花瓶形橋塔橫梁位置綜合比選

謝均勝

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)

斜拉橋結(jié)構(gòu)由橋塔、斜拉索和主梁組成。橋塔結(jié)構(gòu)類(lèi)型常用的有柱式、門(mén)式、花瓶形、A形、倒Y形及菱形等。柱式塔構(gòu)造簡(jiǎn)單，景觀單一，且承受橫向水平力的能力差。門(mén)式塔是由2根塔柱組成的門(mén)形框架，構(gòu)造較單柱復(fù)雜，但抵抗橫向水平荷載的能力較強(qiáng)，景觀效果一般。花瓶形、A形、倒Y形塔橫向剛度大，適合抗風(fēng)、抗震要求較高的大跨徑斜拉橋，且景觀效果好[1]。特別是花瓶形橋塔，塔身圓潤(rùn)，造型修長(zhǎng)優(yōu)美，古樸的造型與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，在塔柱側(cè)面曲線(xiàn)造型的配合下，整個(gè)橋塔徐緩柔和而上，圓潤(rùn)而生動(dòng)，使得微曲柔美的塔身與富有張力的斜拉索曲直有度，剛?cè)嵯酀?jì)，為近年來(lái)較多景觀斜拉橋青睞的橋塔結(jié)構(gòu)形式。

1 橫梁位置初選

花瓶形橋塔由左、右塔柱及連接2塔柱的橫梁組成，橫梁根據(jù)是否直接承受外荷載作用分為承重橫梁和非承重橫梁2種類(lèi)型。為突顯花瓶形橋塔簡(jiǎn)潔、通透、美觀的視覺(jué)效果，應(yīng)在合理受力范圍內(nèi)盡量減少橫梁的設(shè)置，并通過(guò)橫梁的優(yōu)化布置，襯托出花瓶結(jié)構(gòu)的象形效果。文中以某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)閷?shí)例，在對(duì)橋塔橫梁受力分析的基礎(chǔ)上兼顧橋梁景觀效果確定橫梁的布置[2]。

該橋?yàn)榭缭匠鞘袃?nèi)河的橋梁，橋位處河面寬約190 m，通航等級(jí)為內(nèi)河II級(jí)，通航凈空為150 m×10 m，前期經(jīng)多方溝通、方案比選，最終橋梁以1跨跨越通航水道的方式過(guò)河，橋跨組合為62.5 m +72.5 m +268 m，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋。因橋址處于城市西拓邊界范圍，為城市未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域之一，橋梁景觀性要求較高。斜拉橋橋塔是突出顯示斜拉橋景觀效果的主體，對(duì)斜拉橋的整體美學(xué)效果具有至關(guān)重要的影響，必須慎重選擇橋塔形狀，精心確定優(yōu)美的尺寸比例，因此曲線(xiàn)造型優(yōu)美的花瓶形橋塔成為本橋橋塔的首選。

本橋擬采用的花瓶形橋塔承臺(tái)以上橋塔總高152.2 m，橋面以上塔高約125 m，塔高和橋跨比約0.466，邊索與水平線(xiàn)夾角約27°。中塔柱和上塔柱順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.5 m。下塔柱縱橋向?qū)挾扔? m漸變至9 m，橫橋向?qū)挾扔?.5 m漸變至8 m。塔柱及橫梁均采用單箱單室矩形薄壁空心結(jié)構(gòu)[3]。

獨(dú)塔斜拉橋一般在下塔柱設(shè)置1道承重橫梁與縱梁組成墩、塔、梁固結(jié)的剛構(gòu)體系，由橋塔承擔(dān)縱橋向的水平作用力同時(shí)省去橋塔處的大型支座。為加強(qiáng)左、右塔柱之間的聯(lián)系，保證塔柱間結(jié)構(gòu)受力的整體性，同時(shí)突出花瓶形橋塔的瓶口造型，在塔頂附近往往會(huì)設(shè)置1道非承重橫梁，而在塔柱其他區(qū)域則根據(jù)實(shí)際受力需求考慮是否設(shè)置橫梁?，F(xiàn)從結(jié)構(gòu)造型和受力特性2個(gè)方面綜合考慮，提出下列3種橫梁布置方式，并對(duì)其受力狀態(tài)作定性分析比較[4-5]：

1) 僅在塔頂附近設(shè)置1道非承重橫梁，襯托花瓶形結(jié)構(gòu)的“瓶嘴”象形效果(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一)。

2) 在塔頂和上塔柱直線(xiàn)段末端各設(shè)置1道橫梁，同時(shí)突出花瓶的“瓶嘴”和“瓶頸”象形效果(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二)。

3) 設(shè)置2道橫梁，1道設(shè)置在塔頂，突出“瓶嘴”象形效果，另1道設(shè)置在上塔柱與中塔柱的虛交點(diǎn)(塔側(cè)瓶身曲線(xiàn)中點(diǎn))處(下文簡(jiǎn)稱(chēng)方案三)。

3種橫梁設(shè)置方式的橋塔立面圖布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋塔立面布置圖(單位：cm)

2 橫梁位置優(yōu)化

塔柱支承在厚6 m的承臺(tái)上，可假定塔底在承臺(tái)處固結(jié)，橋塔橫橋向則可簡(jiǎn)化為橫梁與左、右塔柱組成的平面框架受力體系，縱橋向可看作受斜拉索約束的懸臂受力結(jié)構(gòu)。橋塔上作用的主要荷載有自重力、主梁的恒載和活載。斜拉橋結(jié)構(gòu)的傳力模式是縱橋向，斜拉索將主梁荷載傳遞至塔柱，其中縱橋向水平力由前后跨互相平衡，不平衡部分則以塔柱彎矩和剪力的形式傳遞至基礎(chǔ)，豎向力則以塔柱的軸向力形式傳遞至基礎(chǔ)。橫向橋，斜拉索一端錨固在塔柱上，另一端錨固在主梁兩側(cè)面，受索塔拉索錨固點(diǎn)與主梁上的拉索錨固點(diǎn)不在同一條縱軸線(xiàn)而存在一定的橫向張角的影響，橫橋向塔柱除體現(xiàn)出與縱橋向相似的受力特征外，還受到拉索橫向張角產(chǎn)生的橫向力作用，該橫向力在橫橋向塔柱與橫梁組成的平面框架結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生剪力和彎矩。

通過(guò)midas Civil橋梁通用軟件建立橋塔與主梁的整體模型，并對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)在3種橫梁設(shè)置方式下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析比較。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定主梁荷載直接作用在下橫梁中點(diǎn)處，塔柱在承臺(tái)處固結(jié)。3種方案下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖2，內(nèi)力彎矩值匯總見(jiàn)表1。

圖2 橫梁內(nèi)力彎矩對(duì)比圖

表1 橋塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值匯總表

由圖2、表1可見(jiàn)，當(dāng)僅在塔頂附近設(shè)置1道橫梁時(shí)，上橫梁與下橫梁內(nèi)力彎矩峰值處于同一數(shù)量級(jí)，兩者彎矩值相當(dāng)。當(dāng)在上塔柱增設(shè)1道中橫梁后，下橫梁彎矩值較前者有小幅度降低，但降幅比例較小，而上橫梁彎矩值降幅則達(dá)到80%，同時(shí)橫梁受力情況由下緣受拉轉(zhuǎn)變?yōu)樯暇壥芾?。增設(shè)的中橫梁彎矩值雖與下橫梁彎矩值處于同一數(shù)量級(jí)，但彎矩值僅為后者的一半，由此可見(jiàn)，增設(shè)1道橫梁可大幅降低上橫梁的內(nèi)力彎矩值，使橫梁尺寸得于優(yōu)化。

當(dāng)中橫梁下移至上塔柱與下塔柱的虛擬交點(diǎn)位置處時(shí)，上橫梁彎矩值峰值進(jìn)一步降低，僅為方案二中的76%，方案一中的13.7%。下移后中橫梁彎矩值也僅為未下移時(shí)的58.3%，與此同時(shí)，塔柱底彎矩值也得到了改善，為中橫梁下移前的73%。

為直觀地判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值的變化，假定方案三內(nèi)力彎矩值均為1，轉(zhuǎn)化后的各方案彎矩值對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 橋塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值對(duì)比

由表2可知，3種橫梁設(shè)置方式下方案三的橫梁和塔柱的內(nèi)力彎矩值最小。優(yōu)化中橫梁的位置，可大幅降低橋塔橫梁的內(nèi)力彎矩，減小橫梁尺寸，減少結(jié)構(gòu)配筋。

斜拉橋的傳力路徑為拉索將橋面荷載傳遞至索塔，索塔再將作用力傳遞至基礎(chǔ)。在索塔傳力的過(guò)程中上塔柱和中塔柱因花瓶形“瓶頸”與“瓶身”的連接處存在一定的夾角，當(dāng)軸向力從上塔柱傳遞至中塔柱的過(guò)程中會(huì)在連接點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)橫向水平分力，該水平分力作用在塔柱與橫梁組成的平面框架結(jié)構(gòu)體系內(nèi)，等同于框架結(jié)構(gòu)受到一個(gè)橫向外力作用，受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 塔柱受力簡(jiǎn)圖注：F1-上塔柱傳遞軸向力；F2-軸向力的水平分力；F3-由上塔柱傳遞至中塔柱的軸向力。

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，水平力作用在框架結(jié)構(gòu)中間部分時(shí)，會(huì)對(duì)該框架體系產(chǎn)生一個(gè)額外的附加彎矩。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)力矩的分配規(guī)律，該彎矩會(huì)傳遞至橫梁，與橫梁原有的外荷載彎矩產(chǎn)生疊加[6-7]。當(dāng)將中橫梁位置優(yōu)化至兩塔柱的交點(diǎn)處時(shí)，橫向水平力軸向作用在中橫梁上，由左、右塔柱平衡，因偏載產(chǎn)生的不平衡力則由塔柱承擔(dān)傳遞至基礎(chǔ)。故在優(yōu)化橫梁布置后可呈現(xiàn)出橫梁彎矩峰值下降的趨勢(shì)，該中橫梁直接承受軸向壓力作用，實(shí)際屬于承重的壓桿橫梁類(lèi)型。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析可知，適當(dāng)增加橫梁道數(shù)可有效降低橫梁的內(nèi)力值，優(yōu)化塔柱橫梁尺寸。方案三中對(duì)橫梁位置優(yōu)化后，雖然橋塔的整體美觀性不如方案二，不能突出花瓶層次分明的效果，但大幅度降低了橋塔結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，使得橫梁尺寸得以?xún)?yōu)化，降低塔柱的施工難度及造價(jià)。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定角度考慮，大跨度斜拉橋，橋塔高度一般較高，并且承受較大的軸向力作用，在塔柱中間增設(shè)一道橫梁還可以減小塔柱的橫向計(jì)算長(zhǎng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止塔柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，在塔柱中間增設(shè)1道橫梁，以適當(dāng)?shù)木坝^犧牲以換取更為合理的結(jié)構(gòu)受力是有益的。

[1] 劉士林,王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 邵旭東,程翔云,李立峰.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].2版.北京：人民交通出版社，2012.

[3] 李翠霞,石建華.武漢二七長(zhǎng)江大橋橋塔設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪,2014(9):129-133.

[4] 葉文華,朱玉,吳勁兵,等.飛云江三橋橋塔內(nèi)力調(diào)控[J].中外公路,2008(5):185-188.

[5] 廖原.大跨度斜拉橋索塔受力分析[J].交通科技,2009(4):1-3.

[6] 楊吉新,程旭東,劉前瑞,等.斜拉橋鋼混橋塔溫度效應(yīng)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2016,40(3):402-406.

[7] 杜正國(guó).結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.