超大跨徑人行景觀曲線形斜拉橋設(shè)計(jì)

王為圣

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

在濕地公園內(nèi)可將景區(qū)交通橋梁和觀光塔樓建筑二者功能互補(bǔ)，合二為一，建立基于觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)的超大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，二者基礎(chǔ)共享，形成濕地公園標(biāo)志性的特色建筑物，豐富景區(qū)內(nèi)涵[1-2]。濕地公園內(nèi)河流彎曲，須建造超大跨徑人行景觀曲線形斜拉橋，方便游客沿途觀賞美景[3-6]。超大跨徑曲線形斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲線主梁要同時承受彎矩、剪力和扭矩的復(fù)合作用，彎扭耦合作用效應(yīng)明顯，其纜索設(shè)計(jì)計(jì)算分析困難，施工階段的內(nèi)力平衡控制難度較大，斜拉橋塔的結(jié)構(gòu)剛度對曲線形斜拉橋的受力性能影響巨大[7-8]。

采用觀光塔樓結(jié)構(gòu)作為超大跨徑曲線形斜拉橋的橋塔結(jié)構(gòu)，可提高曲線形斜拉橋結(jié)構(gòu)的空間剛度，減少不利布置活荷載作用下跨中撓度變形，剛性橋塔結(jié)構(gòu)有利于超大跨徑曲線形斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全。

1 構(gòu)型研究

河北雄安新區(qū)濕地公園需修建人行景觀斜拉橋，為配合濕地公園景區(qū)的地形地貌，采用超大跨徑曲線形斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，主跨徑為(150+105+45)m。

為提升景區(qū)景觀性，將曲線形斜拉橋橋塔和觀光塔樓建筑合二為一、共享基礎(chǔ)，構(gòu)成基于觀光橋塔的超大跨徑曲線形斜拉橋，人行景觀曲線形斜拉橋如圖1所示。

設(shè)計(jì)中引入多種曲線元素，采用單葉雙曲面小蠻腰造型的觀光塔樓結(jié)構(gòu)、曲線S形橋面、塔底碗狀薄壁殼裙房和單葉雙曲面狀變截面獨(dú)柱式斜拉橋邊墩，4種曲線形結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)出曲線形橋梁的優(yōu)美造型。

超大跨徑曲線形斜拉橋的彎扭作用效應(yīng)比較明顯，斜拉橋橋塔的結(jié)構(gòu)剛度對曲線形斜拉橋的受力性能影響巨大，單葉雙曲面觀光塔橋塔屬于剛性橋塔，可提高超大跨徑曲線形斜拉橋的空間剛度，以便減少不利布置活荷載作用下的跨中撓度，曲線形斜拉橋的斜拉纜索錨固于剛性橋塔結(jié)構(gòu)之上，可減少彎扭作用效應(yīng)，方便斜拉纜索施工時張拉控制，也方便曲線形斜拉橋的成橋線形控制。單葉雙曲面橋塔塔頂設(shè)置觀光餐廳塔帽，可方便游客觀賞濕地公園美景，觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)

依據(jù)濕地公園的地形地貌，選用曲線S形橋面加勁梁結(jié)構(gòu)，在單葉雙曲面橋塔處設(shè)置圓環(huán)平臺，曲線S形橋面與圓環(huán)形觀光平臺連接，交通流暢。

單葉雙曲面橋塔的塔底部裙房采用曲面碗狀薄壁殼結(jié)構(gòu)，并支撐圓環(huán)平臺，塔底碗狀薄壁殼結(jié)構(gòu)裙房底部設(shè)置門洞，方便游客進(jìn)入單葉雙曲面觀光橋塔。

超大跨徑曲線形斜拉橋采用懸臂澆筑施工工藝，在懸臂澆筑施工過程中，超大跨徑曲線形斜拉橋的彎扭作用效應(yīng)非常明顯，在橋塔支座處曲線形斜拉橋的橋塔結(jié)構(gòu)承受較大不平衡扭轉(zhuǎn)內(nèi)力，會導(dǎo)致橋塔結(jié)構(gòu)支座轉(zhuǎn)動失效，須采取有效的技術(shù)措施確保施工階段結(jié)構(gòu)的安全性。

單葉雙曲面狀橋塔塔身、碗狀薄壁殼體裙房和圓環(huán)形觀光平臺板三者構(gòu)成超大跨徑曲線形斜拉橋的組合橋塔結(jié)構(gòu)體系，橋塔塔底的巨型筒中筒結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大抗扭能力，可抵抗在懸臂澆筑施工階段曲線形加勁梁產(chǎn)生的扭矩內(nèi)力作用，確保曲線形加勁梁不會在曲線形斜拉橋支座處造成扭轉(zhuǎn)變形，從而確保曲線形加勁梁與組合橋塔結(jié)構(gòu)在支座處的塔梁固結(jié)效果。

為體現(xiàn)曲線美的橋梁設(shè)計(jì)主題，超大跨徑曲線形斜拉橋的邊墩、輔助墩和過渡墩均采用單葉雙曲面狀變截面獨(dú)柱式鋼筋混凝土空心薄壁橋墩結(jié)構(gòu)形式，造型美觀、受力合理，單葉雙曲面狀變截面獨(dú)柱薄壁墩如圖3所示。

圖3 單葉雙曲面狀變截面獨(dú)柱薄壁墩

觀光塔樓和斜拉橋二合一，功能互補(bǔ)、造型新穎、立面層次豐富，可提升人行景觀橋梁的美學(xué)效果。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

某濕地公園的超大跨徑人行景觀曲線形斜拉橋，跨徑為(4×15+150+105+45+4×15)m，橋塔采用單葉雙曲面觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)，橋面結(jié)構(gòu)采用曲線形混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，斜拉橋邊墩采用單葉雙曲面變截面獨(dú)柱式空心橋墩，總設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 總設(shè)計(jì)圖(單位：m)

曲線形斜拉橋左側(cè)的河流較寬，其跨徑為150 m，曲線形斜拉橋右側(cè)的河流寬度略小，曲線形斜拉橋右側(cè)設(shè)置輔助墩，右側(cè)跨徑為(105+45)m。

單葉雙曲面觀光斜拉橋橋塔高度為110 m，觀光塔樓式橋塔結(jié)構(gòu)是由觀光塔塔身、觀光塔塔頂和塔底碗狀薄壁殼裙房3部分組成，觀光塔塔身為90 m高度的單葉雙曲面筒形結(jié)構(gòu)，觀光塔塔頂為高度為20 m 的鋼結(jié)構(gòu)殼形塔頂。

變截面單葉雙曲面觀光塔塔身直徑為10～20 m，最細(xì)腰部位置在離地60 m處，塔身壁厚為300～450 mm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式并選用C40～C50混凝土澆筑，內(nèi)部設(shè)置旋轉(zhuǎn)樓梯和圓形電梯。

塔底碗狀薄壁殼裙房采用鋼筋混凝土碗狀薄壁殼體結(jié)構(gòu)，壁厚為300 mm，采用C40混凝土澆筑，碗口直徑為50 m，碗底直徑為30 m，碗形裙房總高度為15 m，在碗口處設(shè)置一道鋼筋混凝土環(huán)梁，環(huán)梁截面尺寸為400 mm×2 000 mm。

曲線S形橋面的加勁梁橋面寬度為16 m，箱梁高度為2.5 m，采用單箱雙室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，其混凝土箱梁的頂板、底板和豎板厚度均為300 mm，間隔30 m設(shè)置一道200 m厚的混凝土隔板，采用C35混凝土澆筑，斜拉橋曲線S形箱梁加勁板與單葉雙曲面觀光斜拉橋塔固定連接。

在單葉雙曲面橋塔四周設(shè)置圓環(huán)形觀光平臺，圓環(huán)形觀光平臺采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圓環(huán)形觀光平臺板內(nèi)均勻設(shè)置8根放射狀的鋼筋混凝土橫隔板，橫隔板截面尺寸為300 mm×2 000 mm，橫隔板兩端分別擱置在塔底碗狀薄壁殼裙房和單葉雙曲面橋塔結(jié)構(gòu)之上，觀光平臺圓環(huán)形箱梁中設(shè)置一道環(huán)形隔板，環(huán)形隔板截面尺寸為250 mm×2 000 mm，圓環(huán)形箱梁觀光平臺的頂部和底板的板厚均為300 mm，采用C35混凝土澆筑。

斜拉橋邊墩采用單葉雙曲面變截面鋼筋混凝土獨(dú)柱式空心橋墩，邊墩高度為15 m，塔身橢圓形截面尺寸為長軸6～12 m、短軸3～6 m，單葉雙曲面空心橋墩壁厚為250 mm，采用C40混凝土澆筑，最細(xì)腰部位置在離地5 m處，墩身頂部尺寸最大，墩身頂部設(shè)置左右2個支座。

為提高大跨徑曲線形斜拉橋的結(jié)構(gòu)整體性和結(jié)構(gòu)剛度，同時為減少大跨徑曲線形斜拉橋的彎扭作用效應(yīng)，在曲線形斜拉橋主橋垮的東邊位置設(shè)置斜拉橋輔助墩，斜拉橋輔助墩距離東邊的斜拉橋邊墩45 m，斜拉橋輔助墩截面尺寸與斜拉橋邊墩相同。

設(shè)計(jì)曲線形斜拉橋鋼絲纜索直徑為0.15 m，采用高強(qiáng)鋼絲纜索，纜索間距為15 m，共2跨×8對鋼絲纜索，平行鋼絲纜索采用1 670 MPa的Φ5.2 mm高強(qiáng)鋼絲。MIDAS有限元模型如圖5所示。

圖5 MIDAS有限元模型

3 豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果

橋面附加均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為8 kN/m2，橋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5 kN/m2。

開展MIDAS有限元分析，進(jìn)行滿布活荷載和偏心活荷載的2種受力工況計(jì)算，滿布活荷載作用下計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

(a) 位移(單位：m)

3.1 滿布活荷載工況

分析表明，由于橋塔底部設(shè)計(jì)了碗狀薄壁殼體裙房，可以有效限制曲線斜拉橋的橋面扭轉(zhuǎn)變形，結(jié)構(gòu)受力合理。

在豎向活荷載作用下，跨中最大位移為0.233 m，滿足規(guī)范1/500的限值要求。纜索最大應(yīng)力為649.2 MPa，滿足強(qiáng)度要求，橋塔最大應(yīng)力為18.73 MPa，其軸壓比約為0.8，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2 偏心活荷載工況

對活荷載內(nèi)側(cè)和外側(cè)布置的2個受力工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其目的是研究曲線形斜拉橋結(jié)構(gòu)的彎扭耦合作用效應(yīng)，將主梁外側(cè)位移減去內(nèi)側(cè)位移，可得到曲線主梁內(nèi)外側(cè)豎向相對位移，偏心活荷載橋面扭轉(zhuǎn)示意如圖7所示，偏心活荷載作用下相對位移曲線如圖8所示。

圖7 偏心活荷載橋面扭轉(zhuǎn)示意

(a) 活荷載外側(cè)布置相對位移

在曲線主梁外側(cè)布置活荷載，豎向相對位移最大值為0.046 mm，出現(xiàn)在跨中位置。在曲線主梁內(nèi)側(cè)布置活荷載，豎向相對位移最大值為-0.034 mm，出現(xiàn)在跨中位置。偏心活荷載作用下，在曲線主梁內(nèi)外側(cè)布置活荷載，兩者的跨中豎向相對位移均較小，在跨中處扭轉(zhuǎn)角度分別為0.165°和0.123°，其扭轉(zhuǎn)角度也較小。

分析表明，采用單葉雙曲面狀橋塔塔身、碗狀薄壁殼體裙房和圓環(huán)形觀光平臺板三者構(gòu)成曲線形斜拉橋的組合橋塔結(jié)構(gòu)體系，組合橋塔結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)空間剛度，觀光塔樓式剛性橋塔結(jié)構(gòu)有效降低彎扭耦合作用效應(yīng)，同時減小偏心活荷載作用下的橋面扭轉(zhuǎn)角度。

4 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

曲線形斜拉橋采用MIDAS軟件進(jìn)行動力模態(tài)特性分析，為不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程，典型模態(tài)如圖9所示。

(a) 1階振型(0.859 Hz)

1階振型為橋面反對稱豎彎，頻率為0.859 Hz；2階振型為橋塔橫向側(cè)彎，頻率為0.926 Hz；3階振型為橋塔縱向側(cè)彎，頻率為1.187 Hz；16階振型為橋面扭轉(zhuǎn)振型，頻率為5.721 Hz。

本橋第一振型是橋面豎向振動，而不是橋塔橫向側(cè)彎振動，表明橋塔具有較大側(cè)彎剛度，本橋各階頻率均較大，表明結(jié)構(gòu)空間剛度較好。

前15階振型以豎彎和側(cè)彎振動為主，頻率較高，抗側(cè)剛度較大；直到16階才出現(xiàn)橋面扭轉(zhuǎn)振型，抗扭頻率較大，抗扭剛度較大，其扭彎頻率比值為6.66，比值較高，表明抗風(fēng)穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)語

(1) 單葉雙曲面狀橋塔塔身、碗狀薄壁殼體裙房和圓環(huán)形觀光平臺板三者構(gòu)成的曲線形斜拉橋的組合橋塔結(jié)構(gòu)體系，觀光塔樓式剛性橋塔結(jié)構(gòu)有效地提高了曲線形斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度，碗狀薄壁殼體裙房可有效限制曲線形斜拉橋的橋面扭轉(zhuǎn)變形，斜拉橋塔和觀光塔二合一，設(shè)計(jì)合理。

(2) 偏心活荷載作用下，在曲線主梁內(nèi)外側(cè)布置活荷載，兩者的跨中豎向相對位移均較小，在跨中處扭轉(zhuǎn)角度分別為0.165°和0.123°，分析表明采用觀光塔樓式組合橋塔結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)空間剛度，可有效降低彎扭耦合作用效應(yīng)，降低偏心活荷載作用下的橋面扭轉(zhuǎn)角度。

(3) 1階豎彎頻率為0.859 Hz，頻率較高，豎向剛度較大；2階振型為橋塔橫向側(cè)彎，頻率為0.926 Hz。本橋第一振型是橋面豎向振動，而不是橋塔橫向側(cè)彎振動，表明橋塔具有較大側(cè)彎剛度。

(4) 本橋直到16階才出現(xiàn)橋面扭轉(zhuǎn)振型，其扭轉(zhuǎn)頻率高達(dá)5.721 Hz，抗扭剛度較大，扭彎頻率比值為6.66，比值較高，表明抗風(fēng)穩(wěn)定性良好。