弦带桥设计要点与静动力分析

肖 强 曾玲升

江西省交通设计研究院有限责任公司 江西 南昌 330052

桥梁不仅要具有连通道路的作用，还应该具有美学和景观价值。纵观世界各大著名桥梁，除了结构受力合理，经久适用外，大多都具有美观耐看的特点，因此一座成功的桥梁应保证在外观上给人以美学享受。所以作为一名桥梁工程师，应该将桥梁美学的理念贯穿在其设计的每一座桥梁之中。

1 城市人行桥梁美学

随着我国经济的快速发展，城镇化的进一步扩大，有纪念意义的大跨径公路桥和铁路桥的建造不再是人们关注的焦点，它们让位给了和人类关系更密切的城市桥梁[1]。城市人行桥梁既是一种结构构筑物，同时它本身又形成一个环境，它是都市人文景观的一个组成部分[2]。城市人行桥梁跨度往往不大，如果单从技术角度来说的话，一座城市人行桥梁要实现其跨越能力，是比较容易做到的。进入21世纪以后，业主和民众对于城市人行桥梁的要求越来越高，已经不会局限于寻求一个解决方案而已，而要更多地体现美观、人性化、都市品味以及文化和历史底蕴等[3]。

结合美学的要求与桥梁自身的特点大致可以得到城市人行桥梁美学所包含的三个方面的内涵[4]。（1）功能美，桥梁首先是一种具有跨越障碍物能力的实用结构物，所以功能价值是第一位的；（2）形式美，其要求桥梁结构要协调统一，比例均衡，色彩搭配合理等；（3）与环境协调也是一座景观桥梁需要着重考虑的环节，因为城市人行桥梁与架设地点的环境并不是孤立存在的，而是相互融合，相互统一的，它反映出来的是人与自然和谐发展的思想[5]。本文针对城市人行景观桥梁设计提出一种新型桥梁结构—弦带桥。

2 设计亮点

根据城市人行桥梁美学的理念，本文设计了一座名为“自由之翼”的弦带人行桥，其具体效果如图1所示。

图1 弦带桥3DMAX效果图

本桥的设计宗旨是要将桥梁做的更轻薄更纤细，要柔中带刚，刚柔相济，体现整个桥身轻如燕，恰如一片飞鸟挥舞着羽翼潇洒而过的意境。本桥紧扣着刚柔相济这一理念，整体结构选用索梁组合体系，结构设计的很轻巧。本桥设计亮点如下：采用柔性结构，线条简单，设计简约，结构尺寸纤薄如翼，大方美观；采用中跨与左右边跨三个子结构，结构形式简单，受力明确；采用体外索，调整各构件的内力分布，使截面更多承受轴力，减小弯矩，提高材料利用率；整个结构造型优美，两边结构厚重，中间结构纤细，给人一种极强的视觉冲击感。

3 设计构思

3.1 主跨设计

桥梁主跨采用索梁组合体系，主梁采用混凝土板结构，在主梁下布置多根钢管，通过张拉拉索使钢管对主梁产生竖向支撑力，形成多点弹性支撑连续梁，从而减少主梁所承担的弯矩，大大降低主梁截面高度，使主梁显得轻巧美观。采用抛物线形体外预应力索支撑梁，和恒载下简支梁弯矩图一致[6]，设计简约，结构纤细，主跨布置如图2所示。

图2 主跨立面布置

主跨混凝土主梁在整个结构体系中主要承受轴向压力，因此采用普通矩形截面。钢管立柱采用圆形无缝钢管，预制主梁时，埋到主梁内部，通过剪力键和主梁连接。

在进行拉索布置形式设计时，初步方案是采用两根拉索沿跨径方向对称布置，但是这种布置形式在计算时发现横向刚度太小，稳定性难以满足要求。经研究决定增加两根交叉索，整个主跨布置四根拉索，横向刚度得到了极大的增强。拉索张拉力的确定是主跨设计时需要着重考虑的一个方面，因为张拉力过小会使得钢管对主梁的支撑力不足，造成主梁挠度过大，既影响美观，又会对桥梁的适用性、耐久性造成危害。但张拉力过大又可能使得主梁产生长期的上挠，再加上桥面上的雨水与日照天气，极容易导致桥面开裂等病害发生。为了平衡这两方面的因素，本桥在拉索张拉力确定时，采用全桥横向布置一半均布人群荷载时的状况进行计算[7]，拉索受力如图3所示，拉索张拉力大小由公式（1）确定，式中q为全桥横向布置一半人群荷载时和主梁自重一起叠加产生的荷载集度，为中跨跨径， 为拉索轴力，拉索竖向垂度，主梁轴力。

图3 拉索受力图

3.2 边跨设计

边跨主梁采用U形混凝土梁，外型厚实，与主跨形成鲜明对比，并且，由于采用混凝土梁，增加了体系刚度和横向稳定性。边跨U形梁的腹板沿跨径方向为椭圆形，变化缓慢，中间腹板高度为1.5m，充当护栏的功能。与主跨外形相辉映，整体结构外型协调美观，边跨布置如图4所示。

图4 边跨布置图

3.3 桥墩设计

桥梁边跨采用变截面矩形墩，整体结构纤细简单。如图4所示，在自重作用下，边跨主梁会受拉，为减小主梁拉应力，减小墩底弯矩，在墩顶主梁张拉预应力，使弯矩转化为轴力。在靠近大堤侧墩顶张拉预应力时，将预应力通过滑轮转向90度，竖向张拉预应力，预应力一端锚在大堤上。

3.4 施工方法构思

桥梁设置三个子结构，使得桥梁施工得到了很大的简便。两个边跨由于处于岸上或者处于水深较浅处可直接采用满堂支架就地浇筑；而中跨需要跨越河流，可在河岸预制，首先浇筑主梁，在主梁内部预埋钢管，当主梁混凝土强度达到75%以后，张拉预应力钢索，通过预应力索的预拉力使钢管产生对梁的竖向支撑力，从而形成一个内部受力稳定的体系，然后通过轮渡运输到桥位处，再吊装到两边墩上。

4 桥梁受力分析

本桥采用三跨布置，总跨径为8 0 m，跨径布置16m+48m+16m，墩台高10m，拉索竖向的垂度为2.5m，桥面宽度为4m，边跨U形梁的腹板向两侧倾斜伸展，最远处水平伸出0.82m，腹板椭圆顶点高1.5m。依据纵向位置的不同，全桥主梁总共采用三种截面形式，分别为U形截面和两种梁高不同的矩形截面，其相互之间搭配合理，衔接流畅。主梁与桥墩采用C40混凝土，钢管立柱采用Q235钢材。

4.1 建立模型

用Midas civil进行建模分析计算，全桥拉索用仅受拉索单元模拟，其它结构构件均用空间梁单元。全桥共有142个节点，梁单元93个，索单元48个。

4.2 静力分析

本节的研究内容是针对弦带桥的静力性能进行分析，在静力分析中采用以下荷载组合类型[8]：

荷载组合Ⅰ：人群荷载（满载）+自重+预应力，组合系数为1。

计算结果如下：在荷载组合Ⅰ下，主梁最大弯矩为2163.86kN·m，发生在边跨跨中位置；主梁最大轴力发生在中跨，大小为2094.94kN；拉索最大索力为811.06kN；截面最大压应力发生在中跨支点附近，大小为15.8MPa，小于C40混凝土的轴心抗压强度设计值；截面最大拉应力发生在边跨跨中附近，大小为1.08MPa，小于C40混凝土的轴心抗拉强度设计值。主梁最大竖向位移为59mm，小于规范要求80mm。

4.3 动力分析

动力特性的分析对于桥梁是至关重要的，对于新型桥梁来说，其动力性能是否良好直接决定了方案的可行性[9]。在此，仍采用有限元程序进行分析，计算结果见表1，主阵型模态见图5。

表1 弦带桥的动力性能

图5 一阶反对称竖弯

5 结论与展望

弦带桥是一种新型的桥梁结构形式。许多问题仍需进一步研究[10]。其有机地将梁桥、悬索和钢管拱三种结构体系结合了起来，它实质上是将悬索桥的主缆放置于主梁底部，并且将吊杆换成了钢管立柱，通过钢管立柱对主梁进行多点支撑形成的一种新型结构。这样与悬索桥相比，由于没有了二次索，因而大大增加了结构的整体刚度。与梁桥相比增加支撑，减小了跨中最大弯矩，降低了造价和施工难度。不过弦带桥属于一种新的桥梁结构型式，许多问题需进一步研究。可以预见，随着弦带桥的逐步深入研究，其必将以其独特的优点而得到广泛的应用。