观光塔楼式桥塔的人行景观三塔斜拉桥设计

李碧卿

(江苏东南特种技术工程有限公司,南京 210008)

湖景公园是指以湖水为主体并建有一定规模旅游休闲设施的公园，是可供旅游观光和休闲娱乐的生态型主题公园[1-2]。随着湖景公园观光塔楼建筑和景观桥梁的逐渐增多，有必要协调景区交通桥梁和景区观光塔楼的基本需求[3-7]，将观光塔楼建筑和景观桥梁二合一，功能互补，形成湖景公园标志性的特色建筑物，丰富景区文化内涵[8-10]。

湖景公园水面一般较宽阔，桥梁景观性要求高，适宜采用观光塔楼式桥塔的超大跨径人行景观三塔斜拉桥结构体系，中间桥塔采用观光塔楼式桥塔结构，两侧桥塔采用鸭蛋拱形桥塔结构，加劲梁桥面种植植物，生态环保。建造湖景公园的超大跨径人行景观三塔斜拉桥，可提升人行景观桥梁的美学效果。

本文结合新疆白沙湖湖景公园的超大跨径人行景观三塔斜拉桥设计，开展观光塔楼式桥塔结构的人行景观斜拉桥构形研究，进行工程参数设计，建立MIDAS有限元分析模型，开展竖向荷载作用下的内力分析和动力模态分析研究，以便验证观光塔楼结构和斜拉桥桥塔结构的匹配合理性。

1 构型研究

白沙湖位于新疆阿勒泰地区哈巴河县境内，新疆白沙湖景区为国家5A级旅游景区，白沙湖是一个被沙丘环绕的沙漠小湖，南北长约为1 200 m，东西宽约为500 m。

为了提升新疆白沙湖湖景公园两岸旅游交通建设，拟在此建造一座人行景观多塔斜拉桥，该桥主跨径为80 m+2×240 m+80 m。为了配合景区生态景观要求，采用基于观光塔楼式桥塔结构的超大跨径人行景观三塔斜拉桥的设计形式。斜拉桥三维图如图1所示。

图1 斜拉桥三维图

该斜拉桥为三塔斜拉桥结构，中间桥塔采用单叶双曲面造型的观光塔楼式桥塔结构，两侧桥塔结构采用鸭蛋拱形桥塔结构。

传统的三塔斜拉桥中间索塔两侧没有设置辅助过渡墩，缺少对主梁和索塔刚度的约束帮助，使得柔性独柱桥塔结构的斜拉桥柔性更大，三塔斜拉桥中间跨的主梁活荷载挠度比常规斜拉桥相应挠度也要大很多。因此，中间桥塔设计时采用结构刚度较大的观光桥塔，可大幅提高竖向刚度，减少中间跨的主梁活荷载挠度，满足景观性和结构安全性的功能要求，一举两得。

该人行景观三塔斜拉桥桥面结构采用变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构。在中间塔支座处，变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构与观光塔楼式桥塔结构牢固连接；在边塔支座处，变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构搁置在鸭蛋拱形桥塔之上。

变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构平面呈现出两端宽、中间窄的双曲面形状，空间造型美观；变截面加劲梁可以减轻跨中自重荷载，加劲梁结构刚度中间小、两端大，有利于三塔斜拉桥结构受力。

多股斜拉索分批锚固于观光塔楼式桥塔结构和鸭蛋拱形结构的顶部，多股斜拉索分批斜向吊住变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构的两侧。斜拉桥效果如图2所示。

图2 斜拉桥效果

观光塔楼式桥塔结构的周围设置巨型圆环形混凝土曲梁兼作人行观光平台，环形吊索斜向吊住巨型圆环形混凝土曲梁，观光塔楼式桥塔结构与巨型圆环形混凝土曲梁之间设置多根放射状混凝土连系梁。

人行景观斜拉桥和观光塔楼共享相同的塔身和基础，节约湖景公园改造建设投资，经济效益显著。观光塔楼和斜拉桥桥塔合二为一，功能互补、造型新颖、立面丰富，提升了人行景观桥梁的美学效果。单叶双曲面造型的小蛮腰观光塔楼、鸭蛋拱形桥塔和单叶双曲面状变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁三者曲线结构相辅相成，呈现出曲线构型的婀娜多姿。

人行景观三塔斜拉桥的桥面设置花坛、藤蔓廊架、花盆和凉亭等休闲建筑小品，生态环保，可增加人行景观三塔斜拉桥的文化内涵。该斜拉桥施工包括以下步骤。

(1)在湖景公园景区进行人行景观斜拉桥的桥址选定，并进行桩基础施工，中间为观光塔楼式桥塔结构，两侧为鸭蛋拱形桥塔结构。

(2)桥塔顶部安装斜拉索，采用多节段悬臂浇筑法，现场对变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构进行施工直至桥面合龙。

(3)观光塔塔身顶部安装吊索，吊装施工巨型圆环形混凝土曲梁和放射状混凝土连系梁，形成圆环状观光平台。

(4)在桥面安装花坛、藤蔓廊架、花盆和凉亭等休闲建筑小品，形成生态桥面。

(5)进行观光塔楼内部装潢，安装电梯、栏杆和路灯，最终投入运营。

2 有限元模型的建立

新疆白沙湖湖景公园大跨径人行景观三塔斜拉桥的主跨径为80 m+2×240 m+80 m，中间桥塔采用单叶双曲面造型的观光塔楼式桥塔结构，两侧桥塔采用鸭蛋拱形桥塔，桥面结构采用变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构。总体设计如图3所示。

图3 总体设计(单位：m)

观光斜拉桥塔高度为100.5 m，观光塔楼式桥塔结构是由观光塔底座、观光塔塔身和观光塔塔顶组成。观光塔底座高度为5.5 m，作为接待大厅使用；观光塔塔身高度为75 m，是单叶双曲面筒中筒结构；观光塔塔顶高度为20 m，是倒锥壳形钢结构。

观光塔楼式桥塔结构底部采用桩基础，观光塔塔身采用内部钢筋混凝土核心筒和外部钢管混凝土框筒的筒中筒结构，内部钢筋混凝土核心筒设置螺旋楼梯和1台圆形电梯，内筒直径为12 m；外部钢管混凝土框筒采用单叶双曲面外形，外筒直径为12～24 m，框筒立柱直径为1.4 m、壁厚为25 mm，由内灌C50混凝土的8根双曲线外形的钢管混凝土柱构成，设置钢环梁结构与8根双曲线钢管混凝土柱相连，钢环梁采用直径为900 mm、壁厚为16 mm 的钢管，钢环梁每6 m设置1道，形成单叶双曲面外形的外部钢管混凝土框筒。在内部钢筋混凝土核心筒和外部钢管混凝土框筒间，设置多道横隔板加强层(每18 m设置1道)。桥塔结构效果如图4所示。

图4 桥塔结构效果

两侧鸭蛋拱形桥塔由抛物线段塔顶和左右2个椭圆弧线段塔柱组成，桥塔最高处为65 m，桥塔最宽处为40 m，其中抛物线段塔顶的宽度为32 m，矢高为7 m，椭圆弧线段塔柱高度为58 m，鸭蛋拱形桥塔采用边长为5 m的方形钢管，钢管壁厚为18 mm，内灌注C40混凝土，鸭蛋拱形桥塔采用桩基础，倾斜角度为24°。

变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构是半个单叶双曲面形状，一端固定在观光塔塔身之中，另一端设置在鸭蛋拱形桥塔塔身上，变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁桥面宽度为10～20 m，梁高为2.5～4 m，剖面是椭圆弧形结构，混凝土箱梁顶板厚度为250～350 mm，混凝土箱梁椭圆弧形底板厚度为200～300 mm，中间纵向腹板为波形钢腹板，横隔板均为钢筋混凝土结构横隔板，横隔板间距为60 m。

该三塔斜拉桥桥跨布置为80 m+2×240 m+80 m的不等跨斜拉桥，边跨为非对称斜拉桥，其结构处理方法为：采用变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构，减少跨中荷载自重；采用倾斜的鸭蛋拱形桥塔，同时进行斜拉桥边跨配重和增设边跨地锚缆索等技术措施，以便调整边塔结构的不平衡内力。该设计在80 m边跨段混凝土箱梁加劲梁内部填充炼钢炉渣，高度为0.8 m。

全桥共计2跨×18对钢丝缆索，中间观光桥塔左右为7对缆索，钢丝缆索是直径为0.25 m的高强钢丝缆索，缆索间距为15 m；左右2个鸭蛋拱形桥塔内侧有7对缆索，钢丝缆索是直径为0.25 m的高强钢丝缆索，缆索间距为15 m；左右2个鸭蛋拱形桥塔外侧有4对扭背缆索，缆索直径为0.3 m，缆索间距为20 m；平行钢丝缆索采用预制平行钢丝索股法(PPWS法)的相关工艺，并采用1 770 MPa的Φ5.2 mm高强钢丝。

观光塔塔身四周设置巨型圆环形混凝土曲梁作为观光平台，巨型圆环形混凝土曲梁中心直径为60 m，巨型圆环形混凝土曲梁梁宽为6 m、梁高为2.5 m，采用单箱单室椭圆弧形混凝土箱梁结构，混凝土箱梁顶板厚度为200 mm，混凝土箱梁椭圆弧形底板厚度为160 mm。

巨型圆环形混凝土曲梁由8根直径为0.2 m的高强钢丝缆索斜拉锚固于观光塔塔身的顶部，巨型圆环形混凝土曲梁与观光塔塔身之间设置6道混凝土连系梁，防止巨型圆环形混凝土曲梁侧向变形。

根据设计定义截面尺寸及材料属性，根据结构尺寸合理分割单元并建立节点。变截面椭圆弧形单箱双室混凝土箱梁结构采用变截面混凝土梁单元模拟，圆环形混凝土曲梁采用等截面混凝土梁单元模拟，鸭蛋拱形桥塔及观光塔主塔均采用柱梁单元模拟，斜拉索采用仅受拉索单元模拟。MIDAS有限元模型如图5所示。

图5 MIDAS有限元模型

3 竖向荷载作用下的计算结果

依据《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)中相关要求对主跨桥面做满荷加载，考虑到桥面铺装层和花坛建筑小品，桥面附加恒荷载采用均布荷载，标准值为8 kN/m2，斜拉桥边跨炼钢炉渣配重为均布荷载，标准值为40 kN/m2，桥面活荷载采用均布荷载，标准值为5 kN/m2。

考虑到三塔斜拉桥中间跨主梁刚度问题是该桥设计的关键问题，因此对该桥满跨活荷载与隔跨不利布置活荷载的受力工况进行结构计算，竖向荷载作用下的计算结果如下。

1)满跨活荷载工况

满跨活荷载工况的计算结果如图6所示，最大竖向位移出现在跨中位置，竖向活荷载作用下的竖向挠度为0.231 m，满足规范规定的1/500限值要求。缆索最大内力为26 588.5 kN，缆索最大应力为541.7 MPa，满足强度要求。塔梁单元最大应力为79.9 MPa，满足强度要求。

(a)竖向荷载作用下位移计算结果

2)隔跨不利布置活荷载工况

隔跨不利布置活荷载工况的计算结果如图7所示，不利布置活荷载作用下(仅右侧一跨布置活荷载)，桥面的最大竖向位移出现在跨中位置，竖向活荷载作用下的竖向挠度为0.261 m，满足规范规定的1/500限值要求。没有布置活荷载的桥面跨中出现向上0.105 m的轻微幅度反拱变形。中间桥塔的塔顶侧向位移为0.018 m，满足规范要求。塔顶受力弯曲后的倾斜率为0.024%，满足规范要求，这表明中间的观光塔楼式桥塔刚度较大，可避免三塔斜拉桥独柱中塔的弱塔结构问题。缆索最大内力为28 684.9 kN，缆索最大应力为584.4 MPa，满足强度要求。塔梁单元最大应力为81.1 MPa，满足强度要求。

(a)竖向荷载作用下位移计算结果

三塔斜拉桥的中间索塔两侧没有设置辅助过渡墩，缺少对主梁和索塔刚度的约束帮助，使得柔性独柱桥塔结构的斜拉桥柔性更大，三塔斜拉桥中间跨的主梁活荷载挠度比常规斜拉桥相应挠度大很多。

三塔斜拉桥设计方案能否顺利实施的关键是可否解决好中间跨主梁刚度问题，因此在设计中间桥塔时采用结构刚度较大的观光桥塔，可以大幅提升竖向刚度，有效减少中间跨主梁不利活荷载作用下的跨中挠度，观光塔楼结构和斜拉桥桥塔结构可合二为一，具有良好的结构匹配性。

4 模态计算结果

基于MIDAS软件的非线性静力分析和模态分析功能，进行自振特性分析。为了不遗漏任何振型，分析过程中采用子分块法求解特征方程。各阶振型如图8所示。

(a)1阶振型(反对称竖弯)

1阶振型为反对称竖弯，频率为0.587 Hz；2阶振型为鸭蛋拱反对称侧弯，频率为0.596 Hz；5阶振型为反对称侧弯，频率为0.647 Hz；15阶振型为正对称扭转，频率为1.389 Hz。分析表明，该桥振型密集，出现明显的振型分组现象。该桥扭转频率较大，扭弯频率比达到2.37，表明该桥结构空间刚度较好。

该桥为240 m跨径的湖景公园人行景观三塔斜拉桥，斜拉桥跨径比较大，1阶振型为反对称竖弯，频率为0.587 Hz，竖向结构刚度合理，考虑到《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)中规定人行天桥上部结构竖向自振频率应不小于3 Hz要求，参照类似超大跨径人行景观三塔斜拉桥工程，拟采取增设质量调频阻尼器控制动力响应的方案，解决行人行走舒适性问题。

5 结语

以新疆白沙湖湖景公园的80 m+2×240 m+80 m的观光塔楼式桥塔的超大跨径人行景观三塔斜拉桥为背景，建立MIDAS有限元模型，进行竖向荷载作用下的静力分析，开展动力模态分析，得出以下结论。

(1)改革传统斜拉桥的门式桥塔结构，中间桥塔采用观光塔楼式桥塔结构，两侧桥塔采用鸭蛋拱形桥塔结构，建造湖景公园的人行景观三塔斜拉桥，造型美观，桥面上设置休闲建筑小品，生态环保。

(2)大尺寸观光塔楼式桥塔结构提高了中间桥塔刚度，有效提升结构刚度，解决了传统独柱中间桥塔结构的弱塔效应问题，降低了不利活荷载布置作用下的挠度变形，观光塔楼结构和斜拉桥桥塔结构可合二为一，两者具有良好的结构匹配性。

(3)在竖向满布活荷载作用下，主跨跨中的最大位移为0.231 m，斜拉索最大应力为541.7 MPa，满足规范要求。在不利布置活荷载作用下，主跨跨中的最大竖向位移为0.261 m，中间桥塔的塔顶水平位移为0.018 m(中间桥塔水平位移变位较小)，斜拉索最大应力为584.4 MPa，满足规范要求。分析表明，不利布置活荷载作用下和满跨活荷载作用下两者的跨中竖向位移变形相差不大，该桥中间桥塔结构采用大尺寸观光塔楼式桥塔结构，可避免三塔斜拉桥中塔结构的弱塔效应问题。

(4)依据模态分析结果可知，1阶振型为反对称竖弯，频率为0.587 Hz；2阶振型为鸭蛋拱反对称侧弯，频率为0.596 Hz；5阶振型为反对称侧弯振型，频率为0.647 Hz；15阶振型为正对称扭转，频率为1.389 Hz。分析表明振型密集，出现明显的振型分组现象，该桥扭转频率较大，扭弯频率比达到2.37，表明该桥结构空间刚度较好。