拱塔斜拉橋的應(yīng)用和發(fā)展

胡 豪, 蒲黔輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

斜拉橋由梁、索和塔組成，其索和塔布置形式多樣，方便景觀設(shè)計[1]。當(dāng)斜拉橋的橋塔采用拱形結(jié)構(gòu)(不僅具有拱的外形，且具有拱的受力特點)時，稱為拱塔斜拉橋[2]，又稱拱承斜拉橋或拱塔斜張橋[3]。拱塔斜拉橋在一些特殊地形條件下應(yīng)用，比如一些城市內(nèi)或城郊小角度斜跨城市道路、鐵路、高速公路、河流和城市管線等的跨線橋梁，可以避免橋塔與既有線路和管線的沖突，同時景觀效果突出。

目前國內(nèi)外建成拱塔斜拉橋多用于公路橋梁和人行橋梁，未見用于鐵路橋梁。本文擬綜述國內(nèi)外拱塔斜拉橋應(yīng)用實例，總結(jié)拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特點及其在公路橋梁和人行橋梁中的應(yīng)用經(jīng)驗，指出拱塔斜拉橋設(shè)計應(yīng)用的幾個關(guān)鍵問題，為拱塔斜拉橋在高速鐵路橋梁中的應(yīng)用提供參考。

1 拱塔斜拉橋的應(yīng)用和發(fā)展

1.1 拱塔斜拉橋在國外的應(yīng)用

國外建成的拱塔斜拉橋多是獨塔形式的。據(jù)文獻報道，世界上第一座拱塔斜拉橋于1997年前建成于日本東京航空港上，該橋受到橋位地形限制，設(shè)計者設(shè)計了一座垂直線路方向并跨航空港的鋼系桿拱橋，用斜拉索來承載跨線橋的行車道(圖 1)[2]。

1997年建成的日本美秀美術(shù)館(Miho Museum)入口處有一座獨塔獨跨地錨式拱塔斜拉橋步行橋[4](Miho Museum Bridge)，如圖 2所示，由貝聿銘先生設(shè)計，橋梁跨度為114 m，塔高為16.146 m，傾角為58.5 °。

圖1 日本航空港拱塔斜拉橋

圖2 Miho Museum Bridge

為舉辦2006年都靈冬奧會，意大利都靈市建成了一座跨越Roche-sur-Yon鐵路的人行斜跨拱塔斜拉橋，稱為都靈人行橋[5](Turin Footbridge)，該橋拱塔高70 m，橋面寬4 m(圖3)。

俄羅斯莫斯科的齊佛匹斯尼大橋[6](Zhivopisny Bridge)是一座跨越莫斯科河的拱塔斜拉橋，于2007年建成(圖4)。該橋全長1 460 m，主跨跨度409.5 m，橋面寬47 m，共36對斜拉索，拱塔高105 m，塔上78.3 m高度處設(shè)有空中餐廳。

圖3 都靈人行橋

圖4 齊佛匹斯尼大橋

美國瑪格利特·亨特·希爾橋[7](Margaret Hunt Hill Bridge)建成于2012年，由西班牙建筑大師圣地亞哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)設(shè)計(圖 5)。該拱塔斜拉橋跨越達拉斯市的三一河(Trinity River)，全長570 m，主跨365 m，橋塔高122 m，29對斜拉索承載主梁。該橋橋塔采用拋物線形拱形橋塔，斜拉索突破了平行索、輻射索、扇形索等布置方式，在拱塔由上至下、主梁上距離拱塔由近至遠布置，斜拉索相互交叉，極具美感。

圖5 瑪格利特·亨特·希爾橋

1.2 拱塔斜拉橋在國內(nèi)的應(yīng)用

國內(nèi)目前建成或在建的拱塔斜拉橋分為獨塔、雙塔和多塔形式，其中獨塔形式又分為垂直拱塔、傾斜拱塔和異型拱塔形式。

第一座垂直形式獨塔拱塔斜拉橋是位于臺灣，建成于2006年的貓羅溪大橋[8]，橋塔為二次拋物線形拱形，梁為雙幅分離式曲線主梁，主梁采用(119+59) m的非對稱布置(圖6)。三明臺江大橋[9]位于福建省三明市，跨越臺江，于2010年建成。橋梁全長1 213 m，主橋為(2×110 m)的鋼拱塔斜拉橋，橋?qū)?9.5 m，雙向6車道設(shè)計(圖 7)。該橋突出的設(shè)計特點是圓弧形拱形橋塔和為平衡拱塔上水平拉力而設(shè)置的Y形拉索系桿體系。該橋借鑒了希爾橋的斜拉索布置方式，同時將斜拉索索梁錨固端錨固于主梁中心線上，獨具特色。筆者參與設(shè)計且正在建設(shè)的廣汕鐵路上一座跨越深汕西高速公路的主橋采用(32+160+32) m全漂浮體系(塔下無橫梁)拱塔斜拉橋，上承載雙線350 km/h的高速客運專線，高速鐵路與高速公路斜交角度為26 °，三維模型如圖 8所示。

圖6 貓羅溪大橋

圖7 三明臺江大橋

圖8 廣汕鐵路跨深汕西高速公路主橋

傾斜拱塔的獨塔拱塔斜拉橋主要有以下幾座：建成于2008年的江蘇通州世紀大橋[10]，該橋跨徑組合為110 m(主跨)+80 m(錨跨)，塔高63.6 m(圖9)。同年建成的西安市浐灞河2號橋[11](圖10)，為半漂浮體系，跨度組合為(145+48+42) m，主梁以上部分塔高78 m。建成于2011年的河北大街立交[12](北營門橋)與浐灞河2號橋主橋的結(jié)構(gòu)形式、跨徑布置等完全一樣，但為塔梁固結(jié)體系(圖11)。正準備建設(shè)的綿陽市荷花大橋[6]，主橋采用獨塔斜塔斜拉橋，長335 m，孔跨布置為(35+155+115+30) m。橋塔采用橢圓形鋼塔，橋塔高度為92.0 m(圖12)。值得注意的是，這些橋塔的傾斜角度均為75 °。

圖9 通州世紀大橋

圖10 西安市浐灞河2號橋

目前國內(nèi)采用異型拱塔的獨塔拱塔斜拉橋較多，這里選取幾座說明。建成于2009年的天池大橋[13]是跨越延吉市布爾哈通河的一座V型拱塔斜拉橋(圖13)，主橋跨徑組合為(115+115) m，梁寬39 m,其中兩側(cè)錨索區(qū)各1.5 m，采用半漂浮體系。建成于2009年的荊邑大橋[14]的大溪河橋部分，是一座跨徑布置為(28+39+106) m鋼箱梁雙套拱斜拉橋(圖14)。其主、副塔為雙套拱，主副塔之間用鋼拉桿連接，鋼拉桿與斜拉索一一對應(yīng)。建成于2010年的錦州市云飛大橋[15]與大溪河橋相似，其主橋為全漂浮體系的雙索面雙套拱獨塔斜拉橋，跨徑布置為(108+92) m，采用連續(xù)梁—斜拉橋協(xié)作體系，梁寬30 m。橋塔采用雙鋼箱套拱結(jié)構(gòu)，外拱塔高65.5 m ，傾角8 °，內(nèi)拱塔高54.2 m，傾角15 °(圖15)。正在建設(shè)的漯河市S225安平線沙河大橋采用斜跨拱塔斜拉橋方案，由同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院設(shè)計，效果圖如圖16所示，該橋全長980 m，主橋跨徑布置為(58+128+58) m，橋上布置雙向6車道、非機動車道和人行道，按一級公路標(biāo)準建設(shè)，設(shè)計車速80 km/h。

圖11 河北大街立交

圖12 綿陽荷花大橋

圖13 天池大橋

圖14 荊邑大橋大溪河橋部分

圖15 云飛大橋

圖16 沙河大橋

浙江杭州之江大橋[16]為一雙塔拱塔斜拉橋，主跨跨徑布置為(116+246+116) m，于2013年建成，橋型布置圖如圖 17所示，結(jié)構(gòu)采用3跨連續(xù)半漂浮體系。

馬鞍山長江公路大橋[17]于2013年建成，位于安徽省東部，大橋分為左右兩汊，右汊主橋跨徑布置為(38+82+2×260+82+38) m，全長760 m，為三塔六跨的雙索面半漂浮體系，橋塔采用半橢圓型拱塔(圖18)。

圖17 杭州之江大橋

圖18 馬鞍山長江公路大橋右汊橋

2 拱塔斜拉橋設(shè)計面臨的關(guān)鍵問題

拱塔斜拉橋兼具拱橋和斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點，其設(shè)計需要解決三個關(guān)鍵性的問題：一是斜拉索的合理張拉索力確定；二是拱塔合理拱軸線形的確定；三是采用全漂浮或半漂浮體系的拱塔斜拉橋的主梁縱向位移問題。

拱塔斜拉橋斜拉索合理張拉索力的確定可以借鑒成熟的斜拉索索力優(yōu)化方法，包括指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化法、無約束和有約束的索力優(yōu)化法[18]，這里不再贅述。

拱塔斜拉橋拱塔拱軸線形的優(yōu)化問題不同于一般拱橋拱軸線形優(yōu)化。拱塔斜拉橋的拱塔除受到自重外，還受到斜拉索的集中荷載(可分解為橫橋向、順橋向和豎向三向分力)，荷載形式相對復(fù)雜，且拱塔形式多樣。拱軸線形有圓弧形、橢圓形、二次拋物線形、高次曲線形等，嚴格來說不存在一種統(tǒng)一的拱塔拱軸線形優(yōu)化理論。目前拱塔拱軸線形優(yōu)化理論研究也不充分，僅栗懷廣等[9]針對三明臺江大橋提出了一種指定拱頂截面內(nèi)力的橫向拱塔斜拉橋的拱軸線逐段設(shè)計算法，考慮了拱軸平面內(nèi)的水平荷載和豎向荷載，但其缺點是僅適用于索梁錨固點位于主梁中心線上的拱塔斜拉橋拱塔拱軸線性優(yōu)化。拱塔斜拉橋?qū)儆诘湫偷漠愋蜆蛄?，結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜，而高速鐵路拱塔斜拉橋的拱塔所受荷載很大，拱塔拱軸線形是影響拱塔受力是否合理的關(guān)鍵因素，有必要對拱塔斜拉橋拱塔拱軸線形優(yōu)化理論做進一步研究。

采用全漂浮體系或半漂浮的拱塔斜拉橋，由于自身結(jié)構(gòu)特點，其在制動力、地震等荷載作用下存在主梁縱向位移問題。瞿偉廉[19]、何源[20]和李永樂[21]等人針對該問題研究了制動力和地震荷載下大跨度斜拉橋主梁縱向位移的特性，就應(yīng)用MR阻尼器和粘滯阻尼器抑制主梁縱向位移的提出了解決方案，并在天興洲長江大橋、韓家沱長江大橋等大橋上應(yīng)用成功。但是高速鐵路拱塔斜拉橋的又面臨新的縱向位移問題(圖8)。無橫梁的拱塔斜拉橋，當(dāng)拱塔跨度較大時，不能在拱塔和主梁之間安裝阻尼器，也不能在輔助墩上限制縱向位移。因為這樣結(jié)構(gòu)邊界條件不對稱，溫度作用下主梁的不對稱伸縮會導(dǎo)致斜拉索關(guān)于拱塔平面的不對稱索力增大，使拱塔的中產(chǎn)生較大的拱塔面外彎矩，傾覆危險加大。高速鐵路列車制動力也較大，主梁縱向位移問題不能忽略，需要尋求新的解決思路和解決方法。

3 結(jié)束語

拱塔斜拉橋不僅具有獨特的景觀優(yōu)勢，而且可以適應(yīng)一些復(fù)雜地形條件的需要，應(yīng)用于城市內(nèi)或郊區(qū)的跨線公路、鐵路和人行橋梁都是一種不錯的選擇，但也有一些關(guān)鍵問題值得注意和研究。拱塔斜拉橋的索力優(yōu)化問題可以借鑒斜拉橋的索力優(yōu)化方法進行解決，拱塔拱軸線形優(yōu)化理論有待進一步完善。目前建成拱塔斜拉橋中，公路橋最大跨度已達409.5 m，而正在建設(shè)的鐵路(高鐵)橋梁首座拱塔斜拉橋跨度達160 m，且采用全漂浮體系，應(yīng)特別注意在列車制動力荷載作用下其主梁縱向位移對行車安全和拱塔穩(wěn)定帶來的不利影響。