程麗娟， 蘇振宇， 張晉瑞

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 長(zhǎng)沙 410008)

索塔是懸索橋的重要組成構(gòu)件，其施工及成橋階段的受力狀態(tài)對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)安全影響顯著。索塔造型是懸索橋景觀設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，往往決定著橋梁的整體構(gòu)型和氣勢(shì)[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)懸索橋的索塔造型、構(gòu)造設(shè)計(jì)及受力性能等方面開展了研究。王立新等[3]闡述了潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋橋塔設(shè)計(jì)過程中的塔位選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)特色；謝尚英[4]對(duì)獵德大橋索塔的設(shè)計(jì)構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過程進(jìn)行了分析；李翠霞[5]介紹了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋橋塔造型構(gòu)思、縱橫向靜力計(jì)算過程；馬玉全[6]則對(duì)虎門二橋索塔的景觀造型方案進(jìn)行了深入研究；吳巨軍等[7]對(duì)自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)體系及索塔構(gòu)造設(shè)計(jì)開展了研究；李萬(wàn)恒等[8]以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)橐劳袑?duì)懸索橋索塔的剛度體系進(jìn)行了分析；張德明[9]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混組合結(jié)構(gòu)索塔方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述；何利、蘇茂材等[10-11]分別對(duì)索塔的構(gòu)造設(shè)計(jì)及施工過程進(jìn)行了分析；范金軍等[12]則開展了懸索橋索塔的三維應(yīng)力計(jì)算。這些研究在實(shí)際工程中取得了良好的實(shí)施效果，為索塔的造型方案優(yōu)化指明了方向，為索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、局部構(gòu)造及受力性能分析提供了有益的支撐和可靠的依據(jù)。

在已有懸索橋索塔景觀造型研究、構(gòu)造設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)杭瑞高速洞庭湖大橋設(shè)計(jì)過程中的美學(xué)構(gòu)思、構(gòu)造優(yōu)化及設(shè)計(jì)、整體和局部有限元方法進(jìn)行分析，提出了索塔設(shè)計(jì)中需考慮的內(nèi)容及控制因素。

1 工程概況

杭瑞高速洞庭湖大橋位于岳陽(yáng)市七里山洞庭湖入長(zhǎng)江交匯口，南距上游洞庭湖大橋3 km，東起岳陽(yáng)樓區(qū)吉家湖路，西至君山區(qū)西城街道七弓嶺，為杭瑞高速的控制性工程。河道兩岸均為湘江Ⅰ級(jí)階地，岳陽(yáng)岸以剝蝕崗地為主，君山岸位于湘江河漫灘上，場(chǎng)地覆蓋層主要為沖填土和淤泥質(zhì)粘土，下伏基巖主要為板巖。主橋采用(1 480+453.6)m雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋，主纜跨徑布置為(460+1 480+491)m，橋型布置如圖1所示。橋梁按雙向6車道高速公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，設(shè)計(jì)洪水頻率1/300，航道等級(jí)Ⅰ(3)級(jí)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速32.9 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。

單位：cm

主橋梁長(zhǎng)1 933.6 m，橋面寬33.5 m，橫坡為2%。主梁為板桁結(jié)合鋼桁加勁梁，桁高9.0 m，桁寬35.4 m，節(jié)間長(zhǎng)度8.4 m。主纜垂跨比1/10，2根主纜中心距35.4 m，設(shè)175根通長(zhǎng)索股，君山側(cè)邊跨另增設(shè)6根背索。每根索股由127根Φ5.35的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲組成。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距16.8 m，跨中處吊索間距17.6 m，并設(shè)置5對(duì)柔性中央扣。索塔采用門式框架塔，岳陽(yáng)側(cè)塔高203.088 m，君山側(cè)塔高206.088 m。兩岸錨碇均為地連墻基礎(chǔ)重力式錨碇。

2 索塔造型方案研究

洞庭湖大橋位于湖湘文化歷史名城岳陽(yáng)，橋梁在滿足受力要求的前提下，對(duì)其景觀設(shè)計(jì)提出了極高要求。索塔是懸索橋最重要的造型元素，在橋梁設(shè)計(jì)過程中，需從橋址周圍環(huán)境調(diào)查分析開始，結(jié)合橋梁美學(xué)的造型手法，對(duì)其設(shè)計(jì)風(fēng)格、造型、比例、色彩進(jìn)行綜合研究，以求構(gòu)思力學(xué)與美學(xué)相融合的新型方案。

2.1 人文環(huán)境

統(tǒng)觀世界橋梁史，橋梁建筑素有“一橋一城”的標(biāo)識(shí)性文化載體功效，因此，橋梁構(gòu)型承載著當(dāng)?shù)靥赜械娜宋沫h(huán)境要素。大橋地處具有厚重歷史文化沉淀的岳陽(yáng)洞庭湖，只有在充分分析當(dāng)?shù)氐娜宋沫h(huán)境下開展設(shè)計(jì)工作，才能夠保證大橋的造型設(shè)計(jì)具有獨(dú)到之處。

歷史悠久的文化名城岳陽(yáng)，擁有名貫古今、飲譽(yù)海內(nèi)外的岳陽(yáng)樓、富有神話傳奇色彩的君山島、東洞庭湖生態(tài)保護(hù)區(qū)等自然和人文勝跡。洞庭湖波瀾壯闊，雄渾廣大，古往今來(lái)，遷客騷人，無(wú)不為洞庭湖的浩瀚氣勢(shì)所傾倒。湖中景狀，一日之中變化無(wú)窮，更兼岳陽(yáng)樓、君山等名勝古跡點(diǎn)綴其間，使這座天下名湖更加富有詩(shī)情畫意。洞庭湖畔的岳陽(yáng)樓聳立在岳陽(yáng)市西門城頭，以其雄偉古樸的風(fēng)貌屹立于世，歷有“洞庭天下水，岳陽(yáng)天下樓”的盛譽(yù)。洞庭湖大橋既是岳陽(yáng)樓、洞庭湖、君山島諸景點(diǎn)交融的紐帶，更是水綠融城而增古城新韻的亮麗風(fēng)景線，構(gòu)筑“樓、湖、島、橋”的景觀序列，體現(xiàn)岳陽(yáng)的人文環(huán)境特點(diǎn)是橋梁尤其是索塔設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮的因素。

2.2 總體設(shè)計(jì)風(fēng)格

從造型風(fēng)格、造型手法、造型元素等方面，探索適宜大橋索塔的造型方案。

岳陽(yáng)洞庭湖大橋橋址區(qū)域較空曠，根據(jù)景觀對(duì)比造型法，此處適宜采用較為剛毅、挺拔、立體感較強(qiáng)的橋梁造型風(fēng)格。橋址鄰近岳陽(yáng)古建筑群區(qū)域，根據(jù)景觀協(xié)調(diào)要求，橋塔造型的手法及元素應(yīng)與古建筑相呼應(yīng)。橋梁主跨達(dá)1 480 m，為現(xiàn)代超大跨度纜索承重橋梁，適宜采用簡(jiǎn)潔大氣、視覺穩(wěn)定的造型方案。

岳陽(yáng)洞庭湖大橋平面和立面線形設(shè)計(jì)有3個(gè)平面彎曲和3個(gè)縱向起伏，橋上行車時(shí)對(duì)整個(gè)大橋的觀賞是線性而連續(xù)的，總體設(shè)計(jì)時(shí)通過橋塔立面和斷面的構(gòu)造變化，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間和位置的不同呈現(xiàn)不同的景觀效果，可避免單調(diào)枯燥的行車感覺，提高行車的興趣點(diǎn)。

2.3 索塔造型設(shè)計(jì)

2.3.1 塔高確定

岳陽(yáng)洞庭湖大橋主纜跨徑為460 m+1 480 m+491 m=2 431 m，垂跨比1/10，橋面以上塔高約160 m。在橋梁造型設(shè)計(jì)中，通常采用既有一定比例美、又有特定性的正方形、均方根形等特征矩形作為形體立面的基本圖形。應(yīng)用基本圖形之間的演變關(guān)系，按功能與藝術(shù)要求進(jìn)行內(nèi)部分割變化，大橋可達(dá)到形體動(dòng)靜結(jié)合、相互呼應(yīng)協(xié)調(diào)的藝術(shù)效果。

根據(jù)特征矩形分割法原理，被跨徑整除的一系列數(shù)值約為：2 431/12=202、2 431/11=221、2 431/10=243、2 431/9=270、2 431/8=304。這些結(jié)果中的任何一個(gè)作為特征矩形的邊長(zhǎng)去解析大橋立面，在理論上都能得到比較美觀的比例。結(jié)合本橋通航水位和結(jié)構(gòu)體系，最終選擇以202 m作為水面以上的塔高，加上塔頂建筑高度，塔頂離水面的總高度接近231 m，大橋從結(jié)構(gòu)和造型方面都能獲得良好效果，整體比例協(xié)調(diào)、均衡。

2.3.2 索塔造型方案

結(jié)合索塔的受力要求、景觀的人文特色和總體設(shè)計(jì)風(fēng)格，提出了多種不同的造型方案，其中4種方案如圖2所示。

(a) 方案1(b) 方案2(c) 方案3(d) 方案4

1) 方案1：瀟湘琴韻。排蕭是我國(guó)古代竹類樂器之一，瀟湘之竹制成的排簫更是精品。該方案抽取排蕭的“韻律、層次”造型元素進(jìn)行橋塔設(shè)計(jì)，增強(qiáng)橋塔的挺拔感。考慮到超大跨徑懸索橋的橋塔穩(wěn)定性問題，在塔頂加設(shè)上橫梁，以提高橋塔的縱橫向穩(wěn)定性。為增強(qiáng)其挺拔效果，對(duì)橋塔塔柱橫橋向進(jìn)行了一定尺度的壓縮，在保證其層次及韻律的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)出排簫的造型元素。在塔冠造型設(shè)計(jì)中，采用層次設(shè)計(jì)手法，呼應(yīng)古代建筑所遵從的天地之交的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)參照岳陽(yáng)樓的立面比例來(lái)優(yōu)化塔冠、橫梁及塔柱階梯過渡位置的高度比例。該方案在剛毅、挺拔的排簫造型基礎(chǔ)上，在各階梯頂部輔以過渡塔尖，達(dá)到與洞庭湖畔的岳陽(yáng)樓遙相呼應(yīng)的景觀效果，既體現(xiàn)了橋梁雄渾廣大的氣勢(shì)，也反映了敢為人先、一往無(wú)前的湖湘文化精髓。

2) 方案2：現(xiàn)代簡(jiǎn)約。基于中國(guó)古典建筑柱子的造型要素，塔座設(shè)計(jì)中加入古建筑“鴟吻”元素，在達(dá)到挺拔效果的同時(shí)，增強(qiáng)塔座的穩(wěn)定感，在橋面以上橋塔高度的黃金分割點(diǎn)設(shè)置中橫梁；為了保證橋面以下空間的開闊感，對(duì)下橫梁的體量進(jìn)行了輕微弱化。

3) 方案3：中流砥柱。融入湘楚文化“承上啟下，中流砥柱”的歷史元素，塔柱采用曲線型塔頭，兩塔柱在上橫梁位置向中間靠攏，體現(xiàn)了湘楚地區(qū)在歷史及地理中的“紐帶”作用。

4) 方案4：中式復(fù)古。在上、中橫梁處采用塔柱漸變的處理手法，將古建筑的層次理念注入橋塔造型設(shè)計(jì)中。為了表現(xiàn)橋塔的挺拔感，設(shè)計(jì)過程中對(duì)下橫梁處塔柱截面是否采用漸變進(jìn)行了綜合比選，研究表明該區(qū)段不設(shè)漸變段更能突出橋塔的挺拔效果。

通過對(duì)橋塔造型方案的綜合分析比較，采用現(xiàn)代風(fēng)格并融入古典元素的“瀟湘琴韻”造型，既能更好地反映地域特點(diǎn)和時(shí)代特征，又能呼應(yīng)岳陽(yáng)的城市古建筑群，具有韻律、層次之美，滿足懸索橋的結(jié)構(gòu)受力要求，因此將其作為橋塔的實(shí)施方案。

2.3.3 索塔立面構(gòu)型

造型方案確定后，索塔立面構(gòu)圖中各部分的比例決定了索塔的造型效果。采用特征梯形作為索塔立面的基本圖形，參照岳陽(yáng)樓的立面構(gòu)圖，確定了索塔立面的豎向構(gòu)圖比例。岳陽(yáng)樓以標(biāo)準(zhǔn)層高為單位長(zhǎng)度，高度方向的比例為0.65∶1∶1∶1∶0.65；樓底和頂部寬度與標(biāo)準(zhǔn)層高的比值分別為5.6和2.3。索塔以塔柱標(biāo)準(zhǔn)分段為單位長(zhǎng)度，塔柱自下而上的比例為0.65∶1∶1∶1∶0.618；塔底和塔頂寬度與塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度的比值分別為1.25和0.618。

索塔豎向比例與岳陽(yáng)樓基本一致，橫向與豎向尺寸的比值由于橋?qū)挼南拗贫c岳陽(yáng)樓存在一定差異，相比岳陽(yáng)樓的莊嚴(yán)穩(wěn)重，索塔顯示出挺拔向上的氣勢(shì)，達(dá)到了良好的立面效果。

2.3.4 索塔色彩風(fēng)格

高聳的主塔是懸索橋視覺的一個(gè)中心點(diǎn)，其色彩涂裝是全橋色彩風(fēng)格的體現(xiàn)。綜合分析了橋址區(qū)的歷史、自然與建筑環(huán)境的色彩：岳陽(yáng)的歷史建筑以原色及朱紅色為主；自然環(huán)境中，碧波藍(lán)天是最引人入勝的色彩；建筑環(huán)境中，白色、暖調(diào)是岳陽(yáng)的基調(diào)。飽和度不大的灰白色索塔更易展示大橋的良好形態(tài)，并與環(huán)境形成和諧統(tǒng)一的效果，做到環(huán)境為橋梁添顏，橋梁為環(huán)境增色的效果。而紅色與藍(lán)色涂裝方案難以與引橋色彩形成良好搭配與過渡，對(duì)現(xiàn)代建筑的橋梁結(jié)構(gòu)也缺乏展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。為此，索塔的主體涂裝方案采用灰白色，在塔尖局部采用紅色以形成點(diǎn)綴。

3 索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

洞庭湖大橋岳陽(yáng)岸及君山岸索塔在塔座以上的高度分別達(dá)到203 m和206 m，岳陽(yáng)岸索塔的基本構(gòu)造如圖3所示。塔柱沿高度方向呈階梯狀布置，與常規(guī)的漸變式截面相比，其構(gòu)造設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

3.1 索塔塔柱

3.1.1 塔柱截面形式

洞庭湖大橋塔柱在高度方向呈階梯狀變化，橫橋向截面寬度存在突變，合理確定上塔柱、下塔柱的箱室數(shù)目及截面突變位置的過渡段構(gòu)造，保證塔柱豎向傳力順暢，是索塔塔柱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中擬定了如圖4所示4種方案，對(duì)各部分塔柱采用不同的箱室數(shù)目及過渡方式進(jìn)行了計(jì)算分析。

(a) 索塔正視圖(b) 索塔側(cè)視圖單位:cm圖3 岳陽(yáng)岸索塔構(gòu)造Fig.3 Tower structure of Yueyang side

根據(jù)結(jié)構(gòu)整體及局部受力分析，同時(shí)考慮施工便利性，最終選用了方案3，即上塔柱上段采用單箱單室截面，上塔柱中間截面寬度變化位置采用長(zhǎng)倒角進(jìn)行過渡，上塔柱下段及下塔柱采用單箱附加小箱室的雙室截面，主箱室和附箱室共同受力。

3.1.2 塔柱構(gòu)造設(shè)計(jì)

橋塔為門形框架結(jié)構(gòu)，由上塔柱、下塔柱、上橫梁和下橫梁組成。塔柱在塔頂中心間距為35.4 m，單根塔柱呈3個(gè)階梯狀變化。塔柱在順橋向由上至下向外傾斜，斜率為7.174/1 000。塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

岳陽(yáng)岸橋塔總高203.088 m，上塔柱高166.45 m，下塔柱高36.638 m；君山岸橋塔總高206.088 m，上塔柱高166.75 m，下塔柱高39.338 m。上塔柱在上部約110 m范圍內(nèi)為單箱單室斷面，壁厚1.4 m；上塔柱下部約55 m范圍為單箱雙室斷面，主室壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。下塔柱為單箱雙室斷面，主室順橋向壁厚1.7 m，橫橋向壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。塔柱內(nèi)與橫梁頂、底板對(duì)應(yīng)的位置以及截面尺寸突變的位置設(shè)置橫隔板。橋梁運(yùn)營(yíng)過程中易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；防火纏包帶主要有陶瓷化復(fù)合隔熱阻燃包帶、復(fù)合纖維耐火隔熱阻燃包帶、氣凝膠隔熱阻燃包帶3種。經(jīng)調(diào)研比選，氣凝膠隔熱阻燃包帶與主纜防腐體系具有良好的兼容性和延展性，且能適應(yīng)主纜變形，不對(duì)主纜密封產(chǎn)生影響，與此同時(shí)，二者采用纏包方式結(jié)合，在主纜的振動(dòng)、風(fēng)荷載作用下具有良好的粘結(jié)性。為此，本項(xiàng)目在主纜防腐體系的硫化型橡膠密封劑與柔性氟碳面漆之間增設(shè)一層5mm厚的氣凝膠隔熱阻燃層，以滿足防火設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

單位：cm

3.2 索塔橫梁

3.2.1 橫梁斷面形式比選

岳陽(yáng)岸和君山岸塔柱分別高203 m和206 m，采用雙橫梁方案，橫向風(fēng)荷載作用時(shí)橫梁受力較大。橫梁底采用曲線設(shè)計(jì)，截面高度變化劇烈，橫梁受力、構(gòu)造及預(yù)應(yīng)力配置均較復(fù)雜。設(shè)計(jì)過程中對(duì)橫梁不同構(gòu)造方式、預(yù)應(yīng)力筋配置方式進(jìn)行了比選，如圖5所示。方案1為閉口變高度橫梁，梁高7 m～19 m，下緣預(yù)應(yīng)力鋼束考慮了直線、曲線、部分直束和部分曲線3種形式；方案2為開口變高度橫梁，梁高8 m～19 m，下緣配置直線預(yù)應(yīng)力鋼束；方案3、方案4為等高橫梁，梁高分別為7 m和10 m，下緣設(shè)置直線預(yù)應(yīng)力鋼束，橫梁下緣圓弧造型通過裝飾板實(shí)現(xiàn)。

單位：cm

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果,在預(yù)應(yīng)力鋼筋配置根數(shù)相同的情況下，除方案1變高梁+曲線預(yù)應(yīng)力束方案外，其余幾個(gè)方案橫梁都出現(xiàn)了拉應(yīng)力；方案3的壓應(yīng)力達(dá)20 MPa，其余方案壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。采用等截面橫梁的方案3和方案4在梁、塔柱交接處應(yīng)力突變比較明顯，橫向荷載作用下橫梁兩端應(yīng)力差值大，預(yù)應(yīng)力配置困難。方案2與等截面梁類似，開口腹板拉應(yīng)力更大，容易開裂。經(jīng)綜合比較，最終采用了方案1閉口變高度橫梁+曲線預(yù)應(yīng)力鋼束方案。

3.2.2 橫梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

索塔上橫梁高7.0 m～19.0 m，為單箱單室斷面。橫梁頂面寬度8.565 m，沿高度方向逐漸變寬，斜率為7.174/1 000。頂?shù)装搴穸?.9 m，腹板厚度1.2 m，底緣由2個(gè)半徑20 m的圓曲線組成。

下橫梁高7.0 m～17.0 m，采用單箱單室斷面，頂?shù)装搴穸?.0 m，腹板厚度1.2 m，底緣由2個(gè)半徑32 m的圓曲線組成。

橫梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用深埋工藝錨固于塔柱外側(cè)。上橫梁內(nèi)布設(shè)了32根19Φs15.20鋼絞線，下橫梁內(nèi)布設(shè)了52根19Φs15.20鋼絞線。

3.3 索塔基礎(chǔ)

因索塔塔柱內(nèi)傾、塔柱橫橋向相對(duì)于承臺(tái)存在初始偏心、橫向風(fēng)荷載作用，洞庭湖大橋索塔基礎(chǔ)承受的橫向荷載較同類型橋梁略大。設(shè)計(jì)過程中對(duì)承臺(tái)選取了7.5 m、8.0 m、8.5 m三種不同厚度，以及2.8 m、3.0 m、3.2 m樁徑方案進(jìn)行分析和比較，在綜合考慮受力性能、工程造價(jià)等因素后，選用了8.0 m厚承臺(tái)，下設(shè)40根D3.0 m(D為直徑)的樁基方案。

單根塔柱承臺(tái)平面尺寸為23.5 m×30 m(順橋向×橫橋向)，兩承臺(tái)之間用寬10.0 m的系梁進(jìn)行連接。塔柱底與承臺(tái)間設(shè)塔座，厚度2.0 m。單根塔柱下設(shè)20根D3.0 m樁基，順橋向布設(shè)4排，橫橋向布設(shè)5排，樁基中心距為6.0 m；系梁下設(shè)4根D1.8 m樁基，樁基均按嵌巖樁設(shè)計(jì)。岳陽(yáng)岸橋塔樁長(zhǎng)57 m～68 m；君山岸橋塔樁長(zhǎng)47 m～51 m。索塔基礎(chǔ)構(gòu)造如圖6所示。

4 索塔結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 索塔整體計(jì)算

利用Midas Civil有限元軟件建立全橋空間計(jì)算模型, 主纜和吊索以索單元模擬，橋塔、加勁梁用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬?？紤]恒載、活載、溫度、風(fēng)荷載及地震力等作用，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的荷載組合，對(duì)索塔進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖7所示。

根據(jù)索塔施工方案，將索塔施工過程劃分為承臺(tái)及塔座、下塔柱、下橫梁、上塔柱、上橫梁、纜索系統(tǒng)施工、加勁梁及附屬施工等11個(gè)施工階段。計(jì)算結(jié)果表明，施工階段，索塔最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，發(fā)生在下橫梁施工時(shí)的塔柱外側(cè)；最大壓應(yīng)力為11.48 MPa，發(fā)生在成橋狀態(tài)的上塔柱截面突變處。以索塔施工完成的裸塔為研究對(duì)象，對(duì)裸塔承受恒載、溫度和施工風(fēng)荷載作用下的強(qiáng)度、裂縫和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明塔柱承載能力和裂縫均滿足規(guī)范要求，兩岸索塔裸塔最小彈性穩(wěn)定系數(shù)分別為17.4和17.1。

(a) 1/2索塔基礎(chǔ)立面

(b) 1/2索塔基礎(chǔ)平面

圖7 全橋有限元計(jì)算模型

運(yùn)營(yíng)階段組合作用下，兩岸索塔最大軸力及彎矩均出現(xiàn)在索塔根部，索塔承載能力驗(yàn)算滿足要求，最小安全系數(shù)分別為1.3和1.1。索塔塔柱無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，塔柱最大壓應(yīng)力為17.3 MPa，發(fā)生在上橫梁與塔柱交接位置的塔柱內(nèi)側(cè)，由恒載+溫度+橫向極限風(fēng)產(chǎn)生。橫梁按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，兩岸索塔上下橫梁應(yīng)力及承載能力均滿足規(guī)范要求。

利用“橋梁博士基礎(chǔ)版”建立索塔基礎(chǔ)的空間計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明承臺(tái)正截面和斜截面承載能力最小安全系數(shù)為1.5，單樁豎向承載能力最小安全系數(shù)為4.0，樁基截面強(qiáng)度最小安全系數(shù)為1.47，承臺(tái)及樁基受力均滿足規(guī)范要求。

4.2 索塔局部應(yīng)力分析

利用Midas Fea程序建立索塔的實(shí)體模型，重點(diǎn)關(guān)注索塔塔柱、隔板尤其是各級(jí)塔柱交界位置、上下橫梁等受力復(fù)雜部位的應(yīng)力分布情況，為構(gòu)造設(shè)計(jì)及配筋提供依據(jù)。局部應(yīng)力分析采用的荷載及位移邊界條件均從全橋計(jì)算模型中提取，采用二階Solid單元進(jìn)行模擬，全塔劃分為339 005個(gè)單元，共575 268個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 索塔實(shí)體計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明，索塔塔柱及上下橫梁基本處于受壓狀態(tài)，塔柱臺(tái)階變化位置、預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置存在應(yīng)力集中，局部有壓應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。塔柱臺(tái)階變化位置、隔板與塔柱交界處、過人洞、橫梁底板上緣倒角等極少數(shù)位置有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但應(yīng)力均在3.0 MPa以內(nèi)。以上壓應(yīng)力和拉應(yīng)力較大位置分布范圍很小，且均位于結(jié)構(gòu)表面，可通過加強(qiáng)配筋、優(yōu)化預(yù)應(yīng)力錨固形式和張拉順序改善結(jié)構(gòu)受力。

5 結(jié)論

1) 大跨度橋梁索塔選型設(shè)計(jì)應(yīng)充分調(diào)研當(dāng)?shù)氐娜宋臍v史環(huán)境，確定總體設(shè)計(jì)風(fēng)格，再結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行多方案比選，以達(dá)到人文、環(huán)境和橋梁景觀的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2) 洞庭湖大橋“瀟湘琴韻”的排簫索塔造型方案，簡(jiǎn)潔大方，既有雄渾廣大、一往無(wú)前的氣勢(shì)，也有韻律之美，并與岳陽(yáng)的古建筑群遙相呼應(yīng)，體現(xiàn)出地域特點(diǎn)。

3) 構(gòu)型復(fù)雜的索塔方案在滿足總體受力的前提下，特別注意了局部構(gòu)造的優(yōu)化處理?？赏ㄟ^總體受力把控、局部構(gòu)造優(yōu)化、預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置方式調(diào)整等多種措施對(duì)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行充分比選和計(jì)算分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能、施工便利性及工程造價(jià)等因素，合理確定索塔各部分的構(gòu)造形式。

4) 杭瑞高速洞庭湖大橋是目前國(guó)內(nèi)第一、世界第二大跨度的板桁結(jié)合鋼桁梁懸索橋，其索塔設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)理念、景觀造型及構(gòu)造細(xì)節(jié)等方面進(jìn)行了一些嘗試，取得了良好的效果，可為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考。