自锚式悬索-斜拉协作体系设计与景观

任宏业，任国红，王青桥

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市200092）

0 引言

近年来，城市桥梁景观要求日益提高，自锚式悬索桥作为城市景观效果较好的一种桥型得到了大力发展。自锚式悬索桥有着其他桥型不可比拟的优点，如：避免了传统地锚式悬索桥的缺点，不需要修建大体积锚锭，对桥位处地质条件要求宽松；保留了传统悬索桥的外形，在主跨100～200 m跨径范围内的城市桥梁方案比选中具有较强的竞争力。但是，如何在现有常规自锚式悬索桥基础上，结合合理的结构设计理念，改良桥型景观效果是下一步桥梁景观师努力的方向之一。

现阶段的自锚式悬索桥主梁大多采用混凝土结构，根据自锚式悬索桥的受力特点，成桥后的主梁将承受着巨大的压力，选用混凝土结构可以充分发挥其抗压优势，且后期养护费用较低。但是，由于桥型结构本身的受力特点，选用混凝土主梁同样也产生结构受力上的弊端，如：加劲梁因收缩、徐变效应缩短而导致边跨主缆松弛；索塔受到主缆不平衡水平力因收缩、徐变日益增加；加劲梁中跨下挠等。因此，如何减小因自锚式悬索桥桥型特点而产生的结构受力弊端也是我们不断探索的方向。

本文以某项目工程作为依托，对跨越城市河道的景观桥梁进行方案设计，选用自锚式悬索桥作为结构受力基础，从景观和受力角度进行一系列的改进，使之景观效果独特，受力合理。

1 桥型景观方案

1.1 方案要求

根据招标文件要求，该桥型景观方案必须具备以下几个方面：

（1）桥型景观方案必须具备超前现代、和谐自然、独一无二的理念，且可以融合当地的山水景观及地域文化。

（2）结合桥位地形、地质、通航、防洪等要求及下穿横向道路，选择合理的桥跨组合，且桥梁本身必须具有多视角的可观赏性。

（3）避免常水位下水中设墩，以免破坏城市河道整体自然景观。

设计桥位处河床宽度约300 m，其中东侧约160 m为水面，西侧约140 m为漫滩，东岸已建成驳岸，西岸为自然堤岸。方案构思前期，通过对现有自锚式悬索桥、斜拉桥、拱桥桥型仔细研究，充分吸收各类桥型的特点，方案设计中将3种桥型特点巧妙融合，提出自锚式悬索—斜拉协作体系受力结构。该方案的新颖设计获得了领导及专家组的一致认可，投标获得方案设计第一名，桥梁景观效果图如图1所示。

方案塔柱横桥向采用“拱”形结构，吸取了中国传统拱桥柔美的元素，塔柱一高一低，高塔象征太阳，低塔象征月亮，体现出“日月争辉”般的诗情画意；中跨缆索、吊杆是取自悬索桥元素，主缆高低起伏，曲线优美，从桥面跨越长空，轻盈流畅，结构造型生动；边跨采用斜拉索，稀疏紧绷的斜拉索边跨扇形散开，体现出刚性的张力。从景观效果上讲，建造这样一座桥是需要将各种桥型元素协调地融于一体，刚柔并济，“横看成岭侧成峰”，无论建在何处都将成为一座城市的地标性建筑。

1.2 主桥桥跨布置

根据桥位处的地理特点，主桥的桥跨布置考虑了如下几个因素：

（1）通航要求：内河VI级航道，通航净高4.5 m，净宽40 m。

（2）常水位下河面宽度160 m，洪水位时河面宽度300 m。综合考虑景观因素，除少数洪水期月份外，全年大部分时间中跨基本覆盖主河道，避免常水位水中设墩，即一跨过河。

（3）在满足功能、景观的要求下，施工方便、经济。

综合以上因素，锁定桥梁主跨跨径160～180 m之间。

1.3 塔高确定

工程建筑的和谐美就是寻求比例与尺度的协调，对于桥梁建筑这种单维突出的结构，比例的协调就显得尤为重要。一座桥梁，各部分比例只有达到匀称和谐时才能构成优美的形象，因此在保证结构受力合理的前提下，塔高设计参考桥梁美学理论，从以下几个方面确定：

（1）满足受力需要，锁定主跨缆索矢跨比为1/4。

（2）常规悬索桥塔高（桥面以上）与主跨之比分布在0.2～0.4之间。

（3）主塔横桥向塔座间距49 m，辅塔横桥向塔座间距29 m，根据建筑美学中的黄金分割比例理论，即：长宽比接近0.618时可以达到人的最佳视觉效果，以此确定塔高，确保“拱”形塔柱本身的长宽比比例协调。

（4）桥梁立面上高、低塔比例关系协调。

2 桥梁总体布置

该桥采用悬索—斜拉协作体系设计，其跨径布置为35 m+50 m+168 m+50 m+35 m+35 m=373 m，其中有索区303 m。为了减小梁段转角，两侧各设35 m配跨，主梁断面全宽44 m，采用半飘浮体系。中跨主缆通过塔顶横梁置放的转索鞍转向并锚于边跨混凝土箱梁中，在塔顶转索鞍外侧的塔顶暗横梁与索塔交界处锚固边跨斜拉索。东侧边跨90 m有索区范围内设一道辅助墩，改善边跨结构受力。中跨采用叠合梁，边跨及配跨采用混凝土主梁。高、低索塔采用“拱”形混凝土结构，高塔与主梁间完全分离，低塔从主梁机非分隔带内穿过，主塔及辅塔处的梁底支座设横向限位装置，边墩及辅助墩处设置纵向滑动支座，仅提供竖向及横向约束。总体布置立面如图2所示。

中跨采用钢—混凝土叠合梁结构，π形主纵梁采用闭口矩形断面，单侧梁宽4.5 m，梁高3.0 m，横桥向设钢横梁，梁高3 m，间距8 m与吊杆吊点一一对应。钢横梁采用工字形断面，与主纵梁间采用螺栓栓接，上设栓钉与现浇钢筋混凝土桥面板牢固连接，共同受力。边跨采用与主跨相似断面双边梁结构，中横梁与拉索点、辅助墩对应，缆索锚固点处采用变截面梁高6.5 m，无索区配跨与有索区断面一致。边、中跨箱梁横断面如图3、图4所示。

高、低塔采用混凝土结构，塔柱中心线采用悬链线结构，高塔塔高80 m，低塔塔高55 m。纵桥向沿塔高采用变截面，塔顶部设暗横梁，置放主缆鞍座及斜拉索锚固；塔底设承台、系梁，承担着塔柱产生的横向水平力。

主缆、吊杆、斜拉索均为空间索结构，主缆采用国内较为成熟的PPWS法施工，工厂预制平行钢丝索股，现场在猫道上逐股安装架设。主塔顶部设置转索鞍，两个主鞍相对倾斜地安装在塔顶隔栅上,为增加主缆与鞍槽间的摩阻力，并方便索股定位，鞍槽内设竖向隔板，在索股全部就位并调股后，在顶部用锌块填平，再将鞍槽侧壁用螺栓夹紧。主缆通过散索鞍转向并经散索套发散后分成若干股锚固于混凝土主梁尾端，斜拉索上锚端锚于索塔内，下锚端与吊杆一致锚于主梁机非分隔带内，高、低拱立面图如图5、图6所示。

3 桥梁设计难点处理

该桥景观方案新颖，桥梁整体结构及局部构件设计将牵涉若干难点。

3.1 缆索、斜拉索、梁、塔间力的传递与分配

塔柱顶部设转索鞍，将主缆穿过转索鞍，锚于边跨支点处，与加劲梁形成一体，在常规自锚式悬索桥体系中，整个结构为自平衡状态，缆索在塔顶产生的水平力相等，成桥状态下，塔底纵向无弯矩；在改良的协作体系中，成桥状态下预张拉斜拉索，张拉量为收缩、徐变、活载产生的最大塔底弯矩反向的一半，即成桥状态下塔柱向边跨预偏，当各种荷载不利效应对主塔产生向跨中方向的最不利弯矩时，向边跨预偏的弯矩能够抵消一部分，减小塔柱的最不利弯矩状态，改善塔柱受力，全桥传力模式如图7所示。

3.2 主缆鞍座、斜拉索在塔上横梁处的安放与锚固

鞍座置于塔顶暗横梁上近主塔位置，鞍座外侧设锚固斜拉索，斜拉索锚固点位于塔顶暗横梁与塔柱交界处，鞍座、斜拉索在塔顶横梁受力互不干涉，鞍座、斜拉索置放位置如图8所示。

3.3 塔柱横向力学性能分析

塔柱的线形需考虑景观和结构受力相结合，塔柱的外形采用悬链线模拟，塔顶设暗横梁，鞍座置放于主塔及暗横梁交界处的内侧，空间缆索将在鞍座上产生竖向压力及水平力。根据简单的力学图示分析可以看出：在节点处水平力由暗横梁承担，竖向力主要由斜向塔柱承担，根据此受力模式进行塔柱中心线形的m值（拱轴系数）选择，节点力学模型如图9所示。

3.4 主跨空间缆索系统设计

空间缆索悬索桥由于主缆和吊索形成了一个三维的索系，在对竖向承载能力影响不大的情况下，缆索系统的横向承载能力得到显著提高，从而大大提高了整个桥梁的横向刚度和抗扭刚度。但是，主缆线型的确定由于空间效应而增加了难度。

自锚式悬索桥主缆的成桥线型及内力，与吊杆的张拉力大小密不可分，同时要受到加劲梁上主缆锚固点变位的影响，因此，若要精确计算主缆成桥线型与内力，需要在计入吊杆和加劲梁影响的全结构中来进行。可以采用模拟全结构的空间模型，考虑几何非线性的空间有限元方法，同步迭代求解主缆的成桥线型与内力及吊杆的张拉力的方式求得，吊杆的张拉力的确定要兼顾优化加劲梁的受力。

4 桥梁结构分析

为了验证全桥结构受力体系的可行性，利用大型有限元软件Midas建全桥模型进行结构分析，模型中桥塔和主梁采用梁单元进行模拟，主缆、吊杆、斜拉索采用杆单元进行模拟，用于验证自锚式悬索—斜拉桥成桥状态结构的合理性、全桥动力性能的适宜性、边跨斜拉索对整体结构受力的改善作用，以及寻找索塔横桥向最佳的合理拱轴线。分析结论如下。

4.1 成桥状态分析

混凝土主梁采用支架结构施工，成桥状态梁的弯矩如图10所示，成桥时中跨弯矩分布均匀，边跨由于斜拉索的存在，可以对边跨主梁起到类似辅助墩般的支撑作用，主塔纵向弯矩根据结构需要张拉斜拉索进行预偏。

4.2 斜拉索作用分析

在主梁几何非线性效应、混凝土的收缩、徐变、活载作用下索塔向中跨跨中弯曲，索塔左、右侧的不平衡弯矩相差较大，如图11、图12所示（仅显示塔结构弯矩），通过张拉斜拉索对活载和收缩徐变引起的不平衡弯矩有明显的调节作用，索塔弯矩如图13所示。减小了悬索桥根部纵向弯矩的控制截面尺寸，若边跨无斜拉索，仅通过主缆与鞍座的摩擦力形成索塔的预偏，那只能控制在微量范围内，且对缆索受力产生不利效应。

4.3 全桥动力性能分析

由表1中数据可以看出，该桥型结构体系动力性能与常规自锚式悬索桥类似。

表1 动力特性表

4.4 塔受力分析

塔的中心轴线为曲线，相较于常规的直线形塔，塔的横向受力需引起足够重视，塔的横向受力与塔的造型密切相关，通过不断分析验证，采用悬链线，塔结构横向受力状态相对较好，当塔的中心轴线采用椭圆线时，塔底弯矩明显增大。通过分析计算，该方案塔的中心轴线采用拱轴系数为15的悬链线。

5 结语

本文提出的桥梁方案景观构思奇特、新颖，是多种桥梁结构的巧妙融合，使其发挥各自的优势，在桥梁结构本身受力合理的前提下，可以营造较好的城市景观。本文对该方案的结构体系进行了分析，充分论证了边跨采用斜拉索能更好地改善全桥的力学性能，同时对桥梁景观和结构提出一种新的设计思路。尽管该景观桥的力学体系是切实可行的，但整个桥梁结构中的每个构件设计仍相当复杂，在下一步的设计中仍需谨慎处理。

[1]张哲.混凝土自锚式悬索桥[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用[M].北京：人民交通出版社,2008.