花瓶形橋塔橫梁位置綜合比選

謝均勝

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州 510507)

斜拉橋結構由橋塔、斜拉索和主梁組成。橋塔結構類型常用的有柱式、門式、花瓶形、A形、倒Y形及菱形等。柱式塔構造簡單，景觀單一，且承受橫向水平力的能力差。門式塔是由2根塔柱組成的門形框架，構造較單柱復雜，但抵抗橫向水平荷載的能力較強，景觀效果一般。花瓶形、A形、倒Y形塔橫向剛度大，適合抗風、抗震要求較高的大跨徑斜拉橋，且景觀效果好[1]。特別是花瓶形橋塔，塔身圓潤，造型修長優美，古樸的造型與現代結構完美結合，在塔柱側面曲線造型的配合下，整個橋塔徐緩柔和而上，圓潤而生動，使得微曲柔美的塔身與富有張力的斜拉索曲直有度，剛柔相濟，為近年來較多景觀斜拉橋青睞的橋塔結構形式。

1 橫梁位置初選

花瓶形橋塔由左、右塔柱及連接2塔柱的橫梁組成，橫梁根據是否直接承受外荷載作用分為承重橫梁和非承重橫梁2種類型。為突顯花瓶形橋塔簡潔、通透、美觀的視覺效果，應在合理受力范圍內盡量減少橫梁的設置，并通過橫梁的優化布置，襯托出花瓶結構的象形效果。文中以某獨塔斜拉橋為實例，在對橋塔橫梁受力分析的基礎上兼顧橋梁景觀效果確定橫梁的布置[2]。

該橋為跨越城市內河的橋梁，橋位處河面寬約190 m，通航等級為內河II級，通航凈空為150 m×10 m，前期經多方溝通、方案比選，最終橋梁以1跨跨越通航水道的方式過河，橋跨組合為62.5 m +72.5 m +268 m，結構類型為獨塔雙索面混合梁斜拉橋。因橋址處于城市西拓邊界范圍，為城市未來重點發展區域之一，橋梁景觀性要求較高。斜拉橋橋塔是突出顯示斜拉橋景觀效果的主體，對斜拉橋的整體美學效果具有至關重要的影響，必須慎重選擇橋塔形狀，精心確定優美的尺寸比例，因此曲線造型優美的花瓶形橋塔成為本橋橋塔的首選。

本橋擬采用的花瓶形橋塔承臺以上橋塔總高152.2 m，橋面以上塔高約125 m，塔高和橋跨比約0.466，邊索與水平線夾角約27°。中塔柱和上塔柱順橋向寬7 m，橫橋向寬4.5 m。下塔柱縱橋向寬度由7 m漸變至9 m，橫橋向寬度由4.5 m漸變至8 m。塔柱及橫梁均采用單箱單室矩形薄壁空心結構[3]。

獨塔斜拉橋一般在下塔柱設置1道承重橫梁與縱梁組成墩、塔、梁固結的剛構體系，由橋塔承擔縱橋向的水平作用力同時省去橋塔處的大型支座。為加強左、右塔柱之間的聯系，保證塔柱間結構受力的整體性，同時突出花瓶形橋塔的瓶口造型，在塔頂附近往往會設置1道非承重橫梁，而在塔柱其他區域則根據實際受力需求考慮是否設置橫梁。現從結構造型和受力特性2個方面綜合考慮，提出下列3種橫梁布置方式，并對其受力狀態作定性分析比較[4-5]：

1) 僅在塔頂附近設置1道非承重橫梁，襯托花瓶形結構的“瓶嘴”象形效果(以下簡稱方案一)。

2) 在塔頂和上塔柱直線段末端各設置1道橫梁，同時突出花瓶的“瓶嘴”和“瓶頸”象形效果(以下簡稱方案二)。

3) 設置2道橫梁，1道設置在塔頂，突出“瓶嘴”象形效果，另1道設置在上塔柱與中塔柱的虛交點(塔側瓶身曲線中點)處(下文簡稱方案三)。

3種橫梁設置方式的橋塔立面圖布置見圖1。

圖1 橋塔立面布置圖(單位：cm)

2 橫梁位置優化

塔柱支承在厚6 m的承臺上，可假定塔底在承臺處固結，橋塔橫橋向則可簡化為橫梁與左、右塔柱組成的平面框架受力體系，縱橋向可看作受斜拉索約束的懸臂受力結構。橋塔上作用的主要荷載有自重力、主梁的恒載和活載。斜拉橋結構的傳力模式是縱橋向，斜拉索將主梁荷載傳遞至塔柱，其中縱橋向水平力由前后跨互相平衡，不平衡部分則以塔柱彎矩和剪力的形式傳遞至基礎，豎向力則以塔柱的軸向力形式傳遞至基礎。橫向橋，斜拉索一端錨固在塔柱上，另一端錨固在主梁兩側面，受索塔拉索錨固點與主梁上的拉索錨固點不在同一條縱軸線而存在一定的橫向張角的影響，橫橋向塔柱除體現出與縱橋向相似的受力特征外，還受到拉索橫向張角產生的橫向力作用，該橫向力在橫橋向塔柱與橫梁組成的平面框架結構上產生剪力和彎矩。

通過midas Civil橋梁通用軟件建立橋塔與主梁的整體模型，并對橋塔結構在3種橫梁設置方式下的受力狀態進行分析比較。為簡化計算，假定主梁荷載直接作用在下橫梁中點處，塔柱在承臺處固結。3種方案下結構計算分析結果見圖2，內力彎矩值匯總見表1。

圖2 橫梁內力彎矩對比圖

表1 橋塔結構內力彎矩值匯總表

由圖2、表1可見，當僅在塔頂附近設置1道橫梁時，上橫梁與下橫梁內力彎矩峰值處于同一數量級，兩者彎矩值相當。當在上塔柱增設1道中橫梁后，下橫梁彎矩值較前者有小幅度降低，但降幅比例較小，而上橫梁彎矩值降幅則達到80%，同時橫梁受力情況由下緣受拉轉變為上緣受拉。增設的中橫梁彎矩值雖與下橫梁彎矩值處于同一數量級，但彎矩值僅為后者的一半，由此可見，增設1道橫梁可大幅降低上橫梁的內力彎矩值，使橫梁尺寸得于優化。

當中橫梁下移至上塔柱與下塔柱的虛擬交點位置處時，上橫梁彎矩值峰值進一步降低，僅為方案二中的76%，方案一中的13.7%。下移后中橫梁彎矩值也僅為未下移時的58.3%，與此同時，塔柱底彎矩值也得到了改善，為中橫梁下移前的73%。

為直觀地判斷結構內力彎矩值的變化，假定方案三內力彎矩值均為1，轉化后的各方案彎矩值對比，見表2。

表2 橋塔結構內力彎矩值對比

由表2可知，3種橫梁設置方式下方案三的橫梁和塔柱的內力彎矩值最小。優化中橫梁的位置，可大幅降低橋塔橫梁的內力彎矩，減小橫梁尺寸，減少結構配筋。

斜拉橋的傳力路徑為拉索將橋面荷載傳遞至索塔，索塔再將作用力傳遞至基礎。在索塔傳力的過程中上塔柱和中塔柱因花瓶形“瓶頸”與“瓶身”的連接處存在一定的夾角，當軸向力從上塔柱傳遞至中塔柱的過程中會在連接點處產生一個橫向水平分力，該水平分力作用在塔柱與橫梁組成的平面框架結構體系內，等同于框架結構受到一個橫向外力作用，受力簡圖見圖3。

圖3 塔柱受力簡圖注：F1-上塔柱傳遞軸向力；F2-軸向力的水平分力；F3-由上塔柱傳遞至中塔柱的軸向力。

由結構力學可知，水平力作用在框架結構中間部分時，會對該框架體系產生一個額外的附加彎矩。根據框架結構力矩的分配規律，該彎矩會傳遞至橫梁，與橫梁原有的外荷載彎矩產生疊加[6-7]。當將中橫梁位置優化至兩塔柱的交點處時，橫向水平力軸向作用在中橫梁上，由左、右塔柱平衡，因偏載產生的不平衡力則由塔柱承擔傳遞至基礎。故在優化橫梁布置后可呈現出橫梁彎矩峰值下降的趨勢，該中橫梁直接承受軸向壓力作用，實際屬于承重的壓桿橫梁類型。

3 結語

綜合以上分析可知，適當增加橫梁道數可有效降低橫梁的內力值，優化塔柱橫梁尺寸。方案三中對橫梁位置優化后，雖然橋塔的整體美觀性不如方案二，不能突出花瓶層次分明的效果，但大幅度降低了橋塔結構的內力，使得橫梁尺寸得以優化，降低塔柱的施工難度及造價。從結構穩定角度考慮，大跨度斜拉橋，橋塔高度一般較高，并且承受較大的軸向力作用，在塔柱中間增設一道橫梁還可以減小塔柱的橫向計算長度，增強結構的穩定性，防止塔柱發生失穩破壞。因此，在塔柱中間增設1道橫梁，以適當的景觀犧牲以換取更為合理的結構受力是有益的。

[1] 劉士林,王似舜.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 邵旭東,程翔云,李立峰.橋梁設計與計算[M].2版.北京：人民交通出版社，2012.

[3] 李翠霞,石建華.武漢二七長江大橋橋塔設計[J].城市道橋與防洪,2014(9):129-133.

[4] 葉文華,朱玉,吳勁兵,等.飛云江三橋橋塔內力調控[J].中外公路,2008(5):185-188.

[5] 廖原.大跨度斜拉橋索塔受力分析[J].交通科技,2009(4):1-3.

[6] 楊吉新,程旭東,劉前瑞,等.斜拉橋鋼混橋塔溫度效應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016,40(3):402-406.

[7] 杜正國.結構力學教程[M].成都：西南交通大學出版社，2012.