高速鐵路拱承斜拉橋橋塔形式和錨固構(gòu)造研究

李 浩

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510088）

現(xiàn)有斜拉橋橋塔形式多采用柱式、A型、鉆石型、倒Y 型以及H 型。拱形塔柱作為一種特殊的斜拉橋橋塔形式，對于斜向跨越既有交通具有較好的適應(yīng)性，且具有外形美觀、構(gòu)造簡單、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。但是其空間特性顯著，橋塔結(jié)構(gòu)空間受力復(fù)雜。目前針對拱塔斜拉橋的研究主要有拱塔線型研究［1?4］、結(jié)構(gòu)參數(shù)比選［5?7］、抗風(fēng)抗震研究［8?10］、錨固區(qū)受力分析［11?12］、施工控制等［13?15］。

跨深汕西高速公路廣汕鐵路主橋初步設(shè)計采用（32+160+32）m 拱承斜拉橋，主橋長225.8 m，如圖1所示。該鐵路大橋跨越G15 高速公路深汕西段，線路法線方向與高速公路夾角26°，高速公路按擴(kuò)建雙向8車道預(yù)留用地，高速公路正寬44 m。

圖1 廣汕鐵路大橋主橋示意圖

跨深汕西高速公路廣汕鐵路大橋是國內(nèi)第1 座鐵路拱承斜拉橋，雙線無砟軌道，設(shè)計速度350 km·h?1。主橋結(jié)構(gòu)為獨(dú)塔雙索面拱承斜拉橋，主梁全長采用縱肋倒置式鋼混組合梁。全橋共設(shè)13對空間斜拉索，索梁及索塔錨固均采用鋼錨箱。橋塔為拱形鋼塔，采用單箱三室截面。

拱承斜拉橋橋塔呈拱形布置，橫向跨越橋下既有交通，可有效解決橋梁結(jié)構(gòu)小角度低凈空邊界下的跨越難題。同時由于拱承斜拉橋橋塔橫向跨度大，斜拉索為大角度空間索，橋塔空間受力復(fù)雜，在恒載和活載作用下橋塔不僅承擔(dān)軸力，還需要承擔(dān)較大的橫向和縱向彎矩。

本文以跨深汕西高速公路新建廣州至汕尾鐵路特大橋?yàn)檠芯繉ο螅\(yùn)用Midas Civil軟件建立全橋分析模型，分析采用上塔柱分散錨固、塔頂集中錨固的拋物線和圓曲線橋塔的受力，進(jìn)行該橋橋塔形式和錨固構(gòu)造研究。

1 拱形塔塔型

對于拱承斜拉橋，塔底橫向間距大，常規(guī)的H形塔、鉆石形塔不再適用，而是采用拋物線和圓曲線橋塔。斜拉索塔上錨固形式分為塔頂集中錨固和上塔區(qū)分散錨固2 種。對于不同拱形塔而言，采用不同塔型和錨固方式對橋塔內(nèi)力影響不同，下面對拋物線和圓曲線2種塔型進(jìn)行分析研究。

1.1 拋物線拱形塔

拋物線拱形塔拱軸線型采用二次拋物線，塔底間距74 m，塔高55 m。斜拉索分別采用塔頂集中錨固和上塔柱分散錨固。

采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固和上塔區(qū)分散錨固的拋物線橋塔的2 個方案進(jìn)行分析，具體方案如下。

方案1：拋物線拱形塔+塔頂集中錨固。

方案2：拋物線拱形塔+上塔區(qū)分散錨固。

2個方案的分析模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 拋物線塔形+塔頂集中錨固三維模型

圖3 拋物線塔形+上塔區(qū)分散錨固三維模型

2 個方案內(nèi)力分析結(jié)果見表1。由表1可見：集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，集中錨固時彎矩數(shù)值更大，為分散錨固的9.7倍；集中錨固與分散錨固的塔底軸力、拱腳豎向力及橫向水平力基本相當(dāng)。

表1 方案1和方案2內(nèi)力分析結(jié)果

拋物線拱塔在塔頂處斜率為0，且沿塔高方向斜率不斷變化，集中錨固時，對橋塔直接產(chǎn)生的軸力效應(yīng)不明顯，彎矩效應(yīng)明顯，分散錨固時，由于斜率的變化，軸力產(chǎn)生的直接效應(yīng)較明顯，在分散錨固區(qū)域產(chǎn)生正彎矩，導(dǎo)致在塔頂產(chǎn)生反彎，但彎矩效應(yīng)不明顯。若橋塔拱軸線采用拋物線線形，上塔區(qū)采用分散錨固是較為合適的。

1.2 圓曲線拱形塔

圓曲線拱形塔拱軸線型采用2 段圓曲線相交而成，圓曲線半徑為166.45 m，塔底間距74 m，塔高55 m。采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固和上塔區(qū)分散錨固的圓曲線橋塔2個方案進(jìn)行分析，具體方案如下。

方案3：圓曲線拱形塔+塔頂集中錨固。

方案4：圓曲線拱形塔+上塔區(qū)分散錨固。

2個方案的分析模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 圓曲線塔形+塔頂集中錨固三維模型

圖5 圓曲線塔形+上塔區(qū)分散錨固三維模型

2個方案內(nèi)力分析結(jié)果見表2。

表2 方案3、方案4和方案5內(nèi)力分析結(jié)果

由表2可見：集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，分散錨固時彎矩數(shù)值更大，為集中錨固的1.8 倍；集中錨固與分散錨固的塔底軸力、拱腳豎向力及橫向力基本相當(dāng)。

圓曲線拱塔在塔頂處斜率不為0，且沿塔高方向斜率變化不大，集中錨固時，對橋塔直接產(chǎn)生的軸力效應(yīng)較明顯，彎矩效應(yīng)不明顯，分散錨固時，軸力與集中錨固基本相當(dāng)，在分散錨固區(qū)域產(chǎn)生正彎矩，導(dǎo)致在塔頂產(chǎn)生反彎。若橋塔拱軸線采用圓曲線線形，塔頂采用集中錨固或上塔區(qū)采用分散錨固都是合適的。

由圓曲線拱塔集中錨固受力可以看出，在橋塔中下部存在反彎，考慮將跨中1 對斜拉索沿橫向布置，既起到橫梁作用，減小主梁橫向變形，同時約束橋塔變形，減小橋塔內(nèi)力。

采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固的圓曲線橋塔的方案3 和設(shè)置橫向索的方案5（圓曲線拱形塔+設(shè)置橫向索）進(jìn)行分析。

方案5 的分析模型如圖6所示。方案5 內(nèi)力分析結(jié)果列于表2。

圖6 圓曲線塔形+設(shè)置橫向索三維模型

由表2可見：橫向索可有效減小橋塔的橫向變形，進(jìn)而減小塔柱的面內(nèi)彎矩約30%，結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)良好。

2 塔頂集束式錨固構(gòu)造及受力

對于鋼結(jié)構(gòu)拱形橋塔，斜拉索在塔上錨固可采用分散錨固或塔頂集中錨固，分散錨固構(gòu)造相對簡單，技術(shù)成熟，應(yīng)用較多，但在塔柱范圍內(nèi)需多次穿孔，對塔柱截面削弱較大，影響橋塔整體受力，且塔柱錨固處節(jié)段構(gòu)造多樣化，不利于塔柱節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)化制造和施工。采用塔頂集中錨固可有效解決上述問題，同時減少后期養(yǎng)護(hù)工作量，但應(yīng)用較少。本文提出一種構(gòu)造簡單且能適應(yīng)拱承斜拉橋的全新集束式錨固構(gòu)造，并針對該構(gòu)造進(jìn)行分析研究。

2.1 構(gòu)造

集束式錨固構(gòu)造為鑄焊組合結(jié)構(gòu)，由頂板、底板、側(cè)拉板、加勁板以及錨墊塊組成。底板由3 段圓弧組成，頂板與底板之間設(shè)置3 道側(cè)板，側(cè)拉板之間設(shè)置4 道加勁板，加勁板與鋼橋塔4 道腹板對應(yīng)，底板上設(shè)置4 個錨墊塊，斜拉索在塔頂集中錨固。底板及加勁板設(shè)有過人孔，供斜拉索錨固張拉及后期養(yǎng)護(hù)維修時人員通過。集束式錨固如圖7和圖8所示。

圖7 集束式錨固構(gòu)造三維圖

圖8 集束式錨固構(gòu)造內(nèi)部三維示意圖

側(cè)拉板、底板、頂板及加勁板均采用Q345qD鋼材，連接受力焊縫均采用全熔透焊接焊縫。錨墊塊采用鑄鋼件整體制作，材質(zhì)為采用ZG270-480H，與底板連接焊縫采用部分坡口焊縫。

2.2 受力分析

建立塔頂集束式錨固有限元模型，兩側(cè)拱塔節(jié)段長度8 m，其中拉索錨墊塊采用實(shí)體單元SOL?ID95 模擬，其余鋼塔、索冠板件及加勁肋采用殼單元SHELL63 模擬。集束式錨固構(gòu)造頂、底、側(cè)板厚度均為100 mm，隔板及塔壁厚度為40 mm，橋塔加勁肋及索冠入孔鑲邊為20 mm。有限元模型如圖9所示。

圖9 塔頂集束式錨固有限元模型

塔頂錨固構(gòu)造與橋塔之間通過共節(jié)點(diǎn)連接，錨墊塊與錨固構(gòu)造底板之間采用約束方程連接。邊界條件為約束橋塔節(jié)段邊緣所有節(jié)點(diǎn)的平動自由度，主力+附加力作用下各個拉索的最大索力見表3。按表3給出的最大索力均布加載到錨墊塊頂板。

表3 主力+附加力作用下拉索最大索力

圖10給出了集束式錨固的錨墊塊的應(yīng)力云圖。由圖10可見：錨墊塊頂面（拉索錨固面）應(yīng)力在15～40 MPa 之間；錨固塊底面應(yīng)力大部分在80～150 MPa之間，局部有應(yīng)力集中，達(dá)到225 MPa。

圖10 集束式錨固的錨墊塊Mises應(yīng)力云圖

圖11給出集束式錨固的應(yīng)力云圖。由圖11可見：集束式錨固底面與錨墊塊接觸處應(yīng)力較其他部位高，達(dá)到175 MPa；錨固底面及側(cè)面中部應(yīng)力較小，在20 MPa 以內(nèi)；側(cè)面兩側(cè)應(yīng)力在45 MPa左右。

圖11 塔頂集束式錨固的Mises應(yīng)力云圖

圖12給出了集束式錨固內(nèi)部隔板的應(yīng)力云圖。由圖12可見：隔板最大應(yīng)力位于最外側(cè)隔板的人孔倒角處，達(dá)到187 MPa，應(yīng)力由倒角處向遠(yuǎn)離人孔方向擴(kuò)散，隔板中部應(yīng)力較小，上下兩端應(yīng)力較大。

圖12 塔頂集束式錨固內(nèi)部隔板Mises應(yīng)力云圖

圖13給出了鋼塔節(jié)段的應(yīng)力云圖。由圖13可見：鋼塔節(jié)段及加勁肋應(yīng)力主要在70 MPa 左右，腹板與集束式錨固連接處存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力272 MPa。

圖13 鋼塔節(jié)段Mises應(yīng)力云圖

塔頂集束式錨固構(gòu)造主要傳力路徑為錨墊塊將索力傳遞給底板，底板通過側(cè)拉板傳遞給鋼塔節(jié)段，側(cè)拉板主要傳力集中在錨塊區(qū)域，側(cè)拉板中部應(yīng)力水平較低，集束式錨固與鋼塔節(jié)段連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)場，但均小于鋼材屈服強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）采用不同拱塔軸線線形時，拱塔高度相同的條件下，拱塔的軸力基本相當(dāng)，但彎矩差異較大，集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩，分散錨固時最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，且分散錨固時彎矩數(shù)值更大，拋物線形和圓曲線形塔采用分散錨固時的最大彎矩分別為采用集中錨固時的9.7和1.8倍。

（2）拱承斜拉橋采用拋物線拱形塔和圓曲線拱形塔均可行，拋物線橋塔采用上塔區(qū)分散錨固形式更為適宜，受力狀態(tài)更好。圓曲線橋塔采用塔頂集中錨固或上塔區(qū)分散錨固形式均合適；圓曲線拱形塔采用塔頂集中錨固的情況下，塔間設(shè)置橫向索可有效改善橋塔變形和內(nèi)力狀態(tài)。

（3）塔頂集束式錨固構(gòu)造傳力途徑明確，結(jié)構(gòu)受力合理，技術(shù)可行。

（4）拱承斜拉橋橋塔呈拱形布置，橫向跨越橋下既有交通，可有效解決橋梁結(jié)構(gòu)小角度低凈空邊界下的跨越難題，在特殊建橋條件下具有較高的推廣應(yīng)用價值。