單葉雙曲面獨(dú)柱塔雙幅四索面斜拉橋探討*

沙振方 秦韜睿

1.張家港保稅區(qū)金港建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 蘇州215633 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京211189

引言

隨著城市交通建設(shè)發(fā)展，城市斜拉橋需求越來越多，橋面寬度越來越大，景觀性要求越來越高［1－3］。城市寬幅雙索面斜拉橋的箱形加勁梁寬度較大，其橫向內(nèi)力和變形顯著增加，造成箱形加勁梁的橫向幾何尺寸增加，導(dǎo)致其吊裝施工難度增大［4－6］。

而獨(dú)柱塔雙幅四索面斜拉橋具有造型漂亮、基礎(chǔ)占地面積小、雙幅分離式箱形加勁梁吊裝施工方便和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理等優(yōu)點(diǎn)［7－10］。獨(dú)柱橋塔結(jié)構(gòu)是獨(dú)柱塔雙幅四索面斜拉橋非常重要的構(gòu)件，依據(jù)景觀性要求，本文借鑒廣州電視塔結(jié)構(gòu)的單葉雙曲面小蠻腰造型，提出一種單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋。

結(jié)合某200m ＋420m ＋200m城市寬幅斜拉橋的工程背景，開展單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋的幾何構(gòu)形研究，進(jìn)行工程參數(shù)設(shè)計(jì)，建立Midas有限元分析模型，開展靜力分析和動(dòng)力模態(tài)分析的研究，驗(yàn)證單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋的結(jié)構(gòu)合理性。

1 構(gòu)形研究

張家港雙山島的420m跨徑寬幅跨江斜拉橋，為了降低扁平鋼箱梁的橫向幾何尺寸，提升橋梁景觀性，采用單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式（圖1）。

圖1 雙幅四索面斜拉橋方案Fig.1 Scheme of double deck and four-cable stayed bridge

該斜拉橋的橋塔結(jié)構(gòu)是由單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔和倒喇叭狀薄壁墩兩者構(gòu)成（圖2），單葉雙曲面獨(dú)柱塔底部和倒喇叭狀薄壁墩兩者相交形成十字形下半部橋塔柱節(jié)段，在倒喇叭狀薄壁墩之上，擱置雙幅分離式箱形加勁梁橋面，受力可靠。

圖2 橋塔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch of bridge tower

單葉雙曲面獨(dú)柱塔橋塔底厚實(shí)，可保證獨(dú)柱橋塔結(jié)構(gòu)承載力；橋塔腰部細(xì)小，單葉雙曲面獨(dú)柱塔的變截面腰部與雙幅分離式箱形加勁梁橋面的隔離帶相配套，自然和諧，造型美觀，司機(jī)視野開闊；較寬的橋塔頂部，可方便斜拉索分散錨固。

單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔由花籃狀單葉雙曲面空間鋼筋網(wǎng)、焊接橢圓環(huán)箍筋、塔身混凝土、橢圓形鋼管立柱和管內(nèi)帶孔橫隔鋼板等構(gòu)成，其中，花籃狀單葉雙曲面空間鋼筋網(wǎng)和焊接橢圓環(huán)箍筋構(gòu)成鋼筋骨架（圖3），單葉雙曲面狀鋼筋骨架是塔柱結(jié)構(gòu)受力鋼筋，其中，橢圓形鋼管立柱設(shè)置在單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔的中央位置，內(nèi)部的橢圓形鋼管立柱兼作施工平臺(tái)的支撐支柱，澆筑塔身混凝土后，形成單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔。

圖3 空間鋼筋網(wǎng)Fig.3 reinforcement framework

與傳統(tǒng)的A字形或者鉆石形橋塔的寬幅雙索面斜拉橋相比，雙幅四索面斜拉橋結(jié)構(gòu)增加了100%纜索數(shù)量，大幅度提高了城市寬幅斜拉橋結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)剛度，左右雙幅分離式箱形加勁梁橋面同時(shí)吊裝，減輕了吊裝重量，降低了施工難度，加快了施工速度。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

規(guī)劃中的張家港雙山島某跨越長江夾江的斜拉橋，雙向八車道，公路一級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，主橋跨徑為200m ＋420m ＋200m 雙幅四索面雙塔斜拉橋，橋面總寬度為58m，左右兩幅鋼箱梁寬度均為23m，鋼箱梁梁高度為4m，左右幅鋼箱梁中間凈距為12m，四索面斜拉纜索斜吊雙幅主梁橋面，纜索間距為20m（圖4）。

圖4 總體布置（單位： m）Fig.4 General layout（unit：m）

在橋塔樁基礎(chǔ)承臺(tái)之上，施工單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔，橋塔柱總高為165m，其中，塔柱基礎(chǔ)頂面到鋼箱梁頂面高度為50m，鋼箱梁頂面到塔頂為115m。

單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔的腰橢圓尺寸為短軸10m長軸15m，底部橢圓尺寸為短軸20m 長軸30m，采用全高180m 的單葉雙曲面墩柱分割為90m ＋75m構(gòu)形。

花籃狀單葉雙曲面空間鋼筋網(wǎng)為144 根φ25的螺紋鋼筋，焊接橢圓環(huán)箍筋采用φ14＠150mm，塔身混凝土采用C50 高強(qiáng)混凝土，橢圓形鋼管立柱尺寸為短軸6m 長軸9m，鋼管壁厚為20mm，在纜索錨固區(qū)域，管內(nèi)帶孔橫隔鋼板間距為2m，其余部位管內(nèi)帶孔橫隔鋼板間距為4m，管內(nèi)帶孔橫隔鋼板的板厚為18mm。

倒喇叭狀薄壁墩和單葉雙曲面獨(dú)柱塔構(gòu)成雙幅四索面雙塔斜拉橋橋塔柱的十字形下半段塔身，單葉雙曲面形薄壁橋墩高度為50m，倒喇叭狀薄壁墩頂部橢圓形的幾何尺寸為短軸20m長軸50m，腰橢圓尺寸為短軸10m 長軸25m，采用全高80m 的單葉雙曲面墩柱分割為40m ＋10m 構(gòu)形，墩身混凝土采用C50 高強(qiáng)混凝土，倒喇叭狀薄壁墩上設(shè)置四個(gè)盆式支座，倒喇叭狀薄壁墩支撐雙幅分離式箱形加勁梁橋面。

雙幅四索面斜拉橋的邊墩和過渡輔助墩均采用單葉雙曲面形薄壁橋墩，單葉雙曲面形薄壁橋墩高度為50m，單葉雙曲面形薄壁橋墩頂部橢圓的幾何尺寸為短軸16m、長軸50m，腰橢圓尺寸為短軸8m長軸25m，采用全高80m的單葉雙曲面墩柱分割為40m ＋10m 構(gòu)形，墩身混凝土采用C40 高強(qiáng)混凝土。

雙幅四索面三塔斜拉橋纜索間距為20m，斜拉索采用1860 高強(qiáng)平行鋼絲纜索，塔端和梁端均采用鋼錨箱構(gòu)造，張拉端設(shè)在梁端，雙幅四索面空間纜索從橋塔支座位置到跨中位置斜拉纜索直徑為0.2m ～0.3m線性變化。

為了提高單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋的整體性，在左右兩幅鋼箱梁橋面之間，每隔開一定距離應(yīng)該設(shè)置一道連系梁。在抗震高烈度區(qū)連系梁間距密一些，在抗震低烈度區(qū)可以稀疏些，本橋每隔60m設(shè)置一道3m 寬的鋼箱梁連接左右兩幅鋼箱梁橋面。

3 受力性能分析

3.1 有限元建模

采用Midas軟件建模并計(jì)算，空間斜拉纜索采用索單元，橋塔、橋墩和雙幅分離式箱形加勁梁采用梁?jiǎn)卧?，單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋Midas有限元模型如圖5 所示。

圖5 Midas 有限元模型Fig.5 Midas finite element model

建模過程如下：按照零位移原則建模并施加相應(yīng)的自重荷載，給索單元設(shè)置初始應(yīng)變，不斷更新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和拉索單元初拉力來求平衡狀態(tài)。程序?qū)ο鄳?yīng)荷載工況進(jìn)行非線性分析，會(huì)產(chǎn)生位移和內(nèi)力，之后會(huì)將該內(nèi)力作為索單元的初拉力更新，通過反復(fù)的修正來使成橋狀態(tài)的有關(guān)控制參數(shù)滿足要求。

3.2 豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果

本設(shè)計(jì)橋梁為八車道斜拉橋，汽車活荷載按照一級(jí)公路橋梁荷載取值，附加恒荷載取值為5kN／m2。依據(jù)不利活荷載布置原則，汽車活荷載僅布置在中跨區(qū)域，豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知：最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，其數(shù)值為0.264m，滿足規(guī)范規(guī)定1／500 限值要求；纜索最大應(yīng)力為694.5MPa，橋塔最大應(yīng)力為58.1MPa，滿足限值要求；橋塔頂部縱向位移為0.049m，變形不大，表明單葉雙曲面狀獨(dú)柱塔的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)比較合理。

圖6 豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果（恒＋活）Fig.6 Calculation results under vertical load（dead load ＋live load）

3.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

基于Midas的非線性靜力分析和模態(tài)分析功能，進(jìn)行動(dòng)力模態(tài)分析，為了不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程，前9 階動(dòng)態(tài)模態(tài)特性見圖7。

由圖7 可知，第1 階振型為正對(duì)稱豎彎，頻率為0.512Hz；第9 階振型為扭轉(zhuǎn)振型，頻率為1.268Hz，各階振型的頻率數(shù)值均較高，表明本橋結(jié)構(gòu)空間剛度較好。

圖7 典型動(dòng)力模態(tài)Fig.7 Typical dynamic modes

整體來看，振型密集，出現(xiàn)明顯的振型分組現(xiàn)象，前8 階振型主要以側(cè)彎、豎彎振動(dòng)為主，直到第9 階才出現(xiàn)正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振型。扭彎頻率比值為2.48 較高，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性較好。

動(dòng)力模態(tài)分析表明，單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋橋塔側(cè)彎出現(xiàn)較早，其頻率相對(duì)較低，與傳統(tǒng)的A字形橋塔斜拉橋相比，其橫橋方向的結(jié)構(gòu)剛度和承載力會(huì)有較大幅度的降低，其橫橋方向的抗震性能也會(huì)有較大幅度的降低，因此，單葉雙曲面獨(dú)柱塔的雙幅四索面斜拉橋在抗震低烈度區(qū)的城市寬幅斜拉橋具有優(yōu)勢(shì)，在高烈度區(qū)城市寬幅斜拉橋不宜使用。

6 結(jié)語

1.單葉雙曲面獨(dú)柱塔橋塔底厚實(shí)，可保證獨(dú)柱橋塔結(jié)構(gòu)承載力，橋塔腰部細(xì)小，司機(jī)視野開闊；較寬的橋塔頂部，可方便斜拉索分散錨固。

2.單葉雙曲面獨(dú)柱橋塔的縱橋方向的截面高度有所增加，其縱橋方向的結(jié)構(gòu)剛度較大，在不利布置活荷載作用下，本橋跨中最大豎向位移僅為0.264m，滿足規(guī)范規(guī)定1／500 限值要求。

3.本橋一階振型為橋面梁豎彎，二階振型為橋塔測(cè)彎，表明該橋的側(cè)向剛度不弱；本橋直到第9 階才出現(xiàn)正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振型，扭彎頻率為1.268Hz較高，扭彎頻率比值為2.48 較高，表明本設(shè)計(jì)斜拉橋的抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性較好。