大跨徑懸索橋索塔結構形式合理性分析

摘要：文章以潯江特大橋為研究對象，綜合考慮了地形、地貌、風速、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，對中央塔結構形式與門型塔結構形式的受力進行對比分析。結果表明：主塔為中央塔空間結構形式的纜懸索橋，結構系統具有豎向撓度小、橫向剛度大、抗風特性好等優點，同時結構轉角均較小、行車舒適性良好。

關鍵詞：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：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構體系橋梁。大跨度懸索橋整體受力結構屬于柔性索懸掛體系，在外荷載作用下索塔的幾何結構將產生一定的變形。靜力和動力分析是現代大型懸索橋設計理論的兩個主流方向，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，動力分析主要考慮結構抗風穩定性和地震強度等，影響這些力學特性的因素是多方面的［1］。

本文以擬建的潯江特大橋為依托，通過Midas Civil有限元分析軟件建立有限元模型，結合懸索橋撓度理論和靜力分析方法，針對懸索橋在約束同等邊中跨比、垂跨比、加勁梁恒載集度、加勁箱梁結構尺寸、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構的動靜力特性方面的力學參量變化，包括加勁梁活載撓度、橫向剛度、索塔軸力、主梁支點固有扭轉角等，作為懸索橋索塔結構形式在懸索橋構件設計中的重要依據和內容。索塔結構方案設計與選擇十分關鍵，不僅對懸索橋結構剛度、受力狀況產生直接影響，還對橋梁后期建設、運營維護及成橋質量有間接影響。

本文綜合相同工況荷載、纜索系統、錨碇基礎、地形地貌等因素，對不同索塔結構方案進行數據分析與研究，發現中央塔空間結構的索塔結構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—欽州高速公路（蒼梧至容縣段）在梧州市藤縣境內跨越潯江河的一座特大懸索橋。橋位處于山區丘陵地帶，跨越潯江河，兩側橋臺均位于山坡上。橋梁采用正交布置，河道形態微彎，與橋軸線垂直相交。西岸為沖刷岸，東岸為堆積岸，東岸地勢較為平坦，有水田及民房。起點位于蒼梧縣嶺腳鎮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。北岸橋下同時跨越S304省道，橋頭為村莊和農田；南岸在藤縣維定村附近，橋頭為村莊和果園，兩橋臺均落在山坡上。橋址地處河谷區，地形總體起伏不大，山勢較平緩，區內覆蓋層厚度變化不大，下伏基巖性簡單，但基巖面起伏較大，巖石風化層厚度較厚，強風化巖體裂隙較發育，巖體較破碎。區內地表水、地下水富水性不均，具微腐蝕性。橋位河段工程地質條件為單一河段、河道寬闊，水流平順，水深充裕，河床穩定，附近無易變的洲灘。

2 懸索橋主體結構

2.1 總體布置和結構體系

梧州—玉林—欽州高速公路潯江特大橋為長度 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構方案，在其他相對同等條件下對這兩種索塔方案進行進一步比選研究，見圖1。

索塔結構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構，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個梁段，其中A梁段（端部梁段）2段、B梁段（標準梁段）66段、C梁段（塔旁梁段）6段、D梁段（邊跨無吊索梁段）3段。單側頂板寬 13 m，風嘴寬 2.184 m，平底板寬 8.468 m，外側斜底板寬 5.197 m。標準梁段長 16 m，實腹式橫隔板間距為 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，橫隔板內通過設置兩個高 1.8 m的半橢圓形人洞方便檢查車軌道。其中預留6處管線孔道，每個吊索截面處設橫向連接箱橋面鋪裝，暫推薦采用 0.75 m厚環氧瀝青混凝土方案。

2.3 纜索系統

全橋主纜共設兩根主纜，主跨側為平行纜，纜中心距為 27.7 m，邊跨側纜中心距為 28 m。主纜采用預制平行鋼絲索股法（PPWS）制作，由61股通長索股組成，每根主纜有效面積為 0.124 7 m2。每根預制索股由相互平行的91絲、直徑為 5.35 mm的高強鋼絲組成。鋼絲標準強度為 1 770 MPa，外表面鍍鋅-鋁合金鍍層防護。主纜空隙率索夾內取19%、索夾外取22%，主纜經索夾箍緊的直徑為 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，錨具結構采用錨墊板+錨杯的鑄鋼件結構體系，主纜防護采用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行密封。

2.4 錨碇基礎

錨碇基礎采用大直徑樁+銑接頭方案，根據地形條件限制和結構的受力需要，選擇強中風化板作為持力層。樁基直徑為 3 m，共24根，基底嵌入中風化巖層 ≥5 m。樁基之間采用銑槽機銑槽，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 7 m厚承臺，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軟件建立模型進行有限元計算，針對門形塔平面纜索和中央塔空間纜索兩種方案。模型共958個節點，758個單元，按桿系結構進行分析，主梁、吊索采用桁架單元模擬，索塔、主纜采用梁單元模擬。主索塔材料選用C50混凝土結構，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 索塔結構動靜力綜合分析計算

4.1 索塔荷載組合和結構參數設定

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的規定，動靜力分析計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）；組合工況三（永久作用+汽車荷載+溫度作用+活載橫風）；組合工況四（永久作用+溫度作用+百年縱向風）；組合工況五（永久作用+溫度作用+百年橫向風）。主塔設計綜合考慮結構永久作用（二期恒載+主梁二期恒載+結構自重）、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力≤ 19 MPa進行控制，通過修改塔柱截面和塔柱壁厚，保證上、下塔柱的壓應力水平基本相同。所得的塔柱壓應力如下頁圖4～5所示［2］。

4.2 中央塔空間纜索結構受力分析

（1）對中央索塔塔柱選擇塔底截面進行截面極限承載力計算，由計算結果可知，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）由計算結果得知，在考慮最不利組合工況影響下，中央塔空間結構正截面在組合工況下最大壓應力為 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力為 165.4 MPa，最大壓應力為 -187.8 MPa，應力均滿足規范要求。在活載作用下加勁梁上撓最大值為 0.595 m，下撓最大值為 -1.706 m，撓跨比為1/483，滿足規范＜ 1/250的要求。在百年風作用下，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的規范要求，見表2、表3。

4.3 門型塔平面纜索結構受力影響分析

（1）對門型索塔塔柱選擇塔底截面進行截面極限承載力計算，由計算結果可知，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）由計算結果得知，在考慮最不利組合工況影響下，門型塔平面索塔結構正截面在組合工況下最大壓應力為 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力為 158.5 MPa，最大壓應力為 -135.4 MPa，應力均滿足規范要求。在活載作用下加勁梁上撓最大值為 0.717 m，下撓最大值為 -1.430 m，撓跨比為1/364，滿足規范＜1/250的要求。在百年風作用下，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的規范要求［3］，見下頁表5、表6。

5 索塔結構形式受力綜合分析

通過Midas Civil 2020軟件計算得知，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構比門型塔結構最大正拉應力受力減少4.35%，最大壓應力增加27.9%，加勁梁豎向位移量相對減弱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%。隨著中央塔結構抗拉剛度的增大，加勁梁彎矩、豎向位移量、加勁梁跨中撓度和主纜位移都會隨之減少，說明索塔結構形式的不同，箱梁所分配的荷載比例也會不同。主纜位移并沒有因索塔結構豎向拉力增大而減小，變化幅度并不大，同時索塔高度減小，塔柱材料數量隨之減少，導致塔柱自重減小，其基礎、箱梁軸力亦減小，因此索塔結構形式的變化對鋼箱梁受力的影響較大［4］。以上結果均滿足《公路懸索橋設計規范》（JTG/D65-05-2015），見圖6～7。

6 結語

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

（1）經過對中央塔結構與門型塔結構結構形式受力分析比對，考慮在六種工況下，中央塔結構相對門型塔結構的截面豎向軸力最大值高 43 546 kN，極限豎向軸力同比增長幅度超22.63%；豎向最大彎矩高 799 155 kN·m，極限豎向彎矩同比增長幅度超62%；極限承載能力高 454 439 kN；極限承載能力同比增長幅度超43.97%；中央塔結構Nr/Nj比值為6.3，門型塔結構Nr/Nj比值為5.9，可見中央塔結構抗軸向、豎向荷載及承載力更好，結構受力更趨于穩定，對加勁梁活載豎向位移包絡趨勢較小。

（2）中央塔結構在百年橫風作用下單向位移為 0.129 m，門型塔結構單向位移為 0.21 m，這是由于中央塔結構相對門型塔橫向剛度較大，故橫向位移量小。同時，中央塔加勁梁在百年橫風作用下單向位移為 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的激振作用下，主跨加勁箱梁往往承受豎向、縱向、橫向、扭轉四種空間位移耦合，風速越大顫振臨界值越高，耦合情況決定于結構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形態，而中央塔懸索橋結構在大風情況下空間彎扭耦合影響較小，其抗風性能更加良好。

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

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

（5）大跨徑懸索橋中央塔結構具備外形優美簡潔，景觀效果好，施工安全系數高難度小，施工周期短等特點，而門型塔架結構施工相對繁雜且施工周期較長。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。經驗算加勁梁撓度、索塔軸力、索塔位移、主梁橫向位移、主梁彎矩均符合規范要求。從全橋整體結構受力分析、抗風性能、行車舒適的角度考慮，同等跨徑下中央塔結構設計較為安全、穩定、合理。

參考文獻

［1］陳 策，鐘建馳.三塔懸索橋垂跨比變化對結構靜動力特性的影響［J］.橋梁建設，2008（6）：12-17.

［2］JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］王雨威，殷永高，任偉新.變截面梁與自錨式懸索組合體系橋梁參數分析［J］.中外公路，2020（10）：54-57.

［4］李 杰，鄭凱鋒，謝尚英，等.自錨式懸索橋拱形橋塔施工過程及橋塔橫梁優化研究［J］.公路，2006（1）：24-28.

收稿日期：2022-12-20