杭瑞高速洞庭湖大桥索塔造型方案及结构设计

程丽娟， 苏振宇， 张晋瑞

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 长沙 410008)

索塔是悬索桥的重要组成构件，其施工及成桥阶段的受力状态对悬索桥结构安全影响显著。索塔造型是悬索桥景观设计中最关键的环节，往往决定着桥梁的整体构型和气势[1-2]。近年来，国内外众多学者对悬索桥的索塔造型、构造设计及受力性能等方面开展了研究。王立新等[3]阐述了润扬长江大桥桥塔设计过程中的塔位选择、结构设计及设计特色；谢尚英[4]对猎德大桥索塔的设计构思、结构设计和计算过程进行了分析；李翠霞[5]介绍了武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔造型构思、纵横向静力计算过程；马玉全[6]则对虎门二桥索塔的景观造型方案进行了深入研究；吴巨军等[7]对自锚式悬索桥的结构体系及索塔构造设计开展了研究；李万恒等[8]以泰州长江大桥为依托对悬索桥索塔的刚度体系进行了分析；张德明[9]对钢结构与钢-混组合结构索塔方案进行了详细阐述；何利、苏茂材等[10-11]分别对索塔的构造设计及施工过程进行了分析；范金军等[12]则开展了悬索桥索塔的三维应力计算。这些研究在实际工程中取得了良好的实施效果，为索塔的造型方案优化指明了方向，为索塔结构设计、局部构造及受力性能分析提供了有益的支撑和可靠的依据。

在已有悬索桥索塔景观造型研究、构造设计和数值计算的基础上，本文针对杭瑞高速洞庭湖大桥设计过程中的美学构思、构造优化及设计、整体和局部有限元方法进行分析，提出了索塔设计中需考虑的内容及控制因素。

1 工程概况

杭瑞高速洞庭湖大桥位于岳阳市七里山洞庭湖入长江交汇口，南距上游洞庭湖大桥3 km，东起岳阳楼区吉家湖路，西至君山区西城街道七弓岭，为杭瑞高速的控制性工程。河道两岸均为湘江Ⅰ级阶地，岳阳岸以剥蚀岗地为主，君山岸位于湘江河漫滩上，场地覆盖层主要为冲填土和淤泥质粘土，下伏基岩主要为板岩。主桥采用(1 480+453.6)m双塔双跨钢桁梁悬索桥，主缆跨径布置为(460+1 480+491)m，桥型布置如图1所示。桥梁按双向6车道高速公路进行设计，设计速度100 km/h，设计洪水频率1/300，航道等级Ⅰ(3)级，设计基本风速32.9 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。

单位：cm

主桥梁长1 933.6 m，桥面宽33.5 m，横坡为2%。主梁为板桁结合钢桁加劲梁，桁高9.0 m，桁宽35.4 m，节间长度8.4 m。主缆垂跨比1/10，2根主缆中心距35.4 m，设175根通长索股，君山侧边跨另增设6根背索。每根索股由127根Φ5.35的高强镀锌钢丝组成。吊索标准间距16.8 m，跨中处吊索间距17.6 m，并设置5对柔性中央扣。索塔采用门式框架塔，岳阳侧塔高203.088 m，君山侧塔高206.088 m。两岸锚碇均为地连墙基础重力式锚碇。

2 索塔造型方案研究

洞庭湖大桥位于湖湘文化历史名城岳阳，桥梁在满足受力要求的前提下，对其景观设计提出了极高要求。索塔是悬索桥最重要的造型元素，在桥梁设计过程中，需从桥址周围环境调查分析开始，结合桥梁美学的造型手法，对其设计风格、造型、比例、色彩进行综合研究，以求构思力学与美学相融合的新型方案。

2.1 人文环境

统观世界桥梁史，桥梁建筑素有“一桥一城”的标识性文化载体功效，因此，桥梁构型承载着当地特有的人文环境要素。大桥地处具有厚重历史文化沉淀的岳阳洞庭湖，只有在充分分析当地的人文环境下开展设计工作，才能够保证大桥的造型设计具有独到之处。

历史悠久的文化名城岳阳，拥有名贯古今、饮誉海内外的岳阳楼、富有神话传奇色彩的君山岛、东洞庭湖生态保护区等自然和人文胜迹。洞庭湖波澜壮阔，雄浑广大，古往今来，迁客骚人，无不为洞庭湖的浩瀚气势所倾倒。湖中景状，一日之中变化无穷，更兼岳阳楼、君山等名胜古迹点缀其间，使这座天下名湖更加富有诗情画意。洞庭湖畔的岳阳楼耸立在岳阳市西门城头，以其雄伟古朴的风貌屹立于世，历有“洞庭天下水，岳阳天下楼”的盛誉。洞庭湖大桥既是岳阳楼、洞庭湖、君山岛诸景点交融的纽带，更是水绿融城而增古城新韵的亮丽风景线，构筑“楼、湖、岛、桥”的景观序列，体现岳阳的人文环境特点是桥梁尤其是索塔设计过程中需要重点考虑的因素。

2.2 总体设计风格

从造型风格、造型手法、造型元素等方面，探索适宜大桥索塔的造型方案。

岳阳洞庭湖大桥桥址区域较空旷，根据景观对比造型法，此处适宜采用较为刚毅、挺拔、立体感较强的桥梁造型风格。桥址邻近岳阳古建筑群区域，根据景观协调要求，桥塔造型的手法及元素应与古建筑相呼应。桥梁主跨达1 480 m，为现代超大跨度缆索承重桥梁，适宜采用简洁大气、视觉稳定的造型方案。

岳阳洞庭湖大桥平面和立面线形设计有3个平面弯曲和3个纵向起伏，桥上行车时对整个大桥的观赏是线性而连续的，总体设计时通过桥塔立面和断面的构造变化，实现随时间和位置的不同呈现不同的景观效果，可避免单调枯燥的行车感觉，提高行车的兴趣点。

2.3 索塔造型设计

2.3.1 塔高确定

岳阳洞庭湖大桥主缆跨径为460 m+1 480 m+491 m=2 431 m，垂跨比1/10，桥面以上塔高约160 m。在桥梁造型设计中，通常采用既有一定比例美、又有特定性的正方形、均方根形等特征矩形作为形体立面的基本图形。应用基本图形之间的演变关系，按功能与艺术要求进行内部分割变化，大桥可达到形体动静结合、相互呼应协调的艺术效果。

根据特征矩形分割法原理，被跨径整除的一系列数值约为：2 431/12=202、2 431/11=221、2 431/10=243、2 431/9=270、2 431/8=304。这些结果中的任何一个作为特征矩形的边长去解析大桥立面，在理论上都能得到比较美观的比例。结合本桥通航水位和结构体系，最终选择以202 m作为水面以上的塔高，加上塔顶建筑高度，塔顶离水面的总高度接近231 m，大桥从结构和造型方面都能获得良好效果，整体比例协调、均衡。

2.3.2 索塔造型方案

结合索塔的受力要求、景观的人文特色和总体设计风格，提出了多种不同的造型方案，其中4种方案如图2所示。

(a) 方案1(b) 方案2(c) 方案3(d) 方案4

1) 方案1：潇湘琴韵。排萧是我国古代竹类乐器之一，潇湘之竹制成的排箫更是精品。该方案抽取排萧的“韵律、层次”造型元素进行桥塔设计，增强桥塔的挺拔感。考虑到超大跨径悬索桥的桥塔稳定性问题，在塔顶加设上横梁，以提高桥塔的纵横向稳定性。为增强其挺拔效果，对桥塔塔柱横桥向进行了一定尺度的压缩，在保证其层次及韵律的基础上，呈现出排箫的造型元素。在塔冠造型设计中，采用层次设计手法，呼应古代建筑所遵从的天地之交的设计理念，同时参照岳阳楼的立面比例来优化塔冠、横梁及塔柱阶梯过渡位置的高度比例。该方案在刚毅、挺拔的排箫造型基础上，在各阶梯顶部辅以过渡塔尖，达到与洞庭湖畔的岳阳楼遥相呼应的景观效果，既体现了桥梁雄浑广大的气势，也反映了敢为人先、一往无前的湖湘文化精髓。

2) 方案2：现代简约。基于中国古典建筑柱子的造型要素，塔座设计中加入古建筑“鸱吻”元素，在达到挺拔效果的同时，增强塔座的稳定感，在桥面以上桥塔高度的黄金分割点设置中横梁；为了保证桥面以下空间的开阔感，对下横梁的体量进行了轻微弱化。

3) 方案3：中流砥柱。融入湘楚文化“承上启下，中流砥柱”的历史元素，塔柱采用曲线型塔头，两塔柱在上横梁位置向中间靠拢，体现了湘楚地区在历史及地理中的“纽带”作用。

4) 方案4：中式复古。在上、中横梁处采用塔柱渐变的处理手法，将古建筑的层次理念注入桥塔造型设计中。为了表现桥塔的挺拔感，设计过程中对下横梁处塔柱截面是否采用渐变进行了综合比选，研究表明该区段不设渐变段更能突出桥塔的挺拔效果。

通过对桥塔造型方案的综合分析比较，采用现代风格并融入古典元素的“潇湘琴韵”造型，既能更好地反映地域特点和时代特征，又能呼应岳阳的城市古建筑群，具有韵律、层次之美，满足悬索桥的结构受力要求，因此将其作为桥塔的实施方案。

2.3.3 索塔立面构型

造型方案确定后，索塔立面构图中各部分的比例决定了索塔的造型效果。采用特征梯形作为索塔立面的基本图形，参照岳阳楼的立面构图，确定了索塔立面的竖向构图比例。岳阳楼以标准层高为单位长度，高度方向的比例为0.65∶1∶1∶1∶0.65；楼底和顶部宽度与标准层高的比值分别为5.6和2.3。索塔以塔柱标准分段为单位长度，塔柱自下而上的比例为0.65∶1∶1∶1∶0.618；塔底和塔顶宽度与塔柱标准节段长度的比值分别为1.25和0.618。

索塔竖向比例与岳阳楼基本一致，横向与竖向尺寸的比值由于桥宽的限制而与岳阳楼存在一定差异，相比岳阳楼的庄严稳重，索塔显示出挺拔向上的气势，达到了良好的立面效果。

2.3.4 索塔色彩风格

高耸的主塔是悬索桥视觉的一个中心点，其色彩涂装是全桥色彩风格的体现。综合分析了桥址区的历史、自然与建筑环境的色彩：岳阳的历史建筑以原色及朱红色为主；自然环境中，碧波蓝天是最引人入胜的色彩；建筑环境中，白色、暖调是岳阳的基调。饱和度不大的灰白色索塔更易展示大桥的良好形态，并与环境形成和谐统一的效果，做到环境为桥梁添颜，桥梁为环境增色的效果。而红色与蓝色涂装方案难以与引桥色彩形成良好搭配与过渡，对现代建筑的桥梁结构也缺乏展现优势。为此，索塔的主体涂装方案采用灰白色，在塔尖局部采用红色以形成点缀。

3 索塔结构设计及优化

洞庭湖大桥岳阳岸及君山岸索塔在塔座以上的高度分别达到203 m和206 m，岳阳岸索塔的基本构造如图3所示。塔柱沿高度方向呈阶梯状布置，与常规的渐变式截面相比，其构造设计更为复杂。

3.1 索塔塔柱

3.1.1 塔柱截面形式

洞庭湖大桥塔柱在高度方向呈阶梯状变化，横桥向截面宽度存在突变，合理确定上塔柱、下塔柱的箱室数目及截面突变位置的过渡段构造，保证塔柱竖向传力顺畅，是索塔塔柱设计的重点和难点。设计过程中拟定了如图4所示4种方案，对各部分塔柱采用不同的箱室数目及过渡方式进行了计算分析。

(a) 索塔正视图(b) 索塔侧视图单位:cm图3 岳阳岸索塔构造Fig.3 Tower structure of Yueyang side

根据结构整体及局部受力分析，同时考虑施工便利性，最终选用了方案3，即上塔柱上段采用单箱单室截面，上塔柱中间截面宽度变化位置采用长倒角进行过渡，上塔柱下段及下塔柱采用单箱附加小箱室的双室截面，主箱室和附箱室共同受力。

3.1.2 塔柱构造设计

桥塔为门形框架结构，由上塔柱、下塔柱、上横梁和下横梁组成。塔柱在塔顶中心间距为35.4 m，单根塔柱呈3个阶梯状变化。塔柱在顺桥向由上至下向外倾斜，斜率为7.174/1 000。塔柱为普通钢筋混凝土结构，横梁为预应力构件。

岳阳岸桥塔总高203.088 m，上塔柱高166.45 m，下塔柱高36.638 m；君山岸桥塔总高206.088 m，上塔柱高166.75 m，下塔柱高39.338 m。上塔柱在上部约110 m范围内为单箱单室断面，壁厚1.4 m；上塔柱下部约55 m范围为单箱双室断面，主室壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。下塔柱为单箱双室断面，主室顺桥向壁厚1.7 m，横桥向壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。塔柱内与横梁顶、底板对应的位置以及截面尺寸突变的位置设置横隔板。桥梁运营过程中易出现脱落现象；防火缠包带主要有陶瓷化复合隔热阻燃包带、复合纤维耐火隔热阻燃包带、气凝胶隔热阻燃包带3种。经调研比选，气凝胶隔热阻燃包带与主缆防腐体系具有良好的兼容性和延展性，且能适应主缆变形，不对主缆密封产生影响，与此同时，二者采用缠包方式结合，在主缆的振动、风荷载作用下具有良好的粘结性。为此，本项目在主缆防腐体系的硫化型橡胶密封剂与柔性氟碳面漆之间增设一层5mm厚的气凝胶隔热阻燃层，以满足防火设计要求，如图5所示。

单位：cm

3.2 索塔横梁

3.2.1 横梁断面形式比选

岳阳岸和君山岸塔柱分别高203 m和206 m，采用双横梁方案，横向风荷载作用时横梁受力较大。横梁底采用曲线设计，截面高度变化剧烈，横梁受力、构造及预应力配置均较复杂。设计过程中对横梁不同构造方式、预应力筋配置方式进行了比选，如图5所示。方案1为闭口变高度横梁，梁高7 m～19 m，下缘预应力钢束考虑了直线、曲线、部分直束和部分曲线3种形式；方案2为开口变高度横梁，梁高8 m～19 m，下缘配置直线预应力钢束；方案3、方案4为等高横梁，梁高分别为7 m和10 m，下缘设置直线预应力钢束，横梁下缘圆弧造型通过装饰板实现。

单位：cm

根据结构计算结果,在预应力钢筋配置根数相同的情况下，除方案1变高梁+曲线预应力束方案外，其余几个方案横梁都出现了拉应力；方案3的压应力达20 MPa，其余方案压应力均满足规范要求。采用等截面横梁的方案3和方案4在梁、塔柱交接处应力突变比较明显，横向荷载作用下横梁两端应力差值大，预应力配置困难。方案2与等截面梁类似，开口腹板拉应力更大，容易开裂。经综合比较，最终采用了方案1闭口变高度横梁+曲线预应力钢束方案。

3.2.2 横梁构造设计

索塔上横梁高7.0 m～19.0 m，为单箱单室断面。横梁顶面宽度8.565 m，沿高度方向逐渐变宽，斜率为7.174/1 000。顶底板厚度0.9 m，腹板厚度1.2 m，底缘由2个半径20 m的圆曲线组成。

下横梁高7.0 m～17.0 m，采用单箱单室断面，顶底板厚度1.0 m，腹板厚度1.2 m，底缘由2个半径32 m的圆曲线组成。

横梁按A类预应力混凝土构件进行设计，采用深埋工艺锚固于塔柱外侧。上横梁内布设了32根19Φs15.20钢绞线，下横梁内布设了52根19Φs15.20钢绞线。

3.3 索塔基础

因索塔塔柱内倾、塔柱横桥向相对于承台存在初始偏心、横向风荷载作用，洞庭湖大桥索塔基础承受的横向荷载较同类型桥梁略大。设计过程中对承台选取了7.5 m、8.0 m、8.5 m三种不同厚度，以及2.8 m、3.0 m、3.2 m桩径方案进行分析和比较，在综合考虑受力性能、工程造价等因素后，选用了8.0 m厚承台，下设40根D3.0 m(D为直径)的桩基方案。

单根塔柱承台平面尺寸为23.5 m×30 m(顺桥向×横桥向)，两承台之间用宽10.0 m的系梁进行连接。塔柱底与承台间设塔座，厚度2.0 m。单根塔柱下设20根D3.0 m桩基，顺桥向布设4排，横桥向布设5排，桩基中心距为6.0 m；系梁下设4根D1.8 m桩基，桩基均按嵌岩桩设计。岳阳岸桥塔桩长57 m～68 m；君山岸桥塔桩长47 m～51 m。索塔基础构造如图6所示。

4 索塔结构计算

4.1 索塔整体计算

利用Midas Civil有限元软件建立全桥空间计算模型, 主缆和吊索以索单元模拟，桥塔、加劲梁用梁单元进行模拟。考虑恒载、活载、温度、风荷载及地震力等作用，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)规定的荷载组合，对索塔进行计算分析。结构计算模型如图7所示。

根据索塔施工方案，将索塔施工过程划分为承台及塔座、下塔柱、下横梁、上塔柱、上横梁、缆索系统施工、加劲梁及附属施工等11个施工阶段。计算结果表明，施工阶段，索塔最大拉应力为1.28 MPa，发生在下横梁施工时的塔柱外侧；最大压应力为11.48 MPa，发生在成桥状态的上塔柱截面突变处。以索塔施工完成的裸塔为研究对象，对裸塔承受恒载、温度和施工风荷载作用下的强度、裂缝和稳定性进行计算，结果表明塔柱承载能力和裂缝均满足规范要求，两岸索塔裸塔最小弹性稳定系数分别为17.4和17.1。

(a) 1/2索塔基础立面

(b) 1/2索塔基础平面

图7 全桥有限元计算模型

运营阶段组合作用下，两岸索塔最大轴力及弯矩均出现在索塔根部，索塔承载能力验算满足要求，最小安全系数分别为1.3和1.1。索塔塔柱无拉应力出现，塔柱最大压应力为17.3 MPa，发生在上横梁与塔柱交接位置的塔柱内侧，由恒载+温度+横向极限风产生。横梁按A类预应力构件设计，两岸索塔上下横梁应力及承载能力均满足规范要求。

利用“桥梁博士基础版”建立索塔基础的空间计算模型，计算结果表明承台正截面和斜截面承载能力最小安全系数为1.5，单桩竖向承载能力最小安全系数为4.0，桩基截面强度最小安全系数为1.47，承台及桩基受力均满足规范要求。

4.2 索塔局部应力分析

利用Midas Fea程序建立索塔的实体模型，重点关注索塔塔柱、隔板尤其是各级塔柱交界位置、上下横梁等受力复杂部位的应力分布情况，为构造设计及配筋提供依据。局部应力分析采用的荷载及位移边界条件均从全桥计算模型中提取，采用二阶Solid单元进行模拟，全塔划分为339 005个单元，共575 268个节点，计算模型如图8所示。

图8 索塔实体计算模型

计算结果表明，索塔塔柱及上下横梁基本处于受压状态，塔柱台阶变化位置、预应力钢束锚固位置存在应力集中，局部有压应力超标现象。塔柱台阶变化位置、隔板与塔柱交界处、过人洞、横梁底板上缘倒角等极少数位置有拉应力出现，但应力均在3.0 MPa以内。以上压应力和拉应力较大位置分布范围很小，且均位于结构表面，可通过加强配筋、优化预应力锚固形式和张拉顺序改善结构受力。

5 结论

1) 大跨度桥梁索塔选型设计应充分调研当地的人文历史环境，确定总体设计风格，再结合环境特点进行多方案比选，以达到人文、环境和桥梁景观的协调统一。

2) 洞庭湖大桥“潇湘琴韵”的排箫索塔造型方案，简洁大方，既有雄浑广大、一往无前的气势，也有韵律之美，并与岳阳的古建筑群遥相呼应，体现出地域特点。

3) 构型复杂的索塔方案在满足总体受力的前提下，特别注意了局部构造的优化处理。可通过总体受力把控、局部构造优化、预应力筋设置方式调整等多种措施对细部构造进行充分比选和计算分析，综合考虑结构受力性能、施工便利性及工程造价等因素，合理确定索塔各部分的构造形式。

4) 杭瑞高速洞庭湖大桥是目前国内第一、世界第二大跨度的板桁结合钢桁梁悬索桥，其索塔设计在设计理念、景观造型及构造细节等方面进行了一些尝试，取得了良好的效果，可为同类型桥梁设计提供参考。