一座空间倾斜拱塔斜拉桥设计

熊桂开，钟 恒，胡 奇，谭双全

（重庆市勘测院，重庆市400020）

0 引 言

将拉索承重桥中主梁和缆索的主要功能换位考虑，以梁体自身强度为主，拉索承重为辅，这就是索辅梁桥的理念[1]。这是一个新的设计理念，为桥梁设计在经济和美学方面都带来了新的发展空间。21世纪以来，我国先后修建了多座颇具特色的索辅梁桥：位于福建省沙溪河上的台江大桥，桥跨布置为（2×110）m，采用直立式拱形塔柱，预应力混凝土箱梁，桥塔承担了约50%的永久荷载，造型优美，成为当地一座极具中国韵味的标志性桥梁；沈阳的三好桥，桥跨布置为（2×100）m，采用两个斜拱桥塔，预应力混凝土箱梁，桥塔承担了全部荷载的40%，其独特的“花瓣”造型获得业主与当地民众的喜爱[1]。

本次设计桥梁位于嘉陵江东畔，处于中心城区的外沿线，是新区打造万亿级先进制造业基地的重要组成部分，空间发展容量巨大。根据沿岸景观概念规划，桥梁位于“风尚乐水”区，强调文化娱乐、滨江休闲、水上游览的区域特色。该区域连接两大核心区块的自然水道，同时是河流生态廊道的重要节点，需要通过桥梁建设，丰富区域建筑景观，且结合既有桥梁方案，打造适合场地的桥梁形式，实现“一桥一景”的独特建筑景观，突出桥梁亲水、休憩、慢行等多种功能。

1 桥梁设计

1.1 地形地貌

拟建桥梁位于重庆两江新区水土高新园，地处北碚区水土镇，位于沪渝高速走廊以南、长江以北区域。拟建桥位区跨越马元溪，最低点位于桥位中部马元溪，地势较平缓，地形坡度2°～8°，两侧岸坡往上地形变化大，地形坡度8°～32°，桥位区纵向上整体呈对称的U字型，地形标高259.48～291.65 m，相对高差32.17 m。桥位区中部大部分地段均为原始地貌，建场地地貌上总体属构造剥蚀丘陵地貌。

1.2 桥型布置

该桥梁距离水面高度仅20 m，桥址处风景秀丽，环境优美。若设计一座预应力混凝土连续梁桥，在优美的环境中看起来会太过单调；若设计为常规的斜拉桥，高耸的桥塔对周边的景观影响较大。因此，设计考虑把该桥桥塔降低到一个合适的高度，采用索辅梁桥的设计理念，让斜拉索承受部分荷载。设计采用钢混结合倾斜拱塔斜拉桥，独特的拱塔造型以及扇型斜拉索的空间韵律感丰富整体景观，使得桥梁气势感较强。桥梁全长132.0 m，桥跨布置为（35+50+35）m，桥梁标准横断面布置：0.75 m（拉索区）+3.0 m（人行道）+15 m(车行道）+3.0 m(人行道）+0.75 m（拉索区）=22.5 m。从经济角度出发，主梁采用预应力混凝土单箱四室流线型等截面箱梁，全宽22.5 m，采用C50混凝土。桥梁整体布置见图1，桥梁效果图见图2。

图1 桥梁整体布置图（单位：m）

图2 桥梁效果图

1.3 上部结构

主桥主梁采用单箱四室流线型C50预应力混凝土箱梁。设计采用斜腹板有利于从视觉效果上减弱梁高影响，使桥梁结构看起来更轻盈。箱梁总宽22.5 m，梁顶设置1.5%的横坡，箱梁在中心线处梁高2.5 m。墩顶及桥塔塔座顶处各设置3 m等宽横梁，以保证支座处集中力的传递。在拉索区每隔8 m与斜拉索对应位置设置0.5 m等宽横梁，并延伸至拉索锚固位置，与拉索锚块形成一个传力整体，主梁标准断面见图 3[2，3]。

图3 主梁标准横断面（单位：cm）

1.4 桥塔及斜拉索

设计若整体采用混凝土塔柱，桥塔自重太大，对受力不利，也不利于施工，且混凝土结构整体上显得较为笨重，整体的美学效果不佳；若整体采用钢结构，虽造型较为轻盈，但整体造价较高，使得结构的经济性降低。综合考虑各项因素后，桥塔采用钢-混结构塔身，这样既节省了造价，又美观大方。主塔结构型式分为两部分，即下塔柱和上塔柱拉索区钢拱塔柱段。从塔顶沿桥塔轴线方向向下35.09 m高度内采用钢结构，余下25 m部分采用混凝土结构。主塔钢塔柱与混凝土塔柱采用钢混结合段的连接方式。钢拱塔柱采用Q345D钢材，板厚20～40 mm；主拱钢箱在每个拉索位置设置一道箱外耳板及箱内带镶边的横隔板，顶底板及腹板均设置纵向加劲肋。拱塔正立面外观呈类椭圆形，高为60.09 m，其中上塔柱(桥面标高以上)高38.89 m，上塔柱与拱塔总高度比值为0.65/1，接近黄金分割比例0.618/1，能较好地引发人的美感。主塔纵向分A、B两肢，拉索锚固于拱塔A肢，A、B两肢依靠系梁连接。A、B两肢均为箱型截面，其尺寸为1.2 m×2m。下塔柱自承台顶向上25 m范围内与竖直方向呈14°倾斜，从结构受力角度来说，有利于桥塔自身重力与斜拉索索力的平衡，从美学角度来说，桥塔微倾给人一种动态的美感。A、B两肢侧面为圆曲线，半径分别为500.6 m及200.6 m。下塔柱塔底横桥向宽17.6 m，纵桥向宽8.0 m，自承台以上25 m范围内，桥塔纵向尺寸采用圆曲线方式渐变至3 m，曲线半径65.8 m。上塔柱每肢横桥向宽度为3 m，纵桥向宽度由下至上从4 m渐变为5.6 m。拱塔一般构造见图4。

图4 拱塔一般构造图

该桥斜拉索采用空间扇形布置，斜拉索在梁上锚固于箱梁两侧横肋的边缘位置。全桥共7对斜拉索，梁上的顺桥向标准间距为8 m。斜拉索采用单端张拉，在拱塔外侧上设置锚固耳板，作为斜拉索的锚固端；在梁上的斜拉索锚固位置处设置混凝土锚块，并将拉索的张拉端设置于此。

1.5 钢混结合段

拱塔结构型式分为两部分，即下塔柱和上塔柱拉索区钢拱塔柱段。主塔钢塔柱与混凝土塔柱采用钢混结合的连接方式，为确保结构安全，在结合段钢板上设置PBL剪力键，直径为8 cm，同时在受拉侧则采用预加应力的方式来保证钢塔柱上内力平顺传递到混凝土塔柱上。钢拱肋与混凝土拱脚之间的连接，根据受力要求，配置8束13s15.2的预应力钢绞线，其控制永久应力为0.75fpk，保证钢混接头在各种内力组合下全截面受压。

1.6 装饰结构

为了进一步丰富桥梁景观，设计在拱塔两侧设置钢构装饰格栅，装饰格栅整体为平置“人”字型，两肢采用箱型截面，截面尺寸为1.0 m×1.0 m。上肢与主拱A肢焊接相连，下肢与拱塔下塔柱混凝土表面预埋件焊接，另一侧端部支承在主梁外伸牛腿上。两肢之间设置6条装饰格栅，格栅采用矩形钢管，其间距为1.985 m。

2 桥梁结构受力分析

桥梁结构计算采用MidasCivil软件，全桥共划分为449个节点，441个单元。主梁用单主梁的“脊骨梁”模型离散，斜拉索在下锚点通过刚性连接与主梁连接，考虑拉索非线性。根据结构实际边界条件，约束条件设置为：在塔底固结，主梁支座根据实际的支座布置位置进行建模，主塔横梁上的支座采用弹性连接进行模拟，分别约束3个支座中的纵向、竖向、横向位移，主梁其他支座约束竖向位移。总体有限元计算见图5。

图5 总体有限元计算图

考虑自重、二期恒载、不均匀沉降、车辆荷载、人群荷载、温度荷载、混凝土收缩徐变、风荷载等荷载，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）进行基本组合、标准组合、频遇组合及准永久组合[4]。

（1）预应力混凝土主梁按A类预应力混凝土构件验算。

根据规范分别对其抗弯、抗剪及抗扭承载力进行验算，结果如图6～图8所示。同时对施工阶段正截面应力、使用阶段正截面抗裂、斜截面抗裂、使用阶段正截面抗压、斜截面抗压、混凝土主梁挠度进行验算，均满足现行设计规范要求[5]。其中，混凝土梁主跨在车道荷载（不包括冲击力）作用下的主梁最大挠度为7.8 mm，小于《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01—2007）规定的 l/500=100 mm，满足规范要求[6]。

图6主梁正截面抗弯承载能力包络图

图7 主梁斜截面抗剪承载能力包络图

图8 主梁抗扭承载能力包络图

（2）主梁横梁及拉索锚块验算

分别对主梁端横梁、中横梁、横隔板及主梁拉索锚块进行应力计算和局部承压承载力验算，均满足现行设计规范要求。

（3）桥塔及斜拉索验算

分别对桥塔钢结构、桥塔钢-混凝土结合段、钢拱塔斜拉索耳板、钢拱塔装饰构件及桥塔混凝土结构、斜拉索进行验算，均满足现行设计规范要求[6，7]。斜拉索应力计算结果详见表1，钢塔柱应力验算见图9。

表1 斜拉索计算应力（σb=1860 MPa）

由计算可知，运营状态斜拉索的安全系数均大于2.5，满足规范要求。

由图9可知，横系梁最大应力为183 MPa，主拱圈最大应力为139 MPa，均小于钢结构设计强度值为245 MPa（考虑1.1重要性系数），满足规定要求。

图9 基本组合下钢塔柱应力包络图（单位：MPa）

3 结语

（1）该桥设计从桥梁美学角度出发综合考虑了桥塔造型及高度、空间扇型索面、流线型斜腹板箱梁、局部增设钢构装饰格栅等要素，设计了一座较为美观的空间倾斜双肢圆拱塔索辅梁斜拉桥，达到了造型景观与结构的完美结合。

（2）结构受力分析结果表明，该桥的应力、变形、桥塔总体稳定性等各项指标均满足规范要求，结构性能良好。目前该桥正在建设中，作为河道沿岸生态廊道上的重要节点工程，景观性好，地标性功能突出，社会效益显著。