空間框架橋塔多跨斜拉橋總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

孫旭霞

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院橋梁分院，上海市200092）

1 設(shè)計概要

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在城市重點景觀地帶，建造一座具有地標性、景觀性的橋梁結(jié)構(gòu)，是每個城市，以及建筑師的追求[1]。在宜興市范蠡大橋新建工程方案設(shè)計中，以宜興當?shù)匚幕枮闃?gòu)思來源，與宜興當?shù)靥赜械奈幕袼椎认嘟Y(jié)合，在結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上努力體現(xiàn)時代氣息，在領(lǐng)會傳統(tǒng)文化神韻的同時，發(fā)揚創(chuàng)新精神，大膽開拓，采用獨特的多跨空間框架式鋼索塔斜拉橋（見圖1）。作為一個新穎的結(jié)構(gòu)形式，如何保證景觀效果、受力安全，以及施工可行性，是決定橋梁結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵。

圖1 宜興市范蠡大橋效果圖

2 設(shè)計思路及難點分析

2.1 結(jié)構(gòu)整體布置形式與受力

（1）該橋索塔為空間框架式索塔，系原創(chuàng)方案，造型獨特。為了到達建筑的造型，截面變化規(guī)律異常復(fù)雜，設(shè)計難度遠遠超過常規(guī)公路和城市橋梁的索塔，能否通過結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)這種建筑造型需進行仔細的分析。

（2）三塔四跨布置形式的斜拉橋結(jié)構(gòu)總體設(shè)計存在與常規(guī)單塔或雙塔斜拉橋橋塔總體設(shè)計諸多不同之處。在荷載作用下多塔、多跨梁和眾多斜拉索等構(gòu)件間的傳力機理與常規(guī)的單塔斜拉橋及雙塔斜拉橋大不相同，在多塔多跨斜拉橋中構(gòu)件間受力耦合復(fù)雜程度比單塔斜拉橋及雙塔斜拉橋嚴重，傳力機理更為復(fù)雜。

（3）三塔四跨布置形式的斜拉橋結(jié)構(gòu)的塔梁剛度匹配問題、不同塔柱的剛度匹配問題、單個塔柱的塔柱與橫梁剛度匹配問題對結(jié)構(gòu)的靜力特性和動力特性產(chǎn)生何種影響，需結(jié)合具體結(jié)構(gòu)進行仔細分析研究。

（4）該橋的索塔塔柱采用了變截面的八邊形結(jié)構(gòu)，八邊形結(jié)構(gòu)的受力與四邊形結(jié)構(gòu)有較大差別，同時變截面八邊形在不同位置上的受力也不同，這種變截面八邊形塔柱的受力機理和應(yīng)力傳力途徑需進行仔細分析研究。

2.2 結(jié)構(gòu)局部布置形式與受力

（1）橋塔中每個塔柱的上下塔柱交匯處分別與兩道橫梁相連，塔柱為折線，板壁受力發(fā)生突變，需增加隔板平衡分力。該部位上下塔柱均為變截面的八邊形結(jié)構(gòu)，上下塔柱的軸線斜交，上下塔柱交匯點同時又要連接兩道截面形式為四邊形的橫梁；該部位是把上塔柱的力傳到下塔柱的關(guān)鍵部位，由于上下塔柱的軸線斜交，使得該部位的板件構(gòu)造極其復(fù)雜。

（2）橋塔中4個下塔柱通過兩道十字形橫梁相連，其中與橋梁橫橋向平行的橫梁除了連接下塔柱外，還要支撐主梁并承擔主梁傳來的豎向荷載、水平制動力和地震力等，該橫梁在與下塔柱相連的節(jié)點處會產(chǎn)生巨大的彎矩和剪力。由于該部位是把橫梁的力傳到下塔柱的關(guān)鍵部位，該節(jié)點的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和板件受力極其復(fù)雜，常規(guī)的桿系計算理論難以分析該部位結(jié)構(gòu)受力情況。

（3）由于該橋的橋塔中間塔柱設(shè)置斜拉索相連，還由于塔柱為八邊形，結(jié)構(gòu)空間小，錨固結(jié)構(gòu)布置困難，為改善操作空間和焊接條件，該塔柱中連接斜拉索和平行拉索的錨固結(jié)構(gòu)與常規(guī)斜拉橋中的拉索錨固結(jié)構(gòu)不同。

（4）全鋼結(jié)構(gòu)的塔柱底部與混凝土承臺連接處存在不同材料傳力與連接問題。由于采用四塔柱結(jié)構(gòu)形式而且每個塔柱采用了空間傾斜布置形式，使得塔柱在靠近承臺部位除了承受軸力外還要承受較大的彎矩，該彎矩作用會使得與塔柱相連的混凝土受力不均勻，有可能使得承臺混凝土局部的拉應(yīng)力較大，這種受大偏壓作用的塔柱與混凝土承臺的連接方法是該橋設(shè)計的又一個難點。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

范蠡大橋主橋跨徑布置為82 m+168 m+168 m+82 m＝500 m（見圖2）。主梁采用了連續(xù)梁支撐體系；邊塔單邊采用7對斜拉索、中塔單邊采用9對斜拉索，斜拉索梁上間距為6.4 m，塔上間距約為2 m，并排兩根拉索間距0.6 m，使用狀態(tài)最大斜拉索力250 t左右；塔上平衡拉索與斜拉索一一對應(yīng)，使用狀態(tài)最大索力130 t左右；主塔采用鋼塔結(jié)構(gòu)；主梁采用鋼梁結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

圖2 整體立面布置示意圖(單位：mm)

主梁采用全封閉鋼箱梁結(jié)構(gòu)，中心梁高2.8 m。標準斷面全寬39 m，其中懸臂5.3 m；塔處斷面加寬到49 m，懸臂10.3 m。標準橫隔板間距3.2 m，懸臂隔板間距6.4 m。標準斷面頂板厚16 mm，底板厚14 mm，標準斷面中腹板厚30 mm，邊腹板厚16 mm。索塔負彎矩區(qū)域頂板、中腹板、邊腹板加厚到36 mm，底板加厚到42 mm。懸臂結(jié)構(gòu)采用縱橫向梁格體系，懸臂各道縱梁以橫隔懸臂板為支撐，人行道板以各縱梁為支撐，考慮過橋管線的需要，縱向每隔1 m在縱梁間設(shè)置型鋼作為支撐，考慮將來橋下景觀因素，型鋼下設(shè)置封板。按12.8 m一個節(jié)段，全橋共41個節(jié)段，標準節(jié)段重量約207.3 t；塔區(qū)最重節(jié)段約474.2 t；每平米指標0.50 t/m2。

全橋共有三個索塔，一個中塔和兩個對稱布置的邊塔。索塔采用空間四塔柱框架結(jié)構(gòu)，順橋向和橫橋向分別布置兩根塔柱，其中順橋向塔柱布置斜拉索及平行拉索，稱為有索塔柱，橫橋向塔柱稱為無索塔柱。四根塔柱采用上中下三道橫梁連接構(gòu)成整體空間框架結(jié)構(gòu)，其中，下橫梁采用“十”字型橫梁布置，上中橫梁采用“口”型橫梁布置。各塔柱采用八邊形截面。塔柱采用Q345qD鋼材。

斜拉索采用GJ15-27擠壓型鋼絞線斜拉索，扇形平行雙索面，索面平行，間距0.6 m，梁上拉索間距為6.4 m，全橋共92根，抗拉強度1 860 MPa。斜拉索安全系數(shù)大于2.5。采用梁端張拉，塔端固定。水平索采GJ15-15擠壓型鋼絞線拉索，平行雙索間距0.6 m，塔上拉索間距由2.10 m變化至下部2.60 m，全橋共46根，抗拉強度1 860 MPa。水平索安全系數(shù)大于2.5。塔上張拉，需在塔上吊環(huán)安裝固定后，從吊環(huán)開孔中穿過安裝、張拉，并需要與斜拉索張拉一一對應(yīng)。

4 主要設(shè)計標準

（1）道路等級：城市快速路。

（2）設(shè)計車速：80 km/h。

（3）設(shè)計荷載：汽車荷載為公路-I級，人群荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取用3 kN/m2。

（4）設(shè)計基準期：100 a。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級；環(huán)境類別：II類。

（6）設(shè)計基本風速：28.3 m/s。

（7）防撞欄桿等級：SA級、SAm級。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 總體計算分析

該橋為單索面斜拉橋，梁高以橫向受力控制，縱向受力梁高略顯富裕，因此，總體設(shè)計采用恒載索力適當放松，充分發(fā)揮主梁的作用，適當降低橋塔的負擔[2]。

圖3為三種支承形式的主梁彎矩圖。

圖3 3種支承形式的主梁彎矩圖

該項靜力計算采用橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件“Midas Civil”對橋梁進行整體靜力計算。全橋離散為1 271個節(jié)點，1 276個梁單元，138個桁架單元。模型邊界條件處理：承臺采用十字交叉梁單元模擬，交點固結(jié)；主塔根部與承臺剛性連接；主梁與主塔間，主梁在過渡墩處，均采用支座等效彈性剛度模擬。結(jié)構(gòu)計算離散圖如圖4所示。

圖4 全橋計算模型

5.2 索力計算結(jié)果

一方面由于獨特的造型，斜拉索和平行拉索之間的索力平衡以保證橋塔局部區(qū)域變形及受力；另一方面，多塔斜拉橋中塔拉索及邊塔拉索的平衡匹配以確保三個橋塔的整體變形及受力，因此在設(shè)計中，以控制橋塔局部及整體受力變形，以及優(yōu)化梁的內(nèi)力為原則來確定合理的成橋索力。反復(fù)試算后最終確定結(jié)構(gòu)達到理想狀態(tài)下的成橋索力[3]，見表1所列。

主要組合下，斜拉索最大索力為2 347 kN，最小索力為1 035 kN。主要組合下水平索最大索力為1 245 kN，最小索力為754 kN。最不利組合下斜拉索的安全系數(shù)都大于3.0。

5.3 主梁計算結(jié)果

考慮單索面斜拉橋抗扭的需要，主梁采用全封閉的鋼箱梁；在確定適當施工方法后，調(diào)整合理的索力，得到該橋恒載彎矩見圖5所示。其主梁標準組合應(yīng)力匯總見表2所列。

圖5 主橋恒載彎矩圖

5.4 索塔計算結(jié)果

標準組合下橋塔表現(xiàn)的軸力、面內(nèi)、外彎矩分布如圖6所示。

表1 成橋索力表（單位：kN）

表2 主梁標準組合應(yīng)力匯總一覽表

圖6 橋塔軸力及面內(nèi)、面外彎矩分布圖

橋塔應(yīng)力計算需要考慮整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定折減，應(yīng)力分布列于表3。

表3 各階段各部位應(yīng)力分布表

6 結(jié)論

在景觀造型方面，該橋獨特的橋塔造型建成后無疑將成為當?shù)氐牡貥诵越ㄖ?/p>

在結(jié)構(gòu)處理方面，上下塔柱的交匯節(jié)點的構(gòu)造處理，塔腳的錨固處理，以及拉索的錨固構(gòu)造都可以為同類橋梁的構(gòu)造處理提供參考和借鑒。

在計算分析方面，主梁的板厚取值考慮橫向和縱向受力情況，分區(qū)分塊，并充分考慮鋼結(jié)構(gòu)板厚的過渡，以6 mm～8 mm為一級進行板厚的過渡，此外，還考慮到腹板的厚度與頂?shù)装搴穸鹊钠ヅ潢P(guān)系。橋塔的計算分析既考慮整體穩(wěn)定的折減系數(shù)又考慮到局部穩(wěn)定的折減系數(shù)，最終確定各區(qū)段的容許應(yīng)力值，并分區(qū)段取塔壁厚度。以上計算思路為今后鋼橋的計算提供了一套思路和方法。

[1]和丕壯.橋梁美學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]李傳習(xí)，廖金德.斜拉索靜力分析綜述[J].中南公路工程，2002，（2）：33-34.