李 浩

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510088）

現(xiàn)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(duì)于斜向跨越既有交通具有較好的適應(yīng)性，且具有外形美觀、構(gòu)造簡單、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。但是其空間特性顯著，橋塔結(jié)構(gòu)空間受力復(fù)雜。目前針對(duì)拱塔斜拉橋的研究主要有拱塔線型研究［1?4］、結(jié)構(gòu)參數(shù)比選［5?7］、抗風(fēng)抗震研究［8?10］、錨固區(qū)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(shè)計(jì)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(kuò)建雙向8車道預(yù)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(nèi)第1 座鐵路拱承斜拉橋，雙線無砟軌道，設(shè)計(jì)速度350 km·h?1。主橋結(jié)構(gòu)為獨(dú)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(shè)13對(duì)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(jié)構(gòu)小角度低凈空邊界下的跨越難題。同時(shí)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(fù)雜，在恒載和活載作用下橋塔不僅承擔(dān)軸力，還需要承擔(dān)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?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)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(jìn)行該橋橋塔形式和錨固構(gòu)造研究。

1 拱形塔塔型

對(duì)于拱承斜拉橋，塔底橫向間距大，常規(guī)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(qū)分散錨固2 種。對(duì)于不同拱形塔而言，采用不同塔型和錨固方式對(duì)橋塔內(nèi)力影響不同，下面對(duì)拋物線和圓曲線2種塔型進(jìn)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(jì)算分析模型，對(duì)采用塔頂集中錨固和上塔區(qū)分散錨固的拋物線橋塔的2 個(gè)方案進(jìn)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(qū)分散錨固。

2個(gè)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(qū)分散錨固三維模型

2 個(gè)方案內(nèi)力分析結(jié)果見表1。由表1可見：集中錨固時(shí)最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時(shí)最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，集中錨固時(shí)彎矩?cái)?shù)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(dāng)。

表1 方案1和方案2內(nèi)力分析結(jié)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(shí)，對(duì)橋塔直接產(chǎn)生的軸力效應(yīng)不明顯，彎矩效應(yīng)明顯，分散錨固時(shí)，由于斜率的變化，軸力產(chǎn)生的直接效應(yīng)較明顯，在分散錨固區(qū)域產(chǎn)生正彎矩，導(dǎo)致在塔頂產(chǎn)生反彎，但彎矩效應(yīng)不明顯。若橋塔拱軸線采用拋物線線形，上塔區(qū)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(jì)算分析模型，對(duì)采用塔頂集中錨固和上塔區(qū)分散錨固的圓曲線橋塔2個(gè)方案進(jìn)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(qū)分散錨固。

2個(gè)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(qū)分散錨固三維模型

2個(gè)方案內(nèi)力分析結(jié)果見表2。

表2 方案3、方案4和方案5內(nèi)力分析結(jié)果

由表2可見：集中錨固時(shí)最大彎矩為塔頂正彎矩；分散錨固時(shí)最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，分散錨固時(shí)彎矩?cái)?shù)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(dāng)。

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(shí)，對(duì)橋塔直接產(chǎn)生的軸力效應(yīng)較明顯，彎矩效應(yīng)不明顯，分散錨固時(shí)，軸力與集中錨固基本相當(dāng)，在分散錨固區(qū)域產(chǎn)生正彎矩，導(dǎo)致在塔頂產(chǎn)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(qū)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(duì)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(shí)約束橋塔變形，減小橋塔內(nèi)力。

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

方案5 的分析模型如圖6所示。方案5 內(nèi)力分析結(jié)果列于表2。

圖6 圓曲線塔形+設(shè)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(jìn)而減小塔柱的面內(nèi)彎矩約30%，結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)良好。

2 塔頂集束式錨固構(gòu)造及受力

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)造相對(duì)簡單，技術(shù)成熟，應(yīng)用較多，但在塔柱范圍內(nèi)需多次穿孔，對(duì)塔柱截面削弱較大，影響橋塔整體受力，且塔柱錨固處節(jié)段構(gòu)造多樣化，不利于塔柱節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)減少后期養(yǎng)護(hù)工作量，但應(yīng)用較少。本文提出一種構(gòu)造簡單且能適應(yīng)拱承斜拉橋的全新集束式錨固構(gòu)造，并針對(duì)該構(gòu)造進(jìn)行分析研究。

2.1 構(gòu)造

集束式錨固構(gòu)造為鑄焊組合結(jié)構(gòu)，由頂板、底板、側(cè)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(shè)置3 道側(cè)板，側(cè)拉板之間設(shè)置4 道加勁板，加勁板與鋼橋塔4 道腹板對(duì)應(yīng)，底板上設(shè)置4 個(gè)錨墊塊，斜拉索在塔頂集中錨固。底板及加勁板設(shè)有過人孔，供斜拉索錨固張拉及后期養(yǎng)護(hù)維修時(shí)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(gòu)造三維圖

圖8 集束式錨固構(gòu)造內(nèi)部三維示意圖

側(cè)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(zhì)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(cè)拱塔節(jié)段長度8 m，其中拉索錨墊塊采用實(shí)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(gòu)造頂、底、側(cè)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(gòu)造與橋塔之間通過共節(jié)點(diǎn)連接，錨墊塊與錨固構(gòu)造底板之間采用約束方程連接。邊界條件為約束橋塔節(jié)段邊緣所有節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度，主力+附加力作用下各個(gè)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(yīng)力云圖。由圖10可見：錨墊塊頂面（拉索錨固面）應(yīng)力在15～40 MPa 之間；錨固塊底面應(yīng)力大部分在80～150 MPa之間，局部有應(yīng)力集中，達(dá)到225 MPa。

圖10 集束式錨固的錨墊塊Mises應(yīng)力云圖

圖11給出集束式錨固的應(yīng)力云圖。由圖11可見：集束式錨固底面與錨墊塊接觸處應(yīng)力較其他部位高，達(dá)到175 MPa；錨固底面及側(cè)面中部應(yīng)力較小，在20 MPa 以內(nèi)；側(cè)面兩側(cè)應(yīng)力在45 MPa左右。

圖11 塔頂集束式錨固的Mises應(yīng)力云圖

圖12給出了集束式錨固內(nèi)部隔板的應(yīng)力云圖。由圖12可見：隔板最大應(yīng)力位于最外側(cè)隔板的人孔倒角處，達(dá)到187 MPa，應(yīng)力由倒角處向遠(yuǎn)離人孔方向擴(kuò)散，隔板中部應(yīng)力較小，上下兩端應(yīng)力較大。

圖12 塔頂集束式錨固內(nèi)部隔板Mises應(yīng)力云圖

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

圖13 鋼塔節(jié)段Mises應(yīng)力云圖

塔頂集束式錨固構(gòu)造主要傳力路徑為錨墊塊將索力傳遞給底板，底板通過側(cè)拉板傳遞給鋼塔節(jié)段，側(cè)拉板主要傳力集中在錨塊區(qū)域，側(cè)拉板中部應(yīng)力水平較低，集束式錨固與鋼塔節(jié)段連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)場，但均小于鋼材屈服強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）采用不同拱塔軸線線形時(shí)，拱塔高度相同的條件下，拱塔的軸力基本相當(dāng)，但彎矩差異較大，集中錨固時(shí)最大彎矩為塔頂正彎矩，分散錨固時(shí)最大彎矩為塔頂負(fù)彎矩，且分散錨固時(shí)彎矩?cái)?shù)值更大，拋物線形和圓曲線形塔采用分散錨固時(shí)的最大彎矩分別為采用集中錨固時(shí)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(qū)分散錨固形式更為適宜，受力狀態(tài)更好。圓曲線橋塔采用塔頂集中錨固或上塔區(qū)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(shè)置橫向索可有效改善橋塔變形和內(nèi)力狀態(tài)。

（3）塔頂集束式錨固構(gòu)造傳力途徑明確，結(jié)構(gòu)受力合理，技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)值。