珠海白石橋主塔設(shè)計關(guān)鍵點

◎ 李偉 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司

1.工程概況

珠海白石橋是連接珠海前山河兩岸的城市橋梁，主橋為結(jié)合梁自錨式懸索橋（見圖1）。主橋孔跨布置為（30+60+150+60+30）m=330m，橋面寬25.5m。兩根主纜均為平面索面，橫向中心距28.5m，矢跨比為1/5.5。

懸索橋主塔是景觀的主要載體，是懸索橋的主要受力結(jié)構(gòu)，以承壓為主。針對如何使主塔承載當(dāng)?shù)氐木坝^元素，以及受壓為主的主塔其穩(wěn)定性是否滿足要求，如何使主塔塔頂與主纜的連接清晰便捷，本橋主塔設(shè)計創(chuàng)造性地提出了新的解決方案。

2.景觀設(shè)計

通過對周邊的自然景觀、人文景觀進行詳細(xì)的調(diào)查篩選，遴選了“珠海漁女”、“拱北海關(guān)”、“大三巴牌坊”等作為重點研究對象。其中的“大三巴牌坊”歷史悠久，是澳門八景之一。牌坊建筑是糅合歐洲文藝復(fù)興時期建筑風(fēng)格與東方建筑風(fēng)格而成，體現(xiàn)出東西藝術(shù)的交融，雕刻精細(xì)，巍峨壯觀。因此最終確定借鑒特色顯著的“大三巴牌坊”進行景觀方案創(chuàng)作。從牌坊中提取尖頂、拱門、束柱等歐洲哥特式建筑風(fēng)格的元素進行抽象、加工（見圖1），構(gòu)思主塔造型設(shè)計。

3.穩(wěn)定問題解決辦法

3.1 常用分析方法

由于懸索橋主纜是通過主塔提供支撐，主塔必須承受主纜傳下來的強大軸向壓力，因此主塔的穩(wěn)定是一個比較突出的問題。該項目采用接近主塔實際情況，直觀明了、概念清晰的簡化力學(xué)分析方法，無論是對有限元分析結(jié)果的檢驗還是對設(shè)計方案進行簡單的估算都是十分必要的。

3.2 彈性約束壓桿方法

懸索橋主塔塔頂是與主纜聯(lián)系在一起的，主纜在重力作用下產(chǎn)生的剛度會對塔頂形成彈性約束。因此主塔順橋向應(yīng)是下端固定、上端彈性約束的壓桿，如圖2所示。

彈性約束壓桿模型的B端為彈性支座，彈簧的剛度系數(shù)為K K=彈，該壓桿的失穩(wěn)狀態(tài)如圖2右側(cè)所示。

表1 白石橋主塔穩(wěn)定檢算情況

塔柱自身剛度可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸算得。塔頂主纜提供的彈性約束剛度，可通過先求出全橋模型塔頂總剛度，再扣除主塔抗推剛度貢獻來求得。

3.3 穩(wěn)定分析結(jié)果

如表1所示為白石橋主塔穩(wěn)定檢算情況。

表1中結(jié)果表明上述方法與有限元數(shù)值法結(jié)果吻合較好，略偏安全，說明其合理可行；本橋主塔穩(wěn)定滿足規(guī)范穩(wěn)定系數(shù)＞4的要求。在本橋主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，利用該方法中清晰直觀的力學(xué)概念直接指導(dǎo)了設(shè)計方向，快速穩(wěn)定了主塔結(jié)構(gòu)尺寸，提高了效率。除懸索橋主塔外，該方法同樣適用于斜拉橋、橋墩等邊界條件模糊的受壓結(jié)構(gòu)。

4.塔頂鞍座聯(lián)結(jié)處理

懸索橋主塔頂端需要設(shè)置鞍罩保護纜索系統(tǒng)的重要傳力構(gòu)件索鞍。本橋索鞍索槽順橋長3.65m，考慮附屬設(shè)施布置空間及養(yǎng)護人員的活動空間，鞍罩內(nèi)凈空設(shè)計為4.6m。上塔柱標(biāo)準(zhǔn)截面為2.8m見方的實心矩形截面，塔頂結(jié)構(gòu)根據(jù)鞍罩構(gòu)造要求結(jié)合景觀方案設(shè)計為漸變的柱墩，塔頂平面為邊長5.4m的矩形。

傳統(tǒng)做法，塔頂高度根據(jù)主纜位置確定，需滿足主纜構(gòu)造及變形要求避免與主纜沖突，然后在塔頂上直接設(shè)置索鞍與鞍罩。按此方法設(shè)計的索鞍，鞍體高2519mm，重35.9t。對于這個體量的鑄件，工廠鑄造、發(fā)貨運輸會有一定困難，在現(xiàn)場安裝時，這個重量將決定塔吊等起重設(shè)備規(guī)格的選用，為此而選用大規(guī)格會造成設(shè)備的閑置浪費。

鑒于上述情況，本橋主塔設(shè)計時，有針對性地進行了優(yōu)化、創(chuàng)新。先根據(jù)上述方法確定安放鞍罩的塔頂高程，然后在其上設(shè)置能滿足索鞍安裝及傳力需要的墊石，同樣墊石亦需滿足主纜構(gòu)造及變形要求避免與主纜沖突，再在墊石上設(shè)置索鞍。按此新方法設(shè)計的索鞍，鞍體高1819mm，重17.6t。與傳統(tǒng)方法的索鞍相比體量更小，降低了制造、運輸、安裝的難度。

塔頂鞍座墊石的設(shè)置，充分利用空間降低了索鞍體量。鞍體重量降低了51%，直接節(jié)約了工程造價；同時降低了索鞍工廠制造、發(fā)貨運輸、現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)的難度。此方法與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)點突出，對于懸索橋塔頂與索鞍連接設(shè)計具有普適性。

5.主塔設(shè)計要點

主塔為哥特式（英倫風(fēng)）框架結(jié)構(gòu)。主塔全高62.26m，塔柱橫向中心間距為28.5m，橫向凈距25.56m。塔柱之間設(shè)置上、下兩道橫梁及裝飾拱圈，上塔柱外表面四角設(shè)有景觀裝飾圓柱及塔頂鞍罩。下塔柱為實心圓端形截面，上塔柱為實心矩形并在四角設(shè)裝飾圓弧截面，上、下橫梁為箱型截面，裝飾拱圈為實心矩形截面。其中，下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，塔頂鞍罩為鋼結(jié)構(gòu)，其余部分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

下塔柱高11.2m，采用實心圓端形截面，橫橋向?qū)?.1～4.5m，順橋向?qū)?m；上塔柱高28.9m，橫橋向等寬2.8m、順橋向等寬2.8m，采用實心矩形截面，并在四角設(shè)裝飾圓弧；塔頂裝飾鞍罩高15.8m，為密閉的鋼結(jié)構(gòu)；下橫梁高3m，寬2.8m，壁厚60cm，采用單箱單室截面；上橫梁高3m，寬2.8m，壁厚40cm，采用單箱單室截面，兩側(cè)設(shè)有裝飾槽。

6.結(jié)束語

綜上所述，珠海白石橋主塔在設(shè)計階段對景觀、穩(wěn)定、構(gòu)造細(xì)節(jié)等關(guān)鍵問題的研究，貫徹了結(jié)構(gòu)安全耐久、造型新穎美觀、方案經(jīng)濟合理的原則。主塔于2017年1月施工完畢，施工過程中經(jīng)受了臺風(fēng)的考驗，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的安全性。2017年7月底，大橋順利建成通車，全橋動、靜載試驗及通車情況均表明，主塔狀況良好。大橋高顏值、英倫風(fēng)的造型，深受珠海廣大市民的喜愛。主塔作為自錨式懸索橋的主要構(gòu)件，對其景觀設(shè)計、穩(wěn)定性、關(guān)鍵部位設(shè)計進行深入的分析和研究具有重要意義。