一种基于建筑美学造型的新型斜拉桥设计研究＊

陈露 冯冬

（1.武汉城市职业学院，湖北武汉 430000；
2.武汉市民用建筑设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430000）

斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用诸多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，被桥梁界公认为解决桥梁跨径超过200米以上技术难题的主要解决方式，也是现代大跨度桥梁的最主要桥型。

作为一种重要的桥梁结构，斜拉桥最早源于17世纪的欧洲。经历了漫长的发展历程之后，随着桥梁等各种新技术和新工艺的不断进步以及高强度材料的发展应用，自从20世纪70年代伊始，斜拉桥的发展驶入了快车道。随着对斜拉桥研究的不断深入，斜拉桥的性能愈发优越，可适应各种复杂的环境，在我国备受重视。伴随着我国的改革开放和交通事业的蓬勃发展，斜拉桥的设计与建造也获得了迅速的发展，在我国桥梁建设史上写下了浓墨重彩的一笔!

1.1 斜拉桥的构造

斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成，可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻结构重量，节省材料。

（1）主梁。主梁通常采用混凝土结构、钢-混凝土组合结构或钢结构，后两者多为大跨度斜拉桥所采用[1]。主梁的主要作用就是将恒载、活载分散传给拉索，主梁承受的力主要来自于拉索的水平分力所形成的轴压力，所以其应有足够的刚度防止压屈。

（2）索塔。索塔大多数采用混凝土结构，混凝土索塔常采用的截面形式有矩形、五角形、六角形、八角形以及H形。矩形截面索塔的构造简单，其四角宜做成倒角或圆角，以利抗风，较之于矩形截面索塔，其他多边形截面的索塔有更强的对抗风的性能，而且还能增加桥梁外形的美观。

（3）斜拉索。斜拉索通常采用高强度材料（高强钢丝或钢绞线）制成。当斜拉索始终处于拉紧状态时，斜拉索对主梁的多点弹性支承作用使得主梁像多跨弹性支承的连续梁一样，令弯矩值得以大大的降低，这不但可以使主梁尺寸大大的减小（梁高一般为跨度的1/50～1/200，甚至更小），而且由于结构自重明显减轻，既节省了结构材料，又能大幅度的增大桥梁的跨越能力[2]。

1.2 斜拉桥的技术特点

受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。与悬索桥相比，斜拉桥受桥下净空和桥面标高的限制更少，也具备更好的抗风性能，同时还可免去体积庞大的锚碇[3]。

斜拉桥的优点主要分析如下：

（1）斜拉索的水平拉力相当于对混凝土梁施加的预压力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性。由于受到斜拉索的弹性支承，弯矩较小，使得主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，大幅度提高了斜拉桥的跨越能力；

（2）竖向刚度和抗扭刚度均较强，塔柱、拉索和主梁构成稳定的三角形结构，斜拉桥的结构刚度较大，抗风能力较悬索桥要好得多，抗风稳定性要好，用钢量小。

（3）可调整主梁内力，使内力分布均匀合理，且能将主梁做成等截面梁，便于制造和安装。

斜拉桥的缺点主要分析如下：

斜拉索为悬臂施工，当跨度很大时，因主梁悬臂长度过长，承受压力过大，风险较大，塔高也过高，外索过长，索垂度的影响使索的刚度大幅度下降，从而引发使用寿命不长的问题，并带来安全隐患。

2.1 我国现代斜拉桥的发展历程

1975年我国四川云阳县建成的云安斜张桥，跨径75.8米，是一座预应力钢筋混凝土公路斜拉桥，开创了我国现代斜拉桥建造的先河，为国内斜拉桥的发展积累了宝贵的经验，起到了推动作用。

之后的十年，是我国斜拉桥的起步阶段。虽然建造的斜拉桥不多，但摸索中积累了诸多设计建造的实践经验和研究理论。尤其是我国桥梁工作者对斜拉桥的理论研究诸如对斜拉桥的分类以及改进斜拉索防护的措施等[4]。

自从1985年后，随着改革开放和国家经济建设的发展，我国的公路交通尤其是斜拉桥进入了快速发展的通道，各种斜拉桥如雨后春笋般在全国各地拔地而起，最有代表性的莫过于以下斜拉桥巨作：

（1）1991年，上海南浦大桥建成，这是中国自主建设的第一条斜拉桥，也是我国第一座400米以上跨径的大型桥梁，以不足日本概算一半的造价建成，为中国现代桥梁的崛起奠定了基础。

（2）1993年，建成通车的杨浦大桥使中国斜拉桥设计建造能力一举领先于国际桥梁界，奠定了中国在国际桥梁界的地位，建成时为世界第一跨径斜拉桥。

（3）2008年，苏通长江公路大桥建成通车，主桥跨径1088米，是世界上首座跨径突破1000米的斜拉桥，成为了跨度第二大的斜拉桥，同时拥有世界最大主跨、最深基础、最长拉索、最高桥塔，被誉为我国由“桥梁建设大国”向“桥梁建设强国”转变的标志性建筑。

（4）2018年，投入使用的港珠澳大桥打破吉尼斯世界记录，成为世界上最长的跨海大桥。港珠澳大桥全长55千米，拥有桥墩224座，桥塔7座，主桥为3座大跨度钢结构斜拉桥，作为斜拉桥，具有跨越能力大、造型优美、抗风性能好以及施工快捷方便、经济效益好等优点。

2.2 我国斜拉桥的发展现状

我国斜拉桥的发展起步较晚（起步于20世纪70年代）、时间较短，但发展速度异常迅猛，目前可称得上是世界上斜拉桥发展最快最好的国家。

（1）中国目前已建成各种类型的斜拉桥200多座，其中有20多座跨径大于400米，成为拥有斜拉桥最多的国家。

（2）跨径被认为是衡量一个国家桥梁建设水平的主要指标，我国大跨径斜拉桥的数目已进入世界前列。在世界跨径十大斜拉桥排名中，我国多座大桥位列其中，尤以苏通长江大桥为代表。

（3）我们的斜拉桥遍布全国，各种形式的斜拉桥建造都有涉猎，而且在学习吸取许多国外先进技术经验的基础上，结合我国国家和地方特色，在结构设计和新材料使用上又有了许多创新。

2.3 斜拉桥设计不足和改进

虽然我国斜拉桥设计和建造技术已经取得了举世瞩目的成绩，但设计上仍存在诸多亟待改进的地方。

（1）设计人员应加强理论联系实际。当前一些斜拉桥设计人员过多地重视数据理论分析，比较容易忽视现场实际，缺乏对桥的结构实际计算和综合性能分析，直接导致了设计图纸内容与现场实际施工内容存在严重偏差[5]。所以，设计人员应重视施工现场勘查，对现场地质情况、地形条件、水文数据、气候环境等各项数据和资料有明确地掌握，再将理论与实践相结合，进行综合计算和分析。

（2）加强防风抗震设计。当前极端气候变化加剧，导致各种灾害频发，飓风和地震时常光顾。虽然斜拉桥设计采用各种设备和技术实验模拟验证防风抗震，但毕竟模拟实验与实地情况存在较大差异，因此，设计前多搜集研究实地恶劣环境下的数据和资料也不失为一种更实际有效的方式；
同时，斜拉桥的索塔、主梁、斜拉索各自振动特性以及相互受力关系也是一个重要的考虑因素[6]。

（3）加强更高强度材料研发，降低工程造价。新技术新材料能有效提高斜拉桥的强度和稳定性，也有助于进一步提高斜拉桥的跨度。我国一些穷困的山区和丘陵地带，交通和出行都不便，降低斜拉桥的工程造价，使具备建造条件的地方都能承担得起，无异于造福地方，方便人民群众的生活，这也有赖于新技术和新材料的研发。

（4）注重建筑美学设计、生态设计。斜拉桥由于规模庞大、主塔高大、外形美观、造型丰富等优点，能给人一种震撼的感觉，具有很强的生命力，因此建筑美学在斜拉桥设计中就显得十分重要[7]。尤其在信息和经济高速发展的当下，在设计中可适当的加入地方特色元素，尽量不破坏周边环境，达到和谐共存，将斜拉桥设计成为城市的地标性建筑，成为城市宣传的名片，从而有利于地方经济的发展。

目前，造型新颖别致的斜拉桥遍布全国各地，从人行天桥到跨江河的几百米甚至上千米斜拉桥都有设计建造。然而存在一部分斜拉桥设计虽然新颖美观，但结构不太合理，而且还带来了工程造价的急剧上升以及结构的安全隐患。

马克思曾提到，美的本质是人的本质力量，在对象世界中的感性显现。桥梁不同于一幅美丽的图画，虽然它需要美，但是人们更要在其中生存和活动。桥的美是人类为了更好地生存发展，人们在通过时会获得一种美的享受，得到身心愉悦的感觉，也就是将实用与审美结合，结构与功能统一[8]。因此，在追求漂亮新颖的桥型同时，更要兼顾受力合理并且应尽量减小工程造价，以达到受力合理、造价合适、造型优美的目的。

3.1 新型斜拉桥设计方案

研究表明，当斜拉桥应用于跨度很大的场景时，因主梁悬臂长度过长，承受压力过大，而且塔高过高，外索过长，索垂度的影响使索的刚度大幅度下降；
同时在遭受恶劣环境的影响，斜拉桥易变形，存在使用寿命不长的问题。有鉴于此，本文提出了一种兼具建筑美学造型且结构安全受力合理的新型斜拉桥设计方案。

本新型斜拉桥整体设计如图1、图2所示，由桥体100、索塔200和两个斜拉索组300所组成。索塔200包括主塔体210、两个侧塔体220、两个第一连接梁组230以及第二连接梁组240；
主塔体210固定设置于桥体100的中间处，主塔体210的延伸方向与桥体100的长度方向相同，两个侧塔体220分别设置于主塔体210的两侧、且均与桥体100固定连接，两个侧塔体220的延伸方向均与桥体100的长度方向相同，主塔体210的两侧分别经由两个第一连接梁组230与两个侧塔体220固定连接，并形成两个第一三角形结构，两个侧塔体220之间经由第二连接梁组240连接，并形成第二三角形结构；
两个斜拉索组300的一端分别与两个侧塔体220连接，两个斜拉索组300的另一端分别与桥体100的两侧连接。

其中，通过设置索塔200包括主塔体210、两个侧塔体220、两个第一连接梁组230以及第二连接梁组240，主塔体210固定设于桥体100的中间处，主塔体210的延伸方向与桥体100的长度方向相同，两个侧塔体220分别设置于主塔体210的两侧、且均与桥体100固定连接，两个侧塔体220的延伸方向均与桥体100的长度方向相同，主塔体210的两侧分别经由两个第一连接梁组230与两个侧塔体220固定连接，此时，主塔体210通过一侧的第一连接梁组230和同侧的侧塔体220可形成一个第一三角形结构，两个侧塔体220之间经由第二连接梁组240连接，此时，两个侧塔体220和第二连接两组之间可形成一个第二三角形结构，同时，两个斜拉索组300的一端分别与两个侧塔体220连接，两个斜拉索组300的另一端分别与桥体100的两侧连接，以形成整个斜拉桥结构，该斜拉桥的索塔200具备两个第一三角形结构以及一个第二三角形结构，由三角形结构的稳定性可知，索塔200结构强度高，可减少与其连接的斜拉索组300以及桥体100的晃动，斜拉桥不易变形，使用寿命长，可适用于跨度较大等具备恶劣环境的场景中。

3.2 新型斜拉桥具体实施方式

本实施方案中的桥体100包括主梁110和桥墩120，主梁110应当具备良好的抗形变能力，主梁110的底部与桥墩120固定连接。

本实施方案中的索塔200通过斜拉索组300与桥体100连接，用以承接桥体100所受的外力。具体地讲，索塔200包括主塔体210、两个侧塔体220、两个第一连接梁组230以及第二连接梁组240，主塔体210固定设置于桥体100的中间处，主塔体210的延伸方向与桥体100的长度方向相同，两个侧塔体220分别设置于主塔体210的两侧、且均与桥体100固定连接，两个侧塔体220的延伸方向均与桥体100的长度方向相同，主塔体210的两侧分别经由两个第一连接梁组230与两个侧塔体220固定连接，并形成两个第一三角形结构，两个侧塔体220之间经由第二连接梁组240连接，并形成第二三角形结构。

主塔体210为底部内凹的弧形结构；
两个侧塔体220均为底部内凹的弧形结构，主塔体210沿桥体100的周向方向与两个侧塔体220之间均形成一夹角。

侧塔体220沿桥体100的宽度方向呈弧形状，侧塔体220沿远离桥体100的方向到主塔体210的垂直距离逐渐增大。

侧塔体220的两侧面均固定安装有照明板，照明板为弧形，照明板的表面等间距均匀的固定安装有若干个照明灯，照明灯为激光射灯，激光射灯的功率不低于1000瓦特。

主塔体210的高度小于侧塔体220的高度，第一连接梁组230位于第二连接梁组240的下方设置。

第一连接梁组230包括沿主塔体210的延伸方向等间距设置的多个第一连接梁，每个第一连接梁的一端与主塔体210固定连接，每个第一连接梁的另一端与侧塔体220固定连接。第一连接梁为长条杆状。

第二连接梁组240包括沿侧塔体220的延伸方向等间距设置的多个第二连接梁，每个第二连接梁的两端分别与两个侧塔体220固定连接。第二连接梁为其靠近主塔体210的侧壁处向内凹陷的弧形结构。

本实施方案中的斜拉索组300为连接桥体100和索塔200的结构。其中，斜拉索组300包括沿桥体100的长度方向依次设置的多个斜拉索，每个斜拉索组300中的多个斜拉索的一端均与桥体100固定连接、另一端均与同侧的侧塔体220固定连接。

3.3 新型斜拉桥的设计特点

与现有技术相比，本新型斜拉桥提供了一种兼具建筑美学造型和结构安全受力合理的斜拉桥设计方案，具备以下技术优势：

（1）相比常规的斜拉桥，本新型斜拉桥的索塔由主塔体、两个侧塔体、两个第一连接梁组以及第二连接梁组构成；
主塔体固定设于桥体的中间处，主塔体的延伸方向与桥体的长度方向相同，两个侧塔体分别设置于主塔体的两侧、且均与桥体固定连接，两个侧塔体的延伸方向均与桥体的长度方向相同，主塔体的两侧分别经由两个第一连接梁组与两个侧塔体固定连接。此时，主塔体通过一侧的第一连接梁组和同侧的侧塔体可形成一个第一三角形结构，两个侧塔体之间经由第二连接梁组连接；
两个侧塔体和第二连接两组之间可形成一个第二三角形结构；
同时，两个斜拉索组的一端分别与两个侧塔体连接，两个斜拉索组的另一端分别与桥体的两侧连接，以形成整个斜拉桥结构。该斜拉桥的索塔具备两个第一三角形结构以及一个第二三角形结构，有效的保证了整体的强度以及稳定性，大大提高了主梁的抗扭刚度和横向抗风能力，提升了安全性；
同时索塔结构强度高，可减少与其连接的斜拉索组以及桥体的晃动，斜拉桥不易变形，使用寿命长，可适用于跨度较大等具备恶劣环境的场景中。

（2）本新型斜拉桥对比例、体量、动感、构形等方面进行了深入的景观设计，严格遵循斜拉桥力学结构与建筑美学的和谐统一原则。

（3）本新型斜拉桥索塔设置在桥面中央，并且呈现出大圆弧曲线，因此施工比较方便，造价适宜。

（4）本新型斜拉桥的桥塔造型新颖，景观效果突出。从侧面来看，主塔体和两个侧塔体以及两个第一连接梁组构成一个双手向上张开的人体图像，犹如一个跳水运动员的跳水准备动作，景观效果突出，形象逼真，具有良好的景观效果和经济性。

桥梁设计建造对建桥地点和当地文化环境的尊重与共生、共融，具体包括线形设计、造型设计、平面布局设计、色彩设计、肌理设计和装饰设计，桥梁中的符号学的运用、历史文化表达以及技术美学特性的设计赋予了新的内涵，即达到桥梁功能、美学、文化与技术的统一。设计兼具建筑美学造型且结构安全受力合理的新型斜拉桥，主要目的是为了解决大跨度斜拉桥在遭受恶劣环境影响下，斜拉桥易变形，使用寿命不长的问题，其实这也是未来斜拉桥设计的一种趋势。未来的斜拉桥将向特大跨度（1千米以上）发展，同时结构形式要设计得更为美观，造价更低，对当地的环境产生更为积极的影响，即不但不能影响当地的生态环境，更要起到美化城市环境，成为城市宣传的名片。相信随着未来科技的发展，辅以新材料的研发问世，我国将会设计建造出更加美观、结构更合理、性能更稳定、跨度更大、造价更低的雄伟斜拉桥。