大跨徑懸索橋索塔結(jié)構(gòu)形式合理性分析

摘要：文章以潯江特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合考慮了地形、地貌、風(fēng)速、地震等條件，采用Midas Civil有限元分析軟件建立了空間有限元模型，對(duì)中央塔結(jié)構(gòu)形式與門型塔結(jié)構(gòu)形式的受力進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：主塔為中央塔空間結(jié)構(gòu)形式的纜懸索橋，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有豎向撓度小、橫向剛度大、抗風(fēng)特性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角均較小、行車舒適性良好。

關(guān)鍵詞：大跨徑懸索橋索塔；豎向撓度；垂跨比；邊中跨比；橫向剛度

中圖分類號(hào)：U448.25 A 29 096 6

0 引言

懸索橋是由承重纜索、索塔、錨碇、加勁梁以及吊桿等組成的組合結(jié)構(gòu)體系橋梁。大跨度懸索橋整體受力結(jié)構(gòu)屬于柔性索懸掛體系，在外荷載作用下索塔的幾何結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的變形。靜力和動(dòng)力分析是現(xiàn)代大型懸索橋設(shè)計(jì)理論的兩個(gè)主流方向，靜力分析主要包括加勁梁的撓度彎矩、塔頂水平位移及索塔截面彎矩等，動(dòng)力分析主要考慮結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性和地震強(qiáng)度等，影響這些力學(xué)特性的因素是多方面的［1］。

本文以擬建的潯江特大橋?yàn)橐劳?，通過Midas Civil有限元分析軟件建立有限元模型，結(jié)合懸索橋撓度理論和靜力分析方法，針對(duì)懸索橋在約束同等邊中跨比、垂跨比、加勁梁恒載集度、加勁箱梁結(jié)構(gòu)尺寸、加勁梁邊界約束、荷載組合工況、混凝土收縮徐變及索塔連接剛度等條件下，研究大跨度懸索橋在不同索塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力特性方面的力學(xué)參量變化，包括加勁梁活載撓度、橫向剛度、索塔軸力、主梁支點(diǎn)固有扭轉(zhuǎn)角等，作為懸索橋索塔結(jié)構(gòu)形式在懸索橋構(gòu)件設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)和內(nèi)容。索塔結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與選擇十分關(guān)鍵，不僅對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)剛度、受力狀況產(chǎn)生直接影響，還對(duì)橋梁后期建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)及成橋質(zhì)量有間接影響。

本文綜合相同工況荷載、纜索系統(tǒng)、錨碇基礎(chǔ)、地形地貌等因素，對(duì)不同索塔結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與研究，發(fā)現(xiàn)中央塔空間結(jié)構(gòu)的索塔結(jié)構(gòu)形式受力性能更加良好，可為同類型大跨徑懸索橋索塔方案的選取提供一定參考。

1 工程概況

潯江特大橋是梧州—玉林—?dú)J州高速公路（蒼梧至容縣段）在梧州市藤縣境內(nèi)跨越潯江河的一座特大懸索橋。橋位處于山區(qū)丘陵地帶，跨越潯江河，兩側(cè)橋臺(tái)均位于山坡上。橋梁采用正交布置，河道形態(tài)微彎，與橋軸線垂直相交。西岸為沖刷岸，東岸為堆積岸，東岸地勢(shì)較為平坦，有水田及民房。起點(diǎn)位于蒼梧縣嶺腳鎮(zhèn)上大義村附近至藤縣維定村附近，橋位與潯江交角接近于90°，江面寬約 1 020 m。北岸橋下同時(shí)跨越S304省道，橋頭為村莊和農(nóng)田；南岸在藤縣維定村附近，橋頭為村莊和果園，兩橋臺(tái)均落在山坡上。橋址地處河谷區(qū)，地形總體起伏不大，山勢(shì)較平緩，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度變化不大，下伏基巖性簡(jiǎn)單，但基巖面起伏較大，巖石風(fēng)化層厚度較厚，強(qiáng)風(fēng)化巖體裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。區(qū)內(nèi)地表水、地下水富水性不均，具微腐蝕性。橋位河段工程地質(zhì)條件為單一河段、河道寬闊，水流平順，水深充裕，河床穩(wěn)定，附近無易變的洲灘。

2 懸索橋主體結(jié)構(gòu)

2.1 總體布置和結(jié)構(gòu)體系

梧州—玉林—?dú)J州高速公路潯江特大橋?yàn)殚L(zhǎng)度 215 m+2× 520 m+385 m= 1 640 m的三塔兩跨懸索橋，分別采用中央塔平面纜和門形塔空間纜兩種結(jié)構(gòu)方案，在其他相對(duì)同等條件下對(duì)這兩種索塔方案進(jìn)行進(jìn)一步比選研究，見圖1。

索塔結(jié)構(gòu)分別分為門型索塔和中央索塔兩種方案。（1）門型索塔方案：主跨2× 520 m門形塔平面纜懸索橋方案，全橋跨徑布置為 200 m+2× 520 m+ 200 m；（2）中央索塔方案：主跨2× 520 m中央塔空間纜懸索橋方案，全橋跨徑布置為 200 m+2× 520 m+ 200 m。垂跨比均擬定為0.11，邊中跨比為0.38。

2.2 加勁梁

加勁梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁梁高為 3.0 m，全寬為 36.7 m（含檢修道），主纜橫向間距為 30.4 m。主梁形式共4種類型（A～D），77個(gè)梁段，其中A梁段（端部梁段）2段、B梁段（標(biāo)準(zhǔn)梁段）66段、C梁段（塔旁梁段）6段、D梁段（邊跨無吊索梁段）3段。單側(cè)頂板寬 13 m，風(fēng)嘴寬 2.184 m，平底板寬 8.468 m，外側(cè)斜底板寬 5.197 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng) 16 m，實(shí)腹式橫隔板間距為 3.2 m；橫向連接箱寬 2.5 m，高 3 m，橫隔板由上、下兩塊板豎向鋼板組焊組成。上下加勁鋼板采用水平全熔透焊接，橫隔板內(nèi)通過設(shè)置兩個(gè)高 1.8 m的半橢圓形人洞方便檢查車軌道。其中預(yù)留6處管線孔道，每個(gè)吊索截面處設(shè)橫向連接箱橋面鋪裝，暫推薦采用 0.75 m厚環(huán)氧瀝青混凝土方案。

2.3 纜索系統(tǒng)

全橋主纜共設(shè)兩根主纜，主跨側(cè)為平行纜，纜中心距為 27.7 m，邊跨側(cè)纜中心距為 28 m。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股法（PPWS）制作，由61股通長(zhǎng)索股組成，每根主纜有效面積為 0.124 7 m2。每根預(yù)制索股由相互平行的91絲、直徑為 5.35 mm的高強(qiáng)鋼絲組成。鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為 1 770 MPa，外表面鍍鋅-鋁合金鍍層防護(hù)。主纜空隙率索夾內(nèi)取19%、索夾外取22%，主纜經(jīng)索夾箍緊的直徑為 440 mm，索夾以外主纜直徑為 446 mm。

主纜索股兩端錨具為鋅銅合金灌注的熱鑄錨鋼，錨具結(jié)構(gòu)采用錨墊板+錨杯的鑄鋼件結(jié)構(gòu)體系，主纜防護(hù)采用S型鍍鋅鋼絲纏繞+干燥空氣除濕體系。為了保證S型鋼絲的密封性，在S型鋼絲外面纏繞橡膠密封帶進(jìn)行密封。

2.4 錨碇基礎(chǔ)

錨碇基礎(chǔ)采用大直徑樁+銑接頭方案，根據(jù)地形條件限制和結(jié)構(gòu)的受力需要，選擇強(qiáng)中風(fēng)化板作為持力層。樁基直徑為 3 m，共24根，基底嵌入中風(fēng)化巖層 ≥5 m。樁基之間采用銑槽機(jī)銑槽，形成二期槽段與樁基搭接，樁基與二期槽形成剪力墻，頂部設(shè) 7 m厚承臺(tái)，為主纜拉力提供足夠錨嵌深度。

3 建立有限元模型

該橋采用Midas Civil 2020軟件建立模型進(jìn)行有限元計(jì)算，針對(duì)門形塔平面纜索和中央塔空間纜索兩種方案。模型共958個(gè)節(jié)點(diǎn)，758個(gè)單元，按桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主梁、吊索采用桁架單元模擬，索塔、主纜采用梁?jiǎn)卧M。主索塔材料選用C50混凝土結(jié)構(gòu)，彈性模量為3.45× 104 MPa，泊松比取0.2；箱梁二期恒載取 68.74 kN/m；主纜、吊索均采用鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲，主纜彈性模量取1.95× 105 MPa，吊索彈性模量取2.05× 105 MPa，泊松比均取0.3。見圖2、圖3。

4 索塔結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力綜合分析計(jì)算

4.1 索塔荷載組合和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的規(guī)定，動(dòng)靜力分析計(jì)算主要考慮以下五種荷載組合工況：組合工況一（永久作用+汽車荷載）；組合工況二（永久作用+汽車荷載+溫度作用+活載縱風(fēng)）；組合工況三（永久作用+汽車荷載+溫度作用+活載橫風(fēng)）；組合工況四（永久作用+溫度作用+百年縱向風(fēng)）；組合工況五（永久作用+溫度作用+百年橫向風(fēng)）。主塔設(shè)計(jì)綜合考慮結(jié)構(gòu)永久作用（二期恒載+主梁二期恒載+結(jié)構(gòu)自重）、可變作用（汽車荷載+收縮徐變+支座摩阻力+永久作用）、偶然組合（船撞）和地震組合。索塔塔柱按照最大壓應(yīng)力≤ 19 MPa進(jìn)行控制，通過修改塔柱截面和塔柱壁厚，保證上、下塔柱的壓應(yīng)力水平基本相同。所得的塔柱壓應(yīng)力如下頁圖4～5所示［2］。

4.2 中央塔空間纜索結(jié)構(gòu)受力分析

（1）對(duì)中央索塔塔柱選擇塔底截面進(jìn)行截面極限承載力計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，中央塔承載能力Nr/軸力Nj最大比值為6.3，其豎向軸力最大值為 235 978 kN；豎向最大彎矩為 2 088 065 kN·m；承載能力最大值為 1 487 879 kN，見表1。

（2）由計(jì)算結(jié)果得知，在考慮最不利組合工況影響下，中央塔空間結(jié)構(gòu)正截面在組合工況下最大壓應(yīng)力為 21.4 MPa；加勁梁最大豎向彎矩為 82 670 kN·m，最大橫向彎矩為 56 208 kN·m；鋼箱梁下緣最大拉應(yīng)力為 165.4 MPa，最大壓應(yīng)力為 -187.8 MPa，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。在活載作用下加勁梁上撓最大值為 0.595 m，下?lián)献畲笾禐?-1.706 m，撓跨比為1/483，滿足規(guī)范＜ 1/250的要求。在百年風(fēng)作用下，加勁梁最大位移為 0.106 m，加勁梁橫向最小位移為 -0.106 m，撓跨比為1/ 4 906，滿足＜1/150的規(guī)范要求，見表2、表3。

4.3 門型塔平面纜索結(jié)構(gòu)受力影響分析

（1）對(duì)門型索塔塔柱選擇塔底截面進(jìn)行截面極限承載力計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，門型塔承載能力Nr/軸力Nj最大比值為5.9，其豎向軸力最大值為 192 432 kN，豎向最大彎矩為 1 288 910 kNm，承載能力最大值為 1 033 440 kN，見表4。

（2）由計(jì)算結(jié)果得知，在考慮最不利組合工況影響下，門型塔平面索塔結(jié)構(gòu)正截面在組合工況下最大壓應(yīng)力為 20.2 MPa；加勁梁最大豎向彎矩為 247 871 kN·m，最大橫向彎矩為 438 566 kN·m；鋼箱梁下緣最大拉應(yīng)力為 158.5 MPa，最大壓應(yīng)力為 -135.4 MPa，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。在活載作用下加勁梁上撓最大值為 0.717 m，下?lián)献畲笾禐?-1.430 m，撓跨比為1/364，滿足規(guī)范＜1/250的要求。在百年風(fēng)作用下，加勁梁橫向最大位移為 0.275 m，加勁梁橫向最小位移為 -0.275 m，撓跨比為1/ 1 891，滿足＜1/150的規(guī)范要求［3］，見下頁表5、表6。

5 索塔結(jié)構(gòu)形式受力綜合分析

通過Midas Civil 2020軟件計(jì)算得知，綜合分析六種基本工況，在最不利因素影響情況下，可以看出中央索塔結(jié)構(gòu)比門型塔結(jié)構(gòu)最大正拉應(yīng)力受力減少4.35%，最大壓應(yīng)力增加27.9%，加勁梁豎向位移量相對(duì)減弱12.02%。同等條件下加勁梁最大豎向彎矩減少 165 201 kN·m，最不利豎向恒載同比幅度減少66.64%。隨著中央塔結(jié)構(gòu)抗拉剛度的增大，加勁梁彎矩、豎向位移量、加勁梁跨中撓度和主纜位移都會(huì)隨之減少，說明索塔結(jié)構(gòu)形式的不同，箱梁所分配的荷載比例也會(huì)不同。主纜位移并沒有因索塔結(jié)構(gòu)豎向拉力增大而減小，變化幅度并不大，同時(shí)索塔高度減小，塔柱材料數(shù)量隨之減少，導(dǎo)致塔柱自重減小，其基礎(chǔ)、箱梁軸力亦減小，因此索塔結(jié)構(gòu)形式的變化對(duì)鋼箱梁受力的影響較大［4］。以上結(jié)果均滿足《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D65-05-2015），見圖6～7。

6 結(jié)語

綜上所述，在Midas Civil 2020軟件建模支持下，采用有限元分析方法，通過現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況反饋，結(jié)合懸索橋撓度理論和靜動(dòng)力分析方法，約束同等邊中跨比、垂跨比、加勁梁恒載集度、加勁箱梁結(jié)構(gòu)尺寸、加勁梁邊界約束、荷載組合工況及索塔連接剛度等條件，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過對(duì)中央塔結(jié)構(gòu)與門型塔結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式受力分析比對(duì)，考慮在六種工況下，中央塔結(jié)構(gòu)相對(duì)門型塔結(jié)構(gòu)的截面豎向軸力最大值高 43 546 kN，極限豎向軸力同比增長(zhǎng)幅度超22.63%；豎向最大彎矩高 799 155 kN·m，極限豎向彎矩同比增長(zhǎng)幅度超62%；極限承載能力高 454 439 kN；極限承載能力同比增長(zhǎng)幅度超43.97%；中央塔結(jié)構(gòu)Nr/Nj比值為6.3，門型塔結(jié)構(gòu)Nr/Nj比值為5.9，可見中央塔結(jié)構(gòu)抗軸向、豎向荷載及承載力更好，結(jié)構(gòu)受力更趨于穩(wěn)定，對(duì)加勁梁活載豎向位移包絡(luò)趨勢(shì)較小。

（2）中央塔結(jié)構(gòu)在百年橫風(fēng)作用下單向位移為 0.129 m，門型塔結(jié)構(gòu)單向位移為 0.21 m，這是由于中央塔結(jié)構(gòu)相對(duì)門型塔橫向剛度較大，故橫向位移量小。同時(shí)，中央塔加勁梁在百年橫風(fēng)作用下單向位移為 0.106 m，相比門型塔加勁梁，橫向位移量減少約25.28%。大跨徑中央塔懸索橋在大風(fēng)的激振作用下，主跨加勁箱梁往往承受豎向、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)四種空間位移耦合，風(fēng)速越大顫振臨界值越高，耦合情況決定于結(jié)構(gòu)幾何和支撐條件等因素。門型塔塔通常為空間彎扭耦合失穩(wěn)形態(tài)，而中央塔懸索橋結(jié)構(gòu)在大風(fēng)情況下空間彎扭耦合影響較小，其抗風(fēng)性能更加良好。

（3）大跨徑懸索橋中央塔結(jié)構(gòu)索塔在主梁二期恒載及汽車活載作用下整體結(jié)構(gòu)受力均勻，豎向撓跨比較小，符合相關(guān)規(guī)范要求。中央塔加勁梁豎向最大上撓值為 0.595 m，相比門型塔索塔結(jié)構(gòu)，豎向上撓值減少0.201%；中央塔豎向最大下?lián)现?-0.376 m，相比門型塔索塔結(jié)構(gòu)，豎向最大下?lián)现禍p少43.62%。

（4）大跨徑懸索橋中央塔結(jié)構(gòu)索塔處主梁支點(diǎn)固有扭轉(zhuǎn)角較小，行車舒適性良好，轉(zhuǎn)角幅值為 0.008 rad，同時(shí) 200 m過渡墩支點(diǎn)處主梁轉(zhuǎn)角幅值為 0.003 7 rad；相比門型塔索塔結(jié)構(gòu)橋塔處無豎向約束，主梁支點(diǎn)轉(zhuǎn)角幅值為 0.012 rad，同時(shí) 200 m過渡墩支點(diǎn)處主梁轉(zhuǎn)角幅值為 0.014 rad，中央塔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角減少50%， 200 m過渡墩支點(diǎn)處主梁轉(zhuǎn)角幅值減少16.67%。

（5）大跨徑懸索橋中央塔結(jié)構(gòu)具備外形優(yōu)美簡(jiǎn)潔，景觀效果好，施工安全系數(shù)高難度小，施工周期短等特點(diǎn)，而門型塔架結(jié)構(gòu)施工相對(duì)繁雜且施工周期較長(zhǎng)。因此潯江特大橋推薦采用跨徑布置為 215 m+2× 520 m+385 m=1 640 m的中央塔空間纜懸索橋方案。經(jīng)驗(yàn)算加勁梁撓度、索塔軸力、索塔位移、主梁橫向位移、主梁彎矩均符合規(guī)范要求。從全橋整體結(jié)構(gòu)受力分析、抗風(fēng)性能、行車舒適的角度考慮，同等跨徑下中央塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為安全、穩(wěn)定、合理。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-12-20