大跨斜拉桥桥塔造型优化设计摘要: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-stayedbridgeLi 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 tower1 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一一沪通长江大桥（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— I — II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形塔 H形钻石形A字形倒Y形单柱形占八、、塔柱 竖直，便 于施工， 受力合理；；从 特造型比例 上与桥宽 较大、跨 度较小的 斜拉桥相 适应造型优雅 美观，苗条轻 盈；受力合 理，基础尺寸 小,施工方 便；降；适用 于下塔柱较高 的斜拉桥通过不断 地向上收缩， 给人以稳定和 向上的感觉； 塔柱为直线， 受力性能好， 施工方便给人以稳 定和力量的感 觉；构造简 单，受力明 确，施工方 便；适用于比 较宽阔的水 面；适用于较 大跨径斜拉桥造型 简洁、独 特；构造 简单，受 力明确， 施工方 便施工 于景观要 求不咼的 公路桥 梁程实例南浦工大桥，日本横滨横断桥，闵浦大桥杨浦大 桥，日本多多 罗桥，青州闽 江大桥上海徐浦大桥诺曼底桥苏通大桥长海长江大桥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、仓惭， 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）何载应力成分曲线形状下塔柱直线形 下塔 柱L应力比值（直线/曲线）自重恒载横向弯曲1.91.473.7%轴向应力1.11.090.9%上塔柱恒载索横向弯3.4011.8%力及自重曲.4轴向应力8.4899.9%（a）半径为600米的圆弧形桥塔 ⑹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）恒J活载温度运营风合计优化前14.521.2-3.521.2优化后11.61.9-1.2-3.518.2（优化后-优化前）/优化前20.0%5.0%0.0%.0%014.2%£II四m'ii'h'ii二?吟-三畫厲芒.p.-识_2J3SI全桥共设两座主塔（NO塔和SO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。