“心型索塔”斜拉橋縱向水平力傳遞設計方法研究

崔 斌, 曾文彬, 韓建南

(中鐵四局集團有限公司設計研究院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著交通事業的迅速發展,橋梁結構在交通中的重要性越來越明顯,在滿足橋梁結構的功能性及安全性的前提下,人們對橋梁的美觀要求越來越高,各種異型橋梁結構應運而生,隨著橋梁結構的復雜化程度不斷提高,造成結構受力更加復雜,為解決復雜結構所產生對結構不利的作用，需結合工程特點將作用力與結構相結合，采取合適的方式將力進行傳遞，減少對結構產生的影響。

1 概 述

1.1 項目概況

本項目位于南京市高淳區環湖線，路線全長9.818 km。其中花山特大橋跨越固城湖，主橋采用主跨 (100+50+100)m“心型索塔”四柱獨塔鋼箱梁斜拉橋，空間雙索面，接引橋處各設置 1 個交界墩。結構體系為塔、梁分離體系。

1.2 設計理念

本橋采用“心型索塔”斜拉橋，拱塔的曲線來源于對船帆造型的重新提煉(圖1)。從立面上看，索塔微微偏向一側，整體造型富有動感，猶如一艘行駛在固城湖上的帆船。斜拉索的巧妙設置既為橋梁提供了支承點，也建立了拱塔與主梁的視覺聯系，使橋梁的造型具有張力之美。本橋以帆船的形態呼應高淳發達的造船水運業，寓意揚帆起航，迎接八方來客。

1.3 結構布置

心形索塔外側斜拉索按扇形布置，索塔索面由 8 對高強度平行鋼絲拉索組成，共 2×8對斜拉索。心形索塔內側同樣布置 8 對高強度平行鋼絲拉索。為優化塔基內力，減少索塔變形，塔柱內布置系梁拉索，該拉索為 1 對高強度平行鋼絲拉索。

因本橋的獨塔斜拉結構索塔造型不對稱等原因，使得兩側拉索在主梁上的水平分力不平衡，為平衡此水平分力，避免主梁縱向飄移，需將上部結構的縱向水平力傳遞至下部結構。

圖1 造型提煉

2 整體分析

主橋采用主跨(100+50+100)m“心型索塔”獨塔鋼箱梁斜拉橋方案，空間雙索面，接引橋處各設置 1 個交界墩。結構體系為塔、梁分離體系。索塔采用“心型索塔”造型，塔上布置三處橫梁，分別為主梁提供豎向支承和縱向抗推支承。

MIDAS模型為空間梁結構體系，按照設計圖紙，建立全橋結構計算模型(圖2)。

圖2 MIDAS全橋結構分析模型

索塔采用鋼-混凝土組合塔柱。每側索塔由上、下拱塔組成。塔柱及主梁采用梁單元進行模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，通過施加初拉力來模擬索力的變化。

根據整體計算結構,索塔造型不對稱原因造成的水平支反力為22 126.6 kN。

根據結構造型特點，將水平抗推分別設置在1號及3號橫梁處進行計算，作用在1號橫梁時縱向水平力對左側每個下拱塔柱底所產生的彎矩達到83×103kN·m,所增加的彎矩值巨大，增加值約占原彎矩的50%，同理設置在3號橫梁，對右側每個下拱塔柱底所產生的彎矩與作用在1號橫梁處大致相當。由于本身索塔結構整體往右側傾斜，索塔結構自重、斜拉索拉力等荷載作用導致彎矩疊加。水平力作用于1號或3號橫梁都對索塔產生非常不利的影響。

當在1號橫梁或3號橫梁上設置牛腿將水平力傳至索塔處時，為消除該水平力對索塔產生的不利影響，需增大索塔截面，考慮橋梁結構造型的需求，索塔結構尺寸不宜過大，因此擬通過2號橫梁將水平力通過下拱塔傳遞至基礎。

3 局部分析

擬在主梁邊腹板下方布置鋼結構牛腿，通過豎直擺放的支座與下拱塔橫梁(2號橫梁 )連接，將此水平分力傳遞至基礎。對下拱塔等局部位置進行分析。初步擬定下拱塔結構為預應力混凝土結構，計算下拱塔混凝土結構應力狀態。

3.1 頻遇組合作用下混凝土截面應力分析結果

正截面混凝土壓應力驗算結果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應力σcc(14.45MPa)，滿足規范σcc≤0.7fck的要求，在下拱塔處與2號橫梁左側出現較大拉應力，達到3.557MPa，混凝土抗拉強度無法通過驗算(圖3)。

圖3 主塔下拱塔混凝土截面最大正應力分布(單位：MPa)

3.2 準永久組合作用下混凝土截面應力分析結果

正截面混凝土壓應力驗算結果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應力σcc(14.307MPa)，滿足規范σcc≤0.5fck的要求，在下拱塔處與2號橫梁左側出現較大拉應力，達到3.526MPa。混凝土抗拉強度無法通過驗算。

3.3 結果分析

根據計算結果顯示，在將縱向水平力傳遞至下拱塔后，對下拱塔產生的不利影響為：橫梁左側下拱塔截面出現很大的拉應力，且在適當增加截面尺寸后無法避免此拉應力的影響。根據結構造型要求，保證結構造型滿足預期效果，此處截面不宜增加太大。在保證結構受力與結構造型的雙重要求下，需對此截面材質進行調整。

4 構造、優化措施

根據預應力混凝土結構計算結果，下拱塔受較大拉應力，擬在下拱塔一定范圍內采用鋼結構(圖4)，通過增減鋼結構的長度，對比鋼結構與混凝土結構的受力情況,最終擬定鋼結構與混凝土結構劃分長度。

圖4 下拱塔鋼混結合設置圖

下拱塔與上拱塔結合部采用混凝土，中部采用鋼箱結構抵抗不平衡推力所產生的較大拉應力，分析結果如下：

4.1 混凝土截面應力分析

(1)頻遇組合作用下混凝土截面應力分析結果(圖5):

圖5 主塔下拱塔混凝土截面最大正應力分布(單位：MPa)

正截面混凝土壓應力驗算結果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應力σcc(14.28)，滿足規范σcc≤0.7fck的要求。

(2)準永久組合作用下混凝土截面應力分析結果，正截面混凝土壓應力驗算結果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應力σcc(13.97MPa)，滿足規范≤0.7fck的要求，未出現拉應力。

4.2 鋼結構部分應力分析結果

主塔下拱塔鋼結構部分應力驗算結果(圖6、圖7)表明：主塔下拱塔鋼結構部分最大組合應力138.8 MPa,小于規范要求295 MPa;最大剪應力31.9 MPa，小于規范要求170 MPa，滿足要求。

圖6 主塔下拱塔鋼結構部分組合應力(單位：MPa)

圖7 主塔下拱圈鋼結構部分剪應力(單位：MPa)

5 結束語

“心型索塔”四柱獨塔鋼箱梁斜拉橋由于結構本身的構造要求，導致結構受力不平衡，在滿足結構線型要求的情況下，水平力通過下拱塔拱形結構傳遞至基礎，可減少水平力產生的彎矩對索塔結構的影響。

此橋下拱塔結構由于承載較大的水平力。局部節段應力較大，采用鋼結構代替傳統預應力混凝土結構，能夠較好的解決局部應力超限的問題。

在特殊橋梁結構設計時，可根據橋梁自身特點，造型與力的有效的結合，能夠有效解決結構特殊性產生的力的影響。此方法可為類似橋梁提供參考。