牛伟迪

［同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092］

0 引 言

随着社会的发展,人们对精神层面的审美要求不断提高，城市桥梁不仅需要满足基本的交通功能，对其建筑景观功能也提出了更高的要求。因此，桥梁的景观造型往往成为方案设计的重要考虑因素。斜拉桥以其结构受力性能良好、索塔造型丰富、景观表现手法多样等优点而被设计师青睐[1]。现以山西省长治市神农湖大桥为背景，介绍其主要设计过程，为类似桥梁设计提供借鉴。

神农湖大桥位于山西省长治市漳泽水库国家湿地公园滨湖景观大道，道路等级为城市主干路，设计车速为60 km/h。大桥全长520.98 m，其中，主桥为独塔双索面斜拉桥，两侧连接道路的引桥为PC连续梁；跨径布置为（4×32.5）m+（2×130）m+（4×32.5）m。

主要技术标准如下：

（1）汽车荷载：城—A级。

（2）主桥平面位于直线段；主桥立面位于竖曲线R=11 000 m的凸曲线上，前坡、后坡为±0.5%。

（3）抗震设防要求：地震基本烈度7度；地震动峰值加速度0.10g；桥梁抗震设防分类：主桥为甲类，引桥为乙类。

（4）水务标准：航道等级不通航；测时水位：900.17～900.25 m；100 a一遇最高洪水位：903.61 m。

1 结构设计

1.1 总体设计

该项目在方案设计阶段定位为地标性的景观建筑，主桥方案以“风帆”为主题，提取其造型特点，结合斜拉桥的索塔与拉索，形成该桥的最终方案（见图1、图2）。

图1 神农湖大桥索塔造型方案图

图2 神农湖大桥鸟瞰效果图

主桥采用塔梁墩固结体系-独塔钢结构斜拉桥；跨径布置（2×130）m；索塔总高109 m；主梁采用分离式双边箱钢箱梁，中心梁高3.5 m；斜拉索为空间双索面密索体系，梁上标准索间距9 m，塔上索间距2.75～3.15 m；索塔基础为钻孔灌注桩，桩径1.8 m（见图3）。

图3 主桥立面布置图（单位：m）

桥梁标准宽度：0.3 m（栏杆）+2.7 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+2.5 m（锚索区）+11 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+6 m（索塔区）+0.5 m（防撞护栏）+11 m（机动车道）+2.5 m（锚索区）+3.5 m（非机动车道）+2.7 m（人行道）+0.3 m（栏杆）=47 m（见图4）。

图4 索塔处横断面图（单位：m）

1.2 索塔设计

1.2.1 索塔外形

该桥索塔总高109 m，桥面以上塔高88 m。关于道路中心线和分孔线对称布置,顺桥向呈“人”字造型，立面从下至上由双塔柱按照样条曲线合并为独塔柱，索塔塔壁均为空间曲面。

1.2.2 塔柱总体布置

索塔从下至上共分为12个节段，见图5所示。

图5 索塔总体布置图（单位：m）

节段1为预应力混凝土塔柱节段，采用单箱双室截面，外轮廓尺寸为六边形截面，塔壁厚度为1.2 m，中腹板厚度为1.0 m。

节段2为钢混结合段，采用双端板承压的传力方式，实现钢塔柱与混凝土塔柱之间的有效传力。混凝土塔柱钢筋在两层端板上分批锚固，上层承压端板板厚46 mm；下层端板钢板厚度40 mm。同时，为保证钢结构与混凝土的结合，采用PBL钢筋与剪力钉组合的结合方式[2]。

节段3～节段12为钢塔柱段，其壁板厚度根据总体计算沿塔高变化；根据壁板厚度及截面尺寸采用塔壁采用T型和板式两种加劲形式；横隔板沿塔柱水平布置。节段3为塔梁固结段，实现索塔与主梁的固结体系，索塔塔壁与主梁顶底板焊接，并增加两道腹板加强受力；节段4为上塔柱双柱段；节段5、节段6为分叉合并段，索塔在该段由双柱合并为单柱；节段8～节段11为索塔锚固段，对称布置24对拉索锚固结构，节段12为索塔塔冠。

1.2.3 索塔截面

索塔采用多边形截面，其双塔柱段主受力截面为6边形截面，合并后单塔柱主受力截面为10边形；钢塔柱顺桥向两侧采用圆弧板进行装饰。索塔特征截面见图6～图8所示。

图6 索塔混凝土及钢混结合段断面图（单位:m）

图8 索塔钢结构单柱段断面图（单位:m）

1.2.4 索塔锚固构造

索塔锚固结构采用钢锚管形式锚固斜拉索；在拉索平面内设置上下两道锚板用于辅助锚管传力，分别与壁板和隔板焊接；锚板设置翼缘板。锚管端部设置两块矩形承压板。锚固隔板间距根据斜拉索安装空间需求，采用不等间距布置（见图9）。

图7 索塔钢结构双柱段断面图（单位:m）

图9 锚固构造轴侧示意图

1.3 主梁设计

1.3.1 主梁结构

主梁总宽47 m，采用双边箱及横梁组成的π型断面，两侧边箱为单箱双室截面，主梁整体关于索塔中心线对称布置。主梁中心梁高3.5 m；两侧边箱宽度均为9 m，边箱中心距为32 m；挑臂长3m。主梁顶、底板箱室内均采用U型加劲肋；顶板悬臂位置采用平钢板加劲肋；主梁顶板靠近索塔处设置一道倒T小纵梁（见图10）。

图10 主梁标准段截面图（单位：m）

1.3.2 主梁节段划分及主要尺寸

主梁由索塔至梁端划分为A、B、C1～3、D、E共计7种类型，节段划分如图11所示。

图11 主梁节段划分图（节段尺寸单位：m；板厚单位：mm）

1.3.3 主梁锚固构造

主梁采用锚箱式锚固，锚箱安装在主梁中腹板外侧，并与其焊成一体。斜拉索拉力通过锚箱的锚固板传递给主梁腹板，主梁腹板和承压板内侧均设置了补强板，以利于锚固处的应力合理分散到主梁上。

1.4 斜拉索

主桥采用密索体系，共对称布置设置24对斜拉索，斜拉索梁端间距为11×9 m；塔端根据张拉斜拉索角度和张拉空间等因素，采用不等间距布置，间距由下至上为（3.1+3+2.9+8×2.75）m；斜拉索采用规格为PES7-121的平行钢丝斜拉索，标准强度1 770 MPa；全桥共48根。

2 基于CATIA的索塔BIM正向设计

主桥索塔设计过程具有以下难点：

（1）方案到施工图阶段，索塔造型尺寸需在受力和外观两方面进行协调；

（2）索塔为三维空间曲面异形塔造型,设计放样难度较大；

（3）索塔锚固构造由于空间曲面和斜拉索角度不同，导致其构造设计复杂；

（4）塔内各细部构件相互关联、容易发生碰撞。

采用基于CATIA的索塔BIM正向设计可以解决上述难点，有效地降低设计难度[3]。

2.1 索塔外形设计

初步设计阶段，索塔尺寸拟定时需兼顾结构受力和整体造型的需要。因此，在设计过程中，存在根据计算和景观效果对索塔尺寸进行调整的反复过程。采用参数化设计，桥塔尺寸可根据计算结果及时调整且整体效果随时可见，使得优化过程方便快捷有效，保证索塔的设计效果。塔壁空间曲面可在模型中直接生成（见图12）。

图12 索塔外形设计图

2.2 锚固构造参数化设计

索塔锚固构造采用钢锚管+锚板的结构形式。由于索塔为空间曲面异形塔，因此全桥共12组（M1~M12）构造相似但尺寸和角度均不同的锚固构造。

在该项目设计过程中，以最长索M12锚固构造为模板，设置斜拉索角度、出索点位置等为基础参数，通过调整基础参数批量生成其余锚固构造。由于角度关系，M1、M2锚固构造无法采用标准模板生成，故只能进行单独设计（见图13~图15）。

图13 索塔锚固构造总体模型

图14 索塔锚固构造标准模型

图15 索塔锚固构造特殊模型

同时，在设计过程中，可直观检查发现塔内构件是否相互碰撞，进而通过修改参数即可调整各构件的空间关系，有效地避免构件发生碰撞，避免出现设计错误。

2.3 索塔二维表达

为了更好地将三维空间结构进行二维图纸表达，该桥索塔外形及构造在绘图时以控制点三维坐标为基础，并根据索塔壁板、横隔板、加劲肋、锚固结构等构造参数进行定位放样。

索塔控制点局部坐标系定义如下：（1）原点在道路中心线与主桥分孔线交点且85国家高程系统为+897.777处；（2）X轴为顺桥水平方向，正向指向大桩号方向；（3）Y轴为横桥水平方向，向西为正；（4）Z轴为竖向，向上为正（见图16）。

图16 索塔局部坐标系示意图

节段1～节段4以控制点0～4为基础进行放样，节段5～节段6以控制点0～8为基础放样；节段7～节段12以控制点0～2、7～8、5～6为基础放样。索塔三维坐标可由CATIA软件直接导出（见图17）。

图17 索塔节段控制点位置图

索塔主受力截面的控制点为：索塔断面相邻壁板外边线延长线的虚交点，共计控制点1～8；索塔装饰板的控制点0为装饰圆弧板的顶点。控制点大样见图18所示。

图18 索塔控制点大样图

结合索塔的构造特点和三维模型正向设计的优势，索塔节段图纸采用“总体定位+三维控制点坐标+轴侧示意图+板件投影图+特征截面”的表达方式（见图19），不仅可以使读图者方便直观地理解三维结构，同时索塔的控制点三维坐标可保证板件制作安装时的精度要求。

图19 索塔节段图

3 结构分析

3.1 总体计算概况

主桥整体结构静力计算采用Midas/Civil空间杆系有限元方法进行计算，建立包括：主梁、索塔、斜拉索和基础在内的全桥有限元模型。其中：主梁、索塔采用空间梁单元，斜拉索采用只受拉桁架单元，并计入由于垂度效应引起的弹性模量折减。主梁采用双主梁模型，并计入小纵梁对横向刚度的影响，主梁通过横向刚臂与拉索节点连接。有限元计算模型见图20所示。

3.2 总体静力计算

计算荷载考虑了永久作用包括结构自重、二期恒载、基础变位、混凝土收缩徐变，以及可变作用包括：车道荷载、人群荷载、风荷载、温度荷载。总体静力计算对以下方面进行了验算，结果表明，受力满足规范要求[4-5]：

（1）主梁、主塔承载能力极限状态验算；

（2）主梁、主塔正常使用状态验算；

（3）主梁疲劳验算；

（4）斜拉索承载能力及疲劳应力幅；

（5）腹板、加劲肋等构件局部稳定验算；

（6）整体稳定验算；

（7）短暂工况施工阶段及换索工况验算；

（8）断索偶然工况验算；

（9）施工阶段主桥验算。

3.3 索塔局部分析

索塔分叉合并段及塔梁固结段构造复杂（见图21），有必要对其受力特性进行具体分析。

图21 索塔三维示意图

采用有限元软件ANSYS建立节段局部模型，为减小边界效应的影响，对塔柱节段3（塔梁固结段）、节段4（下塔柱双柱段）、节段5（分叉合并段）、节段6（合并段）及部分主梁进行建模；采用自底向上的建模方式，利用BIM三维模型导出索塔的高精度三维坐标生成关键点，再进一步连成线并生成索塔平面，形成几何模型，采用三角形网格划分模型生成有限元模型进行验算；模型采用弹性壳单元（shell63）和质量单元（Mass21）。

在索塔顶端和梁端，利用主从节点形成刚性面，根据总体计算的结果，选取最不利工况将结构内力施加于主节点处；在塔梁固结段底部的节点施加全固结约束。索塔局部三维模型见图22所示。

图22 索塔局部有限元模型

根据计算，除节段3塔壁壁板与主梁上下底板连接处、节段5的塔壁中间拐角处，以及横隔板与塔壁连接处，局部出现应力集中现象外，节段3（塔梁固结段）构件等效应力小于225 MPa，节段5（分叉合并段）构件等效应力小于200 MPa；索塔节段3（塔梁固结段）和节段5（分叉合并段）受力安全可靠。

4 桥梁施工

主塔利用塔吊采用节段拼装施工，主梁采用支架+吊装施工，待主塔和主梁施工完成后进行拉索安装及张拉，实施二期荷载后进行调索，使成桥内力和线形等满足设计要求。施工步骤如下：

（1）人工筑岛+栈桥施工；场地整平、支架范围平整、硬化。

（2）索塔基础处进行钢板桩围堰，施工桩基、承台；塔吊基础施工。

（3）主墩承台搭设下塔柱支架并预压；利用履带吊开始拼装塔吊。

（4）施工索塔塔座、下塔柱混凝土段和钢-混凝土结合段；利用履带吊拼装塔吊至独立高度。

（5）由履带吊配合塔吊、吊装拼接索塔钢结构部分；同步搭设主梁支架并预压。

（6）由履带吊配合塔吊，支架吊装拼接主梁阶段；分块浇筑桥面UHPC。

（7）由索塔至梁端方向依次对称安装斜拉索并张拉；由索塔至梁端依次对称拆除主梁支架；施工除沥青混凝土铺装以外所有的二期附属工程。

（8）由索塔至梁端方向依次对称调节索力；施工沥青铺装；拆除塔吊等施工设施，河道恢复；全桥贯通，准备通车。

5 结语

本文以山西省长治市神农湖大桥为背景，对大桥的方案构思、总体设计，以及对索塔、主梁、斜拉索、锚固构造等主要结构进行介绍；接着，介绍了基于CATIA的索塔BIM正向设计过程，包括索塔外形、锚固构造在设计过程中对参数化的运用，并简要说明了三维空间索塔结构二维图纸的表达方法；然后，对桥梁结构进行了整体静力分析和局部分析，结果表明，桥梁结构设计合理，验算结果满足要求；最后，介绍了该桥的施工方案。其研究成果可为同类桥梁的设计、计算提供建议和参考。