高速鐵路拱承斜拉橋橋塔形式和錨固構造研究

李 浩

（中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510088）

現有斜拉橋橋塔形式多采用柱式、A型、鉆石型、倒Y 型以及H 型。拱形塔柱作為一種特殊的斜拉橋橋塔形式，對于斜向跨越既有交通具有較好的適應性，且具有外形美觀、構造簡單、節省材料等優點。但是其空間特性顯著，橋塔結構空間受力復雜。目前針對拱塔斜拉橋的研究主要有拱塔線型研究［1?4］、結構參數比選［5?7］、抗風抗震研究［8?10］、錨固區受力分析［11?12］、施工控制等［13?15］。

跨深汕西高速公路廣汕鐵路主橋初步設計采用（32+160+32）m 拱承斜拉橋，主橋長225.8 m，如圖1所示。該鐵路大橋跨越G15 高速公路深汕西段，線路法線方向與高速公路夾角26°，高速公路按擴建雙向8車道預留用地，高速公路正寬44 m。

圖1 廣汕鐵路大橋主橋示意圖

跨深汕西高速公路廣汕鐵路大橋是國內第1 座鐵路拱承斜拉橋，雙線無砟軌道，設計速度350 km·h?1。主橋結構為獨塔雙索面拱承斜拉橋，主梁全長采用縱肋倒置式鋼混組合梁。全橋共設13對空間斜拉索，索梁及索塔錨固均采用鋼錨箱。橋塔為拱形鋼塔，采用單箱三室截面。

拱承斜拉橋橋塔呈拱形布置，橫向跨越橋下既有交通，可有效解決橋梁結構小角度低凈空邊界下的跨越難題。同時由于拱承斜拉橋橋塔橫向跨度大，斜拉索為大角度空間索，橋塔空間受力復雜，在恒載和活載作用下橋塔不僅承擔軸力，還需要承擔較大的橫向和縱向彎矩。

本文以跨深汕西高速公路新建廣州至汕尾鐵路特大橋為研究對象，運用Midas Civil軟件建立全橋分析模型，分析采用上塔柱分散錨固、塔頂集中錨固的拋物線和圓曲線橋塔的受力，進行該橋橋塔形式和錨固構造研究。

1 拱形塔塔型

對于拱承斜拉橋，塔底橫向間距大，常規的H形塔、鉆石形塔不再適用，而是采用拋物線和圓曲線橋塔。斜拉索塔上錨固形式分為塔頂集中錨固和上塔區分散錨固2 種。對于不同拱形塔而言，采用不同塔型和錨固方式對橋塔內力影響不同，下面對拋物線和圓曲線2種塔型進行分析研究。

1.1 拋物線拱形塔

拋物線拱形塔拱軸線型采用二次拋物線，塔底間距74 m，塔高55 m。斜拉索分別采用塔頂集中錨固和上塔柱分散錨固。

采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固和上塔區分散錨固的拋物線橋塔的2 個方案進行分析，具體方案如下。

方案1：拋物線拱形塔+塔頂集中錨固。

方案2：拋物線拱形塔+上塔區分散錨固。

2個方案的分析模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 拋物線塔形+塔頂集中錨固三維模型

圖3 拋物線塔形+上塔區分散錨固三維模型

2 個方案內力分析結果見表1。由表1可見：集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時最大彎矩為塔頂負彎矩，集中錨固時彎矩數值更大，為分散錨固的9.7倍；集中錨固與分散錨固的塔底軸力、拱腳豎向力及橫向水平力基本相當。

表1 方案1和方案2內力分析結果

拋物線拱塔在塔頂處斜率為0，且沿塔高方向斜率不斷變化，集中錨固時，對橋塔直接產生的軸力效應不明顯，彎矩效應明顯，分散錨固時，由于斜率的變化，軸力產生的直接效應較明顯，在分散錨固區域產生正彎矩，導致在塔頂產生反彎，但彎矩效應不明顯。若橋塔拱軸線采用拋物線線形，上塔區采用分散錨固是較為合適的。

1.2 圓曲線拱形塔

圓曲線拱形塔拱軸線型采用2 段圓曲線相交而成，圓曲線半徑為166.45 m，塔底間距74 m，塔高55 m。采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固和上塔區分散錨固的圓曲線橋塔2個方案進行分析，具體方案如下。

方案3：圓曲線拱形塔+塔頂集中錨固。

方案4：圓曲線拱形塔+上塔區分散錨固。

2個方案的分析模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 圓曲線塔形+塔頂集中錨固三維模型

圖5 圓曲線塔形+上塔區分散錨固三維模型

2個方案內力分析結果見表2。

表2 方案3、方案4和方案5內力分析結果

由表2可見：集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時最大彎矩為塔頂負彎矩，分散錨固時彎矩數值更大，為集中錨固的1.8 倍；集中錨固與分散錨固的塔底軸力、拱腳豎向力及橫向力基本相當。

圓曲線拱塔在塔頂處斜率不為0，且沿塔高方向斜率變化不大，集中錨固時，對橋塔直接產生的軸力效應較明顯，彎矩效應不明顯，分散錨固時，軸力與集中錨固基本相當，在分散錨固區域產生正彎矩，導致在塔頂產生反彎。若橋塔拱軸線采用圓曲線線形，塔頂采用集中錨固或上塔區采用分散錨固都是合適的。

由圓曲線拱塔集中錨固受力可以看出，在橋塔中下部存在反彎，考慮將跨中1 對斜拉索沿橫向布置，既起到橫梁作用，減小主梁橫向變形，同時約束橋塔變形，減小橋塔內力。

采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算分析模型，對采用塔頂集中錨固的圓曲線橋塔的方案3 和設置橫向索的方案5（圓曲線拱形塔+設置橫向索）進行分析。

方案5 的分析模型如圖6所示。方案5 內力分析結果列于表2。

圖6 圓曲線塔形+設置橫向索三維模型

由表2可見：橫向索可有效減小橋塔的橫向變形，進而減小塔柱的面內彎矩約30%，結構內力狀態良好。

2 塔頂集束式錨固構造及受力

對于鋼結構拱形橋塔，斜拉索在塔上錨固可采用分散錨固或塔頂集中錨固，分散錨固構造相對簡單，技術成熟，應用較多，但在塔柱范圍內需多次穿孔，對塔柱截面削弱較大，影響橋塔整體受力，且塔柱錨固處節段構造多樣化，不利于塔柱節段的標準化制造和施工。采用塔頂集中錨固可有效解決上述問題，同時減少后期養護工作量，但應用較少。本文提出一種構造簡單且能適應拱承斜拉橋的全新集束式錨固構造，并針對該構造進行分析研究。

2.1 構造

集束式錨固構造為鑄焊組合結構，由頂板、底板、側拉板、加勁板以及錨墊塊組成。底板由3 段圓弧組成，頂板與底板之間設置3 道側板，側拉板之間設置4 道加勁板，加勁板與鋼橋塔4 道腹板對應，底板上設置4 個錨墊塊，斜拉索在塔頂集中錨固。底板及加勁板設有過人孔，供斜拉索錨固張拉及后期養護維修時人員通過。集束式錨固如圖7和圖8所示。

圖7 集束式錨固構造三維圖

圖8 集束式錨固構造內部三維示意圖

側拉板、底板、頂板及加勁板均采用Q345qD鋼材，連接受力焊縫均采用全熔透焊接焊縫。錨墊塊采用鑄鋼件整體制作，材質為采用ZG270-480H，與底板連接焊縫采用部分坡口焊縫。

2.2 受力分析

建立塔頂集束式錨固有限元模型，兩側拱塔節段長度8 m，其中拉索錨墊塊采用實體單元SOL?ID95 模擬，其余鋼塔、索冠板件及加勁肋采用殼單元SHELL63 模擬。集束式錨固構造頂、底、側板厚度均為100 mm，隔板及塔壁厚度為40 mm，橋塔加勁肋及索冠入孔鑲邊為20 mm。有限元模型如圖9所示。

圖9 塔頂集束式錨固有限元模型

塔頂錨固構造與橋塔之間通過共節點連接，錨墊塊與錨固構造底板之間采用約束方程連接。邊界條件為約束橋塔節段邊緣所有節點的平動自由度，主力+附加力作用下各個拉索的最大索力見表3。按表3給出的最大索力均布加載到錨墊塊頂板。

表3 主力+附加力作用下拉索最大索力

圖10給出了集束式錨固的錨墊塊的應力云圖。由圖10可見：錨墊塊頂面（拉索錨固面）應力在15～40 MPa 之間；錨固塊底面應力大部分在80～150 MPa之間，局部有應力集中，達到225 MPa。

圖10 集束式錨固的錨墊塊Mises應力云圖

圖11給出集束式錨固的應力云圖。由圖11可見：集束式錨固底面與錨墊塊接觸處應力較其他部位高，達到175 MPa；錨固底面及側面中部應力較小，在20 MPa 以內；側面兩側應力在45 MPa左右。

圖11 塔頂集束式錨固的Mises應力云圖

圖12給出了集束式錨固內部隔板的應力云圖。由圖12可見：隔板最大應力位于最外側隔板的人孔倒角處，達到187 MPa，應力由倒角處向遠離人孔方向擴散，隔板中部應力較小，上下兩端應力較大。

圖12 塔頂集束式錨固內部隔板Mises應力云圖

圖13給出了鋼塔節段的應力云圖。由圖13可見：鋼塔節段及加勁肋應力主要在70 MPa 左右，腹板與集束式錨固連接處存在局部應力集中現象，最大應力272 MPa。

圖13 鋼塔節段Mises應力云圖

塔頂集束式錨固構造主要傳力路徑為錨墊塊將索力傳遞給底板，底板通過側拉板傳遞給鋼塔節段，側拉板主要傳力集中在錨塊區域，側拉板中部應力水平較低，集束式錨固與鋼塔節段連接處存在應力集中現場，但均小于鋼材屈服強度。

3 結 論

（1）采用不同拱塔軸線線形時，拱塔高度相同的條件下，拱塔的軸力基本相當，但彎矩差異較大，集中錨固時最大彎矩為塔頂正彎矩，分散錨固時最大彎矩為塔頂負彎矩，且分散錨固時彎矩數值更大，拋物線形和圓曲線形塔采用分散錨固時的最大彎矩分別為采用集中錨固時的9.7和1.8倍。

（2）拱承斜拉橋采用拋物線拱形塔和圓曲線拱形塔均可行，拋物線橋塔采用上塔區分散錨固形式更為適宜，受力狀態更好。圓曲線橋塔采用塔頂集中錨固或上塔區分散錨固形式均合適；圓曲線拱形塔采用塔頂集中錨固的情況下，塔間設置橫向索可有效改善橋塔變形和內力狀態。

（3）塔頂集束式錨固構造傳力途徑明確，結構受力合理，技術可行。

（4）拱承斜拉橋橋塔呈拱形布置，橫向跨越橋下既有交通，可有效解決橋梁結構小角度低凈空邊界下的跨越難題，在特殊建橋條件下具有較高的推廣應用價值。