裝飾性拱形塔斜拉橋設(shè)計關(guān)鍵問題探討

馬 超

（河北銳馳交通工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050021）

0引言

近些年，隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，在滿足各種使用功能需求的前提下，人們對橋梁設(shè)計美觀性的要求日益提高。在此背景下，裝飾性橋梁應(yīng)運(yùn)而生。常規(guī)中小跨徑橋梁構(gòu)造簡單、施工便捷、工程投資低廉，但美觀性不足。許多地方就出現(xiàn)了以簡支梁板橋為基本體系，同時新增裝飾性建筑結(jié)構(gòu)形成觀賞性較高的景觀橋梁[1]，如裝飾性拱橋、裝飾性斜拉橋、裝飾性變截面橋等。這些裝飾性結(jié)構(gòu)通常不與簡支梁板橋共同受力，這樣既可以得到理想中的景觀效果，又可以避免整個橋梁的工程造價過高。因此，裝飾性橋梁逐漸成為一種新的設(shè)計方向。

1 工程背景

1.1 工程概況

某市新建城市主干路，上跨規(guī)劃河，橋梁全長66m，全寬42m，上部結(jié)構(gòu)采用3×20m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板?？紤]空心板橋外觀簡單，不能滿足城市發(fā)展所需的美觀要求，因此對其進(jìn)行景觀設(shè)計。

1.2 設(shè)計思路

裝飾性結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足人們的審美需求，同時具有新時代的寓意。本項目選用裝飾性拱形塔斜拉橋。側(cè)面上合理布置拉索，線性優(yōu)美，給人以纖細(xì)輕巧的美感；橫斷面上拱形門架作為橋塔，猶如一道迎接四方賓客的大門，蘊(yùn)含著當(dāng)?shù)厝嗣駸崆楹每?、努力向上的風(fēng)貌。

2 總體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

橋梁橫斷面寬42m，布置情況為：3m人行道+4.9m非機(jī)動車道+2.2m分隔帶+21.8m機(jī)動車道+2.2m分隔帶+4.9m非機(jī)動車道+3m人行道。橋梁采用3×20m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，柱式臺。主橋立面圖和斷面圖詳見圖1、圖2。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

圖2 主橋斷面圖（單位：cm）

裝飾拱主要由拱圈、拉索、地梁、承臺、樁基礎(chǔ)組成。全橋設(shè)置一個拱圈，拱圈傾斜角度為75°，計算跨徑24m，計算矢高25m，拱腳錨固于承臺。拱圈單側(cè)設(shè)置兩排拉索，每排布設(shè)8根拉索。拉索一端與拱圈連接，一端與地梁連接。拉索的拉力使得地梁與相鄰主橋空心板之間產(chǎn)生相對滑動的趨勢，對鉸縫產(chǎn)生不利影響。故地梁與主橋空心板之間留有縫隙，填塞苯板。裝飾拱立面圖和斷面圖詳見圖3、圖4。

圖3 裝飾拱立面圖（單位：cm）

圖4 裝飾拱斷面圖（單位：cm）

2.2 設(shè)計重點

根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定，機(jī)動車道最小凈高為4.5m，任何物體不得侵入道路限界內(nèi)，故應(yīng)合理布設(shè)拉索位置。

拉索拉力的大小是本橋設(shè)計中的關(guān)鍵因素。裝飾性斜拉拱橋要保證視覺上的美觀，應(yīng)將拉索拉直，因此需要一定的張拉力。如果拉索的張拉力過大，會導(dǎo)致拱圈受力不合理，為后期運(yùn)營階段埋下安全隱患。如果拉索的張拉力過小，拉索長度較大，會使得斜拉索下?lián)线^大，景觀效果達(dá)不到理想目標(biāo)。而且拉索在活荷載作用下，長期處于拉力變化狀態(tài)，易產(chǎn)生疲勞問題，減少使用壽命，增加養(yǎng)護(hù)運(yùn)營成本。

地梁截面尺寸主要根據(jù)依靠自身重力抵消拉索豎向分力來確定，同時滿足在各種荷載組合下相關(guān)規(guī)范要求。

拱圈外形設(shè)計既要美觀，還要滿足結(jié)構(gòu)受力要求，并兼顧施工、造價等因素。

3 拉索拉力確定

本項目拉索通過上下耳板與拱圈、地梁連接，橋面處張拉控制拉力。拉索拉力的確定不能影響到拱圈和地梁的結(jié)構(gòu)安全，還要防止拉索下?lián)嫌绊懢坝^性，故拉索拉力不能過大，也不宜過小。

拉索在兩端張拉力及自重作用下，其線形呈懸鏈線狀，并且基于以下幾項假定條件[1]：

（1）拉索為柔性結(jié)構(gòu)，只承受張拉力作用而不考慮其受壓作用，并且不考慮其彎曲剛度。

（2）拉索為線性材料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線符合胡克定律。

（3）拉索的自重及風(fēng)荷載沿拉索長度方向均勻分布。

（4）不考慮拉索橫截面受力變形后的變化。

根據(jù)這些假定，孫鵬[1]、王妍[3]提出了有關(guān)拉索在張拉力及自重荷載作用下的懸鏈線方程：

懸鏈線方程簡圖見圖5。

圖5 懸鏈線方程簡圖

由上式可以推導(dǎo)出，在拉索拉力一定的情況下，拉索自重越小，索體下?lián)现翟叫。辉诶髯灾匾欢ǖ那闆r下，拉索拉力越大，索體下?lián)现翟叫　Ｋ黧w下?lián)现翟叫?，其自身線形就越趨近于直線，美觀性就越好。但拉索拉力過大對裝飾拱圈結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響，因此，在拉索索體截面和規(guī)格確定后，再通過確定合理的下?lián)现祦硗扑闼枥鲝埨?。筆者通過參考其他項目設(shè)計的類似裝飾性斜拉橋，拉索下?lián)献畲笾稻刂圃贚/400～L/300之間，肉眼通常無法觀測到拉索下?lián)?，景觀效果較好。

拉索規(guī)格選取及張拉力確定，除考慮下?lián)现低?，還應(yīng)考慮拉索風(fēng)雨振的影響。減少風(fēng)雨振影響的方法較多，采用以下兩種方式較多：（1）在斜拉索的PE套管設(shè)置螺旋線凸起；（2）若拉索大于80m，在前者的基礎(chǔ)上，拉索設(shè)置阻尼器。

本項目參考其他裝飾性斜拉橋，同時咨詢拉索廠家以往經(jīng)驗，最終拉索索體采用1860MPa級3×φ15.2mm，索體用PE護(hù)套環(huán)氧噴涂鋼絞線纏包后熱擠HDPE，索體外徑φ50mm，索體單位重量為4.73kg/m。設(shè)計采用拉索中心處最大下?lián)现怠躄/300來控制張拉力，同時考慮部分風(fēng)荷載影響。下面將本橋8根拉索根據(jù)下?lián)现荡_定的張拉力列于表1中。

表1 拉索下?lián)现?/p>

4 裝飾拱體系結(jié)構(gòu)計算

本項目拱圈高度為承臺頂以上25m。其中，鋼塔柱19m，鋼混結(jié)合段6m，傾斜角度為75°。拱圈為矩形截面，順橋向1.7m，橫橋向1.2m，壁厚22mm，鋼混結(jié)合段在鋼箱內(nèi)澆筑C50微膨脹混凝土。地梁梁高1.2m，寬1.5m，頂、底板厚22cm，腹板厚22cm，在支座處設(shè)置50cm實心段。

本項目結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)計算軟件MidasCivil進(jìn)行分析，將結(jié)構(gòu)離散成163個節(jié)點、170個單元。其有限元模型如圖6所示。

圖6 Midas計算模型

考慮結(jié)構(gòu)自重、地梁鋪裝荷載、整體升降溫、截面溫度梯度、不均勻沉降、風(fēng)荷載、張拉索力等，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[4]、《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》[7]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載組合。

4.1 拱圈驗算

4.1.1 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗算（施工階段）

由圖7、圖8可知，各施工階段最大拉應(yīng)力為9.9MPa，最大壓應(yīng)力為-13.7MPa，滿足規(guī)范[6]驗算要求。

圖7 短暫狀況橋塔最大壓應(yīng)力驗算結(jié)果圖形

圖8 短暫狀況橋塔最大拉應(yīng)力驗算結(jié)果圖形

4.1.2 荷載組合作用下應(yīng)力驗算

由圖9、圖10可知，荷載組合作用下，最大拉應(yīng)力為69.0MPa，最大壓應(yīng)力為79.7MPa。Q345鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計值：當(dāng)板厚大于16mm時為270MPa，滿足規(guī)范[6]驗算要求。

圖9 基本組合下橋塔最大壓應(yīng)力驗算結(jié)果圖形

圖10 基本組合下橋塔最大拉應(yīng)力驗算結(jié)果圖形

4.1.3 其他驗算

分別對拱圈穩(wěn)定性、拉索耳板、拱圈橫隔板、埋入式拱腳等進(jìn)行驗算，均滿足規(guī)范要求。

4.2 地梁驗算

地梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范要求分別對結(jié)構(gòu)的抗彎承載力、抗剪承載力及裂縫進(jìn)行驗算，均滿足規(guī)范[5]要求。

5 結(jié)語

本文首先通過景觀要求來確定拉索拉力，進(jìn)而擬定拱圈和地梁的結(jié)構(gòu)尺寸，最后結(jié)構(gòu)通過計算作相應(yīng)調(diào)整以滿足規(guī)范要求。本文對裝飾性拱形塔斜拉橋的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了簡單探討，可為今后同類型工程設(shè)計提供參考。