某大橋主橋橋塔方案優化方案比選分析

摘要：文章通過建立某大橋Midas Civil橋梁數值分析模型，分析了四種方案（方案Ⅰ～Ⅳ）下的橋塔塔柱內力、橋塔橫梁內力、橋塔抗彎性能，得出以下結論：方案Ⅳ為四種方案中受力性能最好的結構形式，但總造價最高，且施工難度較大；對比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ雖然結構的抗彎性能提高，且主梁的配筋率可以降低，但增加了一道橫梁，成本相較于方案Ⅰ分別增加了1.67%、4.22%；在受力分析驗算中，方案Ⅰ的上橫梁、上塔柱結構的受力較大，但經過增加配筋可以有效提高承載性能；結合安全性、經濟性、美觀性及適用性考慮，方案Ⅰ的橋塔結構形式較為合理。研究成果可以為同類型橋梁橋塔方案的選擇提供參考。

關鍵詞：高速鐵路；特大橋；橋塔；方案比選

0引言

對于斜拉橋，橋塔結構是橋梁結構中較為重要的受力構件，斜拉橋將橋面荷載沿著拉索結構傳入橋塔結構中，進而轉化為豎向荷載傳入承臺及樁基。因此，研究橋塔結構對于斜拉橋結構是較為關鍵的。

對于橋梁橋塔結構的研究目前已經取得了較為豐碩的研究成果，文望青等［1］分析了福州至廈門高速鐵路的泉州灣跨海大橋，通過對多個塔型方案進行設計和比選，最終確定橋塔采用貝殼造型的曲線H形塔；崔苗苗等［2］以甬舟鐵路富翅門公鐵兩用跨海大橋為研究對象，綜合考慮了結構受力、工程造價、景觀效果及施工便利性等因素，對橋塔方案進行了選擇，最終確定梭形橋塔較為合理；張德明［3］以濟南鳳凰黃河大橋主橋為研究對象，對橋塔結構進行靜力、穩定及動力分析；王念［4］以商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋主橋為研究對象，對橋塔環向預應力技術進行了分析；徐艷等［5］以某雙塔斜拉橋為研究對象，采用了振動臺試驗的研究方法觀測橋塔破壞過程，并對橋塔加速度和位移響應進行了分析；李浩［6］以廣州南沙港鐵路西江特大橋的高低塔斜拉橋為研究對象，分析了其受力特性及車橋動力響應；馬碧波等［7］以溫州甌江北口大橋主橋為研究對象，分析了橋梁結構的中塔應力分布，并結合數值模型分析了索鞍施工時的預偏量影響；賀鵬等［8］以嘉魚長江公路大橋主橋為研究對象，該橋結構形式為雙塔單側混合梁斜拉橋，對該橋塔結構結合斜拉索工作性能、受力狀況進行了分析。

基于前人的研究基礎，本研究擬建立Midas Civil橋梁數值分析模型，分別分析方案Ⅰ～Ⅳ在多遇、罕遇地震響應下的穩定性狀態。

1 工程概況

本工程以某大橋為研究對象。該特大橋橋址處的河道為航道主干道，規劃為Ⅴ級航道，如圖1所示為大橋主橋的布置方案，為（80+80+260+80+80）m雙塔、雙索面、半飄浮體系混合梁的斜拉橋結構，主梁為鋼-混混合箱梁結構。其中，梁體高度為4.25 m，梁體中間截面為鋼箱梁結構，兩端為混凝土箱梁結構，橋塔設計高度為101 m，橋塔基礎為樁孔灌注樁基礎+矩形承臺結構。橋梁的抗震烈度設計等級為Ⅷ級，該斜拉橋設計抗震烈度在國內同類型高速鐵路中處于較高水平。

橋塔是斜拉橋結構較為重要的受力部件，主要是將拉索傳遞的荷載轉化為豎向載荷傳入承臺及樁基。為了保證橋梁的抗震烈度、降低工程造價、降低施工難度，橋塔采用豎直上塔柱并結合橫向內傾下塔柱的結構。由于高設計抗震烈度對于橋塔的要求較高，結合設防烈度下的內力狀況，設計了4種橋塔形式（方案Ⅰ～Ⅳ）如圖2所示。對于方案Ⅰ，該橋塔為H形的結構形式；對于方案Ⅱ，該橋塔為方案Ⅰ的H形+中部1道橫梁的“井”形結構形式；對于方案Ⅲ，該橋塔為方案Ⅰ的H形+塔頂1道橫梁的門型結構形式；對于方案Ⅳ，該橋塔為方案Ⅱ的“井”型變形結構形式（上塔間距減小至8 m）。

2 橋塔方案比選

2.1 橋塔模型的建立

采用Midas Civil軟件對橋梁進行建模，分別分析4種方案在多遇、罕遇地震響應下的穩定性狀態。在4種方案的橋塔中，均在主橋設置縱向、橫向阻尼器，當在罕遇地震下，承受地震作用的主要為橫向鋼阻尼器結構。

2.2 橋塔內力分析

2.2.1 橋塔塔柱內力分析

選取橋梁結構的7個主要的點進行分析，對于計算截面的編號如表1所示，在罕遇地震作用下，4種方案下7個典型截面的縱向彎矩、橫向彎矩變化狀況如圖3所示。

分析圖3（a）中的縱向彎矩值變化狀況可以發現，對于4種方案，其典型截面最大縱向彎矩值基本無變化，表明最大縱向彎矩值基本不受橋塔塔形的影響。

分析圖3（b）中的橫向彎矩值變化狀況可以發現，方案Ⅱ為方案Ⅰ的H形+中部1道橫梁的“井”形結構形式，上塔柱底S5位置處的橫向彎矩值由方案Ⅰ的299.5 mN·m減小為方案Ⅱ的114.1 mN·m，減少了62.0%，下塔柱底S1位置的橫向彎矩值也略有減小，其余典型截面的橫向彎矩值基本無明顯變化；方案Ⅲ為方案Ⅰ的H形+塔頂1道橫梁的門型結構形式，上塔柱底S5位置處的橫向彎矩值由方案Ⅰ的299.5 mN·m減小為方案Ⅱ的194.4 mN·m，減小了35.1%，但上塔柱頂S7位置由于在塔頂設置了1道橫梁，出現了彎矩突然增大的情況，其余典型截面的橫向彎矩值相較于方案Ⅰ均略有減小；方案Ⅳ為在方案Ⅱ的“井”型變形結構形式的基礎上，將上塔間距減小至8 m，中塔柱底S3位置與中塔柱頂S4位置處的橫向彎矩值相較于方案Ⅱ均出現不同程度的減小，減小幅度約為30%，其余典型截面的橫向彎矩值與方案Ⅱ基本相同。

2.2.2 橋塔橫梁內力分析

選取橋梁結構的3個主要點進行分析，對于計算截面的編號如表2所示。在縱向罕見地震作用下，四種方案下3個典型截面的最大橫向彎矩值基本無變化，表明最大橫向彎矩值基本不受橋塔塔形的影響。最大縱向彎矩變化狀況如圖4所示。

分析圖4中的最大縱向彎矩值變化狀況可以發現，對于下橫梁根部L1位置與上橫梁根部L2位置，4種方案中最大縱向彎矩值由大到小依次為：方案Ⅰ、方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅳ，對于次上橫梁根部L3位置，3種方案最大縱向彎矩值由大到小依次為：方案Ⅱ、方案Ⅳ、方案Ⅲ；相較于方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ的上橫梁根部L2位置處的最大縱向彎矩值由454.7 mN·m分別降低至316.0 mN·m、356.3 mN·m，分別減小了30.0%、22.0%；相較于方案Ⅱ，方案Ⅲ的上橫梁根部L2位置處的最大縱向彎矩值由316.0 mN·m降低至260.5 mN·m，減小了18.0%。

總體分析認為，方案Ⅱ～Ⅳ的兩道上橫梁布置方案相較于方案Ⅰ的一道上橫梁布置方案可以有效降低橋塔塔柱、橫梁內力，但兩種橫梁布置方案的內力除了上塔柱底S5、上橫梁根部L2具有明顯差別外，其余典型截面的彎矩值差別較小。

2.3 橋塔抗彎性能分析

該橋的設計要求較高，基本原則為“中震彈性，大震可修”，即在小震及中震下的橋塔結構保持彈性的狀態、不發生塑性的破壞；在罕遇地震下，橋塔結構可發生小的塑性可修復的損傷變形，且在震后及修復過程中不影響車輛的通行。針對這一要求，該橋塔結構的分析采用彎矩-曲率的分析方法，在地震工況下，橋塔結構不同塔形下下塔柱的變形及內力差別較小，因而主要分析橋塔結構的中、上塔柱及橫梁結構的抗彎性能。對于模型中材料的選擇，混凝土采用C55等級的混凝土，鋼筋材料為HRB500級別鋼筋，預應力鋼筋為低松弛預應力鋼絞線。混凝土采用Mander模型，鋼筋、鋼絞線為強化階段的雙線性模型。

由于縱向地震對中、上塔柱彎矩的影響較小，因而，本研究主要分析在橫向地震下中、上塔柱彎矩的變化特征，選取中塔柱底S3、上塔柱底S5作為研究對象，分析其抗彎承載力。對于方案Ⅰ～Ⅳ工況下，中塔柱底S3的配筋分別為1.40%、1.40%、1.12%、0.96%，上塔柱底S5的配筋分別為1.84%、0.45%、1.03%、0.45%，模擬中、上塔柱底的抗彎性能，結果如表3所示。分析表3可以發現，在罕遇地震下，4種方案的最小抗彎安全系數為1.05，＞1.0，均能滿足抗彎性能的要求。

3 結語

本研究通過建立某大橋Midas Civil橋梁數值模型，分析了4種方案（方案Ⅰ～Ⅳ）下的橋塔塔柱內力、橋塔橫梁內力、橋塔抗彎性能，主要分析得到如下結論：

（1）方案Ⅳ為四種方案中受力性能最好的結構形式，但總造價最高，且施工難度較大；（2）對比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ雖然結構的抗彎性能有效提高且主梁的配筋率可以有效降低，但增加了一道橫梁，通過造價分析，4種方案的成本分別為933.2萬元、948.8萬元、972.6萬元、960.1萬元，成本相較于方案Ⅰ分別增加了15.6萬元、39.4萬元；（3）在受力分析驗算中，方案Ⅰ的上橫梁、上塔柱結構的受力較大，但經過增加配筋可以有效提高承載性能；（4）方案Ⅰ造型較為美觀、簡潔，與周邊建筑物風格較為統一。因而，結合安全性、經濟性、美觀性及適用性，考慮選取方案Ⅰ作為橋塔形式結構。

參考文獻：

［1］文望青，嚴 翯，曾甲華.福廈高鐵泉州灣跨海大橋橋塔設計［J］.世界橋梁，2020，48（S1）：7-11.

［2］崔苗苗，劉振標，王鵬宇.甬舟鐵路富翅門公鐵兩用跨海大橋橋塔設計［J］.世界橋梁，2020，48（S1）：40-46.

［3］張德明.濟南鳳凰黃河大橋主橋橋塔設計［J］.橋梁建設，2020，50（5）：84-89.

［4］王 念.商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋橋塔環向預應力技術［J］.橋梁建設，2019，49（4）：7-12.

［5］徐 艷，崔存玉.斜拉橋H形混凝土橋塔橫橋向地震破壞模式研究［J］.橋梁建設，2019，49（3）：29-33.

［6］李 浩.鐵路高低塔斜拉橋受力特性研究［J］.中國鐵道科學，2019，40（3）：54-59.

［7］馬碧波，葉雨清，白雨東，等.甌江北口大橋中塔設計及索鞍施工預偏量影響研究［J］.橋梁建設，2018，48（6）：41-46.

［8］賀 鵬，王成啟.嘉魚長江公路大橋橋塔設計［J］.橋梁建設，2018，48（4）：84-89.

作者簡介：李茂華（1988—），工程師，主要從事高速公路試驗檢測工作。