花瓶形桥塔横梁位置综合比选

谢均胜

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州 510507)

斜拉桥结构由桥塔、斜拉索和主梁组成。桥塔结构类型常用的有柱式、门式、花瓶形、A形、倒Y形及菱形等。柱式塔构造简单，景观单一，且承受横向水平力的能力差。门式塔是由2根塔柱组成的门形框架，构造较单柱复杂，但抵抗横向水平荷载的能力较强，景观效果一般。花瓶形、A形、倒Y形塔横向刚度大，适合抗风、抗震要求较高的大跨径斜拉桥，且景观效果好[1]。特别是花瓶形桥塔，塔身圆润，造型修长优美，古朴的造型与现代结构完美结合，在塔柱侧面曲线造型的配合下，整个桥塔徐缓柔和而上，圆润而生动，使得微曲柔美的塔身与富有张力的斜拉索曲直有度，刚柔相济，为近年来较多景观斜拉桥青睐的桥塔结构形式。

1 横梁位置初选

花瓶形桥塔由左、右塔柱及连接2塔柱的横梁组成，横梁根据是否直接承受外荷载作用分为承重横梁和非承重横梁2种类型。为突显花瓶形桥塔简洁、通透、美观的视觉效果，应在合理受力范围内尽量减少横梁的设置，并通过横梁的优化布置，衬托出花瓶结构的象形效果。文中以某独塔斜拉桥为实例，在对桥塔横梁受力分析的基础上兼顾桥梁景观效果确定横梁的布置[2]。

该桥为跨越城市内河的桥梁，桥位处河面宽约190 m，通航等级为内河II级，通航净空为150 m×10 m，前期经多方沟通、方案比选，最终桥梁以1跨跨越通航水道的方式过河，桥跨组合为62.5 m +72.5 m +268 m，结构类型为独塔双索面混合梁斜拉桥。因桥址处于城市西拓边界范围，为城市未来重点发展区域之一，桥梁景观性要求较高。斜拉桥桥塔是突出显示斜拉桥景观效果的主体，对斜拉桥的整体美学效果具有至关重要的影响，必须慎重选择桥塔形状，精心确定优美的尺寸比例，因此曲线造型优美的花瓶形桥塔成为本桥桥塔的首选。

本桥拟采用的花瓶形桥塔承台以上桥塔总高152.2 m，桥面以上塔高约125 m，塔高和桥跨比约0.466，边索与水平线夹角约27°。中塔柱和上塔柱顺桥向宽7 m，横桥向宽4.5 m。下塔柱纵桥向宽度由7 m渐变至9 m，横桥向宽度由4.5 m渐变至8 m。塔柱及横梁均采用单箱单室矩形薄壁空心结构[3]。

独塔斜拉桥一般在下塔柱设置1道承重横梁与纵梁组成墩、塔、梁固结的刚构体系，由桥塔承担纵桥向的水平作用力同时省去桥塔处的大型支座。为加强左、右塔柱之间的联系，保证塔柱间结构受力的整体性，同时突出花瓶形桥塔的瓶口造型，在塔顶附近往往会设置1道非承重横梁，而在塔柱其他区域则根据实际受力需求考虑是否设置横梁。现从结构造型和受力特性2个方面综合考虑，提出下列3种横梁布置方式，并对其受力状态作定性分析比较[4-5]：

1) 仅在塔顶附近设置1道非承重横梁，衬托花瓶形结构的“瓶嘴”象形效果(以下简称方案一)。

2) 在塔顶和上塔柱直线段末端各设置1道横梁，同时突出花瓶的“瓶嘴”和“瓶颈”象形效果(以下简称方案二)。

3) 设置2道横梁，1道设置在塔顶，突出“瓶嘴”象形效果，另1道设置在上塔柱与中塔柱的虚交点(塔侧瓶身曲线中点)处(下文简称方案三)。

3种横梁设置方式的桥塔立面图布置见图1。

图1 桥塔立面布置图(单位：cm)

2 横梁位置优化

塔柱支承在厚6 m的承台上，可假定塔底在承台处固结，桥塔横桥向则可简化为横梁与左、右塔柱组成的平面框架受力体系，纵桥向可看作受斜拉索约束的悬臂受力结构。桥塔上作用的主要荷载有自重力、主梁的恒载和活载。斜拉桥结构的传力模式是纵桥向，斜拉索将主梁荷载传递至塔柱，其中纵桥向水平力由前后跨互相平衡，不平衡部分则以塔柱弯矩和剪力的形式传递至基础，竖向力则以塔柱的轴向力形式传递至基础。横向桥，斜拉索一端锚固在塔柱上，另一端锚固在主梁两侧面，受索塔拉索锚固点与主梁上的拉索锚固点不在同一条纵轴线而存在一定的横向张角的影响，横桥向塔柱除体现出与纵桥向相似的受力特征外，还受到拉索横向张角产生的横向力作用，该横向力在横桥向塔柱与横梁组成的平面框架结构上产生剪力和弯矩。

通过midas Civil桥梁通用软件建立桥塔与主梁的整体模型，并对桥塔结构在3种横梁设置方式下的受力状态进行分析比较。为简化计算，假定主梁荷载直接作用在下横梁中点处，塔柱在承台处固结。3种方案下结构计算分析结果见图2，内力弯矩值汇总见表1。

图2 横梁内力弯矩对比图

表1 桥塔结构内力弯矩值汇总表

由图2、表1可见，当仅在塔顶附近设置1道横梁时，上横梁与下横梁内力弯矩峰值处于同一数量级，两者弯矩值相当。当在上塔柱增设1道中横梁后，下横梁弯矩值较前者有小幅度降低，但降幅比例较小，而上横梁弯矩值降幅则达到80%，同时横梁受力情况由下缘受拉转变为上缘受拉。增设的中横梁弯矩值虽与下横梁弯矩值处于同一数量级，但弯矩值仅为后者的一半，由此可见，增设1道横梁可大幅降低上横梁的内力弯矩值，使横梁尺寸得于优化。

当中横梁下移至上塔柱与下塔柱的虚拟交点位置处时，上横梁弯矩值峰值进一步降低，仅为方案二中的76%，方案一中的13.7%。下移后中横梁弯矩值也仅为未下移时的58.3%，与此同时，塔柱底弯矩值也得到了改善，为中横梁下移前的73%。

为直观地判断结构内力弯矩值的变化，假定方案三内力弯矩值均为1，转化后的各方案弯矩值对比，见表2。

表2 桥塔结构内力弯矩值对比

由表2可知，3种横梁设置方式下方案三的横梁和塔柱的内力弯矩值最小。优化中横梁的位置，可大幅降低桥塔横梁的内力弯矩，减小横梁尺寸，减少结构配筋。

斜拉桥的传力路径为拉索将桥面荷载传递至索塔，索塔再将作用力传递至基础。在索塔传力的过程中上塔柱和中塔柱因花瓶形“瓶颈”与“瓶身”的连接处存在一定的夹角，当轴向力从上塔柱传递至中塔柱的过程中会在连接点处产生一个横向水平分力，该水平分力作用在塔柱与横梁组成的平面框架结构体系内，等同于框架结构受到一个横向外力作用，受力简图见图3。

图3 塔柱受力简图注：F1-上塔柱传递轴向力；F2-轴向力的水平分力；F3-由上塔柱传递至中塔柱的轴向力。

由结构力学可知，水平力作用在框架结构中间部分时，会对该框架体系产生一个额外的附加弯矩。根据框架结构力矩的分配规律，该弯矩会传递至横梁，与横梁原有的外荷载弯矩产生叠加[6-7]。当将中横梁位置优化至两塔柱的交点处时，横向水平力轴向作用在中横梁上，由左、右塔柱平衡，因偏载产生的不平衡力则由塔柱承担传递至基础。故在优化横梁布置后可呈现出横梁弯矩峰值下降的趋势，该中横梁直接承受轴向压力作用，实际属于承重的压杆横梁类型。

3 结语

综合以上分析可知，适当增加横梁道数可有效降低横梁的内力值，优化塔柱横梁尺寸。方案三中对横梁位置优化后，虽然桥塔的整体美观性不如方案二，不能突出花瓶层次分明的效果，但大幅度降低了桥塔结构的内力，使得横梁尺寸得以优化，降低塔柱的施工难度及造价。从结构稳定角度考虑，大跨度斜拉桥，桥塔高度一般较高，并且承受较大的轴向力作用，在塔柱中间增设一道横梁还可以减小塔柱的横向计算长度，增强结构的稳定性，防止塔柱发生失稳破坏。因此，在塔柱中间增设1道横梁，以适当的景观牺牲以换取更为合理的结构受力是有益的。

[1] 刘士林,王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 邵旭东,程翔云,李立峰.桥梁设计与计算[M].2版.北京：人民交通出版社，2012.

[3] 李翠霞,石建华.武汉二七长江大桥桥塔设计[J].城市道桥与防洪,2014(9):129-133.

[4] 叶文华,朱玉,吴劲兵,等.飞云江三桥桥塔内力调控[J].中外公路,2008(5):185-188.

[5] 廖原.大跨度斜拉桥索塔受力分析[J].交通科技,2009(4):1-3.

[6] 杨吉新,程旭东,刘前瑞,等.斜拉桥钢混桥塔温度效应分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(3):402-406.

[7] 杜正国.结构力学教程[M].成都：西南交通大学出版社，2012.