矮塔斜拉橋結構設計分析

韓 鋒

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1988年法國工程師Jacques Mathivat提出了矮塔斜拉橋橋型，并隨后在橋梁界得到推廣。歷經多年，矮塔斜拉橋在橋梁跨度、橋寬及結構形式、主梁材料等均朝著多元化發展。該橋型特點較明顯，塔矮、梁剛、索集中，屬于高次超靜定結構，其力學行為取決于梁、塔、索的剛度[1]。當橋梁跨越“U”型溝谷，溝內不允許設置橋墩，結合地形地質等條件，橋梁形式可優先選擇“T”型結構。本文以太和矮塔斜拉橋為例，對該類橋型設計要點進行簡要介紹[2]。

1 工程概況

1.1 依托工程簡介

堯山森林公園位于山西省臨汾市浮山縣城東隅，是浮山縣人民政府在堯廟遺址基礎上整合周邊旅游資源開發的一處大型景區。項目路線起點為承天門，途經承天門廣場、太和橋、石階步道至環形游步道出入口廣場，路線全長333.271 m。太和橋位于景區西側，經承天門廣場與浮山縣城堯山路構成景區出入口，橋梁長171.6 m。橋梁采用單塔柱兩跨矮塔斜拉橋形式，僅在墩頂負彎矩區段設置變截面，其余截面均采用等梁高形式。

圖1 項目地理位置圖

1.2 技術標準

a）設計荷載 人群3.5 kN/m2；

b）標準寬度 橋面凈-4 m；

c）地震設防烈度 Ⅷ度，基本地震動峰值加速度0.2g，特征周期0.35 s；

d）設計風速 27.7 m/s。

1.3 建設條件

人行橋為跨越一大型黃土沖溝而設。沖溝深度約50 m，寬度約150 m，兩側溝壁陡峭，溝底較平坦，總體呈“U”形峽谷狀。橋址屬于黃土沖溝地貌，地層地質以Q2粉質黏土為主。橋址位于臨汾地區，新構造運動強烈，歷史上曾多次發生大地震，未來也是地震危險區。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），橋址地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.2g。

2 橋型選擇

本著服務于森林公園，執行“安全、適用、經濟、美觀”的基本設計原則，并注重橋梁與環境的協調、與堯帝文化主題的協調，橋梁造型宜古樸、大方。根據建設條件和所處環境背景，設計思路有以下幾點：

a）橋址地質條件較差，尤其沖溝兩岸存在較厚的濕陷性黃土層，不適宜修建拱橋等單孔跨越沖溝、對兩岸地質條件要求較高的橋型。

b）橋梁跨越的沖溝深達50 m，架設難度大，橋梁方案需結合施工方案綜合考慮，減少施工投入。

c）橋址西側承天門已建成，其距離橋址較近，考慮橋型方案、施工方案需對其避讓。

d）盡量不采用鋼結構等現代工業產物，避免破壞景區復古風格。

e）橋面以上建筑，如索塔，不宜高過承天門，否則破壞周圍整體環境的協調性。

基于上述思路，對柔性懸索橋、預應力混凝土T構橋、預應力混凝土獨塔斜拉橋等方案進行研究論證后，綜合結構安全、景觀造型、施工難度、工程造價、后期維護等因素，推薦采用預應力混凝土獨塔部分（矮塔）斜拉橋，主跨為2×85 m。

圖2 推薦方案橋跨布置（單位：cm）

該方案采用兩孔跨越沖溝，主要施工工點位于溝底，上部主梁采用對稱懸臂現澆施工。利用斜拉橋索塔和拉索造型是本方案特色，索塔仿若古代牌樓，拉索猶如古琴弦，索塔高度盡量降低，以使牌樓造型高、寬比例協調，同時不超過仿古城樓高度，消除高索塔帶來的突兀感。工程造價估算831.99萬元。

推薦的預應力混凝土獨塔部分（矮塔）斜拉橋橋型以主梁為主要受力構件，少量拉索起到輔助作用，施工、養護難度較普通斜拉橋簡單、方便；該橋型利用拉索仿古琴弦，用索塔仿古牌樓，把結構受力和造型風格相統一，具有較強的景觀效果；采用對稱懸臂澆筑施工，適應深谷地形條件，施工工藝成熟、工點集中；該橋型獨墩兩跨，主要持力基礎位于溝底，基礎承載力、穩定性優于在溝底、溝壁設基礎的單跨或三跨及以上的橋梁方案。

圖3 推薦方案效果圖

3 結構設計

3.1 主梁

主梁采用預應力混凝土箱梁，單箱單室截面，全寬5.7 m。主梁標準梁高3.5 m，中間支點局部變高至6 m，變高段長23 m（一側），梁高按1.8次拋物線變化。主梁采用斜腹板，同時底板等寬度設計，因此主梁變高段腹板上段等厚度，下段變厚度。該構造設計具有以下優點[3]：

a）在主梁立面增加一條平直腰線，使主梁具有纖細的視覺引導效果，提升主梁美感。

b）增加腹板面外穩定性，使腹板厚度不受穩定性控制設計，提升結構效率。

c）主梁構造綜合了直腹板箱梁和斜腹板箱梁的特征，可施工性較強。

3.2 主塔

索塔采用門形框架式結構，塔肢為實心矩形截面，橫橋向尺寸為1 m，縱橋向尺寸由底部3.5 m按3次拋物線漸變至頂部5 m。索塔總高度17 m，塔柱兩肢間距4 m，通過橫梁連接，單肢橫橋向寬1.2 m。

圖4 主梁典型斷面（單位：cm）

圖5 主塔構造（單位：cm）

3.3 斜拉索

斜拉索采用250型-19環氧噴涂鋼絞線對稱布置于腹板內側。塔上錨固方式采用貫通錨，索鞍采用分絲管結構。梁上索間距12 m，塔上索間距2.5 m，全橋共計5對拉索。

3.4 主墩與基礎

橋墩總高38 m，采用單箱單室箱型截面。截面橫橋向尺寸6 m，沿墩高不變；縱橋向尺寸在上部28 m范圍內為4 m，在下部10 m范圍內由4 m線性變化為5 m。等截面段壁厚0.5 m，變截面段壁厚尺寸按照內輪廓不變的原則變化。橋墩承臺采用正八邊形，厚度4 m。橋墩基礎采用12根D150鉆孔灌注群樁基礎，樁長58 m。

4 主橋結構計算

本橋采用墩頂設置隔震支座的墩梁分離體系，全橋共20根斜拉索。根據結構布置和結構尺寸，取全橋結構進行分析。結構總體靜力計算分析采用空間計算軟件midas進行分析，主梁共劃分116節點，101單元。

圖6 結構計算圖示

4.1 結構體系分析

按主梁與墩的約束關系，本橋結構體系可選擇墩梁固結或墩梁分離（設支座）。主橋為獨墩對稱結構，靜力荷載作用下上述兩種結構體系的結構性能相近，但抗震性能具有較大差異。墩梁固結時，結構剛度大，上部結構慣性力大且全部傳遞給橋墩；墩梁間設抗震型固定支座時，結構剛度略有降低，但上部結構慣性力仍全部傳遞給橋墩，兩種約束方式均使橋墩地震力巨大，使下部結構工程規模急劇增加。

為減低工程規模，本橋采用減隔震設計，主要設計思路是通過墩頂設隔震支座，減少上部結構慣性力輸入橋墩；通過橋臺設黏滯阻尼器，限制墩頂隔震引發的梁端縱向大位移，同時消耗地震能量。小震作用下，墩頂隔震支座為固定支座；大震作用下，墩頂隔震支座限位裝置破壞，變為雙向活動支座[4]。

表1 不同結構體系結構動力特性對比

表2 不同結構體系地震反應對比

綜上分析，由于獨墩完全由地震力控制設計，為取得最大的結構效率，降低工程規模，本橋結構體系采用墩頂設隔震支座的墩梁分離體系。

4.2 減隔震系統

本橋在墩頂設隔震固定型盆式支座，設計目標為小震情況下保持固定，大震情況下變為雙向活動支座。

表3 隔震支座主要技術指標

表4 不同阻尼器參數地震反應

本橋兩端橋臺與主梁之間設縱向黏滯阻尼器共4套。黏滯阻尼器在緩慢加載的靜載作用下，如溫度變化、混凝土梁收縮徐變，可自由變形；在地震荷載作用下，黏滯阻尼器產生阻尼力，阻尼力的大小與阻尼器兩端相對速度相關，符合關系式：F=CVa，C為阻尼系數，a為速度指數。

通過不同阻尼器參數的地震反應分析可知，由于墩頂已設隔震支座，阻尼器對控制橋墩內力作用較小，但對控制上部結構位移有較大作用。阻尼系數越大，速度指數越高，位移越小，但阻尼力也相應變大，而這部分阻尼力將傳遞給橋臺，對橋臺受力不利。本橋選取C=200 kN·s/m，a=1的線性阻尼器，阻尼力較小，成本較低，且線性阻尼器制造難度低，可靠性好[5]。

4.3 上部結構靜力計算

上部主梁采用A類預應力構件設計，計算結果如表5。

表5 上部結構主要計算成果表 MPa

拉索應力按《公路斜拉橋設計細則》（JTG/T D65-01—2007）4.3.3條進行驗算，拉索容許應力采用0.6fpk，拉索容許拉力2 947 kN，設計最大拉力2 526 kN，滿足規范要求。即將出版的《公路斜拉橋設計規范》（JTG-T3365-01—2020）中對斜拉索采用容許應力法計算進行了修訂，要求拉索進行承載力計算。在恒活載比例為0.9/0.1～0.7/0.3時，換算后安全系數約為2.48～2.56，與原細則的安全水平基本相當。且矮塔斜拉橋以梁受力為主，拉索貢獻相對較小，應力幅也小。

4.4 下部結構抗震計算

本橋下部結構由抗震控制設計。根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008），本橋按C類橋梁進行抗震設計。由于采用了減隔震設計，將規范基于延性設計，E2地震作用下橋梁結構可發生損傷的抗震設防目標提高至E2作用下橋梁結構基本不損傷。

抗震計算分析采用midas civil軟件進行非線性動力時程分析，建立模擬黏滯阻尼器、隔震盆式支座、抗震盆式支座非線性模型，采用與規范反應譜兼容的3條人工地震波輸入（分別縱、橫橋向），并利用m法考慮樁土相互作用，土彈簧采用6自由度彈簧模擬。

表6 下部結構抗震設計主要計算成果表

5 結論

a）結合實際地形條件，采用預應力混凝土矮塔斜拉橋跨越U形溝谷，主要施工工點位于溝底，有效降低工程施工風險；利用索塔和斜拉索增添景區造型美；橋梁受力性能好，結構剛度大。隨著工程建設需求的多元化發展，受地形、跨度、凈空等因素制約，該橋型具有較大競爭優勢。

b）相比傳統連續剛構橋型及矮塔斜拉橋，充分發揮斜拉索的作用，可將混凝土矮塔斜拉橋等梁高直線段適當加長，梁高變化僅在墩頂負彎矩附近，對改善結構受力及配筋有利，同時同套模板重復，方便懸臂節段施工[6]。

c）對于受地震力控制設計的同類橋型而言，為取得最大的結構效率，降低工程規模，結構體系采用墩頂設隔震支座的墩梁分離體系是不錯的選擇。

d）由于墩頂設隔震支座的存在，阻尼器對控制橋墩內力作用較小，對控制上部結構位移有較大作用。阻尼系數越大，速度指數越高，位移越小，但阻尼力也相應變大。選擇阻尼力較小的阻尼器成本較低，線性阻尼器制造難度低，可靠性較好。