弦帶橋設計要點與靜動力分析

肖 強 曾玲升

江西省交通設計研究院有限責任公司 江西 南昌 330052

橋梁不僅要具有連通道路的作用，還應該具有美學和景觀價值。縱觀世界各大著名橋梁，除了結構受力合理，經久適用外，大多都具有美觀耐看的特點，因此一座成功的橋梁應保證在外觀上給人以美學享受。所以作為一名橋梁工程師，應該將橋梁美學的理念貫穿在其設計的每一座橋梁之中。

1 城市人行橋梁美學

隨著我國經濟的快速發展，城鎮化的進一步擴大，有紀念意義的大跨徑公路橋和鐵路橋的建造不再是人們關注的焦點，它們讓位給了和人類關系更密切的城市橋梁[1]。城市人行橋梁既是一種結構構筑物，同時它本身又形成一個環境，它是都市人文景觀的一個組成部分[2]。城市人行橋梁跨度往往不大，如果單從技術角度來說的話，一座城市人行橋梁要實現其跨越能力，是比較容易做到的。進入21世紀以后，業主和民眾對于城市人行橋梁的要求越來越高，已經不會局限于尋求一個解決方案而已，而要更多地體現美觀、人性化、都市品味以及文化和歷史底蘊等[3]。

結合美學的要求與橋梁自身的特點大致可以得到城市人行橋梁美學所包含的三個方面的內涵[4]。（1）功能美，橋梁首先是一種具有跨越障礙物能力的實用結構物，所以功能價值是第一位的；（2）形式美，其要求橋梁結構要協調統一，比例均衡，色彩搭配合理等；（3）與環境協調也是一座景觀橋梁需要著重考慮的環節，因為城市人行橋梁與架設地點的環境并不是孤立存在的，而是相互融合，相互統一的，它反映出來的是人與自然和諧發展的思想[5]。本文針對城市人行景觀橋梁設計提出一種新型橋梁結構—弦帶橋。

2 設計亮點

根據城市人行橋梁美學的理念，本文設計了一座名為“自由之翼”的弦帶人行橋，其具體效果如圖1所示。

圖1 弦帶橋3DMAX效果圖

本橋的設計宗旨是要將橋梁做的更輕薄更纖細，要柔中帶剛，剛柔相濟，體現整個橋身輕如燕，恰如一片飛鳥揮舞著羽翼瀟灑而過的意境。本橋緊扣著剛柔相濟這一理念，整體結構選用索梁組合體系，結構設計的很輕巧。本橋設計亮點如下：采用柔性結構，線條簡單，設計簡約，結構尺寸纖薄如翼，大方美觀；采用中跨與左右邊跨三個子結構，結構形式簡單，受力明確；采用體外索，調整各構件的內力分布，使截面更多承受軸力，減小彎矩，提高材料利用率；整個結構造型優美，兩邊結構厚重，中間結構纖細，給人一種極強的視覺沖擊感。

3 設計構思

3.1 主跨設計

橋梁主跨采用索梁組合體系，主梁采用混凝土板結構，在主梁下布置多根鋼管，通過張拉拉索使鋼管對主梁產生豎向支撐力，形成多點彈性支撐連續梁，從而減少主梁所承擔的彎矩，大大降低主梁截面高度，使主梁顯得輕巧美觀。采用拋物線形體外預應力索支撐梁，和恒載下簡支梁彎矩圖一致[6]，設計簡約，結構纖細，主跨布置如圖2所示。

圖2 主跨立面布置

主跨混凝土主梁在整個結構體系中主要承受軸向壓力，因此采用普通矩形截面。鋼管立柱采用圓形無縫鋼管，預制主梁時，埋到主梁內部，通過剪力鍵和主梁連接。

在進行拉索布置形式設計時，初步方案是采用兩根拉索沿跨徑方向對稱布置，但是這種布置形式在計算時發現橫向剛度太小，穩定性難以滿足要求。經研究決定增加兩根交叉索，整個主跨布置四根拉索，橫向剛度得到了極大的增強。拉索張拉力的確定是主跨設計時需要著重考慮的一個方面，因為張拉力過小會使得鋼管對主梁的支撐力不足，造成主梁撓度過大，既影響美觀，又會對橋梁的適用性、耐久性造成危害。但張拉力過大又可能使得主梁產生長期的上撓，再加上橋面上的雨水與日照天氣，極容易導致橋面開裂等病害發生。為了平衡這兩方面的因素，本橋在拉索張拉力確定時，采用全橋橫向布置一半均布人群荷載時的狀況進行計算[7]，拉索受力如圖3所示，拉索張拉力大小由公式（1）確定，式中q為全橋橫向布置一半人群荷載時和主梁自重一起疊加產生的荷載集度，為中跨跨徑， 為拉索軸力，拉索豎向垂度，主梁軸力。

圖3 拉索受力圖

3.2 邊跨設計

邊跨主梁采用U形混凝土梁，外型厚實，與主跨形成鮮明對比，并且，由于采用混凝土梁，增加了體系剛度和橫向穩定性。邊跨U形梁的腹板沿跨徑方向為橢圓形，變化緩慢，中間腹板高度為1.5m，充當護欄的功能。與主跨外形相輝映，整體結構外型協調美觀，邊跨布置如圖4所示。

圖4 邊跨布置圖

3.3 橋墩設計

橋梁邊跨采用變截面矩形墩，整體結構纖細簡單。如圖4所示，在自重作用下，邊跨主梁會受拉，為減小主梁拉應力，減小墩底彎矩，在墩頂主梁張拉預應力，使彎矩轉化為軸力。在靠近大堤側墩頂張拉預應力時，將預應力通過滑輪轉向90度，豎向張拉預應力，預應力一端錨在大堤上。

3.4 施工方法構思

橋梁設置三個子結構，使得橋梁施工得到了很大的簡便。兩個邊跨由于處于岸上或者處于水深較淺處可直接采用滿堂支架就地澆筑；而中跨需要跨越河流，可在河岸預制，首先澆筑主梁，在主梁內部預埋鋼管，當主梁混凝土強度達到75%以后，張拉預應力鋼索，通過預應力索的預拉力使鋼管產生對梁的豎向支撐力，從而形成一個內部受力穩定的體系，然后通過輪渡運輸到橋位處，再吊裝到兩邊墩上。

4 橋梁受力分析

本橋采用三跨布置，總跨徑為8 0 m，跨徑布置16m+48m+16m，墩臺高10m，拉索豎向的垂度為2.5m，橋面寬度為4m，邊跨U形梁的腹板向兩側傾斜伸展，最遠處水平伸出0.82m，腹板橢圓頂點高1.5m。依據縱向位置的不同，全橋主梁總共采用三種截面形式，分別為U形截面和兩種梁高不同的矩形截面，其相互之間搭配合理，銜接流暢。主梁與橋墩采用C40混凝土，鋼管立柱采用Q235鋼材。

4.1 建立模型

用Midas civil進行建模分析計算，全橋拉索用僅受拉索單元模擬，其它結構構件均用空間梁單元。全橋共有142個節點，梁單元93個，索單元48個。

4.2 靜力分析

本節的研究內容是針對弦帶橋的靜力性能進行分析，在靜力分析中采用以下荷載組合類型[8]：

荷載組合Ⅰ：人群荷載（滿載）+自重+預應力，組合系數為1。

計算結果如下：在荷載組合Ⅰ下，主梁最大彎矩為2163.86kN·m，發生在邊跨跨中位置；主梁最大軸力發生在中跨，大小為2094.94kN；拉索最大索力為811.06kN；截面最大壓應力發生在中跨支點附近，大小為15.8MPa，小于C40混凝土的軸心抗壓強度設計值；截面最大拉應力發生在邊跨跨中附近，大小為1.08MPa，小于C40混凝土的軸心抗拉強度設計值。主梁最大豎向位移為59mm，小于規范要求80mm。

4.3 動力分析

動力特性的分析對于橋梁是至關重要的，對于新型橋梁來說，其動力性能是否良好直接決定了方案的可行性[9]。在此，仍采用有限元程序進行分析，計算結果見表1，主陣型模態見圖5。

表1 弦帶橋的動力性能

圖5 一階反對稱豎彎

5 結論與展望

弦帶橋是一種新型的橋梁結構形式。許多問題仍需進一步研究[10]。其有機地將梁橋、懸索和鋼管拱三種結構體系結合了起來，它實質上是將懸索橋的主纜放置于主梁底部，并且將吊桿換成了鋼管立柱，通過鋼管立柱對主梁進行多點支撐形成的一種新型結構。這樣與懸索橋相比，由于沒有了二次索，因而大大增加了結構的整體剛度。與梁橋相比增加支撐，減小了跨中最大彎矩，降低了造價和施工難度。不過弦帶橋屬于一種新的橋梁結構型式，許多問題需進一步研究。可以預見，隨著弦帶橋的逐步深入研究，其必將以其獨特的優點而得到廣泛的應用。