公鐵合建四塔斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)研究

李的平，嚴(yán)愛國(guó)，黃納新

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430063）

與常規(guī)雙塔斜拉橋相比，多塔斜拉橋具有塔多聯(lián)長(zhǎng)的特點(diǎn)，隨著索塔數(shù)量增加，多塔斜拉橋的中間塔兩側(cè)既無輔助墩和過渡墩，也沒有端錨索，缺少了對(duì)主梁和索塔剛度的有效幫助，導(dǎo)致已經(jīng)是柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大［1-2］。橋塔的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)對(duì)多塔斜拉橋的靜動(dòng)力特性影響較大。目前已對(duì)斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，主要集中于分析斜拉橋主塔塔形和塔高對(duì)斜拉橋性能的影響［3-4］，而橋塔材質(zhì)和布置方式對(duì)多塔斜拉橋靜動(dòng)力性能的影響研究較少。文獻(xiàn)［5-6］研究了某八跨七塔斜拉橋的橋塔材質(zhì)并討論了地震作用下鋼塔、混凝土塔和二者的混合橋塔的彎矩與位移。

橋塔材質(zhì)主要是混凝土和鋼材，普遍認(rèn)為雖然混凝土塔剛度較大，但自重大，地震時(shí)結(jié)構(gòu)慣性力大［7］；鋼塔與之相反。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試對(duì)這類多塔大跨橋梁進(jìn)行不同橋塔材質(zhì)的混合布置，并研究其靜、動(dòng)力性能。

本文以珠機(jī)城際鐵路金海特大橋3×340 m四塔斜拉橋?yàn)楸尘?，研? 種橋塔布置方案，并對(duì)3 種方案建立計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)，并考慮構(gòu)造處理及施工的影響，綜合比較橋塔材質(zhì)和布置方式對(duì)多塔斜拉橋的影響，確定合理的橋塔布置方案。

1 工程概況

珠機(jī)城際鐵路金海特大橋跨越磨刀門水道入?？?，主橋采用（58.5+116+3×340+116+58.5）m 四塔三主跨斜拉橋，公鐵同層布置，中間通行雙線城際列車，兩側(cè)布置高速公路（雙向6 車道），是國(guó)內(nèi)首座公鐵同層布置的多塔斜拉橋。結(jié)構(gòu)體系采用剛構(gòu)連續(xù)體系，即中塔塔梁墩固結(jié)；邊塔塔梁固結(jié)，塔墩分離，梁底設(shè)雙排支座，支座縱向間距10.4 m，如圖1所示。

圖1 剛構(gòu)連續(xù)體系布置示意（單位：m）

為適應(yīng)公鐵平層布置要求，主梁采用了一種新型的大挑臂式鋼箱梁結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。大挑臂式鋼箱梁由中間寬17.6 m 的主箱加兩側(cè)各長(zhǎng)16 m 的挑臂組成，橋面寬度達(dá)49.6 m。根據(jù)受力特性，較重的鐵路荷載布置于中間主箱上，較輕的公路荷載布置于挑臂上，斜拉索布置在兩者之間（邊箱內(nèi)），結(jié)構(gòu)受力合理，且單箱三室構(gòu)造便于鋼箱梁的腹板與鋼塔壁板連接，實(shí)現(xiàn)塔梁固結(jié)。

圖2 斷面布置（單位：cm）

橋塔采用空間四柱式塔，主墩采用雙肢薄壁墩，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。選取3 種橋塔布置方案：方案1 為全混凝土塔，方案2 為全鋼塔，方案3 為中間混凝土塔+兩邊鋼塔。

橋塔構(gòu)造如圖3 所示，混凝土塔和鋼塔外輪廓尺寸基本一致，材質(zhì)分別為C55和Q370。

圖3 橋塔構(gòu)造（單位：cm）

2 計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil 軟件建立全橋三維空間有限元模型，塔、梁、墩、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用索單元。各橋墩處按實(shí)際支座位置及類型分別設(shè)豎向和橫向約束，基礎(chǔ)底部固結(jié)，考慮樁土相互作用［8］。全橋三維數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 三維數(shù)值模型

3 靜力性能對(duì)比分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形及剛度

不同材料橋塔結(jié)構(gòu)變形及剛度見表1。可知，邊塔采用鋼塔、中塔采用混凝土塔，與全部采用混凝土塔時(shí)，結(jié)構(gòu)體系剛度差別很??；全部采用鋼塔時(shí)，結(jié)構(gòu)體系剛度相對(duì)較小［9］，但能滿足城際列車和汽車運(yùn)行安全性及舒適性要求。

表1 不同材料橋塔結(jié)構(gòu)變形及剛度

3.2 橋塔應(yīng)力

圖5 不同混凝土塔應(yīng)力云圖（單位：MPa）

不同混凝土塔應(yīng)力云見圖5?？芍?，邊塔采用混凝土塔時(shí)，橋塔應(yīng)力滿足要求；中塔采用混凝土塔時(shí)，在主力和主力+附加力組合下，最大壓應(yīng)力分別為22.7，25.0 MPa，應(yīng)力超過規(guī)范限值（TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：C55 混凝土在主力和主力+附加力作用下容許應(yīng)力分別為18.5，24.1 MPa）。

經(jīng)過計(jì)算，采用鋼塔時(shí)調(diào)整板件厚度，中塔壁板厚48 mm，邊塔壁板厚40 mm，橋塔應(yīng)力滿足要求。

3.3 邊塔支反力

邊塔分別采用鋼塔和混凝土塔時(shí)，支反力見表2?？芍褐髁?附加力組合下，采用鋼塔時(shí)，邊塔下雙排支座最大噸位為10 000 t；采用混凝土塔時(shí)，邊塔下雙排支座最大噸位為14 000 t，支座噸位較大。

表2 不同材料邊塔支反力 kN

4 動(dòng)力性能對(duì)比分析

4.1 地震動(dòng)輸入

本文僅對(duì)罕遇地震作用下的動(dòng)力性能進(jìn)行研究，橋址處最大地震烈度為8 度，工程場(chǎng)地類別為Ⅱ類。采用時(shí)程分析法，地震激勵(lì)采用縱向+豎向輸入方式，豎向地震作用取相應(yīng)水平地震作用的0.65 倍。取3條地震波最大反應(yīng)值作為最終輸出，圖6 為50 年超越概率2%的3條地震波中的一條。

圖6 加速度時(shí)程曲線

4.2 動(dòng)力特性

不同橋塔布置方案的動(dòng)力特性見表3。可知：①3種方案的1 階和2 階橋塔縱向振動(dòng)頻率數(shù)值差異不大，說明橋塔縱向振動(dòng)特性相近。②3 種方案的1 階橋塔橫向振型，最早出現(xiàn)的階次不盡相同，方案1 和方案3出現(xiàn)在第5 階振型，方案2 出現(xiàn)在第7 階振型。方案1和方案3 的橋塔橫向振動(dòng)頻率相近，方案2 頻率最大。

表3 不同方案的動(dòng)力特性

4.3 橋塔內(nèi)力

對(duì)3 種方案進(jìn)行時(shí)程分析，分別取橋塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力進(jìn)行比較，截面編號(hào)參見圖3。以方案1橋塔內(nèi)力值作為基準(zhǔn)，求出其他方案的相對(duì)倍數(shù)，見表4。可知，方案1 和方案3 中塔（混凝土塔）彎矩和剪力明顯大于方案2中塔（鋼塔）的內(nèi)力值。

表4 縱向+豎向地震激勵(lì)下3種方案中塔內(nèi)力相對(duì)倍數(shù)

5 結(jié)論

1）中間混凝土塔+兩邊鋼塔與全混凝土塔相比，結(jié)構(gòu)體系剛度差別很小；全部采用鋼塔時(shí)，結(jié)構(gòu)體系剛度相對(duì)較小，但能滿足城際列車和汽車運(yùn)行安全性及舒適性要求；混凝土塔和鋼塔在外輪廓尺寸相同的前提下，中塔為混凝土塔時(shí)，混凝土應(yīng)力偏大。

2）混凝土塔抗震性能較差，鋼塔抗震性能較好。從橋塔受力角度而言，推薦采用全鋼塔方案。

3）橋塔采用鋼塔時(shí)，主橋結(jié)構(gòu)采用剛構(gòu)-連續(xù)梁體系，橋塔與主梁固結(jié)，鋼塔與鋼主梁連接細(xì)節(jié)處理較容易，斜拉索在鋼塔內(nèi)的錨固也較簡(jiǎn)單。

4）橋址位于入?？?，海上施工條件惡劣，工效低，采用鋼塔適應(yīng)性好，可采用整體吊裝方案，施工工期短，現(xiàn)場(chǎng)工作量與高空作業(yè)量少。