北江四桥桥梁造型设计及关键技术研究

1 引言

斜拉桥桥型主要是以竖直线的桥塔、斜直线的拉索、拱曲线的主梁为架构，其主梁、主塔及拉索、主墩等主体构件的造型设计是桥梁景观设计的重要组成部分，影响着斜拉桥桥梁整体布局和形象。设计时不仅要考虑其功能性和安全性，桥梁造型也要创新，其中桥梁主体构件要有独特的艺术造型，创造出结构优美、协调统一的桥梁结构。有关桥梁造型设计的文章很多，从造型、主梁、主塔、主墩等不同角度分析桥梁造型设计 。本文以清远市北江四桥为例，探讨单索面斜拉桥桥梁的造型设计和相应的关键技术研究。

2 桥梁景观设计原则

桥梁景观设计的重点是最大限度发挥桥梁及周边环境的资源功能，使桥梁景观与技术、功能、生态、经济、文化等相协调，这是景观设计必须遵守的原则，主要包括桥梁使用功能要求的原则、质量第一原则、体现主体结构造型的原则、以桥梁结构作为载体的美学形态原则、协调桥位周边景观原则、环境保护和环境建设原则、尊重民风民俗原则。

3 北江四桥桥梁造型设计

3.1 桥梁方案构思

本项目作为清远市的中轴线和景观大道，必须充分考虑桥型的景观效果。根据北江四桥桥位的实际情况，桥梁方案主要由现状跨江桥型、征地拆迁、航道净空、地质水文条件、景观要求及施工难易程度决定。清远市跨北江桥梁多以拱桥、梁桥为主，景观效果一般，无斜拉桥桥型，而本项目桥址处水面开阔，北岸以村落、农田为主，南岸为矮层洋房。在充分了解地域环境及功能需求等前提下，结合当地文化特性，本项目的主题创意为“山水清远，凤舞北江”的单索面宽幅斜拉桥方案。

3.2 主梁设计

从表1比较可知，钢箱梁具有施工周期短，周转次数多，施工安全可靠，外形轻盈、景观效果好，质量易控制等特点，建成后线型标准高，社会效益优，推荐采用大悬臂钢箱梁为主梁结构型式。

3.3 主塔及拉索设计

主塔内外形状皆呈“水滴流线型”，烘托出清远是最美的山清水秀宜居城市和旅游之乡，与城市新中轴线和新地标建筑的定位相匹配。主桥桥塔两侧设置成弧形的观景平台，站在平台上，视野开阔，清远新区周边美景净收眼底。从上表比较可知，水滴型主塔具有施工周期短，施工安全可靠，外形轻盈、主题创意巧妙等特点，推荐采用水滴型主塔为主塔结构型式。如表2所示。

3.4 主墩设计

主墩设计可通过造型独特、结构轻巧、线形优美、比例协调来表现序列韵律美，除考虑其功能、经济、施工技术、管理等因素外，还需考虑与主桥结构型式的搭配及周边环境相协调，推荐采用T型桥墩为主墩结构型式。如表3所示。

4 关键技术研究

4.1 测力调高支座研究

表1 主梁结构型式比选表

主桥采用塔梁固结、墩梁分离的支承形式，梁底设支座支承在桥墩上。本项目每个轴上纵向布置2排支座，横向布置4个支座，在国内首次应用和开发了测力调高支座。测力调高球型支座首先能发挥普通球型支座的全部作用，同时通过弹性体以及测力系统具备对支座受力情况进行实时监测和传输，当监测到支座受力不均匀超过容许值时，可对支座进行无级调高，以使支座的受力达到设计的合理范围内，并且更加均匀，能减少因受力不均对梁体及桥墩造成的损伤。

表2主塔结构型式比选表

表3 主墩结构型式比选表

4.2 钢砼结合段研究

钢砼结合段长度22.1米，钢箱梁外包在混凝土箱梁之外，全断面与混凝土箱梁结合成一体，在钢箱梁的顶板、底板和腹板上布置抗剪栓钉与混凝土梁体牢固结合，在钢箱梁节段端部设置多格室分离结构，在钢隔室中填充混凝土，其腹板上设置PBL键加强钢板与混凝土的延性，并通过预应力粗钢筋和钢绞线加强钢箱梁与混凝土箱梁的连接。在钢梁顶板、底板U型加劲肋设置倒T型加劲板，使钢箱梁节段截面特性逐渐过渡，防止刚度突变。

4.3 超高韧性组合桥面研究

为解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏问题，本项目采用超高韧性组合桥面（简称STC组合桥面）。STC组合桥面的使用，能大幅提高桥面刚度，减小面板和纵横肋在轮载下的应力，提高了钢桥面的抗疲劳寿命，降低单索面宽幅斜拉桥横向变形。

5 结语

北江四桥是清远市区的城市景观中轴线和新地标，建成后将是清远市未来的一大旅游休闲的重要景点，桥梁景观设计也越来越重要，而桥梁选型设计是工程的灵魂，斜拉桥的美存在于结构的形态之中，设计时不仅要考虑其功能性和安全性，桥梁造型也要创新，其中桥梁主体构件要有独特的艺术造型，创造出结构优美、协调统一的桥梁结构。本文通过北江四桥实例阐述桥梁方案构思、主梁、主塔及拉索、主墩等主体构件设计，探索出一套针对单索面斜拉桥桥梁造型的设计方法，为同类斜拉桥的桥梁造型设计提供参考价值，并重点介绍了本桥测力调高支座、钢砼结合段、超高韧性组合桥面等关键技术研究。