大跨斜拉桥桥塔造型优化设计

大跨斜拉桥桥塔造型优化设计

李文勃

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

摘要:巢湖大桥为主跨460m双塔双索面组合梁斜拉桥，“人”字形桥塔造型，塔高140余米，桥面宽34.5米。桥塔外形设计是斜拉桥建筑造型设计的关键。本文从巢湖市历史文化出发，考虑塔高与桥宽、塔柱桥面上下高度比例等因素，对巢湖大桥桥塔结构从建筑造型、结构受力和景观细部等方面进行优化设计。

关键词：斜拉桥；组合梁；“人”字形桥塔；桥塔造型

Optimization design of tower shape of long-span cable-stayed bridge

Li Wenbo

（Shanghai Municipal Engineering DesignGeneral Institute（Group）CO.,LTD.shanghai 200092，china）

Abstract：Chaohu bridge is a cable-stayed bridge with a main span of 460m, double tower and double cable plane composite beam. It is in the shape of "herringbone" bridge tower, with a tower height of more than 140 meters and a bridge deck width of 34.5 meters. The shape design of bridge tower is the key to the architectural design of cable-stayed bridge. Based on the history and culture of Chaohu City, considering the factors such as the ratio of tower height to bridge width, the ratio of tower height to the height of the bridge deck, this paper optimizes the design of the tower structure of Chaohu bridge from the aspects of architectural modeling, structural stress and landscape details.

Keywords：Cable-stayed bridge， Steel－Concrete Composite Girder，"Herringbone" bridge tower,Shape of bridge tower

1 引言

世界上第一座现代斜拉桥（Stroemsund桥，主跨182m）于1955年在瑞典建成通车，随后斜拉桥在欧美各国、日本和中国等地迅速推广。1991年上海南浦大桥（主跨423m）的成功建设，标志着中国跻身于世界斜拉桥建设的先进行列，世界最大跨度的公铁合建斜拉桥——沪通长江大桥（主跨1092m）目前已经全线合龙。中国目前是世界上拥有斜拉桥最多的国家，在世界前十位斜拉桥跨径排名中独占熬头。

大跨斜拉桥不仅是重要的交通工程，更是一座景观建筑物，因此建筑造型设计尤为重要。大跨斜拉桥的造型设计重点在于桥塔造型上，塔形设计需要从周边环境、历史文化、人文地理、结构尺度和桥塔结构受力等多维度考虑。

巢湖大桥是巢湖市骨干路网中的关键性工程，工程长度2149.266m，桥梁全长1122m，主桥为主跨460m双塔双索面组合梁斜拉桥。道路等级为城市主干路，60km/h；主线双向六车道，城-A级荷载；结构抗震设防烈度7度，设计基准风速25.6m/s。主塔采用“人”字形造型，塔高140余米，桥面宽34.5米。桥梁总体布置如图1所示。本文主要介绍桥塔的构思与造型优化设计过程。

图1 总体布置图（单位：m）

2 塔形设计原则

斜拉桥由梁、塔、索三个基本构件组成，其中主塔最能表达斜拉桥个性和视觉效果。效果好的桥塔造型往往给人以震撼的视觉冲击感，成为一个令人印象深刻的地域标志。桥塔是斜拉桥的主要承重构件，不仅要承受恒载、活载等竖向荷载，还要承受风、地震等水平荷载。斜拉桥桥塔造型设计要遵循下列原则：

（1）对河道影响小，有利于防洪，能有效抵抗防船舶撞击；

（2）符合斜拉桥总体布置要求，受力合理、构造简单、便于施工；

（3）桥塔造型要与塔柱的桥面上、下高度比例相适应，与桥面宽度相协调；

（4）桥塔外形美观、有个性，能彰显地域文化特色，具有文化内涵；

（5）桥塔造价具有经济性。

3 桥塔造型构思

3.1桥塔造型分析

最近二十余年来，国内大跨度斜拉桥的建设发展迅速，积累了丰富的工程经验。桥塔造型设计首先要从已建桥梁经验出发，在总结和学习其它工程实践的基础上，再进行改进和创新。从已建工程案例可知，斜拉桥桥塔常见的外形有H形、钻石形、A形、倒Y形、单柱形等形式。桥塔造型示意图如图3所示。各种塔型特点如表1表所示。

H型 钻石型 A型 倒Y型 单柱型

图2 国内已建斜拉桥桥塔造型示意图

本桥塔高140余米，桥面以下高度约10米左右，塔柱上、下比例偏大，不适于选择下塔柱向内收进的钻石型桥塔。倒Y型桥塔直线造型与倾斜的索面结合得较和谐，塔型庄重，稳定感强，但本桥桥宽与塔高比例不到1/5,如果采用倒塔型则显得矮胖。单柱形桥塔与分离式主梁相匹配，但从经济性和主梁结构适应性来看，对本桥也非最佳选择，且塔形显得过于单调。H形和A型桥塔从结构受力、比例协调性和施工方便性来看适合于本桥，但是造型普通，国内已建案例较多，没有独特性。巢湖大桥拟建成当地标志性建筑，其造型需要特别设计，且要与当地文化相结合。

表1 斜拉桥常用塔型特点比较

3.2 桥塔造型设计

关于巢湖的来历，有一个古老而富有神奇色彩的“陷巢州”传说。传说很久以前，小白龙化身为鱼到巢州游玩，不慎被捉，焦姥慈悲为怀将其放生。后来，小白龙在巢州洪水灾难来临之前，为报恩劝焦姥提前离去。为了救全城百姓，焦姥奔走告急，自己最终却陷落湖底。巢州百姓为了纪念救命恩人，将巢州改名为焦湖，又称巢湖。本桥桥塔造型设计中，融入了这种人文精神，桥梁的设计理念为“天人合一”。桥塔设计对传统的倒“Y”型塔和A型塔进行了糅合、创新，融入了艺术化的曲线元素，形成了 “天人合一”的造型。

图3 桥塔造型构思与演变

桥塔造型高大挺拔，形象鲜明，桥塔方案以“人”字坐落在巢湖上，象征以人为本、天人合一、人水和谐的意境。设计中根据塔柱的收缩曲线把A形塔的上横梁进行了建筑造型设计，巧妙而完美的把A型塔与倒Y型塔融合在一起，形成“天”和“人”的象形体，天人合一的意境。

桥塔线条气势流畅，由下而上向顶部合拢的曲线如同力量与灵气的汇集、积聚，也意寓了巢湖人拼搏进取，迎难而上的时代精神。大气磅礴的塔体矗立在苍茫的水中，犹如一个巨人，守护着巢湖这一方宝地，见证着巢湖的厚积薄发，见证着巢湖市经济发展的日新月异。大桥造型表达了巢湖人勇于开拓、人定胜天的豪迈，表达了巢湖随着时代的发展，以豁达的信念和坚实的脚步，迈向更加辉煌的明天。

4 桥塔结构优化

4.1 桥塔受力规律分析

桥塔造型若要营造“天人合一”的意境，则需要采用曲线元素来模拟桥塔轴线。首先采用整段半径为600m的圆弧曲线来模拟桥塔轴线，如图4（a）所示。圆弧曲线桥塔的优点是造型美观，缺点是横桥向弯曲受力较大，尤其是中横梁以下的下塔柱横向受力控制设计。为进一步对下塔柱的受力进行优化，本文对其受力情况进行了剖析。

按照不同效应将下塔柱中轴向应力分解成四个部分：（1）下塔柱自重恒载产生的横向弯曲应力；（2）下塔柱自重恒载的轴向应力；（3）上塔柱传递下来恒载（包括索力与上塔柱自重）引起的横向弯曲应力；（4）上塔柱传递下来恒载（包括索力与上塔柱自重）引起的轴向应力。

为了深入分析曲线元素对桥塔受力的影响，本文比较计算了下塔柱轴线半径为600米圆弧曲线和直线形两种情况，计算结果如表2所示。可以看出，对于两种不同轴线，轴向应力成分均相差大大，但是横向弯曲影响相差较大。因此，为了改善下塔柱的受力状况，需要在保证其外观的情况下，对曲线要素进行优化改进。

表2 下塔柱受力情况分析比较表（MPa）

(a)半径为600米的圆弧形桥塔 (b)直线和圆弧形组合型桥塔

图4 优化前后的示意图

4.2 桥塔轴线优化

从保持“天人合一”的桥塔基本外形不变和改善桥塔受力两方面出发，采取了两项措施：（1）采用两段直线衔接圆弧拟合桥塔圆弧形轴线，使该形状与半径为600m的圆弧形轴线尽量相似；（2）将中横梁置于圆弧段的中间位置，改善传力路径。优化前后的两种主塔轴线如下：（1）全塔R=600m圆弧轴线（图4（a））；（2）塔柱上、下为直线段，中间为半径为550m的圆弧（图4（b））。两种主塔轴线下受力计算结果如表3所示。可以看出，通过优化轴线，恒载压应力减少了约20%，而斜拉桥的百分八十以上荷载都产生于恒载。因此，通过轴线优化，可以大大减小桥塔受力，从而缩减主塔截面尺寸，降低主塔造价，但同时又保持了“天人合一”造型基本不变。

表3两种不同轴线下主塔截面应力比较表（MPa）

5 桥塔结构设计

图5 巢湖大桥主塔构造图（单位：m）

全桥共设两座主塔（N0塔和S0塔），由于地面地形和道路线形不对称，两个主塔塔高也不相同，N0塔高143.8m，S0塔高146.6m。两座主塔桥面至边索锚点塔柱长度均为114.4m，高跨比为0.25。每座桥塔设置两个下塔柱牛腿和两道横梁，牛腿位于桥面靠下位置，中横梁位于桥面以上约64.5高度处.。上横梁位于塔顶。

主塔断面采用棱角分明的多边形，并在主塔侧面形成一条装饰性的凹槽以增强主塔在光照下的层次感，以增加美感。主塔分为桥面以下的下塔柱、桥面以上中横梁以下的中塔柱、中横梁以上上横梁以下的上塔柱和上横梁以上的塔顶装饰段。主塔塔柱为单箱单室截面，顺桥向尺寸为7.5m，横桥向尺寸为5m。下塔柱顺桥向壁厚1.0m，横桥向壁厚1.5m；中塔柱顺桥向壁厚0.8m，横桥向壁厚1.2m；上塔柱顺桥向壁厚0.8m，横桥向壁厚1.1m~1.3m；塔顶装饰段桥向和横桥向壁厚均为0.6m。

每座塔设2根横梁。上横梁跨中截面尺寸为7.1×8m，顶底板厚为0.8mm，腹板厚为0.9mm；中横梁立面上下缘线条为弧形；中横梁跨中截面尺寸为7.1×6m，横梁立面上下缘线条为弧形，顶底板厚为0.8mm，腹板厚为0.8m。

本桥桥塔按照钢筋混凝土构件进行设计。

6 桥塔景观细部设计

6.1 上塔柱装饰方案设计

在桥梁景观的细部设计中，设计了两个上塔柱装饰方案。在保证主体不变的情况下，通过装饰，桥塔造型效果截然不同。和业主沟通协商后，本桥最后没有采用这两个方案。但这个装饰手法可供其它桥梁设计借鉴。

图6 上塔柱装饰设计方案

6.2 桥塔色彩及线条设计

桥 梁色彩除和谐统一外，还必须与桥位环境相协调。巢湖水域开阔，水质优良，环境生态优美。本文比较了白色、红色、黄色、蓝色几个颜色方案。每个色彩都有不同的视觉感受，红色醒目张扬；黄色温和含蓄、蓝色正直刚强；而白色给人以温婉的感觉。最后推荐采用白色效果。桥塔线条流畅优美，为了突出表现桥塔的线条，对桥塔侧面线条进行了蓝色涂装，突出了桥塔的高大与气势。推荐方案效果图如图8所示。桥梁的实景效果见图9。

图8桥梁方案效果模拟 图9 大桥桥塔实景照片

7 结语

巢湖大桥采用双塔双索面组合梁斜拉桥结构，“人”字形桥塔造型，结构受力合理，建筑造型优美。大桥已于2017年11月开工建设，目前桥塔已经封顶，主梁正在施工中，计划于2020年12月建成通车。巢湖大桥的景观设计思路和方法可供类似工程借鉴。

［1］项海帆. 桥梁概念设计[M]. 北京：人民交通出版社2011.

［2］Leonhardt F. Zellner w. Past, present and future of cable-stayed bridges[A]. Proceedings of the Seminar of Cable-Stayed Bridges，Recent Developments and Their Future[C]. Japan: Yokohama, 1991. 1-33．

［3］项海帆．大跨度桥梁概念设计中的若干问题．2005年中国土木工程学会桥梁年会论文集．长沙：人民交通出版社．2005.

［4］上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.巢湖大桥工程图纸[Z]. 上海：2017

［5］高宗余. 青洲闽江大桥结合梁斜拉桥设计[J]. 桥梁建设,2001(4):13-17.

［6］林元培. 南浦大桥设计[C]. 中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第九届年会论文集. 1990.

［7］高宗余，梅新咏，徐伟，张燕飞.沪通长江大桥总体设计[J].桥梁建设,2015，45(6):1-6.

作者简介：李文勃，男，1975.6生，籍贯河南灵宝，博士，高级工程师。1997年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学学士，2002年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，2007年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学博士。研究方向：桥梁结构设计、桥梁抗风。