文化与工程的灵魂交融——海心桥设计的初心与创新|主梁|拱肋|桩基|海心桥|混凝土

随着经济和技术的发展，城市桥梁不再只是交通的需求，更是城市品质的提升和城市活力的体现，它承载着地域文化、科学技术水平和人们对美好生活的向往，很多城市桥梁建成后就成为了人们喜爱的打卡点和地标。对于重要城市桥梁而言，满足交通基本要求和城市环境景观要求均为重要，这就需要我们桥梁设计者以匠心表初心、以创新出精品，综合运用城市设计的理念、建筑学和结构力学原理以及现代工程技术方法等，进行创新设计。

本文以广州市海心桥设计为实例，阐述城市跨江人行桥的需求分析和品质化提升，以及设计者的初心和创作过程，通过实例介绍城市桥梁的方案构思、结构布置、力学原理、新材料和新型构造等关键性创新技术。

彰显城市的文化与特色

广州城市中轴线区域内，从花城广场到广州塔南北广场，由于珠江天堑阻断两岸人们慢行交通的联系，中轴线慢行系统就此被珠江隔断，两岸缺乏便捷的步行联系，未能充分满足广州中轴线区域两岸人们工作和生活的需要。为缝合广州城市中轴线、把握高质量发展要求、完善城市会客厅基础设施，广州建设了海心桥，体现了“老城市新活力”及“活力湾区”的精神风貌，彰显岭南文化和花城特色，成为又一城市名片和国际打卡点。

根据前期规划资料，有东、中、西三个桥位方案，如表1。

图1 桥位论证

无论是东线还是中线方案均牵扯到对既有设施进行大规模改造，且与地铁、轨道等冲突，实施条件较差。东线与猎德大桥太近，中线布置则会割裂珠江的小蛮腰景观，与周边景观融合性不好。布置在西线且采用弧形平面线形，桥梁不会显得突兀且与周边景观融合效果更好；整体呈向心布置，桥上观景体验更佳；整体平面与花城广场、广州塔形成了环抱珠江之势。综上，考虑可实施性、桥梁景观，选择西线桥位作为实施方案。

设计目标包括：

1.项目位于广州新中轴线，是联系珠江南北两岸的重要纽带，具有景观与观景双重属性，重点处理好周边景观和建筑物的关系。

2.桥梁造型简洁大气、灵动、轻巧、通透，遵循实用、经济、美观、环境协调，要有结构美、力学美，可以考虑一些曲线造型，体现岭南文化。

3.做到视野开阔，并考虑游人停留、休息需要，提供必要的遮阳、避雨功能，坡度宜平缓。

4.周边人流量大，设计时需充分考虑人群超载、偏载、防倾覆等问题。

5.注意航道通航问题，在桥型选择、施工阶段和工艺方面要考虑可实施性与迫切的工期要求。

量身定制城市新名片

优选桥型设计初心

经过两轮方案竞赛，我院与何镜堂院士工作室联合体提供的参赛方案，最终获得第1名，成为实施方案。方案设计主题为“琴鸣绢舞、岭南花舟”——古琴弦动，舞粤曲水袖；珠水荡漾，映岭南花舟。桥型植根岭南文化、顺应湾区发展，是展示广州城市魅力的创新名片。

桥梁将岭南地域文化融入现代的设计元素之中，其曲线的造型成为广州珠江上一道新的风景线，设计独特性体现在与海心沙环境的高度匹配性上，是结合广州中轴特点量身定制的，包括：

1．“岭南古琴、粤曲飘绢”元素与海心沙音乐岛主题衔接。

2．“岭南花舟”的花桥元素与花城广场主题融合。

3．桥面衔接海心沙景观曲线，融入广州中轴步行系统与构图。

4．弧形桥幅围合广州中轴景观,形成向心的景观视野。

5．桥上遮阳设施适应岭南炎热多雨气候。

桥梁结构设计

海心桥主桥为曲梁空间拱桥，采用拱梁固结形式，拱跨198m，矢高58m，矢跨比1/3.4，拱轴线为二次抛物线，拱肋平面呈10°外倾；主梁采用圆弧曲线，主桥主梁圆弧半径为139.11m，东侧桥面长度为499.5m、西侧桥面长度为271.3m。

图2 海心沙人行桥平面图

主拱采用箱形等高变宽截面，采用Q370钢材，拱肋全截面高度为2.6m；拱顶截面拱肋宽度 4.2m，由拱顶至拱脚逐渐变宽，宽度为 4.2～6.5m；主梁采用箱形截面，中跨为单箱三室横向变高梁，采用Q370钢材，梁宽15m，东侧箱室梁高2m，西侧箱室梁高2～3.5m；边跨为单箱单室截面，主桥东侧边跨为等高梁，梁高2m，梁宽 6.8m，主桥西侧边跨为变高梁，梁高 1.3～2.0m、梁宽 6m。

图3 拱肋跨中截面（单位：mm）

图4 主桥中跨主梁跨中截面（单位：mm）

吊杆采用GJ15-19成品索，抗拉强度为1860MPa，上锚点为锚固端，采用插耳、销轴与拱上耳板连接；下锚点为张拉端，采用整体锚头与梁上锚拉板连接，并于梁上进行张拉作业；全桥共23根吊杆，梁上锚点间距6m，拱上锚点由主梁锚点位置横隔板确定，间距5～7m；拱座为棱台形，高5m，顶部平面尺寸为3.24～6.23（纵向）×15（横向）m，底部尺寸13.4～17.39（纵向）×20（横向）m；承台高6.5m，平面尺寸为20m×20m，承台底设置3m厚封底混凝土；主墩桩基采用9根直径3m钻孔灌注桩，行列式布置，桩基纵、横向中心距均为7.5m，群桩中心相对于拱脚中心在纵设置2.0m偏心。

理念进步与创新

超大跨度曲梁斜拱多重组合结构体系

本桥为曲梁空间拱结构，拱与梁在平面位置曲率方向相反，通过23根吊杆将拱与梁连成一体，是世界上跨度最大、桥面最宽的曲梁斜拱人行桥。设计时采用抗扭性能好的整体箱形断面，在拱梁交界处将拱与梁固结以提高结构整体性，通过吊杆力来调节结构受力，具有结构刚度大、抗倾覆能力强、抗风及抗震性能好的优点。

图5

新型大直径型钢混抗推桩

恒活载作用下约六成荷载通过吊杆传递至拱肋，同时主梁在拱梁结合处将产生纵桥向推力，该推力通过拱梁结合处传至基础，将产生较大水平推力。因此桩基直径采用3m，并在钢筋混凝土桩的桩顶加入型钢来承受巨大剪力，提高桩基抗推能力，保证结构的安全。

UHPC包裹钢箱混凝土组合结构

拱肋下方设置10cm超高性能混凝土（UHPC）层，增强了拱肋局部刚度与抗船撞性能，并将拱肋钢板与水隔离开来。混凝土是一种强碱性物质，新拌混凝土的pH一般都在12～13之间，在这种环境下，钢材表面会生成一层钝化膜，阻止了腐蚀的发生；采用超高性能混凝土裹包层对处于浪花飞溅区的部位进行防护，具有较好的保护效果，避免后期水下和浪溅区钢结构的防腐涂装工作，方便后期维护，节省了养护成本。

由于拱肋UHPC现场外包施工难度大，为节省施工时间，设计中将水中段拱肋设置为一个大节段，并将拱肋UHPC层于钢梁制造厂内施工，现场进行节段拼装即可。

图6 拱肋UHPC外包施工

大跨度曲线人行桥抑振技术

对于专门的人行通道，必须满足桥梁在正常使用状态下的行走舒适性，必须对行人激励下的人致振动问题加以研究，评价行走舒适性，并提出必要的减振措施及方案。本桥跨径大、基频低，频率分布较密集，结构模态振型复杂，主梁和拱肋振型会耦合，主梁竖向、侧向和扭转方向的振型也会有耦合，共设置了总重29吨的电涡流TMD阻尼器（调谐质量阻尼器），满足节假日高峰期行人通行的舒适性要求。

图7 主梁设置TMD位置

骑跨式亲水堤岸平台构造

为缩短行人上桥距离、便于行人通行，需与堤岸平接。同时为了节省工期与造价，需不破坏堤岸，并不在顶底施加附加荷载。为此设计了骑跨式亲水堤岸平台，东、西侧亲水平台与上跨现有堤岸，设置平台实心段板梁嵌入堤岸构造，并在其后方设置桩基，实现了东西侧引桥与堤岸的平接。同时满足无障碍设计的需求，大大减少大堤破坏，避免围堰的设置、降低了工程造价。

图8 西侧接岸构造示意图

隐形无缝伸缩装置

采用波形弹簧钢与高分子弹塑体刚柔复合，伸缩构件工厂标准化生产，机械复合锚固，满足桥梁结构自然及三维动态变形要求。采用高分子弹性混凝土智能机械浇筑施工，密封粘结，平顺无缝防水，可十年免维护。

图9 隐形无缝伸缩装置结构构造

基于BIM技术的辅助设计和施工

以系统工程理论、方法和过程模型为指导，面向复杂结构，实现全三维无死角的设计。

1．通过BIM参数化设计，为设计方案快速调整和结构优化提供有力支持。

2．利用BIM模型辅助设计校核，减少错漏碰缺，有效提高了设计质量。

3．实现复杂空间结构的虚拟建造，提高了精细化设计水平，减少二维设计盲区，完善了设计表达，让模型服务后期施工成为可能。

4．通过BIM模型的应用，提高了施工效率，同时减少施工中出现错误情况的发生。

此外，钢梁桥面自行车道和斜坡范围设置2.5cm超高性能混凝土（UHPC）层，利用UHPC超韧超强特性，增强了薄层铺装与主结构协调变形与防裂性，并提高钢梁的耐久性，桥面UHPC层于现场施工；设计中在拱肋受压区内灌注混凝土，形成部分钢管混凝土拱桥体系，提高了结构刚度和行人舒适性；拱脚与拱座、承台固结及拱梁固结两处节点构造极其复杂，为确保结构安全，采用局部模型，对两处节点进行了精细化计算与设计，解决了复杂节点设计难、施工复杂的难点；在桥面以上设置锚拉板，锚拉板内部设置有反拉垫板及油泵张拉空间，锚拉板与梁体内横隔板共同制造，两侧设置有加劲板，在保证结构安全的前提下做到了便于施工和后期运营维护。

融合设计与创新技术

创新是匠心精神的主要特点，奉献是匠心精神的重要内涵。海心桥的设计体现了现今最先进的设计理念，它的造型融入了具有岭南特色的造型元素，与周边城市环境高度融合，体现了以人为本的理念，为市民提供了舒适宜人的桥面环境。不但使其成为高水平的步行桥设计作品，而且有理由相信它将开启广州步行桥建设的新趋势，引领广州桥梁建设高品质建设的新趋势。它的结构极具创新，应用了多项创新技术解决了大跨度斜拱曲梁组合体系桥梁在受力、抗震、抑制人致振动的一系列难题，相信它将在世界步行桥建设史上留下重重的一笔。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年第5期总第103期

作者 / 宁平华王晟

作者单位 / 广州市市政工程设计研究总院有限公司

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 李天颖裴小吟廖玲

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