超大跨径人行景观曲线形斜拉桥设计

王为圣

(华设设计集团股份有限公司，南京 210014)

在湿地公园内可将景区交通桥梁和观光塔楼建筑二者功能互补，合二为一，建立基于观光塔楼式桥塔结构的超大跨径斜拉桥结构体系，二者基础共享，形成湿地公园标志性的特色建筑物，丰富景区内涵[1-2]。湿地公园内河流弯曲，须建造超大跨径人行景观曲线形斜拉桥，方便游客沿途观赏美景[3-6]。超大跨径曲线形斜拉桥结构复杂，曲线主梁要同时承受弯矩、剪力和扭矩的复合作用，弯扭耦合作用效应明显，其缆索设计计算分析困难，施工阶段的内力平衡控制难度较大，斜拉桥塔的结构刚度对曲线形斜拉桥的受力性能影响巨大[7-8]。

采用观光塔楼结构作为超大跨径曲线形斜拉桥的桥塔结构，可提高曲线形斜拉桥结构的空间刚度，减少不利布置活荷载作用下跨中挠度变形，刚性桥塔结构有利于超大跨径曲线形斜拉桥的结构安全。

1 构型研究

河北雄安新区湿地公园需修建人行景观斜拉桥，为配合湿地公园景区的地形地貌，采用超大跨径曲线形斜拉桥结构形式，主跨径为(150+105+45)m。

为提升景区景观性，将曲线形斜拉桥桥塔和观光塔楼建筑合二为一、共享基础，构成基于观光桥塔的超大跨径曲线形斜拉桥，人行景观曲线形斜拉桥如图1所示。

设计中引入多种曲线元素，采用单叶双曲面小蛮腰造型的观光塔楼结构、曲线S形桥面、塔底碗状薄壁壳裙房和单叶双曲面状变截面独柱式斜拉桥边墩，4种曲线形结构单元呈现出曲线形桥梁的优美造型。

超大跨径曲线形斜拉桥的弯扭作用效应比较明显，斜拉桥桥塔的结构刚度对曲线形斜拉桥的受力性能影响巨大，单叶双曲面观光塔桥塔属于刚性桥塔，可提高超大跨径曲线形斜拉桥的空间刚度，以便减少不利布置活荷载作用下的跨中挠度，曲线形斜拉桥的斜拉缆索锚固于刚性桥塔结构之上，可减少弯扭作用效应，方便斜拉缆索施工时张拉控制，也方便曲线形斜拉桥的成桥线形控制。单叶双曲面桥塔塔顶设置观光餐厅塔帽，可方便游客观赏湿地公园美景，观光塔楼式桥塔结构如图2所示。

图2 观光塔楼式桥塔结构

依据湿地公园的地形地貌，选用曲线S形桥面加劲梁结构，在单叶双曲面桥塔处设置圆环平台，曲线S形桥面与圆环形观光平台连接，交通流畅。

单叶双曲面桥塔的塔底部裙房采用曲面碗状薄壁壳结构，并支撑圆环平台，塔底碗状薄壁壳结构裙房底部设置门洞，方便游客进入单叶双曲面观光桥塔。

超大跨径曲线形斜拉桥采用悬臂浇筑施工工艺，在悬臂浇筑施工过程中，超大跨径曲线形斜拉桥的弯扭作用效应非常明显，在桥塔支座处曲线形斜拉桥的桥塔结构承受较大不平衡扭转内力，会导致桥塔结构支座转动失效，须采取有效的技术措施确保施工阶段结构的安全性。

单叶双曲面状桥塔塔身、碗状薄壁壳体裙房和圆环形观光平台板三者构成超大跨径曲线形斜拉桥的组合桥塔结构体系，桥塔塔底的巨型筒中筒结构具有强大抗扭能力，可抵抗在悬臂浇筑施工阶段曲线形加劲梁产生的扭矩内力作用，确保曲线形加劲梁不会在曲线形斜拉桥支座处造成扭转变形，从而确保曲线形加劲梁与组合桥塔结构在支座处的塔梁固结效果。

为体现曲线美的桥梁设计主题，超大跨径曲线形斜拉桥的边墩、辅助墩和过渡墩均采用单叶双曲面状变截面独柱式钢筋混凝土空心薄壁桥墩结构形式，造型美观、受力合理，单叶双曲面状变截面独柱薄壁墩如图3所示。

图3 单叶双曲面状变截面独柱薄壁墩

观光塔楼和斜拉桥二合一，功能互补、造型新颖、立面层次丰富，可提升人行景观桥梁的美学效果。

2 参数设计

某湿地公园的超大跨径人行景观曲线形斜拉桥，跨径为(4×15+150+105+45+4×15)m，桥塔采用单叶双曲面观光塔楼式桥塔结构，桥面结构采用曲线形混凝土箱梁结构，斜拉桥边墩采用单叶双曲面变截面独柱式空心桥墩，总设计图如图4所示。

图4 总设计图(单位：m)

曲线形斜拉桥左侧的河流较宽，其跨径为150 m，曲线形斜拉桥右侧的河流宽度略小，曲线形斜拉桥右侧设置辅助墩，右侧跨径为(105+45)m。

单叶双曲面观光斜拉桥桥塔高度为110 m，观光塔楼式桥塔结构是由观光塔塔身、观光塔塔顶和塔底碗状薄壁壳裙房3部分组成，观光塔塔身为90 m高度的单叶双曲面筒形结构，观光塔塔顶为高度为20 m 的钢结构壳形塔顶。

变截面单叶双曲面观光塔塔身直径为10～20 m，最细腰部位置在离地60 m处，塔身壁厚为300～450 mm，采用钢筋混凝土结构形式并选用C40～C50混凝土浇筑，内部设置旋转楼梯和圆形电梯。

塔底碗状薄壁壳裙房采用钢筋混凝土碗状薄壁壳体结构，壁厚为300 mm，采用C40混凝土浇筑，碗口直径为50 m，碗底直径为30 m，碗形裙房总高度为15 m，在碗口处设置一道钢筋混凝土环梁，环梁截面尺寸为400 mm×2 000 mm。

曲线S形桥面的加劲梁桥面宽度为16 m，箱梁高度为2.5 m，采用单箱双室混凝土箱梁结构，其混凝土箱梁的顶板、底板和竖板厚度均为300 mm，间隔30 m设置一道200 m厚的混凝土隔板，采用C35混凝土浇筑，斜拉桥曲线S形箱梁加劲板与单叶双曲面观光斜拉桥塔固定连接。

在单叶双曲面桥塔四周设置圆环形观光平台，圆环形观光平台采用钢筋混凝土箱型结构，圆环形观光平台板内均匀设置8根放射状的钢筋混凝土横隔板，横隔板截面尺寸为300 mm×2 000 mm，横隔板两端分别搁置在塔底碗状薄壁壳裙房和单叶双曲面桥塔结构之上，观光平台圆环形箱梁中设置一道环形隔板，环形隔板截面尺寸为250 mm×2 000 mm，圆环形箱梁观光平台的顶部和底板的板厚均为300 mm，采用C35混凝土浇筑。

斜拉桥边墩采用单叶双曲面变截面钢筋混凝土独柱式空心桥墩，边墩高度为15 m，塔身椭圆形截面尺寸为长轴6～12 m、短轴3～6 m，单叶双曲面空心桥墩壁厚为250 mm，采用C40混凝土浇筑，最细腰部位置在离地5 m处，墩身顶部尺寸最大，墩身顶部设置左右2个支座。

为提高大跨径曲线形斜拉桥的结构整体性和结构刚度，同时为减少大跨径曲线形斜拉桥的弯扭作用效应，在曲线形斜拉桥主桥垮的东边位置设置斜拉桥辅助墩，斜拉桥辅助墩距离东边的斜拉桥边墩45 m，斜拉桥辅助墩截面尺寸与斜拉桥边墩相同。

设计曲线形斜拉桥钢丝缆索直径为0.15 m，采用高强钢丝缆索，缆索间距为15 m，共2跨×8对钢丝缆索，平行钢丝缆索采用1 670 MPa的Φ5.2 mm高强钢丝。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

桥面附加均布恒荷载标准值为8 kN/m2，桥面均布活荷载标准值为5 kN/m2。

开展MIDAS有限元分析，进行满布活荷载和偏心活荷载的2种受力工况计算，满布活荷载作用下计算结果如图6所示。

(a) 位移(单位：m)

3.1 满布活荷载工况

分析表明，由于桥塔底部设计了碗状薄壁壳体裙房，可以有效限制曲线斜拉桥的桥面扭转变形，结构受力合理。

在竖向活荷载作用下，跨中最大位移为0.233 m，满足规范1/500的限值要求。缆索最大应力为649.2 MPa，满足强度要求，桥塔最大应力为18.73 MPa，其轴压比约为0.8，满足设计规范要求。

3.2 偏心活荷载工况

对活荷载内侧和外侧布置的2个受力工况进行结构计算，其目的是研究曲线形斜拉桥结构的弯扭耦合作用效应，将主梁外侧位移减去内侧位移，可得到曲线主梁内外侧竖向相对位移，偏心活荷载桥面扭转示意如图7所示，偏心活荷载作用下相对位移曲线如图8所示。

图7 偏心活荷载桥面扭转示意

(a) 活荷载外侧布置相对位移

在曲线主梁外侧布置活荷载，竖向相对位移最大值为0.046 mm，出现在跨中位置。在曲线主梁内侧布置活荷载，竖向相对位移最大值为-0.034 mm，出现在跨中位置。偏心活荷载作用下，在曲线主梁内外侧布置活荷载，两者的跨中竖向相对位移均较小，在跨中处扭转角度分别为0.165°和0.123°，其扭转角度也较小。

分析表明，采用单叶双曲面状桥塔塔身、碗状薄壁壳体裙房和圆环形观光平台板三者构成曲线形斜拉桥的组合桥塔结构体系，组合桥塔结构具有良好的结构空间刚度，观光塔楼式刚性桥塔结构有效降低弯扭耦合作用效应，同时减小偏心活荷载作用下的桥面扭转角度。

4 模态计算结果

曲线形斜拉桥采用MIDAS软件进行动力模态特性分析，为不遗漏任何振型，分析过程中采用子分块法求解特征方程，典型模态如图9所示。

(a) 1阶振型(0.859 Hz)

1阶振型为桥面反对称竖弯，频率为0.859 Hz；2阶振型为桥塔横向侧弯，频率为0.926 Hz；3阶振型为桥塔纵向侧弯，频率为1.187 Hz；16阶振型为桥面扭转振型，频率为5.721 Hz。

本桥第一振型是桥面竖向振动，而不是桥塔横向侧弯振动，表明桥塔具有较大侧弯刚度，本桥各阶频率均较大，表明结构空间刚度较好。

前15阶振型以竖弯和侧弯振动为主，频率较高，抗侧刚度较大；直到16阶才出现桥面扭转振型，抗扭频率较大，抗扭刚度较大，其扭弯频率比值为6.66，比值较高，表明抗风稳定性良好。

5 结语

(1) 单叶双曲面状桥塔塔身、碗状薄壁壳体裙房和圆环形观光平台板三者构成的曲线形斜拉桥的组合桥塔结构体系，观光塔楼式刚性桥塔结构有效地提高了曲线形斜拉桥的结构刚度，碗状薄壁壳体裙房可有效限制曲线形斜拉桥的桥面扭转变形，斜拉桥塔和观光塔二合一，设计合理。

(2) 偏心活荷载作用下，在曲线主梁内外侧布置活荷载，两者的跨中竖向相对位移均较小，在跨中处扭转角度分别为0.165°和0.123°，分析表明采用观光塔楼式组合桥塔结构具有良好的结构空间刚度，可有效降低弯扭耦合作用效应，降低偏心活荷载作用下的桥面扭转角度。

(3) 1阶竖弯频率为0.859 Hz，频率较高，竖向刚度较大；2阶振型为桥塔横向侧弯，频率为0.926 Hz。本桥第一振型是桥面竖向振动，而不是桥塔横向侧弯振动，表明桥塔具有较大侧弯刚度。

(4) 本桥直到16阶才出现桥面扭转振型，其扭转频率高达5.721 Hz，抗扭刚度较大，扭弯频率比值为6.66，比值较高，表明抗风稳定性良好。