空间索景观斜拉桥在城市桥梁设计中的运用

周康静

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南250101）

1 概述

近年来，随着我国城镇化进程的快速发展及人民物质文化水平的日益提高，城市桥梁设计已不再是简单地满足交通功能的需求，对美学及艺术的要求也“水涨船高”[1]。在桥梁设计之初，其概念性规划设计方案在秉承结构安全、功能适用的大原则下，其美学设计理念日益突出。本文以山东省莱芜市龙马河大桥的设计为例，就其概念性设计方案进行比较，并对桥梁结构及空间斜拉索塔柱及拉索进行分析论述，提出其景观效果及受力特点。

2 工程概况及方案选择

2.1 工程概况及技术指标

莱芜市香港东路道路工程西起龙马河西路，东至长芍路，长1161.83，道路宽40 m。为避开该地区垂阳铁矿厂及其塌陷影响区域，路线方案采用以规划路线向北偏移方案。拟建龙马河大桥位于香港东路跨越龙马河处，桥梁跨度按规划河道宽度设计，如图1所示。拟建桥梁宽度按香港东路道路断面形成，桥梁全长204.86 m，全宽41 m，共分两幅，其中机非混行车行道宽34 m，两边人行道共宽6 m，两侧各0.5 m的锚索区。

技术指标：道路等级为城市主干路，设计行车速度60 km/h；桥梁结构设计基准期为100 a。桥梁结构设计安全等级为一级，结构重要性系数取1.1；桥梁设计汽车荷载为城-A级，设计人群荷载为3.5 kPa；桥梁两侧引道纵坡为1.889%，竖曲线为半径R=5 000 m的圆曲线。桥面机非混行车道横坡1.5%，人行道横坡1.5%。河道防洪标准采用采用百年一遇的设计洪水频率，设计洪水位为198.9 m，桥下景观水位198.24 m；地震抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，第二组，场地的特征周期值为0.65 s。桥梁抗震设防类别为B类，抗震设防措施等级为8度。

图1 桥梁位置示意图

2.2 结构方案选择

桥梁所在道路位于龙马河主题公园附近，桥梁及河道都有一定的景观要求。为了达到功能及与周边主题公园景观融合的需求，初步拟定两个方案。第一个方案为双塔斜拉索方案，如图2所示，第二个为单塔柱空间斜拉索方案，如图3所示。

图2 方案一桥梁立面

图3 方案二桥梁立面

由表1可知，这两个方案均能实现主梁上的景观要求，但是由于空间塔柱及索面形式的选择不一，实现的景观效果也不一样。方案一塔柱为单塔，塔高48 m，方案二塔柱为单塔，塔高30 m，相比之下方案一将塔柱合二为一变成空间塔柱，与周边景观融合度更高。

表1 方案比较表

3 桥梁设计

3.1 立面设计

桥梁采用钢筋混凝土连续箱梁，全长204.86 m，共分为三联，每联跨径为3×22 m，桥面全宽41 m，共分两幅。每幅桥面宽20.49 m。桥梁装饰塔柱采用钢结构塔柱，立面为单塔“A”字造型，塔高48 m，塔柱设置于第二联中跨桥墩处，桥塔与主梁相互独立。桥梁下部结构桥墩采用V型实体桥墩、桩基础，桥台采用桩接盖梁桥台，如图4所示。

图4 桥梁立面图（单位：cm）

3.2 平面设计

桥梁平面位于直线段，拉索及桥塔沿桥跨中心线对称布置，如图5所示。

图5 桥梁平面（单位：cm）

3.3 桥梁横断面设计

香港道路宽40 m，分别为3 m人行道+34 m机非混行车道+3 m人行道。龙马河桥梁全宽41 m，共分两幅，其中机非混行车行道宽34 m，两边人行道各宽3 m，两侧分别设置0.5 m宽的锚索区。机非混行车道及人行道横坡均为1.5%.

机非混行车道上面层采用4 cm厚细粒式沥青混凝土AC-13；下面层采用6 cm厚中粒式沥青混凝土AC-16。人行道铺设3 cm厚大理石火烧板，如图6所示。

图6 桥墩处桥梁横断面（单位：cm）

3.4 上部结构设计

上部结构箱梁采用钢筋混凝土连续箱梁，跨径为3×22 m。箱梁截面高1.4 m，宽2 049 cm，顶板厚25 cm，底板厚23 cm，边腹板厚45 cm，中腹板厚42 cm，箱梁悬臂板端部厚20 cm，以圆弧形式过渡至梁底。箱梁中横梁宽2 m，端横梁宽1.5 m，如图7所示。

3.5 下部结构设计

桥墩采用钢筋混凝土“V”字形实体桥墩，桥墩正面做10 cm轮廓内凹，连续墩纵桥向厚1.0 m，桥墩承台高1.5 m，桥墩桩基直径1.2 m。过渡墩厚由1 m扩大至1.6 m；桥台采用桩接盖梁桥台，盖梁高1.2 m，宽1.6 m，桩基直径为1.2 m，如图8所示。

图7 主梁构造（单位：cm）

图8 下部结构构造（单位：cm）

3.6 塔柱设计

如图9所示，塔柱结构采用钢箱结构，塔柱横桥向中心线为椭圆弧，截面采用钢箱截面，截面尺寸由1.0 m×1.5 m过渡至1.0 m×1.0 m，钢板厚度由16 mm变至10 mm。塔柱横向连接梁截面为2.0 m×1.0 m，V型撑截面1.0 m×1.0 m。塔柱基础采用群桩基础。

图9 塔柱构造（单位：cm）

3.7 拉索设计

全桥共设置18对拉索，拉索锚固于主梁及塔柱上，索体结构采用OVMRM5-19（Ⅴ）型热铸锚吊杆结构，拉索PRE5-19，锚具规格OVMRM5-19，破断荷载为623kN，安装拉力为49.8kN，如图10所示。

3.8 阻尼装置设计

拉索阻尼装置采用永磁调节式磁流变阻尼器，对外侧较长3根索采用HFMR1挡，内侧较短索采用0挡调节，如图11所示。

图10 拉索构造

图11 阻尼装置构造（单位：mm）

4 结构分析

结构计算采用桥梁博士V3.3及MIDAS Civil 2012进行主梁及塔柱分析。

4.1 主梁分析

（1）承载力验算：荷载组合按CJJ—2011城市桥梁设计规范[2]进行，材料采用其强度设计值。计算时考虑冲击系数和结构重要性系数，如图12和13所示，承载能力极限状态验算满足要求。

图12 最大抗力及最大弯矩图（单位：kN·m）

图13 最小抗力及最小弯矩图（单位：kN·m）

（2）正常使用极限状态下的裂缝宽度验算：按作用（或荷载）短期效应组合并考虑长期效应影响进行验算，如图14所示，计算的最大裂缝宽度不应超过0.2 mm。

图14 短期效应组合裂缝宽度（单位：mm）

4.2 塔索分析

桥塔塔柱采用钢结构，塔柱截面1.0 m×1.0 m过渡至1.0 m×1.5 m，塔柱横向连接梁截面为2.0 m×1.0 m，V型撑截面1.0 m×1.0 m。拉索结构采用OVMRM5-19（Ⅴ）型，索体采用 PES5-19型，安装拉力为49.8 kN。计算结果如图15～18所示。

图15 塔柱一阶振型（Hz=0.874）

图16 塔柱二阶振型（Hz=1.377）

图17 包络组合下应力图（单位：MPa）

图18 正面风荷载下位移

（1）振型分析

（2）应力分析

组合下最大应力67 MPa＜310 MPa。

（3）位移分析

由上图，正面风荷载下最大1.5 cm

（4）稳定分析

取下塔柱进行验算N/ψA=21 MPa＜310 MPa，稳定性满足要求。

5 设计特点

5.1 整体设计

如图19所示，龙马河大桥主桥为连续箱梁桥，上部采用斜拉桥型式进行装饰，塔柱设置于第二联中跨墩柱处，与墩柱形成有机结合，营造出桥梁宏伟大气的整体特点。

图19 桥梁实景鸟瞰

5.2 塔柱设计

塔柱为空间钢箱结构，塔高48 m，立面为单塔“A”字型，横桥向为半椭圆弧，与横撑构成寓意“希望之眼”的造型，立面、横断面造型宏伟。拉索采用竖琴式空间拉索体系，造型优美大气，如图20和21所示。

图20 桥梁塔柱立面

图21 桥梁塔柱横断面

5.3 减震体系

拉索阻尼装置采用永磁调节式磁流变阻尼器，如图22所示，无需供电，不受场地及外部条件制约，可根据减震实际需要设置不同的阻尼力档位，实现不同索长分档调节，减小低应力索的风雨振效应。

图22 桥梁阻尼装置

5.4 避雷及航空警示系统

避雷系统及航空警示体系：避雷系统（避雷针—塔柱—基础—承台—桩基形成通路），避雷保护半径不小于105 m，保证行人、车辆安全。同时设置航空警示系统，保证航行安全，如图23所示。

图23 避雷及航空警示系统

5.5 人文与环境特点

桥梁所在位置穿越龙马河主题公园，桥融于景，景更衬桥。河东岸以“龙”为主题，西岸以“凤”为主题，桥梁设计与龙凤主题呼应，和谐自然、相得益彰。桥梁的建成为该主题公园的标志性建筑之一，如图24所示。

图24 桥梁景观融合

6 结语

对于有景观要求的桥梁设计，在充分分析周边环境的基础之上，利用桥梁结构形式与环境做到相互融合、相互渗透是我们桥梁设计追求的目标。本文通过对龙马河大桥的概念性方案对比及桥梁结构设计与分析，为同类桥梁的塔柱及拉索设计、景观概念设计提供了一定的参考价值。