋易變形，使用壽命不長的問題，其實這也是未來斜拉橋設(shè)計的一種趨勢。未來的斜拉橋?qū)⑾蛱卮罂缍龋?千米以上）發(fā)展，同時結(jié)構(gòu)形式要設(shè)計得更為美觀，造價更低，對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境產(chǎn)生更為積極的影響，即不但不能影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，更要起到美化城市環(huán)境，成為城市宣傳的名片。相信隨著未來科技的發(fā)展，輔以新材料的研發(fā)問世，我國將會設(shè)計建造出更加美觀、結(jié)構(gòu)更合理、性能更穩(wěn)定、跨度更大、造價更低的雄偉斜拉橋。