鸭蛋拱形桥塔的三岔形人行景观斜拉桥设计

徐金法

(江苏交通工程咨询监理有限公司，南京 211800)

随着钢化夹胶玻璃技术的不断完善，水族馆、景观桥、观景台以及悬空栈道等建筑设施广泛运用该类新技术相关材料。随着桥梁设计水平的提高,设计师们更加关注桥梁结构的美学特性；近年来旅游业的快速发展也推动了风景区内景观玻璃桥梁的建造[1-3]。

鸡鸣三省大峡谷地处云南、四川和贵州接壤之地，赤水河和渭河劈崖交汇，蜿蜒曲折，从鸡鸣三省谷底噌吰而过[4]。鸡鸣三省大峡谷常出现雾溢长河、山缠雾带、峡谷涨水、斜阳穿峡、跨省彩虹等巧夺天工的独特奇观，极大地增添了鸡鸣三省的神秘魅力[5]。

为将生态优势转化为经济优势，充分利用地域景观资源，鸡鸣三省大峡谷需建设人行景观玻璃桥。传统的直线形景观玻璃桥不能适应鸡鸣三省大峡谷的地形地貌，需建设一座三岔形人行景观玻璃桥[6-8]，从而推动当地旅游经济的发展。

本项目提出一种三岔形桥面的人行景观玻璃斜拉桥方案，该斜拉桥塔改良为鸭蛋拱形桥塔，桥面形式采用环形三岔交叉桥面，桥面中央设置一个巨大的圆形观光天井，桥面加劲梁为变截面鱼腹梁结构，桥面板为透明的钢化夹胶玻璃，栏杆为银色金属栏杆。空间斜拉缆索交错悬吊玻璃桥面，形成造型独特的三岔形人行景观玻璃斜拉桥，同时进一步提升鸡鸣三省大峡谷景区的人文内涵。

结合鸡鸣三省大峡谷人行玻璃斜拉桥的设计，开展三岔形人行景观玻璃斜拉桥的构形研究，进行工程参数设计，并建立MIDAS有限元模型，开展动力模态研究，以便验证三岔形人行景观玻璃斜拉桥的结构优越性。

1 构型研究

鸡鸣三省大峡谷人行玻璃斜拉桥的三岔形桥面由直线段桥面和曲线过渡段桥面组成，直线段桥面互成120°，三个直线段桥面经由圆弧状曲面过渡段连接，桥面中心设置巨大的圆形观光天井，桥面中心点至鸭蛋拱形桥塔根部中心线距离为100 m。

改革传统人行景观斜拉桥结构，采用鸭蛋拱形桥塔代替门式桥塔结构，鸭蛋拱形桥塔由上部抛物线和左右椭圆弧线组成，造型美观，可提升人行悬索桥的景观品位。

鸡鸣三省大峡谷的三岔形桥面人行景观玻璃斜拉桥的构造对景观桥塔设计提出了新的要求，传统斜拉桥门式桥塔既不能满足空间缆索的固定需求也略显沉闷，为更好地配合空间斜拉缆索网、丰富景观桥层次感，该设计采用造型美观的鸭蛋拱形桥塔，鸭蛋拱形桥塔的几何构形如图1所示。

图1 鸭蛋拱形桥塔的几何构形

鸭蛋拱形桥塔与通常的抛物线拱形桥塔不同，抛物线拱形桥塔的下部是发散向外扒开的造型，鸭蛋拱形桥塔的下部是向内收敛的造型。鸭蛋拱形桥塔占地面积更少，适合窄小的山区景观平台环境。

鸭蛋拱形构型优美，结构新奇、轻盈，外形流畅且形式多变，根据实际需求方便修改，可广泛适用于各类景观桥梁的桥塔设计，鸡鸣三省大峡谷人行玻璃斜拉桥采用别具新意的鸭蛋拱形桥塔可以协调景区环境。随桥面曲线变化，靠近桥面中心圆处的加劲梁跨度较大，采用鱼腹式变截面钢梁，以达到增大截面高度而不过多增加自重和耗材的目的，同时也丰富了峡谷仰视的桥面景观。三岔形曲线桥面和曲线形鸭蛋拱形桥塔二者曲线造型可与鸡鸣三省大峡谷环境协调，建筑搭配合理，优势互补，是结构学和建筑学的理想结合。三岔形曲线桥面交通流畅，三个巨型鸭蛋拱形桥塔门洞象征三省门户。鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥如图2所示。

图2 鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥

2 有限元模型的建立

鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥桥面中心点至鸭蛋拱形桥塔底部水平距离为100 m，引桥跨度均为24 m。鸭蛋拱形桥塔采用钢管混凝土桥塔结构，钢管直径为2.5 m，钢管壁厚为18 mm，内灌C40混凝土，鸭蛋拱形桥塔倾斜角度为15°，最高处为55 m，桥塔最宽处为40 m，其中抛物线段塔顶的宽度为30 m，矢高为8 m，椭圆弧线段塔柱高度为47 m，支座处设置1根水平横杆支撑桥面。

斜拉索分散锚固于鸭蛋拱形桥塔之上，每个鸭蛋拱形桥塔各有2组11对斜拉索，共66根斜拉索；每个鸭蛋拱形桥塔各有2组5对斜拉背索，共30根斜拉背索。斜拉缆索直径为0.15～0.2 m，斜拉缆索采用1670 MPa的镀锌高强度钢丝。玻璃桥面钢结构加劲梁如图3所示。

图3 玻璃桥面钢结构加劲梁

直线段桥面宽度为15 m，桥面中心天井洞口半径为20 m，桥面曲线封口梁按桥面圆弧曲线变化，其圆弧半径为175 m，在桥面中心天井洞口周围也设置一道封口梁。

桥面采用钢梁网格结构，梁间距为8 m，由于桥面为曲线变化，由引桥至中心处桥面加劲梁跨度逐渐增大。直线段桥面加劲梁长为15 m，加劲梁采用矩形钢管的钢梁结构，梁宽均为1 m，梁截面高度为2～3.5 m，曲线段桥面加劲梁为鱼腹式变截面钢梁，增加钢梁截面高度以满足跨中处玻璃桥面的承载力要求。桥面鱼腹式钢梁结构如图4所示。

图4 桥面鱼腹式钢梁结构(单位：m)

鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥的MIDAS模型如图5所示。

图5 鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥的MIDAS模型

3 竖向荷载作用下的计算结果

对主跨桥面做满荷加载，桥面附加恒荷载采用均布荷载标准值5 kN/m2，桥面活荷载采用均布荷载标准值4 kN/m2，竖向荷载作用下的计算结果如图6所示。

(a) 挠度

最大竖向位移出现在跨中位置，去除成桥状态的找形误差后，竖向荷载作用下的竖向挠度为0.224 m，满足规范规定的1/500限值要求。缆索最大内力为37 548.6 kN，缆索最大应力为758.2 MPa，满足强度要求。桥塔最大内力为537 663 kN，桥塔最大应力为77.9 MPa，满足强度要求。

4 模态计算结果

主缆是斜拉桥的主要承力结构，动力特性分析建模时以初拉力的形式计入主缆和吊索的成桥内力。基于MIDAS的非线性静力分析、应力刚化效应和模态分析功能，进行自振特性分析。为了不遗漏任何振型，分析过程中采用子分块法求解特征方程。典型模态如图7所示。

(a) 1阶振型(0.549 Hz)

由图7可知，1阶振型为正对称竖弯，频率为0.549 Hz；15阶振型为扭转振型，频率为1.568 Hz。整体振型密集，出现明显的振型分组现象，振型以竖弯和侧弯振动为主，直到15阶才出现正对称扭转振型，扭弯频率比值为2.86，比值较高表明其具有良好的抗风稳定性。

5 结语

以鸡鸣三省大峡谷人行景观玻璃斜拉桥为工程背景，进行鸭蛋拱形桥塔的三岔形桥面斜拉桥的构形研究，建立MIDAS有限元模型，进行竖向荷载作用下的静力分析，开展动力模态分析，得出以下结论。

(1) 改革传统的斜拉桥门式斜拉桥塔，提出新型鸭蛋拱形斜拉桥塔的设计方案，鸭蛋拱形桥塔具有造型美观、占地面积小、锚固分散、缆索方便、力学性能优良和施工便捷等优势，该新型桥塔适合窄小的山区景观平台环境。

(2) 三岔形人行景观玻璃桥面与鸭蛋拱形桥塔二者互相匹配，空间曲线形建筑结构元素与鸡鸣三省大峡谷环境之间互相协调，可大幅提升景区的人文内涵，是结构学和建筑学的理想结合。

(3) 三岔形空间斜拉桥竖向刚度大、跨越能力强，其最大竖向位移出现在跨中位置，竖向恒荷载和活荷载作用下的竖向挠度为0.224 m，满足规范要求。缆索最大内力为37 548.6 kN，缆索最大应力为758.2 MPa，满足规范要求。

(4) 振型以竖弯和侧弯振动为主，直到15阶才出现正对称扭转振型，扭弯频率比值为2.86，比值较高表明三岔形桥梁结构牢固，具有良好的抗风稳定性。