胡 豪, 蒲黔辉

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

斜拉桥由梁、索和塔组成，其索和塔布置形式多样，方便景观设计[1]。当斜拉桥的桥塔采用拱形结构(不仅具有拱的外形，且具有拱的受力特点)时，称为拱塔斜拉桥[2]，又称拱承斜拉桥或拱塔斜张桥[3]。拱塔斜拉桥在一些特殊地形条件下应用，比如一些城市内或城郊小角度斜跨城市道路、铁路、高速公路、河流和城市管线等的跨线桥梁，可以避免桥塔与既有线路和管线的冲突，同时景观效果突出。

目前国内外建成拱塔斜拉桥多用于公路桥梁和人行桥梁，未见用于铁路桥梁。本文拟综述国内外拱塔斜拉桥应用实例，总结拱塔斜拉桥结构特点及其在公路桥梁和人行桥梁中的应用经验，指出拱塔斜拉桥设计应用的几个关键问题，为拱塔斜拉桥在高速铁路桥梁中的应用提供参考。

1 拱塔斜拉桥的应用和发展

1.1 拱塔斜拉桥在国外的应用

国外建成的拱塔斜拉桥多是独塔形式的。据文献报道，世界上第一座拱塔斜拉桥于1997年前建成于日本东京航空港上，该桥受到桥位地形限制，设计者设计了一座垂直线路方向并跨航空港的钢系杆拱桥，用斜拉索来承载跨线桥的行车道(图 1)[2]。

1997年建成的日本美秀美术馆(Miho Museum)入口处有一座独塔独跨地锚式拱塔斜拉桥步行桥[4](Miho Museum Bridge)，如图 2所示，由贝聿铭先生设计，桥梁跨度为114 m，塔高为16.146 m，倾角为58.5 °。

图1 日本航空港拱塔斜拉桥

图2 Miho Museum Bridge

为举办2006年都灵冬奥会，意大利都灵市建成了一座跨越Roche-sur-Yon铁路的人行斜跨拱塔斜拉桥，称为都灵人行桥[5](Turin Footbridge)，该桥拱塔高70 m，桥面宽4 m(图3)。

俄罗斯莫斯科的齐佛匹斯尼大桥[6](Zhivopisny Bridge)是一座跨越莫斯科河的拱塔斜拉桥，于2007年建成(图4)。该桥全长1 460 m，主跨跨度409.5 m，桥面宽47 m，共36对斜拉索，拱塔高105 m，塔上78.3 m高度处设有空中餐厅。

图3 都灵人行桥

图4 齐佛匹斯尼大桥

美国玛格利特·亨特·希尔桥[7](Margaret Hunt Hill Bridge)建成于2012年，由西班牙建筑大师圣地亚哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)设计(图 5)。该拱塔斜拉桥跨越达拉斯市的三一河(Trinity River)，全长570 m，主跨365 m，桥塔高122 m，29对斜拉索承载主梁。该桥桥塔采用抛物线形拱形桥塔，斜拉索突破了平行索、辐射索、扇形索等布置方式，在拱塔由上至下、主梁上距离拱塔由近至远布置，斜拉索相互交叉，极具美感。

图5 玛格利特·亨特·希尔桥

1.2 拱塔斜拉桥在国内的应用

国内目前建成或在建的拱塔斜拉桥分为独塔、双塔和多塔形式，其中独塔形式又分为垂直拱塔、倾斜拱塔和异型拱塔形式。

第一座垂直形式独塔拱塔斜拉桥是位于台湾，建成于2006年的猫罗溪大桥[8]，桥塔为二次抛物线形拱形，梁为双幅分离式曲线主梁，主梁采用(119+59) m的非对称布置(图6)。三明台江大桥[9]位于福建省三明市，跨越台江，于2010年建成。桥梁全长1 213 m，主桥为(2×110 m)的钢拱塔斜拉桥，桥宽29.5 m，双向6车道设计(图 7)。该桥突出的设计特点是圆弧形拱形桥塔和为平衡拱塔上水平拉力而设置的Y形拉索系杆体系。该桥借鉴了希尔桥的斜拉索布置方式，同时将斜拉索索梁锚固端锚固于主梁中心线上，独具特色。笔者参与设计且正在建设的广汕铁路上一座跨越深汕西高速公路的主桥采用(32+160+32) m全漂浮体系(塔下无横梁)拱塔斜拉桥，上承载双线350 km/h的高速客运专线，高速铁路与高速公路斜交角度为26 °，三维模型如图 8所示。

图6 猫罗溪大桥

图7 三明台江大桥

图8 广汕铁路跨深汕西高速公路主桥

倾斜拱塔的独塔拱塔斜拉桥主要有以下几座：建成于2008年的江苏通州世纪大桥[10]，该桥跨径组合为110 m(主跨)+80 m(锚跨)，塔高63.6 m(图9)。同年建成的西安市浐灞河2号桥[11](图10)，为半漂浮体系，跨度组合为(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](北营门桥)与浐灞河2号桥主桥的结构形式、跨径布置等完全一样，但为塔梁固结体系(图11)。正准备建设的绵阳市荷花大桥[6]，主桥采用独塔斜塔斜拉桥，长335 m，孔跨布置为(35+155+115+30) m。桥塔采用椭圆形钢塔，桥塔高度为92.0 m(图12)。值得注意的是，这些桥塔的倾斜角度均为75 °。

图9 通州世纪大桥

图10 西安市浐灞河2号桥

目前国内采用异型拱塔的独塔拱塔斜拉桥较多，这里选取几座说明。建成于2009年的天池大桥[13]是跨越延吉市布尔哈通河的一座V型拱塔斜拉桥(图13)，主桥跨径组合为(115+115) m，梁宽39 m,其中两侧锚索区各1.5 m，采用半漂浮体系。建成于2009年的荆邑大桥[14]的大溪河桥部分，是一座跨径布置为(28+39+106) m钢箱梁双套拱斜拉桥(图14)。其主、副塔为双套拱，主副塔之间用钢拉杆连接，钢拉杆与斜拉索一一对应。建成于2010年的锦州市云飞大桥[15]与大溪河桥相似，其主桥为全漂浮体系的双索面双套拱独塔斜拉桥，跨径布置为(108+92) m，采用连续梁—斜拉桥协作体系，梁宽30 m。桥塔采用双钢箱套拱结构，外拱塔高65.5 m ，倾角8 °，内拱塔高54.2 m，倾角15 °(图15)。正在建设的漯河市S225安平线沙河大桥采用斜跨拱塔斜拉桥方案，由同济大学建筑设计研究院设计，效果图如图16所示，该桥全长980 m，主桥跨径布置为(58+128+58) m，桥上布置双向6车道、非机动车道和人行道，按一级公路标准建设，设计车速80 km/h。

图11 河北大街立交

图12 绵阳荷花大桥

图13 天池大桥

图14 荆邑大桥大溪河桥部分

图15 云飞大桥

图16 沙河大桥

浙江杭州之江大桥[16]为一双塔拱塔斜拉桥，主跨跨径布置为(116+246+116) m，于2013年建成，桥型布置图如图 17所示，结构采用3跨连续半漂浮体系。

马鞍山长江公路大桥[17]于2013年建成，位于安徽省东部，大桥分为左右两汊，右汊主桥跨径布置为(38+82+2×260+82+38) m，全长760 m，为三塔六跨的双索面半漂浮体系，桥塔采用半椭圆型拱塔(图18)。

图17 杭州之江大桥

图18 马鞍山长江公路大桥右汊桥

2 拱塔斜拉桥设计面临的关键问题

拱塔斜拉桥兼具拱桥和斜拉桥的结构受力特点，其设计需要解决三个关键性的问题：一是斜拉索的合理张拉索力确定；二是拱塔合理拱轴线形的确定；三是采用全漂浮或半漂浮体系的拱塔斜拉桥的主梁纵向位移问题。

拱塔斜拉桥斜拉索合理张拉索力的确定可以借鉴成熟的斜拉索索力优化方法，包括指定受力状态的索力优化法、无约束和有约束的索力优化法[18]，这里不再赘述。

拱塔斜拉桥拱塔拱轴线形的优化问题不同于一般拱桥拱轴线形优化。拱塔斜拉桥的拱塔除受到自重外，还受到斜拉索的集中荷载(可分解为横桥向、顺桥向和竖向三向分力)，荷载形式相对复杂，且拱塔形式多样。拱轴线形有圆弧形、椭圆形、二次抛物线形、高次曲线形等，严格来说不存在一种统一的拱塔拱轴线形优化理论。目前拱塔拱轴线形优化理论研究也不充分，仅栗怀广等[9]针对三明台江大桥提出了一种指定拱顶截面内力的横向拱塔斜拉桥的拱轴线逐段设计算法，考虑了拱轴平面内的水平荷载和竖向荷载，但其缺点是仅适用于索梁锚固点位于主梁中心线上的拱塔斜拉桥拱塔拱轴线性优化。拱塔斜拉桥属于典型的异型桥梁，结构受力相对复杂，而高速铁路拱塔斜拉桥的拱塔所受荷载很大，拱塔拱轴线形是影响拱塔受力是否合理的关键因素，有必要对拱塔斜拉桥拱塔拱轴线形优化理论做进一步研究。

采用全漂浮体系或半漂浮的拱塔斜拉桥，由于自身结构特点，其在制动力、地震等荷载作用下存在主梁纵向位移问题。瞿伟廉[19]、何源[20]和李永乐[21]等人针对该问题研究了制动力和地震荷载下大跨度斜拉桥主梁纵向位移的特性，就应用MR阻尼器和粘滞阻尼器抑制主梁纵向位移的提出了解决方案，并在天兴洲长江大桥、韩家沱长江大桥等大桥上应用成功。但是高速铁路拱塔斜拉桥的又面临新的纵向位移问题(图8)。无横梁的拱塔斜拉桥，当拱塔跨度较大时，不能在拱塔和主梁之间安装阻尼器，也不能在辅助墩上限制纵向位移。因为这样结构边界条件不对称，温度作用下主梁的不对称伸缩会导致斜拉索关于拱塔平面的不对称索力增大，使拱塔的中产生较大的拱塔面外弯矩，倾覆危险加大。高速铁路列车制动力也较大，主梁纵向位移问题不能忽略，需要寻求新的解决思路和解决方法。

3 结束语

拱塔斜拉桥不仅具有独特的景观优势，而且可以适应一些复杂地形条件的需要，应用于城市内或郊区的跨线公路、铁路和人行桥梁都是一种不错的选择，但也有一些关键问题值得注意和研究。拱塔斜拉桥的索力优化问题可以借鉴斜拉桥的索力优化方法进行解决，拱塔拱轴线形优化理论有待进一步完善。目前建成拱塔斜拉桥中，公路桥最大跨度已达409.5 m，而正在建设的铁路(高铁)桥梁首座拱塔斜拉桥跨度达160 m，且采用全漂浮体系，应特别注意在列车制动力荷载作用下其主梁纵向位移对行车安全和拱塔稳定带来的不利影响。