肖 強(qiáng) 曾玲升

江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 江西 南昌 330052

橋梁不僅要具有連通道路的作用，還應(yīng)該具有美學(xué)和景觀價(jià)值?？v觀世界各大著名橋梁，除了結(jié)構(gòu)受力合理，經(jīng)久適用外，大多都具有美觀耐看的特點(diǎn)，因此一座成功的橋梁應(yīng)保證在外觀上給人以美學(xué)享受。所以作為一名橋梁工程師，應(yīng)該將橋梁美學(xué)的理念貫穿在其設(shè)計(jì)的每一座橋梁之中。

1 城市人行橋梁美學(xué)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的進(jìn)一步擴(kuò)大，有紀(jì)念意義的大跨徑公路橋和鐵路橋的建造不再是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它們讓位給了和人類關(guān)系更密切的城市橋梁[1]。城市人行橋梁既是一種結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，同時(shí)它本身又形成一個(gè)環(huán)境，它是都市人文景觀的一個(gè)組成部分[2]。城市人行橋梁跨度往往不大，如果單從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)的話，一座城市人行橋梁要實(shí)現(xiàn)其跨越能力，是比較容易做到的。進(jìn)入21世紀(jì)以后，業(yè)主和民眾對(duì)于城市人行橋梁的要求越來(lái)越高，已經(jīng)不會(huì)局限于尋求一個(gè)解決方案而已，而要更多地體現(xiàn)美觀、人性化、都市品味以及文化和歷史底蘊(yùn)等[3]。

結(jié)合美學(xué)的要求與橋梁自身的特點(diǎn)大致可以得到城市人行橋梁美學(xué)所包含的三個(gè)方面的內(nèi)涵[4]。（1）功能美，橋梁首先是一種具有跨越障礙物能力的實(shí)用結(jié)構(gòu)物，所以功能價(jià)值是第一位的；（2）形式美，其要求橋梁結(jié)構(gòu)要協(xié)調(diào)統(tǒng)一，比例均衡，色彩搭配合理等；（3）與環(huán)境協(xié)調(diào)也是一座景觀橋梁需要著重考慮的環(huán)節(jié)，因?yàn)槌鞘腥诵袠蛄号c架設(shè)地點(diǎn)的環(huán)境并不是孤立存在的，而是相互融合，相互統(tǒng)一的，它反映出來(lái)的是人與自然和諧發(fā)展的思想[5]。本文針對(duì)城市人行景觀橋梁設(shè)計(jì)提出一種新型橋梁結(jié)構(gòu)—弦?guī)颉?/p>

2 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

根據(jù)城市人行橋梁美學(xué)的理念，本文設(shè)計(jì)了一座名為“自由之翼”的弦?guī)诵袠?，其具體效果如圖1所示。

圖1 弦?guī)?DMAX效果圖

本橋的設(shè)計(jì)宗旨是要將橋梁做的更輕薄更纖細(xì)，要柔中帶剛，剛?cè)嵯酀?jì)，體現(xiàn)整個(gè)橋身輕如燕，恰如一片飛鳥揮舞著羽翼瀟灑而過(guò)的意境。本橋緊扣著剛?cè)嵯酀?jì)這一理念，整體結(jié)構(gòu)選用索梁組合體系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的很輕巧。本橋設(shè)計(jì)亮點(diǎn)如下：采用柔性結(jié)構(gòu)，線條簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，結(jié)構(gòu)尺寸纖薄如翼，大方美觀；采用中跨與左右邊跨三個(gè)子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，受力明確；采用體外索，調(diào)整各構(gòu)件的內(nèi)力分布，使截面更多承受軸力，減小彎矩，提高材料利用率；整個(gè)結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，兩邊結(jié)構(gòu)厚重，中間結(jié)構(gòu)纖細(xì)，給人一種極強(qiáng)的視覺沖擊感。

3 設(shè)計(jì)構(gòu)思

3.1 主跨設(shè)計(jì)

橋梁主跨采用索梁組合體系，主梁采用混凝土板結(jié)構(gòu)，在主梁下布置多根鋼管，通過(guò)張拉拉索使鋼管對(duì)主梁產(chǎn)生豎向支撐力，形成多點(diǎn)彈性支撐連續(xù)梁，從而減少主梁所承擔(dān)的彎矩，大大降低主梁截面高度，使主梁顯得輕巧美觀。采用拋物線形體外預(yù)應(yīng)力索支撐梁，和恒載下簡(jiǎn)支梁彎矩圖一致[6]，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，結(jié)構(gòu)纖細(xì)，主跨布置如圖2所示。

圖2 主跨立面布置

主跨混凝土主梁在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中主要承受軸向壓力，因此采用普通矩形截面。鋼管立柱采用圓形無(wú)縫鋼管，預(yù)制主梁時(shí)，埋到主梁內(nèi)部，通過(guò)剪力鍵和主梁連接。

在進(jìn)行拉索布置形式設(shè)計(jì)時(shí)，初步方案是采用兩根拉索沿跨徑方向?qū)ΨQ布置，但是這種布置形式在計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)橫向剛度太小，穩(wěn)定性難以滿足要求。經(jīng)研究決定增加兩根交叉索，整個(gè)主跨布置四根拉索，橫向剛度得到了極大的增強(qiáng)。拉索張拉力的確定是主跨設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的一個(gè)方面，因?yàn)閺埨^(guò)小會(huì)使得鋼管對(duì)主梁的支撐力不足，造成主梁撓度過(guò)大，既影響美觀，又會(huì)對(duì)橋梁的適用性、耐久性造成危害。但張拉力過(guò)大又可能使得主梁產(chǎn)生長(zhǎng)期的上撓，再加上橋面上的雨水與日照天氣，極容易導(dǎo)致橋面開裂等病害發(fā)生。為了平衡這兩方面的因素，本橋在拉索張拉力確定時(shí)，采用全橋橫向布置一半均布人群荷載時(shí)的狀況進(jìn)行計(jì)算[7]，拉索受力如圖3所示，拉索張拉力大小由公式（1）確定，式中q為全橋橫向布置一半人群荷載時(shí)和主梁自重一起疊加產(chǎn)生的荷載集度，為中跨跨徑， 為拉索軸力，拉索豎向垂度，主梁軸力。

圖3 拉索受力圖

3.2 邊跨設(shè)計(jì)

邊跨主梁采用U形混凝土梁，外型厚實(shí)，與主跨形成鮮明對(duì)比，并且，由于采用混凝土梁，增加了體系剛度和橫向穩(wěn)定性。邊跨U形梁的腹板沿跨徑方向?yàn)闄E圓形，變化緩慢，中間腹板高度為1.5m，充當(dāng)護(hù)欄的功能。與主跨外形相輝映，整體結(jié)構(gòu)外型協(xié)調(diào)美觀，邊跨布置如圖4所示。

圖4 邊跨布置圖

3.3 橋墩設(shè)計(jì)

橋梁邊跨采用變截面矩形墩，整體結(jié)構(gòu)纖細(xì)簡(jiǎn)單。如圖4所示，在自重作用下，邊跨主梁會(huì)受拉，為減小主梁拉應(yīng)力，減小墩底彎矩，在墩頂主梁張拉預(yù)應(yīng)力，使彎矩轉(zhuǎn)化為軸力。在靠近大堤側(cè)墩頂張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，將預(yù)應(yīng)力通過(guò)滑輪轉(zhuǎn)向90度，豎向張拉預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力一端錨在大堤上。

3.4 施工方法構(gòu)思

橋梁設(shè)置三個(gè)子結(jié)構(gòu)，使得橋梁施工得到了很大的簡(jiǎn)便。兩個(gè)邊跨由于處于岸上或者處于水深較淺處可直接采用滿堂支架就地澆筑；而中跨需要跨越河流，可在河岸預(yù)制，首先澆筑主梁，在主梁內(nèi)部預(yù)埋鋼管，當(dāng)主梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%以后，張拉預(yù)應(yīng)力鋼索，通過(guò)預(yù)應(yīng)力索的預(yù)拉力使鋼管產(chǎn)生對(duì)梁的豎向支撐力，從而形成一個(gè)內(nèi)部受力穩(wěn)定的體系，然后通過(guò)輪渡運(yùn)輸?shù)綐蛭惶?，再吊裝到兩邊墩上。

4 橋梁受力分析

本橋采用三跨布置，總跨徑為8 0 m，跨徑布置16m+48m+16m，墩臺(tái)高10m，拉索豎向的垂度為2.5m，橋面寬度為4m，邊跨U形梁的腹板向兩側(cè)傾斜伸展，最遠(yuǎn)處水平伸出0.82m，腹板橢圓頂點(diǎn)高1.5m。依據(jù)縱向位置的不同，全橋主梁總共采用三種截面形式，分別為U形截面和兩種梁高不同的矩形截面，其相互之間搭配合理，銜接流暢。主梁與橋墩采用C40混凝土，鋼管立柱采用Q235鋼材。

4.1 建立模型

用Midas civil進(jìn)行建模分析計(jì)算，全橋拉索用僅受拉索單元模擬，其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件均用空間梁?jiǎn)卧?。全橋共?42個(gè)節(jié)點(diǎn)，梁?jiǎn)卧?3個(gè)，索單元48個(gè)。

4.2 靜力分析

本節(jié)的研究?jī)?nèi)容是針對(duì)弦?guī)虻撵o力性能進(jìn)行分析，在靜力分析中采用以下荷載組合類型[8]：

荷載組合Ⅰ：人群荷載（滿載）+自重+預(yù)應(yīng)力，組合系數(shù)為1。

計(jì)算結(jié)果如下：在荷載組合Ⅰ下，主梁最大彎矩為2163.86kN·m，發(fā)生在邊跨跨中位置；主梁最大軸力發(fā)生在中跨，大小為2094.94kN；拉索最大索力為811.06kN；截面最大壓應(yīng)力發(fā)生在中跨支點(diǎn)附近，大小為15.8MPa，小于C40混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；截面最大拉應(yīng)力發(fā)生在邊跨跨中附近，大小為1.08MPa，小于C40混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。主梁最大豎向位移為59mm，小于規(guī)范要求80mm。

4.3 動(dòng)力分析

動(dòng)力特性的分析對(duì)于橋梁是至關(guān)重要的，對(duì)于新型橋梁來(lái)說(shuō)，其動(dòng)力性能是否良好直接決定了方案的可行性[9]。在此，仍采用有限元程序進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表1，主陣型模態(tài)見圖5。

表1 弦?guī)虻膭?dòng)力性能

圖5 一階反對(duì)稱豎彎

5 結(jié)論與展望

弦?guī)蚴且环N新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。許多問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究[10]。其有機(jī)地將梁橋、懸索和鋼管拱三種結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了起來(lái)，它實(shí)質(zhì)上是將懸索橋的主纜放置于主梁底部，并且將吊桿換成了鋼管立柱，通過(guò)鋼管立柱對(duì)主梁進(jìn)行多點(diǎn)支撐形成的一種新型結(jié)構(gòu)。這樣與懸索橋相比，由于沒有了二次索，因而大大增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度。與梁橋相比增加支撐，減小了跨中最大彎矩，降低了造價(jià)和施工難度。不過(guò)弦?guī)驅(qū)儆谝环N新的橋梁結(jié)構(gòu)型式，許多問(wèn)題需進(jìn)一步研究?？梢灶A(yù)見，隨著弦?guī)虻闹鸩缴钊胙芯?，其必將以其?dú)特的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。