公鐵合建四塔斜拉橋橋塔設計研究

李的平，嚴愛國，黃納新

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2.中鐵建大橋設計研究院，湖北武漢 430063）

與常規雙塔斜拉橋相比，多塔斜拉橋具有塔多聯長的特點，隨著索塔數量增加，多塔斜拉橋的中間塔兩側既無輔助墩和過渡墩，也沒有端錨索，缺少了對主梁和索塔剛度的有效幫助，導致已經是柔性結構的斜拉橋柔性更大［1-2］。橋塔的結構形式及材質對多塔斜拉橋的靜動力特性影響較大。目前已對斜拉橋橋塔設計進行了大量研究，主要集中于分析斜拉橋主塔塔形和塔高對斜拉橋性能的影響［3-4］，而橋塔材質和布置方式對多塔斜拉橋靜動力性能的影響研究較少。文獻［5-6］研究了某八跨七塔斜拉橋的橋塔材質并討論了地震作用下鋼塔、混凝土塔和二者的混合橋塔的彎矩與位移。

橋塔材質主要是混凝土和鋼材，普遍認為雖然混凝土塔剛度較大，但自重大，地震時結構慣性力大［7］；鋼塔與之相反。目前國內外學者嘗試對這類多塔大跨橋梁進行不同橋塔材質的混合布置，并研究其靜、動力性能。

本文以珠機城際鐵路金海特大橋3×340 m四塔斜拉橋為背景，研究3 種橋塔布置方案，并對3 種方案建立計算模型，計算結構靜動力響應，并考慮構造處理及施工的影響，綜合比較橋塔材質和布置方式對多塔斜拉橋的影響，確定合理的橋塔布置方案。

1 工程概況

珠機城際鐵路金海特大橋跨越磨刀門水道入海口，主橋采用（58.5+116+3×340+116+58.5）m 四塔三主跨斜拉橋，公鐵同層布置，中間通行雙線城際列車，兩側布置高速公路（雙向6 車道），是國內首座公鐵同層布置的多塔斜拉橋。結構體系采用剛構連續體系，即中塔塔梁墩固結；邊塔塔梁固結，塔墩分離，梁底設雙排支座，支座縱向間距10.4 m，如圖1所示。

圖1 剛構連續體系布置示意（單位：m）

為適應公鐵平層布置要求，主梁采用了一種新型的大挑臂式鋼箱梁結構，如圖2 所示。大挑臂式鋼箱梁由中間寬17.6 m 的主箱加兩側各長16 m 的挑臂組成，橋面寬度達49.6 m。根據受力特性，較重的鐵路荷載布置于中間主箱上，較輕的公路荷載布置于挑臂上，斜拉索布置在兩者之間（邊箱內），結構受力合理，且單箱三室構造便于鋼箱梁的腹板與鋼塔壁板連接，實現塔梁固結。

圖2 斷面布置（單位：cm）

橋塔采用空間四柱式塔，主墩采用雙肢薄壁墩，樁基礎采用鉆孔灌注樁。選取3 種橋塔布置方案：方案1 為全混凝土塔，方案2 為全鋼塔，方案3 為中間混凝土塔+兩邊鋼塔。

橋塔構造如圖3 所示，混凝土塔和鋼塔外輪廓尺寸基本一致，材質分別為C55和Q370。

圖3 橋塔構造（單位：cm）

2 計算模型

采用MIDAS/Civil 軟件建立全橋三維空間有限元模型，塔、梁、墩、樁基均采用空間梁單元模擬，斜拉索采用索單元。各橋墩處按實際支座位置及類型分別設豎向和橫向約束，基礎底部固結，考慮樁土相互作用［8］。全橋三維數值模型如圖4所示。

圖4 三維數值模型

3 靜力性能對比分析

3.1 結構變形及剛度

不同材料橋塔結構變形及剛度見表1。可知，邊塔采用鋼塔、中塔采用混凝土塔，與全部采用混凝土塔時，結構體系剛度差別很小；全部采用鋼塔時，結構體系剛度相對較小［9］，但能滿足城際列車和汽車運行安全性及舒適性要求。

表1 不同材料橋塔結構變形及剛度

3.2 橋塔應力

圖5 不同混凝土塔應力云圖（單位：MPa）

不同混凝土塔應力云見圖5。可知，邊塔采用混凝土塔時，橋塔應力滿足要求；中塔采用混凝土塔時，在主力和主力+附加力組合下，最大壓應力分別為22.7，25.0 MPa，應力超過規范限值（TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》規定：C55 混凝土在主力和主力+附加力作用下容許應力分別為18.5，24.1 MPa）。

經過計算，采用鋼塔時調整板件厚度，中塔壁板厚48 mm，邊塔壁板厚40 mm，橋塔應力滿足要求。

3.3 邊塔支反力

邊塔分別采用鋼塔和混凝土塔時，支反力見表2。可知：主力+附加力組合下，采用鋼塔時，邊塔下雙排支座最大噸位為10 000 t；采用混凝土塔時，邊塔下雙排支座最大噸位為14 000 t，支座噸位較大。

表2 不同材料邊塔支反力 kN

4 動力性能對比分析

4.1 地震動輸入

本文僅對罕遇地震作用下的動力性能進行研究，橋址處最大地震烈度為8 度，工程場地類別為Ⅱ類。采用時程分析法，地震激勵采用縱向+豎向輸入方式，豎向地震作用取相應水平地震作用的0.65 倍。取3條地震波最大反應值作為最終輸出，圖6 為50 年超越概率2%的3條地震波中的一條。

圖6 加速度時程曲線

4.2 動力特性

不同橋塔布置方案的動力特性見表3。可知：①3種方案的1 階和2 階橋塔縱向振動頻率數值差異不大，說明橋塔縱向振動特性相近。②3 種方案的1 階橋塔橫向振型，最早出現的階次不盡相同，方案1 和方案3出現在第5 階振型，方案2 出現在第7 階振型。方案1和方案3 的橋塔橫向振動頻率相近，方案2 頻率最大。

表3 不同方案的動力特性

4.3 橋塔內力

對3 種方案進行時程分析，分別取橋塔關鍵截面的內力進行比較，截面編號參見圖3。以方案1橋塔內力值作為基準，求出其他方案的相對倍數，見表4。可知，方案1 和方案3 中塔（混凝土塔）彎矩和剪力明顯大于方案2中塔（鋼塔）的內力值。

表4 縱向+豎向地震激勵下3種方案中塔內力相對倍數

5 結論

1）中間混凝土塔+兩邊鋼塔與全混凝土塔相比，結構體系剛度差別很小；全部采用鋼塔時，結構體系剛度相對較小，但能滿足城際列車和汽車運行安全性及舒適性要求；混凝土塔和鋼塔在外輪廓尺寸相同的前提下，中塔為混凝土塔時，混凝土應力偏大。

2）混凝土塔抗震性能較差，鋼塔抗震性能較好。從橋塔受力角度而言，推薦采用全鋼塔方案。

3）橋塔采用鋼塔時，主橋結構采用剛構-連續梁體系，橋塔與主梁固結，鋼塔與鋼主梁連接細節處理較容易，斜拉索在鋼塔內的錨固也較簡單。

4）橋址位于入海口，海上施工條件惡劣，工效低，采用鋼塔適應性好，可采用整體吊裝方案，施工工期短，現場工作量與高空作業量少。