某大橋主橋橋塔方案優(yōu)化方案比選分析

摘要：文章通過(guò)建立某大橋Midas Civil橋梁數(shù)值分析模型，分析了四種方案（方案Ⅰ～Ⅳ）下的橋塔塔柱內(nèi)力、橋塔橫梁內(nèi)力、橋塔抗彎性能，得出以下結(jié)論：方案Ⅳ為四種方案中受力性能最好的結(jié)構(gòu)形式，但總造價(jià)最高，且施工難度較大；對(duì)比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ雖然結(jié)構(gòu)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(yàn)算中，方案Ⅰ的上橫梁、上塔柱結(jié)構(gòu)的受力較大，但經(jīng)過(guò)增加配筋可以有效提高承載性能；結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性及適用性考慮，方案Ⅰ的橋塔結(jié)構(gòu)形式較為合理。研究成果可以為同類(lèi)型橋梁橋塔方案的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；特大橋；橋塔；方案比選

0引言

對(duì)于斜拉橋，橋塔結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)中較為重要的受力構(gòu)件，斜拉橋?qū)蛎婧奢d沿著拉索結(jié)構(gòu)傳入橋塔結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為豎向荷載傳入承臺(tái)及樁基。因此，研究橋塔結(jié)構(gòu)對(duì)于斜拉橋結(jié)構(gòu)是較為關(guān)鍵的。

對(duì)于橋梁橋塔結(jié)構(gòu)的研究目前已經(jīng)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(mén)高速鐵路的泉州灣跨海大橋，通過(guò)對(duì)多個(gè)塔型方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和比選，最終確定橋塔采用貝殼造型的曲線(xiàn)H形塔；崔苗苗等［2］以甬舟鐵路富翅門(mén)公鐵兩用跨海大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合考慮了結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)、景觀效果及施工便利性等因素，對(duì)橋塔方案進(jìn)行了選擇，最終確定梭形橋塔較為合理；張德明［3］以濟(jì)南鳳凰黃河大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、穩(wěn)定及動(dòng)力分析；王念［4］以商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)橋塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行了分析；徐艷等［5］以某雙塔斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究方法觀測(cè)橋塔破壞過(guò)程，并對(duì)橋塔加速度和位移響應(yīng)進(jìn)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?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了其受力特性及車(chē)橋動(dòng)力響應(yīng)；馬碧波等［7］以溫州甌江北口大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了橋梁結(jié)構(gòu)的中塔應(yīng)力分布，并結(jié)合數(shù)值模型分析了索鞍施工時(shí)的預(yù)偏量影響；賀鵬等［8］以嘉魚(yú)長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋結(jié)構(gòu)形式為雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋，對(duì)該橋塔結(jié)構(gòu)結(jié)合斜拉索工作性能、受力狀況進(jìn)行了分析。

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

1 工程概況

本工程以某大橋?yàn)檠芯繉?duì)象。該特大橋橋址處的河道為航道主干道，規(guī)劃為Ⅴ級(jí)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(jié)構(gòu)，主梁為鋼-混混合箱梁結(jié)構(gòu)。其中，梁體高度為4.25 m，梁體中間截面為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，兩端為混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，橋塔設(shè)計(jì)高度為101 m，橋塔基礎(chǔ)為樁孔灌注樁基礎(chǔ)+矩形承臺(tái)結(jié)構(gòu)。橋梁的抗震烈度設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅷ級(jí)，該斜拉橋設(shè)計(jì)抗震烈度在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型高速鐵路中處于較高水平。

橋塔是斜拉橋結(jié)構(gòu)較為重要的受力部件，主要是將拉索傳遞的荷載轉(zhuǎn)化為豎向載荷傳入承臺(tái)及樁基。為了保證橋梁的抗震烈度、降低工程造價(jià)、降低施工難度，橋塔采用豎直上塔柱并結(jié)合橫向內(nèi)傾下塔柱的結(jié)構(gòu)。由于高設(shè)計(jì)抗震烈度對(duì)于橋塔的要求較高，結(jié)合設(shè)防烈度下的內(nèi)力狀況，設(shè)計(jì)了4種橋塔形式（方案Ⅰ～Ⅳ）如圖2所示。對(duì)于方案Ⅰ，該橋塔為H形的結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于方案Ⅱ，該橋塔為方案Ⅰ的H形+中部1道橫梁的“井”形結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于方案Ⅲ，該橋塔為方案Ⅰ的H形+塔頂1道橫梁的門(mén)型結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于方案Ⅳ，該橋塔為方案Ⅱ的“井”型變形結(jié)構(gòu)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(duì)橋梁進(jìn)行建模，分別分析4種方案在多遇、罕遇地震響應(yīng)下的穩(wěn)定性狀態(tài)。在4種方案的橋塔中，均在主橋設(shè)置縱向、橫向阻尼器，當(dāng)在罕遇地震下，承受地震作用的主要為橫向鋼阻尼器結(jié)構(gòu)。

2.2 橋塔內(nèi)力分析

2.2.1 橋塔塔柱內(nèi)力分析

選取橋梁結(jié)構(gòu)的7個(gè)主要的點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于計(jì)算截面的編號(hào)如表1所示，在罕遇地震作用下，4種方案下7個(gè)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(fā)現(xiàn)，對(duì)于4種方案，其典型截面最大縱向彎矩值基本無(wú)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(fā)現(xiàn)，方案Ⅱ?yàn)榉桨涪竦腍形+中部1道橫梁的“井”形結(jié)構(gòu)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(wú)明顯變化；方案Ⅲ為方案Ⅰ的H形+塔頂1道橫梁的門(mén)型結(jié)構(gòu)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(shè)置了1道橫梁，出現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)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(xiàn)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(nèi)力分析

選取橋梁結(jié)構(gòu)的3個(gè)主要點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于計(jì)算截面的編號(hào)如表2所示。在縱向罕見(jiàn)地震作用下，四種方案下3個(gè)典型截面的最大橫向彎矩值基本無(wú)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(fā)現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(rèn)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(nèi)力，但兩種橫梁布置方案的內(nèi)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)保持彈性的狀態(tài)、不發(fā)生塑性的破壞；在罕遇地震下，橋塔結(jié)構(gòu)可發(fā)生小的塑性可修復(fù)的損傷變形，且在震后及修復(fù)過(guò)程中不影響車(chē)輛的通行。針對(duì)這一要求，該橋塔結(jié)構(gòu)的分析采用彎矩-曲率的分析方法，在地震工況下，橋塔結(jié)構(gòu)不同塔形下下塔柱的變形及內(nèi)力差別較小，因而主要分析橋塔結(jié)構(gòu)的中、上塔柱及橫梁結(jié)構(gòu)的抗彎性能。對(duì)于模型中材料的選擇，混凝土采用C55等級(jí)的混凝土，鋼筋材料為HRB500級(jí)別鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋為低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)。混凝土采用Mander模型，鋼筋、鋼絞線(xiàn)為強(qiáng)化階段的雙線(xiàn)性模型。

由于縱向地震對(duì)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(duì)象，分析其抗彎承載力。對(duì)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(jié)果如表3所示。分析表3可以發(fā)現(xiàn)，在罕遇地震下，4種方案的最小抗彎安全系數(shù)為1.05，＞1.0，均能滿(mǎn)足抗彎性能的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

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

（1）方案Ⅳ為四種方案中受力性能最好的結(jié)構(gòu)形式，但總造價(jià)最高，且施工難度較大；（2）對(duì)比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ雖然結(jié)構(gòu)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(guò)造價(jià)分析，4種方案的成本分別為933.2萬(wàn)元、948.8萬(wàn)元、972.6萬(wàn)元、960.1萬(wàn)元，成本相較于方案Ⅰ分別增加了15.6萬(wàn)元、39.4萬(wàn)元；（3）在受力分析驗(yàn)算中，方案Ⅰ的上橫梁、上塔柱結(jié)構(gòu)的受力較大，但經(jīng)過(guò)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(jiǎn)潔，與周邊建筑物風(fēng)格較為統(tǒng)一。因而，結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性及適用性，考慮選取方案Ⅰ作為橋塔形式結(jié)構(gòu)。

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作者簡(jiǎn)介：李茂華（1988—），工程師，主要從事高速公路試驗(yàn)檢測(cè)工作。