突破常规的无背索斜拉桥，到底是怎么设计的？

无背索斜拉桥是对常规斜拉桥造型的突破，无背索后倾的塔身形状表现出对相对纤细的桥面强大稳固支撑的力量感，给人醒目深刻的感受。

常规的斜拉桥在桥塔两侧均有斜拉索，恒载作用下塔两侧斜拉索水平力可保持平衡，主塔仅在活载及附加荷载作用下承受一定的水平力及弯矩。

而与常规斜拉桥不同，无背索斜拉桥桥塔仅有单侧索，桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力作用下的悬臂梁。

为了确保主塔处于良好的受力状态，无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系。

 

 

无背索斜拉桥，是景观桥梁中的一种形式 ，最著名的一座是Alamillo桥，由西班牙的建筑师与工程师Calatrava为1992年世博会建的景观桥,跨度200m，当时桥梁使人为之一振，Calatrava本人也被IABSE（国际桥协）评为杰出青年工程师。

阿拉米罗大桥位于西班牙塞维利亚。1992年世界博览会为塞维利亚政府提供了改善城市基础设施和发展安达卢西亚周边地区的机会。桥梁设计者为卡拉特拉瓦，他证明了让基础设施发挥文化元素的功能，即将桥梁变为艺术是有可能的。整个桥的结构非常独特，它没有一个桥墩，全长200米的桥身全由一个142米高、倾斜约58度的斜拉梁所承载，这个梁用13对钢链拉住桥身。整座大桥犹如一把竖琴，典雅美观，散发着高雅的神韵。

此后，捷克工程师Milan Komínek1995~1998年设计建造了跨Eble河的Mariansky桥，跨度123.5+55.5m。这两座桥都是无背索斜拉桥，但是受力机理却不同，因此外形也有比较明显的差异。

Mariansky桥是一座颇具特色的桥梁，其塔形非常精巧。两片分离的塔柱向顶端逐渐靠拢，配合塔身纵向长度的变化，犹如一双将合未合的手掌。该桥被国际工程协会在2003年评为世界十大杰出建筑(包括桥梁工程和房屋建筑各5座)之一，它是其中5座桥梁中跨径最小的，这也充分体现无背索斜拉桥突出的造型能力。

我国很多地方模仿了这种桥型，最典型的是2004年建成的长沙洪山大桥，跨度206米，几乎与alamillo一样，2005年建成长春市伊通河轻轨斜拉桥，跨径130+44.2+31m，与Mariansky桥类似。

 

长沙洪山大桥主桥结构形式为无背索斜塔斜拉桥，桥宽32米，双向6车道，主跨206米，跨下没有一个桥墩，塔身与桥面完全靠13对竖琴式平行钢丝斜拉。该桥在同类型桥梁中跨度世界第一、国内首创。全桥钢箱梁外表面采用电弧喷涂技术进行长效防腐涂装。整座桥梁如同一架无比巨大的竖琴塑立在浏阳河上，美丽绝伦。

长春轻轨伊通河斜拉桥与Mariansky桥类似。这是这一桥型第一次用于轨道交通，是国内第一座路径最大的独塔无背索轻轨斜拉桥，达到国内领先水平。

太阳桥是国内设计最为独特的桥梁之一，它位于太阳岛靠松花江处的河口，整体形状是单个斜臂桥塔，斜拉索全集中在桥塔的钝角一侧。太阳桥全长460米，宽15.5米，主塔高93.5米，悬索30根，是亚洲第一座钢结构独塔无背双索面斜拉桥。整个造型似天鹅翱翔在天宇之间，给人带来无限的遐想。

埃拉斯穆斯大桥又可称作“天鹅桥”，因为它横跨水面的姿态十分优雅。它连接着鹿特丹城市的北部和南部的Kop van Zuid，以美妙的姿态跨越了2,600英尺的距离。钢索悬挂在塔门上，弯曲着抵抗拉力，支持着桥身。

1   工程概况

晋安湖1号桥位于福州市晋安区晋安公园内，处于晋安湖水系门户的关键节点，桥梁面向晋安大道，临近东泰禾城市综合体。桥梁位于半径为35 m的圆曲线内，以筑巢引凤、凝聚人才为主要设计意向，采用无背索斜塔斜拉桥方案，整体造型如凤凰展翅、凤鸣朝阳；索塔采用异形结构，塔、索设置于桥梁侧面曲线内侧。桥梁意向图见图1。

  图 1 意向图    

2  结构设计

桥梁主体采用无背索斜塔曲线斜拉桥，塔梁固结。桥梁全长80 m，其中主梁在塔的无索侧跨径20 m，有索侧跨径60 m；标准桥面宽度4.5 m。桥塔、拉索在桥面以外、曲线内侧空地，采用单侧非对称设计，总体结构设计新颖、造型独特。

由于索、塔均布置于人工湖的外侧，不占用桥面空间，避免斜拉索与主塔结构影响行人视线，因此桥面简洁通透。曲线平面（见图2）要求设计成弯桥结构、凤凰造型的斜塔，以及塔与索的单侧非对称布局，使得桥梁受力极为复杂，设计与施工难度大。桥梁立面布置见图3。

  图 2 桥梁平面布置  

2.1 无背索斜塔构造

在符合意向设计要求的情况下，对主塔结构进行深入研究，对塔的立面造型、倾斜角度和截面构造进行精细化设计。在满足受力需求的前提下，既要考虑变化与美观的要求，又要满足施工要求。桥塔采用矩形断面、加设倒角的设计方案。断面中，侧面采用等宽度130 cm，正面采用160~440 cm不等的变宽度设计；倒角尺寸顺桥向宽度20 cm不变，横桥方向按20~45 cm变宽度设计（见图5）。

  图 5 主塔的结构设计（cm）    

2.3 主梁结构

考虑到箱梁的单侧布索，主梁结构采用非对称构造，将梁的重心偏向吊索端，以抵抗不对称斜拉索导致部分主梁扭矩。截面采用抗扭性能良好的全封闭焊接钢箱梁。为减小风荷载的影响，结构断面采用斜拉桥钢箱梁典型截面形式[1]，梁端设置风嘴。主梁断面见图7。

  图 7 主梁断面      

3 结构分析

为研究非对称的无背索斜塔单侧布索斜拉桥受力特性，采用Midas Civil 软件建立空间有限元计算模型，斜拉索采用桁架单元模拟，其余构件采用梁单元进行模拟。计算模型见图9。

  图 9 空间有限元分析模型示意      

3.2 主塔计算

斜塔无背索单侧索面布局导致主塔除承担常规斜拉桥的竖向荷载以外，斜拉索水平分力引起主塔力矩、侧向受力扭矩和颈部收缩构造的变截面因素，对结构受力极为不利。在无背索的情况下，主塔弯矩较大，变形、应力受索力影响明显。计算结果显示，主塔最不利位置为颈部附近，最大应力286 MPa，满足文献[1]要求。

3.4 振动特性分析

由于主梁梁高较小，根据计算结果，第一竖向震型的固有频率为1.11 Hz。人行荷载作用下的竖向振动频率已超过文献[3]限值要求。因此，拟对桥梁结构进行振动控制设计，采用调谐质量减振器TMD（Tuned Mass Damper）减振控制系统（下文简称“TMD”）。根据最优化设计准则，参照有限元计算的结构质量及第一阶弯曲振动的固有频率，设计TMD的主要参数。具体见表1，其布置见图13。

   图 13 MD系统安装示意图      

成桥后，进行电涡流TMD全部锁定状态与全部开启状态行人连续跳跃激励下，桥梁结构的动态响应测试。根据实测数据，该人行天桥竖向自振频率约 1.172 Hz，以竖向弯曲振动为主。对电涡流TMD进行实测，电涡流TMD全部处于开启状态下，人行跳跃激励加速度峰值0.333 m/s2，周围施工和行人步行等环境激励加速度峰值0.087 m/s2。电涡流TMD多次调试，频率分别为1.113 Hz、1.123 Hz和1.133 Hz，阻尼比调至7.78%~8.83%。

人行斜拉桥在梁高限制的条件下，竖向固有频率低于规范要求的3 Hz，但受索、塔等约束因素，安装电涡流TMD后，人行激励加速度值能满足舒适度不大于0.5 m/s2 [4]的要求。成桥实景照见图14。

  图 14  实景照片    

4   结语

以晋安湖1号桥梁为例，对人行斜塔无背索曲线斜拉桥的非对称结构在景观构思和结构设计的基础上，采用Midas Civil 软件对结构受力情况以及桥梁的舒适性分析，得到以下结论。

1）非对称异形桥梁导致的支座抗拔、抗扭等不利因素可通过构造措施进行补偿设计。

2）无背索异形桥塔力矩较大，有条件的情况下，增加背索对塔的应力较为有利。

3）斜拉索垂度对景观效果影响大，设计初始拉力应综合考虑塔、梁、索的应力及变形。

4）大跨径人行桥梁第一垂直自振频率较小，按人行天桥规范要求满足不小于3 Hz的设计要求将导致结构体量加大，以人致振动和舒适性的设计，以及减震分析与减震方案设计为主导的舒适性设计是异形桥梁设计的重要考量之一。

5）斜塔无背索曲线斜拉桥在竖向自振频率不足的情况下，应着重考虑竖向加速度峰值，并根据峰值加速度情况确定是否加装TMD。