塔里木大橋主橋索塔設(shè)計(jì)

【摘" " 要】：針對(duì)雙柱式變截面弧線形混凝土塔柱受力狀態(tài)較為復(fù)雜的問(wèn)題，以塔里木大橋主橋?yàn)槔?，?duì)下橫梁設(shè)置方案、索塔曲線線形優(yōu)化以及中橫梁位置確定等問(wèn)題進(jìn)行分析比較。研究表明：取消下橫梁可降低索塔超靜定次數(shù)，對(duì)塔柱根部應(yīng)力的減小影響顯著；不同的曲線線形影響塔柱根部尺寸和整體受力；中橫梁的位置對(duì)塔柱橫橋向的變形影響明顯。綜合考慮受力狀態(tài)、位移變形、外形美觀等因素，最終確定合理的索塔結(jié)構(gòu)形式。

【關(guān)鍵詞】：斜拉橋；索塔；混凝土塔柱

【中圖分類號(hào)】：U443.38 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）01-18-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.005

Design of Main Bridge Pylon of Tarim River Extra Large Bridge

LIU Bohai，ZHAO Chuanliang

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392， China）

【Abstract】：Aiming at the complex stress state of double column variable cross-section curved concrete tower columns， this study takes the main bridge of Tarim Bridge as an example，analyze and compare the design process for the lower crossbeam setting scheme， optimization of the cable tower curve shape， and determination of the position of the middle crossbeam. Research has shown that removing the lower crossbeam can reduce the number of times the cable tower is statically indeterminate， and has a significant impact on reducing the stress at the root of the tower column; different curve shapes affect the root size and overall stress of tower columns; the position of the middle crossbeam has a significant impact on the deformation of the tower column in the transverse direction of the bridge. Taking into account factors such as stress state， displacement deformation， and aesthetic appearance， a reasonable form of cable tower structure is ultimately determined.

【Key words】： cable-stayed bridge；pylon；concrete tower columns

為適應(yīng)景觀造型需求，塔里木大橋索塔采用了斜拉橋較為少見的弧線形塔柱，其局部應(yīng)力較大，受力狀態(tài)較為復(fù)雜。本文以塔里木大橋主橋?yàn)檠芯勘尘?，?duì)雙柱式變截面弧線形混凝土塔柱的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究，綜合考慮受力狀態(tài)、位移變形、外形美觀等因素，解決索塔橫梁的設(shè)置及塔柱曲線線形等問(wèn)題，最終確定索塔的結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概況

塔里木大橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙跨斜拉橋，跨徑布置為41 m+168 m+168 m+41 m，采用半漂浮體系，縱向設(shè)置彈性限位裝置及黏滯阻尼器，橫向設(shè)置彈塑性鋼阻尼。主梁采用整體式扁平鋼箱梁，拉索采用平行鋼絲拉索，空間雙索面，扇形布置。主橋全寬36.5 m（含拉索錨固區(qū)），雙向6車道，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。

索塔是大橋主要的受力結(jié)構(gòu)，也是突出斜拉橋景觀效果的主體。索塔總高125 m，采用雙柱式變截面弧線形混凝土塔，造型為一座寶瓶。塔柱及塔上橫梁采用空心薄壁斷面，斜拉索在塔上采用鋼錨梁及混凝土錨塊兩種方式進(jìn)行錨固，塔身通過(guò)塔座與啞鈴形承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)相連。

2 索塔構(gòu)造分析比選

2.1 下橫梁設(shè)置

斜拉橋索塔通常在下塔柱設(shè)置共同承重橫梁，與塔柱共同對(duì)主梁起支承和約束作用。初步方案在索塔上設(shè)置了下橫梁作為承重橫梁。為加強(qiáng)塔柱間的橫向穩(wěn)定，保證結(jié)構(gòu)受力的整體性，同時(shí)突出寶瓶形索塔瓶頸的造型，設(shè)置了上橫梁和中橫梁兩道非承重橫梁。見圖1。

對(duì)設(shè)置上、中、下3道橫梁的索塔方案進(jìn)行有限元計(jì)算分析，結(jié)果表明塔柱根部應(yīng)力水平很高。這是因?yàn)橄滤叨刃。聶M梁、下塔柱和承臺(tái)形成的框架體系剛度大，使得結(jié)構(gòu)對(duì)溫度作用敏感；另外橫梁預(yù)應(yīng)力對(duì)塔柱根部的應(yīng)力也有貢獻(xiàn)。

從下橫梁著手，對(duì)索塔結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行優(yōu)化，研究是否設(shè)置下橫梁。比選方案1取消下橫梁，在索塔位置設(shè)置墩柱作為主梁下的支承結(jié)構(gòu)。見圖2。

取消下橫梁可降低索塔結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，大大減小結(jié)構(gòu)的框架效應(yīng)。

原方案與比選方案1的計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算表明，比選方案1中的索塔橫向位移降為原方案的89%，塔底拉應(yīng)力降為原方案的57%、壓應(yīng)力降為原方案的70%，優(yōu)化效果明顯。

2.2 索塔曲線線形優(yōu)化

斜拉橋索塔是以偏心為主的壓彎構(gòu)件，既要承受巨大的軸力，又要承受很大的彎矩。對(duì)于曲線造型索塔，既要符合美學(xué)要求，還要解決受力復(fù)雜的問(wèn)題；因此，選取合理的曲線線形是索塔設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

塔里木大橋?qū)毱吭煨偷乃魉峭怀鲲@示景觀效果的主體，既要體現(xiàn)曲線的韻律與美感，又不宜采用曲率隨塔柱高度不斷變化的曲線；選用圓曲線線形，景觀適宜性強(qiáng)的同時(shí)可降低塔柱施工的風(fēng)險(xiǎn)與難度。

索塔受力的理想狀態(tài)是以塔柱受壓為主，宜為小偏心受壓構(gòu)件，故在塔柱曲線擬定時(shí)，塔柱曲率大小應(yīng)適中，既要確保結(jié)構(gòu)受力安全，又要突出景觀協(xié)調(diào)性。

在比選方案1的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整塔柱的曲線半徑，形成新的方案。比選方案2增大了上塔柱的曲線半徑，減小了中塔柱和下塔柱的曲線半徑；比選方案3減小了上塔柱的曲線半徑，增大了中塔柱和下塔柱的曲線半徑。見圖3和圖4。

進(jìn)行有限元計(jì)算分析，曲線線形比選方案結(jié)計(jì)算結(jié)果見表2。

計(jì)算表明，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，比選方案2索塔根部應(yīng)力水平及彎矩值均有所增大，增幅范圍在8%～15%，比選方案3索塔根部應(yīng)力及彎矩值均有所降低，降幅范圍在12%～24%。由此可見，中下塔柱采用大半徑曲線，塔柱根部的內(nèi)力數(shù)值更小。與此相對(duì)應(yīng)，上塔柱采用小半徑曲線，塔柱整體線形更圓潤(rùn)柔美。

綜合考慮塔柱結(jié)構(gòu)受力與建筑美學(xué)效果，選擇比選方案3中的索塔方案。

2.3 中橫梁位置比選

取消下橫梁后，塔柱的橫向無(wú)支撐長(zhǎng)度較大，中橫梁位置的變化對(duì)于塔柱的變形及受力有較大影響。比選方案3中索塔的中橫梁至上橫梁的距離為22 m，分別對(duì)不同中橫梁位置的索塔進(jìn)行計(jì)算分析。見表3。

計(jì)算表明，中橫梁下移0～20 m范圍內(nèi)，移動(dòng)距離越大，在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，塔柱根部的應(yīng)力水平和彎矩值越小，受力狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)安全越有利。中橫梁下移5 m時(shí)，塔柱變形減小的幅度最大。此后隨著中橫梁的下移，塔柱變形及內(nèi)力減小的幅度趨于均勻。

雖然將中橫梁下移至距離上橫梁42 m的位置（比選方案4），塔柱的變形及內(nèi)力最小，但是中橫梁位置過(guò)低會(huì)淡化寶瓶的造型特征，影響索塔造型的美學(xué)效果。綜合考慮受力及索塔造型，將中橫梁位置下移4 m，即距離上橫梁26 m的位置（比選方案5）。見圖5和圖6。

3 索塔構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 塔柱

索塔最終設(shè)計(jì)方案采用雙柱式變截面弧線形混凝土塔，總高125 m，橋面至塔頂?shù)母叨葹?06.628 m，塔跨比為106/209=0.51。上塔柱橫橋向內(nèi)、外側(cè)輪廓曲線半徑均為180 m。中塔柱和下塔柱橫橋向外側(cè)輪廓曲線半徑為400 m，內(nèi)側(cè)輪廓曲線半徑為1 150 m。共設(shè)2道橫梁，上橫梁距離塔頂16.75 m，上、中橫梁間距26 m。見圖7。

塔柱采用矩形空心截面，考慮到索塔結(jié)構(gòu)受力安全及在塔內(nèi)設(shè)置鋼錨梁、施工機(jī)具、檢修梯道所需要的空間，塔柱在順橋向?qū)挾葹? m，橫橋向在索區(qū)寬為5 m，索區(qū)以下至塔柱根部橫向?qū)挾扔? m漸變到8.442 m；塔柱斷面壁厚在中、上塔柱為1 m，下塔柱加大至1.5～1.6 m。見圖8。

3.2 索塔錨固設(shè)計(jì)

索塔的拉索錨固構(gòu)造是將一個(gè)拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要受力構(gòu)造。該橋最下方的4排拉索與索塔豎直面的夾角較小，采用混凝土錨塊的方式直接錨固于塔壁，其余斜拉索的錨固采用鋼錨梁的結(jié)構(gòu)形式[1～2]。

鋼錨梁設(shè)置在塔壁內(nèi)側(cè)的混凝土牛腿上的滑板橡膠支座上，主要由錨墊板、承壓板、腹板、蓋板、橫隔板以及加勁板組成。斜拉索大部分的水平拉力由鋼錨梁承擔(dān)，不平衡的水平分力通過(guò)縱向擋塊和橫向限位擋塊傳至塔壁上。這樣塔壁承受的水平力將大大減小，也相應(yīng)減小了塔柱在平面框架內(nèi)的局部荷載及剪力彎矩。鋼錨梁采用箱形截面，截面尺寸為725 mm（高）×940 mm（寬），頂板厚30 mm，底板厚35 mm，腹板厚度為40 mm。為保證塔壁局部在更換拉索等特殊情況下受力安全，在拉索錨固區(qū)設(shè)置了一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼筋，井字形布置，采用?s15.2 mm鋼絞線。

3.3 索塔橫梁

索塔上橫梁和中橫梁均為A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，采用變高度空心箱形斷面。橫梁立面上、下外緣均采用圓弧曲線，上橫梁外緣曲線半徑為250 m，中橫梁曲線半徑300 m，斷面寬7.6 m，橫梁中心高4 m，順橋向和高度方向壁厚均為0.8 m。上橫梁共布置了10束22?s15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，中橫梁共布置了16束22?s15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。所有的預(yù)應(yīng)力鋼束均采用深埋錨工藝，以便于索塔混凝土模板的制作以及進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束封錨。

3.4 索塔塔冠

索塔塔冠橫截面的外輪廓尺寸與上塔柱相同，壁厚0.5 m，外側(cè)壁高4.5 m，內(nèi)側(cè)壁高0.5 m。塔冠以下設(shè)置1道0.5 m厚的隔板，為方便排水，其表面設(shè)置1%的單向橫坡且在靠近道路設(shè)計(jì)中線側(cè)布置2個(gè)?10 cm的泄水孔。隔板設(shè)置1.5 m×1 m的過(guò)人孔，以便于施工和后期養(yǎng)護(hù)維修。

3.5 索塔附屬

斜拉橋索塔為高聳建筑物，為了方便維修養(yǎng)護(hù)塔上錨頭及其他構(gòu)件，塔柱內(nèi)設(shè)置了檢修鋼爬梯，沿塔柱內(nèi)壁布置。拉索錨固區(qū)范圍在每個(gè)錨點(diǎn)均設(shè)置了檢修平臺(tái)，拉索錨固區(qū)以下間隔6 m設(shè)置一個(gè)休息平臺(tái)。爬梯及平臺(tái)的布置除滿足檢修人員上下外，還考慮檢修用設(shè)備的垂直搬運(yùn)需要。

為避免因遭雷擊而造成索塔破壞，塔頂設(shè)置安裝2套預(yù)放電型避雷針，高3 m。塔頂邊緣設(shè)置避雷帶，利用索塔豎向主筋作為引下線，通過(guò)承臺(tái)、樁基引出接地。為防止側(cè)擊雷，在索塔塔柱沿高度方向每隔6 m設(shè)置一組均壓環(huán)，均壓環(huán)與作為引下線的鋼筋可靠連接。

根據(jù)航空管理要求，在索塔頂部設(shè)置安裝1組4套中光強(qiáng)A型航空障礙燈（航空白色），塔頂向下45 m處設(shè)置1組4套中光強(qiáng)B型航空障礙燈（航空紅色）。每組燈具均設(shè)置在索塔結(jié)構(gòu)的四角外側(cè)。

4 索塔整體受力分析

索塔是通過(guò)斜拉索將上部結(jié)構(gòu)的永久荷載、汽車荷載和人群荷載傳遞給基礎(chǔ)，同時(shí)承受并傳遞溫度作用、風(fēng)荷載、地震作用等自然界外力[3]。

該橋索塔是由塔柱、橫梁構(gòu)成的空間框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用的作用除永久作用、汽車荷載和溫度作用外還包括：

1）風(fēng)荷載，阿拉爾地區(qū)百年一遇設(shè)計(jì)基本風(fēng)速約為30.2 m/s，基本風(fēng)壓約為0.5 kN/m2；

2）地震作用，50 a超越概率10%（E1）水平下，地震動(dòng)峰值加速度為0.135g；100 a超越概率5%（E2）水平下，地震動(dòng)峰值加速度為0.220g。

分別對(duì)施工過(guò)程中的獨(dú)立索塔和全橋進(jìn)行整體計(jì)算。按照施工過(guò)程進(jìn)行模擬，獨(dú)立索塔計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)荷載，全橋計(jì)算時(shí)考慮成橋后所有可能的荷載作用進(jìn)行組合。計(jì)算分析過(guò)程共考慮3種荷載工況：

1）工況1（獨(dú)立索塔計(jì)算）為結(jié)構(gòu)重力+預(yù)應(yīng)力+風(fēng)荷載；

2）工況2（全橋計(jì)算）為結(jié)構(gòu)重力+預(yù)應(yīng)力+基礎(chǔ)變位作用+汽車荷載+人群荷載+風(fēng)荷載+溫度作用；

3）工況3（全橋計(jì)算）為結(jié)構(gòu)重力+預(yù)應(yīng)力+地震作用[4]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大內(nèi)力出現(xiàn)在塔柱根部。見表4。

工況3中地震作用參與的荷載組合下橋塔內(nèi)力最大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，塔柱橫橋向受力截面頂?shù)撞颗渲弥睆綖?2 mm的束筋，2根組成一束，間距15 cm布置（局部有調(diào)整），在塔底附近束筋增加為3根；塔柱順橋向受力截面頂?shù)撞颗渲弥睆綖?2 mm的束筋，2根組成一束，間距15 cm布置（局部有調(diào)整）；箍筋采用直徑25 mm的鋼筋，間距15 cm布置，在塔底及近中橫梁處間距加密至10 cm。

5 索塔施工

主塔高125 m，其中塔座高5 m、下塔柱高21 m、中塔柱高58 m、上塔柱高36.5 m、塔冠高4.5 m。根據(jù)塔柱曲線外形變徑點(diǎn)和中、上橫梁位置及現(xiàn)場(chǎng)材料，塔柱劃分標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高為4.5 m。

索塔施工共分28個(gè)施工節(jié)段，下塔柱起步階段采用翻模法施工，下塔柱、中塔柱及塔冠采用液壓自爬模法施工。下塔柱施工設(shè)置4道水平橫撐，中塔柱施工設(shè)置1道水平橫撐。

橫梁與塔柱同步施工，中、上橫梁混凝土均分兩次澆筑。橫梁支架采用懸空貝雷梁支架，貝雷梁搭設(shè)在錨固于兩側(cè)塔柱的懸臂式三角架上。在橫梁模板安裝前，需要對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，消除非彈性變形并測(cè)定彈性變形量。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理的橫梁布置及索塔曲線線形的擬定，很好地滿足了主塔受力需求，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司. 公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3365-01—2020 [S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]張奇志，尹夏明，鄭舟軍. 鋼錨梁索塔錨固區(qū)受力機(jī)理分析與約束方式比選[J]. 橋梁建設(shè)，2012，42（6）：50-56．

[3]田文民，王江波，馮云成，等. 廈漳跨海大橋南汊主橋橋塔設(shè)計(jì)[J]. 橋梁建設(shè)，2013，43（4）：33-38．

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

收稿日期：2023-11-06

作者簡(jiǎn)介：劉博海（1983 - ）， 男， 碩士， 天津市人， 正高級(jí)工程師， 從事橋梁結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。