城市無背索獨(dú)塔斜拉橋的景觀設(shè)計(jì)理念與選型分析

馮紹海，李 清

（九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000）

0 引言

斜拉橋是最新型的現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)型式，雖然其發(fā)展歷史不是很長，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受力明確、外形美觀、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于公路橋梁和城市橋梁的建設(shè)中。特別是斜拉橋?qū)儆谧藻^式體系，其建設(shè)對于地基基礎(chǔ)沒有很高的要求，因此在城市環(huán)境中大量使用，而且斜拉橋的外形美觀，索塔剛勁有力、拉索輕巧明快、主梁也可以做得輕型，具有很好的美觀效果，能夠在城市景觀設(shè)計(jì)中增添色彩。

斜拉橋具有諸多優(yōu)勢：跨越能力強(qiáng)、建筑高度小、結(jié)構(gòu)受力合理、設(shè)計(jì)構(gòu)思多樣化、結(jié)構(gòu)整體剛度大、橋型美觀等，由常規(guī)斜拉橋可以變化成諸多子結(jié)構(gòu)類型，其中無背索的獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)造型在城市建設(shè)中廣泛采用，例如主跨320 m的杜塞爾多夫市萊茵河上的Knie橋，主跨301 m的德國Severin橋、主跨407 m的德國杜塞爾多夫市費(fèi)萊厄橋等。獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)跨徑同樣可以做得很長，滿足各種通行要求。此外，處于城市環(huán)境的獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)建造，還需要更多地關(guān)注結(jié)構(gòu)的外形美觀[1,2]。

論文首先剖析城市環(huán)境無背索獨(dú)塔斜拉橋的景觀設(shè)計(jì)理念和方法，特別對獨(dú)塔斜拉橋的造型景觀進(jìn)行了分析研究。其次，提出無背索獨(dú)塔斜拉橋的選型方法。促進(jìn)無背索獨(dú)塔斜拉橋在我國城市中的設(shè)計(jì)建造。

1 無背索獨(dú)塔斜拉橋的景觀設(shè)計(jì)理念

首先分析城市環(huán)境的橋梁景觀設(shè)計(jì)理念和方法，其次分析無背索獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最后針對無背索獨(dú)塔斜拉橋提出其獨(dú)特的設(shè)計(jì)景觀設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.1 城市橋梁的景觀設(shè)計(jì)要點(diǎn)

城市橋梁的景觀設(shè)計(jì)就是需要將橋梁構(gòu)造物與周邊城市環(huán)境在外形與景觀上達(dá)到和諧一致，這種和諧統(tǒng)一不僅從外在尺寸上的過渡與流暢，還包含對當(dāng)?shù)厝宋木坝^、文化背景的融合。從表現(xiàn)形式上，就是通過美學(xué)上的形體、造型、布局、色彩等角度進(jìn)行柔和，同時(shí)以橋梁結(jié)構(gòu)受力為主要參照基礎(chǔ)。

在明確城市橋梁的景觀設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，首先需要掌握城市橋梁的功能特性。作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的市政橋梁結(jié)構(gòu)，其功能首先體現(xiàn)在交通通行上，是用于解決人們的出行和貨物運(yùn)輸?shù)?，用于打破交通障礙、聯(lián)系區(qū)域經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)社會溝通等，因此橋梁的設(shè)計(jì)首先需要滿足交通通行的基本功能，能夠滿足目前及未來較長時(shí)間內(nèi)的交通通行安全。此外，城市橋梁作為城市景觀的重要構(gòu)成，還是城市文明的載體和區(qū)域文化的象征，這就要求橋梁的建設(shè)能夠融合城市的人文因素，例如天津海河上的橋梁體現(xiàn)了天津市的發(fā)展歷程，上海黃浦江上的橋梁也承載著浦東與浦西的發(fā)展歷程，馬鞍山長江大橋橋塔設(shè)計(jì)成典型的徽派風(fēng)格等。

明確了城市橋梁的功能需求后，需要結(jié)合美學(xué)的諸多要素開展景觀設(shè)計(jì)，將橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地域文化特性、時(shí)代發(fā)展特點(diǎn)等考慮進(jìn)來。具體的設(shè)計(jì)方法是：首先，構(gòu)建基本的橋梁結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該滿足橋梁跨度和受力要求，以安全受力、平穩(wěn)過渡、穩(wěn)定堅(jiān)固為原則，達(dá)到結(jié)構(gòu)外形與受力完好吻合；其次，應(yīng)該凸顯景觀元素，對橋梁的橋墩、欄桿、照明設(shè)施、橋塔等做特別設(shè)計(jì)，與周邊環(huán)境融合形成一體；再則，注重結(jié)構(gòu)的肌理與色彩設(shè)計(jì)，采用對應(yīng)的建造材料，進(jìn)行表面肌理和色彩設(shè)計(jì)，例如在綠色環(huán)境中的橋梁，其主色調(diào)應(yīng)該以融合綠色為主；最后，需要注重夜景的設(shè)計(jì)，通過夜景設(shè)計(jì)凸顯橋梁的城市符號。

1.2 無背索獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無背索獨(dú)塔斜拉橋從常規(guī)斜拉橋演化而來，但其受力特點(diǎn)與常規(guī)斜拉橋存在顯著的差別[3,4]，見圖1。

圖1 無背索獨(dú)塔斜拉橋與常規(guī)斜拉橋

首先，無背索獨(dú)塔斜拉橋需要通過塔的傾斜平衡拉索水平力。常規(guī)斜拉橋兩邊拉索相互平衡，因此索塔主要以承壓為主且設(shè)計(jì)成豎直形狀。無背索獨(dú)塔斜拉橋的主跨結(jié)構(gòu)荷載通過斜拉索傳遞到索塔后，水平力需要斜塔自重承擔(dān)，使得傾斜索塔承受軸向力作用，但由于活載作用下索力的不確定性，使得傾斜的索塔其受力性能變得很復(fù)雜。

其次，塔梁連接區(qū)域受力非常復(fù)雜。常規(guī)斜拉橋塔梁連接區(qū)域沒有明顯的荷載傳遞，主梁軸向力相互抵消；而無背索獨(dú)塔斜拉橋的塔梁連接區(qū)域受力較為復(fù)雜，一方面主梁傳遞較大的軸向荷載作用，而斜塔也傳遞較大的軸向力，使得該區(qū)域受到雙向軸力作用，再加上活載不確定性產(chǎn)生的附加彎矩，如何有效解決該區(qū)域的受力問題成為關(guān)鍵之一。

最后，地基基礎(chǔ)的受力變得復(fù)雜。無背索獨(dú)塔斜拉橋索塔承受軸向力，而該荷載如何傳遞為豎直地基基礎(chǔ)變得復(fù)雜，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅需要承擔(dān)軸向荷載還有顯著的附加彎矩作用。

1.3 無背索獨(dú)塔斜拉橋景觀設(shè)計(jì)方法

無背索獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是索塔的外傾型式和塔梁連接區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜性，這些要素在景觀設(shè)計(jì)中都是可以很好地考慮的。

首先，傾斜的索塔型式，由于索塔需要平衡拉索的水平力，因此塔的設(shè)計(jì)需要較為穩(wěn)重，而傾斜穩(wěn)重的索塔，可以為城市增添亮麗的風(fēng)景，配合在索塔外形上的設(shè)計(jì)，無背索獨(dú)塔斜拉橋的景觀效果將非常顯著。圖2是酒泉神舟友誼大橋，通過采用拱形索塔型式，既能夠穩(wěn)重地傳遞拉索荷載，又凸顯出明亮的景觀效果。

圖2 傾斜索塔型式的造型設(shè)計(jì)

其次，無背索獨(dú)塔斜拉橋的塔梁連接處較為復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體量也很大，如果對于該區(qū)域不進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)，將使得結(jié)構(gòu)美觀性差，索塔與主梁的連接過于突兀。反之，如果在設(shè)計(jì)中考慮力流傳遞的平穩(wěn)性問題，對連接區(qū)域進(jìn)行平緩過渡，而能夠凸顯結(jié)構(gòu)的力學(xué)美觀效果，圖3是捷克易北河的Mariansky Bridge，通過索塔與主梁的流線型構(gòu)型，整個(gè)力流傳遞很好，同時(shí)結(jié)構(gòu)美觀效果非常突出。

圖3 捷克易北河的Mariansky Bridge

最后，針對索塔結(jié)構(gòu)、拉索、主梁等構(gòu)件，需要充分考慮照明設(shè)施以及色彩、肌理，對于索塔外形還需要結(jié)合當(dāng)?shù)厝宋囊蛩乜紤]進(jìn)去，設(shè)計(jì)成代表地區(qū)文化符號的地標(biāo)性橋梁結(jié)構(gòu)。

2 無背索獨(dú)塔斜拉橋的選型分析

城市無背索獨(dú)塔斜拉橋的設(shè)計(jì)，需要從橋跨結(jié)構(gòu)型式、塔梁墩連接方式、索塔型式、斜拉索布設(shè)四方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型分析[5]。

2.1 橋跨結(jié)構(gòu)型式

無背索獨(dú)塔斜拉橋的橋跨結(jié)構(gòu)型式主要有單跨式、主跨+輔助孔、邊跨+主跨+輔助孔三種主要的結(jié)構(gòu)型式，見圖4，不同結(jié)構(gòu)型式的橋梁特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要素具有一定的差別。

圖4 無背索獨(dú)塔斜拉橋橋跨結(jié)構(gòu)型式

單跨式是應(yīng)用最多的無背索獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，采用索塔與主梁和橋墩固結(jié)，另一側(cè)主梁與橋墩鉸接的型式，該結(jié)構(gòu)體系下由于橋塔傾斜作用產(chǎn)生的傾覆力矩有拉索和主梁共同承擔(dān)，這種橋型設(shè)計(jì)中索塔和梁的結(jié)構(gòu)重量具有嚴(yán)密的關(guān)系，造型設(shè)計(jì)中可以對索塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)。主跨+輔助孔的結(jié)構(gòu)型式，通過輔助孔卸載主跨的正彎矩作用，可以解決拉索在遠(yuǎn)端的錨固效果問題，對于輔助孔的跨徑一般不宜選用過大，否則邊跨橋墩處的負(fù)彎矩非常顯著。邊跨+主跨+輔助孔的結(jié)構(gòu)型式，則通過邊跨卸載橋墩和塔梁連接處的彎矩效應(yīng)，但由于塔梁墩連接處本身較為復(fù)雜的受力型式，一般邊跨的跨徑夜不宜過大，以傳遞擴(kuò)散荷載為宜。

2.2 塔梁墩連接方式

無背索獨(dú)塔斜拉橋的塔梁墩連接方式有塔梁墩固結(jié)、塔墩固結(jié)及塔梁分離、塔梁固結(jié)及塔墩支撐三種型式（見圖5），這與斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系有一定的相似性。

塔梁墩固結(jié)是剛構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢是不需要支座，通過塔梁墩連接形成整體的受力結(jié)構(gòu)型式，但難點(diǎn)是塔梁墩固結(jié)處受力較為復(fù)雜，特別是移動荷載和溫度荷載作用向下該連接處的變形與受力較為復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)中需要對該區(qū)域進(jìn)行特別考慮。塔墩固結(jié)及塔梁支撐是漂浮體系，拉索荷載由索塔和基礎(chǔ)共同承擔(dān)，主梁的受力較為簡單，但是塔梁連接處的構(gòu)造也較為復(fù)雜，需要提供較大的水平力，因此該結(jié)構(gòu)體系的橋梁跨徑不宜過大。塔梁固結(jié)及塔墩支撐是簡支結(jié)構(gòu)體系，是外部靜定內(nèi)部超靜定的結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)體系相對于前兩種體系的拉索調(diào)整更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)在活載下的受力更為不利，且支座噸位較大。

圖5 無背索獨(dú)塔斜拉橋的塔梁墩連接型式

2.3 索塔型式

無背索獨(dú)塔斜拉橋的索塔型式與常規(guī)斜拉橋一樣可以選用多種型式，包括A,I,Y等形式，一般不選用磚石型等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受力以承受很大的軸向力為主，因此以直線型線條為主要索塔構(gòu)造型式。此外，拱形索塔在無背索獨(dú)塔斜拉橋中采用也較多。

2.4 斜拉索布設(shè)方式

斜拉索的布設(shè)方式主要受到索塔型式?jīng)Q定，有空間索面和平行索面型式，根據(jù)索的分布型式有豎琴形和扇形等，這些斜拉索的布設(shè)方式在橋梁設(shè)計(jì)中都有涉及。

3 結(jié)語

隨著城市化發(fā)展的進(jìn)程，越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用到城市橋梁的建設(shè)中，不僅解決了城市交通運(yùn)輸需求，還為城市的景觀添磚加瓦。無背索斜拉索是近期在城市橋梁建設(shè)中應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)型式，論文詳細(xì)論述了無背索獨(dú)塔斜拉橋的景觀設(shè)計(jì)理念，并針對無背索斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其結(jié)構(gòu)體系、型式、構(gòu)件等進(jìn)行了選型分析，促進(jìn)無背索獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)型式在城市橋梁建設(shè)中的應(yīng)用。

參考文：

[1]楊揚(yáng),唐宗富,王亮.淺析城市無背索斜拉景觀橋的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)[J].黑龍江交通科技,2016,39(5)：95-96.

[2]高曉明.淺談城市橋梁景觀設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪,2016(5)：110-113.

[3]陳愛軍,邵旭東.無背索豎琴式斜拉橋合理結(jié)構(gòu)體系分析[J].中外公路,2009，29(4)：89-95.

[4]朱冰冰.獨(dú)塔無背索斜拉橋的設(shè)計(jì)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(22)：86.

[5]章曾煥,盧永成,方亞非,等.哈爾濱太陽橋無背索斜拉橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)[A].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會2002年全國橋梁學(xué)術(shù)會議[C].2002.