拱塔斜拉桥不同拱轴线形的力学特点分析_马文刚.pdf

摘要：拱塔斜拉桥兼具斜拉桥和拱桥的特点，其优美的造型很好地满足了桥梁设计对于美学的要求，使其往往成为城市的地标性建筑。现以拱塔斜拉桥的发展历程为依据，总结了国内外该类桥梁的设计、建造情况。以此为基础，分析了不同拱轴线形对拱塔斜拉桥的桥面布置、拱塔受力的影响，从而得到了各类拱轴线形的优、缺点及力学特点。该结论可为拱塔斜拉桥的设计和后期维护提供一定参考。关键词：拱塔斜拉桥；拱轴线形；力学特点；景观效果中图分类号：U441+.5文献标志码：B文章编号：1009-7716（2023）01-0067-06拱塔斜拉桥不同拱轴线形的力学特点分析收稿日期：2022-03-11基 金 项 目：南 京 工 程 学 院 校 级 科 研 基 金 项 目（YKJ201984,YKJ201984）；江 苏 省 高 等 学 校 自 然 科 学 研 究 面 上 项 目（20KJB580002）作者简介：马文刚（1980），男，工学博士，讲师，从事土木工程专业教学工作。马文刚，陈 立，朱玉琴，胡世翔（南京工程学院 土木工程与智慧管理研究所，江苏 南京 211167）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0180引言拱塔斜拉桥结合了斜拉桥和拱结构的特点，不仅体现了拱桥的优美，而且极易融入自然环境而成为自然景色中的一环；同时也展现了斜拉桥的纤细、适应性强的特点。拱塔斜拉桥以其宽幅路面可适应城市大通行量的需求；索面适应性强，依据需要可以设置为单索面形式、双索面形式，甚至可以考虑三索面或空间“双翼”的索面形式；借助其横向布置的拱形索塔，不仅可为小角度跨线桥提供很好的解决方案，同时解决了城市桥梁中常用的门式刚架墩景观效果不佳的问题。因此，国内外已建成和正在建设中的拱塔斜拉桥不在少数；线形各异的拱塔斜拉桥表现出设计者不同的美学考虑和不同的受力特性。1拱塔斜拉桥的发展及现状拱塔斜拉桥首次出现在公众视野始于 1996 年修建于日本羽田机场的 Haneda SkyArch 拱塔斜拉桥（见图 1）。该桥用于连接机场原有设施和后扩建的部分，不仅要求该桥具有地标性功能，同时由于地处机场周围，对建筑高度有严格要求1。该桥的拱塔上低位斜拉索锚固于主梁远端，高位斜拉索锚固于主梁近塔区，形成了空间螺旋形索面，景观效果甚好。之后于 1997 年，日本在位于山区的自然保护区修建了秀美美术馆（Miho Museum），此馆正门面临峡谷2；设计者巧妙地使用了拱塔斜拉的结构形式，既畅通了道路，又为美术馆增添了一道亮丽之门。1997 年竣工的日本 MIHO museum 桥（见图 2），全长 120 m，桥宽 7.5 m，用于人行和小汽车通行，一端连接 200 m 长的隧道，另一端连接博物馆。主拱塔竖向高 19 m，倾斜 30。得益于当地优良的岩层，斜拉索的一端锚固于主梁上，另一端则锚固于隧道洞口处。此桥因完美地与周围环境融合而备受关注，并获得 2002 年国际桥梁及结构工程协会颁发的“杰出结构大奖”。URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月图 2MIHO Museum Bridge图 1Haneda Skyarch Bridge桥梁结构67马文刚，等：拱塔斜拉桥不同拱轴线形的力学特点分析进入新世纪后，拱塔斜拉桥得到了迅猛的发展。不同的设计者，基于不同的周围环境及美学考虑，采用不同的拱塔线形，使得拱塔斜拉桥呈现丰富多彩的景观效果。意大利都灵人行桥（Turin Footbridge，见图 3）是为 2006 年冬奥会所建2。该桥全长 369 m，最大跨径150 m，桥面宽 4 m，主塔是 3 m 边长的三角形截面；连接奥运村一侧的 8 对直径 75 mm 的斜拉索分别锚固于支撑主梁的墩柱上，实现对拱塔的支撑；主跨侧8 对直径 55 mm 的斜拉索锚固于主梁，支撑主跨跨越铁路，在靠近主塔塔基位置还布置了部分非成对的斜拉索。位于美国达拉斯市的玛格丽特亨特希尔桥（Margaret Hunt Hill Bridge，见图 4），始建于 2006 年春季，并于 2012 年 3 月 2 日通车3。此桥全长 570 m，主跨 365 m，桥塔高 122 m，斜拉索采用了空间的“双翼”索面，共设置 29 对斜拉索。大桥拱式桥塔、蛛网型拉索，别出心裁的构件在同一座桥梁中相互联系、共同作用，空间形象新颖独特，虚实相映，力线简捷流畅。意大利雷焦艾米利亚省的 I Ponti di Calatravabridge 1，2，3 号桥（见图 5），连接米兰和博洛尼亚的高速公路，共三座桥，中间是一座主跨跨径 221 m 的双向四车道的拱桥，两侧是两座相同的拱塔斜拉桥，塔高 68.8 m，桥梁总长 179 m，对称布置；桥面宽13.6 m，双向两车道；26 对斜拉索锚固于主梁中央4。该桥于 2007 年 10 月 20 号正式通车。巴西里约市为了将中心与 2016 年夏季奥运会的奥林匹克公园和奥运村连接所修建的运河桥（见图 6），也是采用拱塔斜拉桥的形式，景观效果甚佳；圣保罗市也在修建一座类似的拱塔斜拉桥5，于2020 年通车。国内首次建造的拱塔斜拉桥则是位于沈阳的三好桥（见图 7），跨径布置为（35+2100+35）m，主桥宽 34 m，引桥及引道宽 32 m，双向六车道。主桥桥塔为单塔双斜拱结构，单片拱肋为曲线，局部为直线段6。拱塔、主梁、吊索组成的空间几何图形使结构立体感强，与周边环境交相辉映、浑然一体，具有良好的景观效果。与之类似的还有延吉的天池大桥，江苏通州的世纪大桥等。台江大桥位于福建省三明市，2010 年 11 月通车运营，主桥采用（50+60+110+110+60+50）m 的跨径布置，双向 4 车道，两侧人行道各宽 2.5 m；塔高82.2 m，全桥共 32 对斜拉索，2 对对拉索，1 根竖向图 3Turin Footbridge图 4MHH Bridge图 5I Ponti di Calatrava bridge图 6运河桥图 7沈阳三好桥2023 年第 1 期68马文刚，等：拱塔斜拉桥不同拱轴线形的力学特点分析索。该桥采用钢拱塔斜拉桥方案，其拱塔造型别致；通过巧妙的设置 Y 形组合索，使得拱塔的水平推力得以平衡。拉索布置采用由上而下，由近而远的“双翼形索面”形式，与拱塔、Y 形组合索形成了极具美感的动态，如图 8 所示。西安灞河一号桥（见图 9）建成于 2008 年，主桥结构形式为独塔半飘浮体系斜拉桥7。其跨径布置为145 m+48 m+42 m。拱塔高 78 m，倾角 75，主塔上拉索间距 2.53.8 m，主跨索距 6 m，边跨索距 3.8 m；主梁采用钢梁与预应力混凝土梁的混合梁结构。2009 年建成的江苏省宜兴荆邑大桥（见图 10），主桥采用双套拱拱塔斜拉桥，跨径布置为（28+39+106）m8。主塔高 73.6 m，倾角 8，副塔高 61.7 m，倾角 17，主、副塔之间用钢拉杆连接；全桥共设 16 对斜拉索，主跨钢箱梁上索距为 9 m，边跨预应力混凝土箱梁上索距为 6 m，拱塔上索距 2.22.6 m；钢箱梁侧桥面顶板宽 51 m，底板宽 45.5 m9。与此结构体系类似的有位于锦州市的小凌河大桥。随着建设经验的积累和新材料的应用，拱塔斜拉桥得以进一步发展：马鞍山长江大桥右汊桥10主桥采用（37+83+2260+83+37）m 的三塔双索面半漂浮体系（见图 11，2013 年），椭圆形拱塔，两边塔桥面以上高 61 m，中塔高 76 m；常益长高铁沅江特大桥11为世界首座高速铁路拱塔斜拉桥（见图 12，2022年）；山东聊城兴华路跨徒骇河大桥（2022 年）采用 4根 CFRP 斜拉索及 UHPC 混凝土铺装；南京的花山大桥（2021 年通车）则采用纵向拱塔12，整体呈现“心”形拱塔造型，景观效果甚佳。2拱轴线形及其力学特点总结目前已建成的国内外拱塔斜拉桥的相关信息可以发现，其拱轴线主要可分为四类：即圆弧形、抛物线形、椭圆形、圆弧或抛物线加直线段。不同的拱轴线性致使其受力特性差异明显，文献13对拱轴线进行优化求解；已建成的拱塔斜拉桥以椭圆形拱塔居多。2.1圆弧形拱塔圆弧形拱塔斜拉桥，以已建成的日本羽田机场的 Haneda skyarch 桥为代表。该桥拱脚间距 160 m，拱塔矢高 44.5 m，跨径布置为（75.7+27.7）m；同时，该桥斜拉索采用不对称布设。如图 13 所示，图中左侧显示为跨径较大一侧布设 9 根斜拉索，图中右侧显示为跨径较小一侧布设 5 根斜拉索；两个中心线图 12沅江特大桥图 11马鞍山长江大桥右汊桥图 10荆邑大桥图 9西安灞河一号桥图 8台江大桥2023 年第 1 期69马文刚，等：拱塔斜拉桥不同拱轴线形的力学特点分析相距 80 m 的行车道悬吊于拱塔之下。由 Haneda skyarch 拱塔斜拉桥的设计和应用可看出，以圆弧线形做拱塔，两拱脚间距必定远大于桥面宽度，如果两拱脚之间距离与主梁宽度较接近，则一方面主梁外侧靠近拱塔处的桥面净空不足（拱塔影响桥面净空），另一方面不管是单索面还是双索面，都会存在拉索与主梁锚固区桥面净空不足的问题（斜拉索影响桥面净空）；如果拱的跨度较大，且桥面荷载较大，势必造成拱结构的截面尺寸较大；另外，为了平衡拱脚的水平力，横穿与拱底的系杆的工程量也相应增加。因此，对于圆弧线形的拱塔仅适用于对景观有一定要求，但荷载较轻的情况，比如景区、机场等；同时，相同的宽度，拱的矢高可以较小，这对于机场等对建筑高度要求比较严格的场地而言非常有利。2.2抛物线形拱塔抛物线形拱塔斜拉桥在实际工程中也有应用。中国台湾的猫罗溪大桥、乌日大桥，日本的 MihoMuseum 桥，以及俄罗斯 Zhivopisny 桥都采用抛物线形拱塔。相对于圆弧线形拱塔斜拉桥，抛物线形拱塔线形变化空间更大；可以通过改变抛物线的线形来适应实际工程的需要。分析已建成的几座抛物线形拱塔斜拉桥可以发现，如果采用较坦的抛物线也会存在类似圆弧拱的桥面净空不能充分利用的问题。台湾的猫罗溪大桥采用拱塔横跨两幅桥的布置形式，同时，斜拉索只是在拱塔四个点沿高度布置，很好地解决了斜拉索沿拱塔布置对桥面净空的影响问题。乌日大桥则采用高次抛物线在不增大拱脚间距的情况下解决拉索对桥面净空的影响。同样是采用抛物线形的日本 Miho Museum 拱塔斜拉桥，在无索区采用宽度为 7.5 m 的三角形截面，在索区顶板挑出的悬臂上锚固斜拉索，以一根索将两斜拉索锚固点及梁底相连。如此处理可以增加桥面净空，减小斜拉索对桥面的影响，同时，该桥采用将拱塔向主跨侧倾斜，增大斜拉索与桥面间夹角，减小拉索对桥面净空的影响。俄罗斯 Zhivopisny 桥（见图 14）亦采用二次抛物线拱塔，桥面宽 44 m，拱脚间距为 138 m，塔高 102 m；将拱脚设置在河两岸，既不影响桥下通航，也可以有效地减少基础工程的造价。通过以上分析可以看出，采用抛物线形拱轴线存在一定的局限性，对于塔高较低，且拱脚间距较小的情况，会存在桥面净空不足的问题；如果采用高次抛物线，当主梁截面增大时，塔高急剧增大；当拱脚之间距离远大于主梁截面时，二次抛物线是不错的选择，在满足工程需要的同时也提升了桥梁结构的景观效果。2.3椭圆形拱塔椭圆形拱轴线是已建成拱塔斜拉桥中应用最多的形式，特别是最近几年建成的拱塔斜拉桥，基本都采用椭圆形拱轴线。椭圆线是一种合理且适应性比较强的拱轴线。以荆邑大桥拱塔间距及塔高为依据，给出了抛物线与椭圆线的对比（见图 15）；从图中可以看出，相对于抛物线而言，椭圆线与桥面间夹角更大，这使得椭圆线拱塔可以不考虑斜拉索对桥面净空的影响；而且，采用椭圆形拱塔时，斜拉索一般会从距离塔顶一定距离开始锚固，这样的布置方式一方面使索对桥面不会产生任何影响，另一方面，斜拉索与桥面夹角增大，有助于减小拱脚的水平力。图 13日本羽田机场 Haneda skyarch 桥图 14俄罗斯 Zhivopisny 桥图 15椭圆与抛物线对比图2023 年第 1