一座组合索塔锚固结构斜拉桥的设计特色

2014-01-08孙月明梅勤华何长江徐海军

城市道桥与防洪 2014年2期

孙月明，梅勤华，何长江，徐海军

(1.盛泽镇建设管理服务所,江苏苏州 212500；2.吴江市盛泽城区投资发展有限公司,江苏苏州 215228;3.同济大学建筑设计研究院 (集团)有限公司,上海市 200092）

0 引言

一般认为斜拉桥适宜的跨径不应小于200 m[1][2]，这主要是结构受力和经济性方面的考虑。近年来，由于斜拉桥景观造型要优于常规梁桥，所以很多跨径不足200 m的城市桥梁也采用了斜拉桥这种桥型。城市桥梁由于交通量较大造成桥面比一般公路桥梁宽许多。由于跨度不大（同时决定了索塔高度不高）而桥面很宽，跨度、高度和宽度空间比例不符合美学规则，如果设计时缺乏这方面的考虑，会造成桥梁建成后比例失衡，难以体现斜拉桥的景观特点。

从索塔本身造型来看，除非刻意强调塔身的厚重感，现代斜拉桥设计总希望塔柱看起来更加挺拔，这就要求塔柱的截面尺寸相对于塔高应足够小，这对于大跨度斜拉桥来说很容易做到，但对于中小跨度的城市桥梁往往存在困难，因为索塔截面的尺寸是由张拉空间决定而非受力要求。

本文所介绍的斜拉桥在设计中对空间比例关系进行了仔细考虑，对如何优化索塔截面进行了分析研究，并在索塔锚固方式上采用了一种近年来发展出来的新型结构——外露式钢锚箱组合锚固结构。

1 总体设计和改善主桥空间比例的方法

苏州市盛泽镇舜湖西路跨京杭运河大桥是一座两跨独塔斜拉桥，跨径布置91 m+123 m。作为一座连接新城区的市政道路上的桥梁，桥面宽度达到了38.1 m。在方案比选中，业主要求桥型采用斜拉桥以体现桥梁结构的景观效果，提升城市形象，但同时要求控制工程造价和方便施工，因此本桥没有采用夸张的结构设计，从经济性和适用性的角度确定桥梁建设规模和结构形式。

根据地形、所跨越京杭运河的水文、通航等要求，确定主跨为L主=123 m，一孔跨越运河，这样也可以避免出现水中墩。

为了提高索塔高度，采用了独塔斜拉桥，通过受力分析反复比较主梁刚度，确定锚跨长度为91 m，两跨的布置既也符合地形的要求，也更为经济[2]。

索塔高度由主跨跨径决定，根据文献[2]，索塔有效高度为46～52 m，根据文献[1]，国内已建斜拉桥桥塔有效高度中值在0.5 L主，对于本桥为61.5 m。本桥有效高度为58.6 m，比文献[2]推荐值略大，主要考虑适当提升索塔高度以体现标志性。基于同样的考虑，适当加高塔冠高度，最终桥面以上索塔高度为63 m，桥梁立面布置见图1。

图1 桥梁立面布置图（单位：m）

由于桥面很宽，桥梁横向采用双索面布置，从简化构造和方便施工角度考虑采用竖直索面，因此桥塔横向可以考虑采用双柱、门式和H形。但无论采用何种形式，都遇到同样的问题，就是桥梁宽度和索塔高度在比例上难以符合美学基本规则[3]。因为常规的设计将塔柱布置于梁体外侧，那么索塔横向外边缘距离将达到45 m，虽然已经将索塔高度提升到63 m，但仍然会显得“矮胖”。设计通过以下措施进行改进：

（1）在合理范围内适当增加塔高；

（2）将塔柱移至桥面以内，利用机非分隔带（同时也是布索区）宽度设置塔柱，如此可以大幅减少两根塔柱横向间距，塔柱横向外边缘距离减少至30.5 m，使得整个索塔的高宽比符合美学规则；

（3）采用H形索塔，将上横梁设置在塔柱“黄金分割点”附近，横梁重心距离桥面39 m=63 m×0.618；

（4）整个塔柱外轮廓尺寸保持一致，让塔柱看起来更加挺拔。

图2显示了桥面以上横断面透视效果。

2 索塔构造和景观设计

2.1 塔柱构造设计

图2 索塔横向透视效果（单位：m）

虽然桥梁跨度不大，索距相对可以取较小值（本桥为6 m），但城市桥梁由于桥面宽，荷载较大，实际每根斜拉索分担到的力并不小。本桥运营阶段最不利工况下，标准组合下索力最大可达7 200 kN，近一半斜拉索索力超过4 200 kN。

索塔截面尺寸一般由两方面因素确定：其一是截面必须满足索塔整体受力的要求，这与桥梁的整体规模成正比，跨径和桥宽越大，受力要求越大，则截面尺寸越大；其二是截面尺寸必须满足斜拉索张拉空间的要求，这与单根索力大小成正比。对于大跨度斜拉桥来说，一般由第一个因素控制截面设计，但对于类似于本桥的这种单根索力很大的中小跨度斜拉桥来说，截面尺寸是由第二个因素决定的。

由于单根索力较大，为满足塔内同时对称张拉的要求，索塔内部尺寸不能过小，再加上塔壁厚度，使得塔柱顺桥向尺寸达到6 m以上，与塔柱的高度相比，就会加剧了塔柱视觉上的笨重感。为了解决这个问题，设计在索力较大的上塔柱采用了一种新型的锚固结构——外露式钢锚箱式组合锚固结构。

钢锚箱锚固结构是20世纪90年代发展出的一种新的索塔锚固结构，最早出现在日本和欧洲桥，国内也在苏通大桥、上海长江大桥等工程中应用了这种结构。由于受力方式的改变，使得这种结构可以取消顺桥向塔壁混凝土，将钢结构直接作为结构表面，成为外露式钢锚箱（见图3），因此可以减小塔柱顺桥向几何尺寸至5 m以内。

横梁以下的中塔柱由于索力相对较小，为降低造价而采用混凝土塔壁锚固。塔柱截面采用五边形，可以将塔壁外侧5 m顺桥向宽度“分割”为两个较小的面，并通过设置凹槽，在视觉上“诱导”强化塔柱竖向线条，体现塔柱的挺拔之感，见图4。

图3 外露式钢锚箱构造图

图4 通过分割截面和设置凹槽强化塔柱竖向线条

2.2 索塔配色和灯光设计

索塔是斜拉桥最能体现造型的结构，除了注意空间比例协调之外，索塔的色彩、质感以及灯光也是造型和景观设计的重点。

按照“统一、均衡”[3]的原则，索塔混凝土结构采用材料的原色和质感，即不做任何处理或者在混凝土浇筑质量不佳的情况下采用清水混凝土涂料粉饰。按照“重点配色”[3]的原则，对索体和外露式钢锚箱进行配色涂装，采用深灰色，以体现桥梁大气庄重的一面。

在夜景灯光设计方面，除了设置常规的拉索投射灯外，本桥的设计特色是在钢锚箱和塔柱五边形截面凹槽设置白色LED灯，可以实现索塔白天和夜晚完全不同的明暗对比效果：即白天浅色塔柱混凝土为明色调，深灰色钢锚箱和斜拉索为暗色调；夜晚则正好相反，见图5。

图5 通过配色和灯光实现白天和夜晚完全不同的明暗对比

3 外露式钢锚箱组合锚固结构设计

本桥主梁、拉索、索塔等结构设计较为常规，但索塔锚固形式采用了一种新结构，即外露式钢锚箱组合锚固结构。钢锚箱组合锚固结构受力上的优点是以钢结构承受大部分的水平力，以混凝土塔壁承担竖向压力，发挥材料各自的优势，此外，它还具有加工制造方便、质量稳定、锚箱上下联通使锚固点定位准确等施工方面的优点。

本桥在索力较大的上塔柱采用该结构（对应9～18号拉索），见图6，钢锚箱通过横向预应力和焊钉连接件与塔壁紧密结合，见图7。钢锚箱总高19.69 m，顺桥向长4.7 m，横桥向宽1.2 m。共分10个节段，每一节段分别锚固一对斜拉索，节段高度从下至上分别为2.33 m（含预埋底座，预埋于塔柱中央横隔之上）、8×1.8 m、2.96 m。混凝土塔壁中顺桥向预应力通过Φs15.24钢绞线施加，横桥向预应力通过JL32精轧螺纹钢施加。连接件采用φ25 mm×200 mm的圆柱头焊钉，按每侧6列布置于锚箱侧板。钢锚箱主要由侧板、端板、横隔板、锚垫板、支撑板、加劲板等部分组成。钢锚箱侧板厚35 mm，为使其受力明确，在侧板上设置孔洞，孔间拉板高1.2 m；支承板和承压板直接传递索力结构，根据索力的大小，支承板和承压板厚度采用40 mm；端板厚度为30 mm；锚下垫板厚度采用80 mm。