謝均勝
(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)
斜拉橋結(jié)構(gòu)由橋塔、斜拉索和主梁組成。橋塔結(jié)構(gòu)類(lèi)型常用的有柱式、門(mén)式、花瓶形、A形、倒Y形及菱形等。柱式塔構(gòu)造簡(jiǎn)單,景觀單一,且承受橫向水平力的能力差。門(mén)式塔是由2根塔柱組成的門(mén)形框架,構(gòu)造較單柱復(fù)雜,但抵抗橫向水平荷載的能力較強(qiáng),景觀效果一般。花瓶形、A形、倒Y形塔橫向剛度大,適合抗風(fēng)、抗震要求較高的大跨徑斜拉橋,且景觀效果好[1]。特別是花瓶形橋塔,塔身圓潤(rùn),造型修長(zhǎng)優(yōu)美,古樸的造型與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)完美結(jié)合,在塔柱側(cè)面曲線(xiàn)造型的配合下,整個(gè)橋塔徐緩柔和而上,圓潤(rùn)而生動(dòng),使得微曲柔美的塔身與富有張力的斜拉索曲直有度,剛?cè)嵯酀?jì),為近年來(lái)較多景觀斜拉橋青睞的橋塔結(jié)構(gòu)形式。
花瓶形橋塔由左、右塔柱及連接2塔柱的橫梁組成,橫梁根據(jù)是否直接承受外荷載作用分為承重橫梁和非承重橫梁2種類(lèi)型。為突顯花瓶形橋塔簡(jiǎn)潔、通透、美觀的視覺(jué)效果,應(yīng)在合理受力范圍內(nèi)盡量減少橫梁的設(shè)置,并通過(guò)橫梁的優(yōu)化布置,襯托出花瓶結(jié)構(gòu)的象形效果。文中以某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)閷?shí)例,在對(duì)橋塔橫梁受力分析的基礎(chǔ)上兼顧橋梁景觀效果確定橫梁的布置[2]。
該橋?yàn)榭缭匠鞘袃?nèi)河的橋梁,橋位處河面寬約190 m,通航等級(jí)為內(nèi)河II級(jí),通航凈空為150 m×10 m,前期經(jīng)多方溝通、方案比選,最終橋梁以1跨跨越通航水道的方式過(guò)河,橋跨組合為62.5 m +72.5 m +268 m,結(jié)構(gòu)類(lèi)型為獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋。因橋址處于城市西拓邊界范圍,為城市未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域之一,橋梁景觀性要求較高。斜拉橋橋塔是突出顯示斜拉橋景觀效果的主體,對(duì)斜拉橋的整體美學(xué)效果具有至關(guān)重要的影響,必須慎重選擇橋塔形狀,精心確定優(yōu)美的尺寸比例,因此曲線(xiàn)造型優(yōu)美的花瓶形橋塔成為本橋橋塔的首選。
本橋擬采用的花瓶形橋塔承臺(tái)以上橋塔總高152.2 m,橋面以上塔高約125 m,塔高和橋跨比約0.466,邊索與水平線(xiàn)夾角約27°。中塔柱和上塔柱順橋向?qū)? m,橫橋向?qū)?.5 m。下塔柱縱橋向?qū)挾扔? m漸變至9 m,橫橋向?qū)挾扔?.5 m漸變至8 m。塔柱及橫梁均采用單箱單室矩形薄壁空心結(jié)構(gòu)[3]。
獨(dú)塔斜拉橋一般在下塔柱設(shè)置1道承重橫梁與縱梁組成墩、塔、梁固結(jié)的剛構(gòu)體系,由橋塔承擔(dān)縱橋向的水平作用力同時(shí)省去橋塔處的大型支座。為加強(qiáng)左、右塔柱之間的聯(lián)系,保證塔柱間結(jié)構(gòu)受力的整體性,同時(shí)突出花瓶形橋塔的瓶口造型,在塔頂附近往往會(huì)設(shè)置1道非承重橫梁,而在塔柱其他區(qū)域則根據(jù)實(shí)際受力需求考慮是否設(shè)置橫梁?,F(xiàn)從結(jié)構(gòu)造型和受力特性2個(gè)方面綜合考慮,提出下列3種橫梁布置方式,并對(duì)其受力狀態(tài)作定性分析比較[4-5]:
1) 僅在塔頂附近設(shè)置1道非承重橫梁,襯托花瓶形結(jié)構(gòu)的“瓶嘴”象形效果(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一)。
2) 在塔頂和上塔柱直線(xiàn)段末端各設(shè)置1道橫梁,同時(shí)突出花瓶的“瓶嘴”和“瓶頸”象形效果(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二)。
3) 設(shè)置2道橫梁,1道設(shè)置在塔頂,突出“瓶嘴”象形效果,另1道設(shè)置在上塔柱與中塔柱的虛交點(diǎn)(塔側(cè)瓶身曲線(xiàn)中點(diǎn))處(下文簡(jiǎn)稱(chēng)方案三)。
3種橫梁設(shè)置方式的橋塔立面圖布置見(jiàn)圖1。
圖1 橋塔立面布置圖(單位:cm)
塔柱支承在厚6 m的承臺(tái)上,可假定塔底在承臺(tái)處固結(jié),橋塔橫橋向則可簡(jiǎn)化為橫梁與左、右塔柱組成的平面框架受力體系,縱橋向可看作受斜拉索約束的懸臂受力結(jié)構(gòu)。橋塔上作用的主要荷載有自重力、主梁的恒載和活載。斜拉橋結(jié)構(gòu)的傳力模式是縱橋向,斜拉索將主梁荷載傳遞至塔柱,其中縱橋向水平力由前后跨互相平衡,不平衡部分則以塔柱彎矩和剪力的形式傳遞至基礎(chǔ),豎向力則以塔柱的軸向力形式傳遞至基礎(chǔ)。橫向橋,斜拉索一端錨固在塔柱上,另一端錨固在主梁兩側(cè)面,受索塔拉索錨固點(diǎn)與主梁上的拉索錨固點(diǎn)不在同一條縱軸線(xiàn)而存在一定的橫向張角的影響,橫橋向塔柱除體現(xiàn)出與縱橋向相似的受力特征外,還受到拉索橫向張角產(chǎn)生的橫向力作用,該橫向力在橫橋向塔柱與橫梁組成的平面框架結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生剪力和彎矩。
通過(guò)midas Civil橋梁通用軟件建立橋塔與主梁的整體模型,并對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)在3種橫梁設(shè)置方式下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析比較。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定主梁荷載直接作用在下橫梁中點(diǎn)處,塔柱在承臺(tái)處固結(jié)。3種方案下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖2,內(nèi)力彎矩值匯總見(jiàn)表1。
圖2 橫梁內(nèi)力彎矩對(duì)比圖
表1 橋塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值匯總表
由圖2、表1可見(jiàn),當(dāng)僅在塔頂附近設(shè)置1道橫梁時(shí),上橫梁與下橫梁內(nèi)力彎矩峰值處于同一數(shù)量級(jí),兩者彎矩值相當(dāng)。當(dāng)在上塔柱增設(shè)1道中橫梁后,下橫梁彎矩值較前者有小幅度降低,但降幅比例較小,而上橫梁彎矩值降幅則達(dá)到80%,同時(shí)橫梁受力情況由下緣受拉轉(zhuǎn)變?yōu)樯暇壥芾?。增設(shè)的中橫梁彎矩值雖與下橫梁彎矩值處于同一數(shù)量級(jí),但彎矩值僅為后者的一半,由此可見(jiàn),增設(shè)1道橫梁可大幅降低上橫梁的內(nèi)力彎矩值,使橫梁尺寸得于優(yōu)化。
當(dāng)中橫梁下移至上塔柱與下塔柱的虛擬交點(diǎn)位置處時(shí),上橫梁彎矩值峰值進(jìn)一步降低,僅為方案二中的76%,方案一中的13.7%。下移后中橫梁彎矩值也僅為未下移時(shí)的58.3%,與此同時(shí),塔柱底彎矩值也得到了改善,為中橫梁下移前的73%。
為直觀地判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值的變化,假定方案三內(nèi)力彎矩值均為1,轉(zhuǎn)化后的各方案彎矩值對(duì)比,見(jiàn)表2。
表2 橋塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩值對(duì)比
由表2可知,3種橫梁設(shè)置方式下方案三的橫梁和塔柱的內(nèi)力彎矩值最小。優(yōu)化中橫梁的位置,可大幅降低橋塔橫梁的內(nèi)力彎矩,減小橫梁尺寸,減少結(jié)構(gòu)配筋。
斜拉橋的傳力路徑為拉索將橋面荷載傳遞至索塔,索塔再將作用力傳遞至基礎(chǔ)。在索塔傳力的過(guò)程中上塔柱和中塔柱因花瓶形“瓶頸”與“瓶身”的連接處存在一定的夾角,當(dāng)軸向力從上塔柱傳遞至中塔柱的過(guò)程中會(huì)在連接點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)橫向水平分力,該水平分力作用在塔柱與橫梁組成的平面框架結(jié)構(gòu)體系內(nèi),等同于框架結(jié)構(gòu)受到一個(gè)橫向外力作用,受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。
圖3 塔柱受力簡(jiǎn)圖注:F1-上塔柱傳遞軸向力;F2-軸向力的水平分力;F3-由上塔柱傳遞至中塔柱的軸向力。
由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知,水平力作用在框架結(jié)構(gòu)中間部分時(shí),會(huì)對(duì)該框架體系產(chǎn)生一個(gè)額外的附加彎矩。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)力矩的分配規(guī)律,該彎矩會(huì)傳遞至橫梁,與橫梁原有的外荷載彎矩產(chǎn)生疊加[6-7]。當(dāng)將中橫梁位置優(yōu)化至兩塔柱的交點(diǎn)處時(shí),橫向水平力軸向作用在中橫梁上,由左、右塔柱平衡,因偏載產(chǎn)生的不平衡力則由塔柱承擔(dān)傳遞至基礎(chǔ)。故在優(yōu)化橫梁布置后可呈現(xiàn)出橫梁彎矩峰值下降的趨勢(shì),該中橫梁直接承受軸向壓力作用,實(shí)際屬于承重的壓桿橫梁類(lèi)型。
綜合以上分析可知,適當(dāng)增加橫梁道數(shù)可有效降低橫梁的內(nèi)力值,優(yōu)化塔柱橫梁尺寸。方案三中對(duì)橫梁位置優(yōu)化后,雖然橋塔的整體美觀性不如方案二,不能突出花瓶層次分明的效果,但大幅度降低了橋塔結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,使得橫梁尺寸得以?xún)?yōu)化,降低塔柱的施工難度及造價(jià)。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定角度考慮,大跨度斜拉橋,橋塔高度一般較高,并且承受較大的軸向力作用,在塔柱中間增設(shè)一道橫梁還可以減小塔柱的橫向計(jì)算長(zhǎng)度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,防止塔柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此,在塔柱中間增設(shè)1道橫梁,以適當(dāng)?shù)木坝^犧牲以換取更為合理的結(jié)構(gòu)受力是有益的。
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