公铁合建四塔斜拉桥桥塔设计研究

李的平，严爱国，黄纳新

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；2.中铁建大桥设计研究院，湖北武汉 430063）

与常规双塔斜拉桥相比，多塔斜拉桥具有塔多联长的特点，随着索塔数量增加，多塔斜拉桥的中间塔两侧既无辅助墩和过渡墩，也没有端锚索，缺少了对主梁和索塔刚度的有效帮助，导致已经是柔性结构的斜拉桥柔性更大［1-2］。桥塔的结构形式及材质对多塔斜拉桥的静动力特性影响较大。目前已对斜拉桥桥塔设计进行了大量研究，主要集中于分析斜拉桥主塔塔形和塔高对斜拉桥性能的影响［3-4］，而桥塔材质和布置方式对多塔斜拉桥静动力性能的影响研究较少。文献［5-6］研究了某八跨七塔斜拉桥的桥塔材质并讨论了地震作用下钢塔、混凝土塔和二者的混合桥塔的弯矩与位移。

桥塔材质主要是混凝土和钢材，普遍认为虽然混凝土塔刚度较大，但自重大，地震时结构惯性力大［7］；钢塔与之相反。目前国内外学者尝试对这类多塔大跨桥梁进行不同桥塔材质的混合布置，并研究其静、动力性能。

本文以珠机城际铁路金海特大桥3×340 m四塔斜拉桥为背景，研究3 种桥塔布置方案，并对3 种方案建立计算模型，计算结构静动力响应，并考虑构造处理及施工的影响，综合比较桥塔材质和布置方式对多塔斜拉桥的影响，确定合理的桥塔布置方案。

1 工程概况

珠机城际铁路金海特大桥跨越磨刀门水道入海口，主桥采用（58.5+116+3×340+116+58.5）m 四塔三主跨斜拉桥，公铁同层布置，中间通行双线城际列车，两侧布置高速公路（双向6 车道），是国内首座公铁同层布置的多塔斜拉桥。结构体系采用刚构连续体系，即中塔塔梁墩固结；边塔塔梁固结，塔墩分离，梁底设双排支座，支座纵向间距10.4 m，如图1所示。

图1 刚构连续体系布置示意（单位：m）

为适应公铁平层布置要求，主梁采用了一种新型的大挑臂式钢箱梁结构，如图2 所示。大挑臂式钢箱梁由中间宽17.6 m 的主箱加两侧各长16 m 的挑臂组成，桥面宽度达49.6 m。根据受力特性，较重的铁路荷载布置于中间主箱上，较轻的公路荷载布置于挑臂上，斜拉索布置在两者之间（边箱内），结构受力合理，且单箱三室构造便于钢箱梁的腹板与钢塔壁板连接，实现塔梁固结。

图2 断面布置（单位：cm）

桥塔采用空间四柱式塔，主墩采用双肢薄壁墩，桩基础采用钻孔灌注桩。选取3 种桥塔布置方案：方案1 为全混凝土塔，方案2 为全钢塔，方案3 为中间混凝土塔+两边钢塔。

桥塔构造如图3 所示，混凝土塔和钢塔外轮廓尺寸基本一致，材质分别为C55和Q370。

图3 桥塔构造（单位：cm）

2 计算模型

采用MIDAS/Civil 软件建立全桥三维空间有限元模型，塔、梁、墩、桩基均采用空间梁单元模拟，斜拉索采用索单元。各桥墩处按实际支座位置及类型分别设竖向和横向约束，基础底部固结，考虑桩土相互作用［8］。全桥三维数值模型如图4所示。

图4 三维数值模型

3 静力性能对比分析

3.1 结构变形及刚度

不同材料桥塔结构变形及刚度见表1。可知，边塔采用钢塔、中塔采用混凝土塔，与全部采用混凝土塔时，结构体系刚度差别很小；全部采用钢塔时，结构体系刚度相对较小［9］，但能满足城际列车和汽车运行安全性及舒适性要求。

表1 不同材料桥塔结构变形及刚度

3.2 桥塔应力

图5 不同混凝土塔应力云图（单位：MPa）

不同混凝土塔应力云见图5。可知，边塔采用混凝土塔时，桥塔应力满足要求；中塔采用混凝土塔时，在主力和主力+附加力组合下，最大压应力分别为22.7，25.0 MPa，应力超过规范限值（TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》规定：C55 混凝土在主力和主力+附加力作用下容许应力分别为18.5，24.1 MPa）。

经过计算，采用钢塔时调整板件厚度，中塔壁板厚48 mm，边塔壁板厚40 mm，桥塔应力满足要求。

3.3 边塔支反力

边塔分别采用钢塔和混凝土塔时，支反力见表2。可知：主力+附加力组合下，采用钢塔时，边塔下双排支座最大吨位为10 000 t；采用混凝土塔时，边塔下双排支座最大吨位为14 000 t，支座吨位较大。

表2 不同材料边塔支反力 kN

4 动力性能对比分析

4.1 地震动输入

本文仅对罕遇地震作用下的动力性能进行研究，桥址处最大地震烈度为8 度，工程场地类别为Ⅱ类。采用时程分析法，地震激励采用纵向+竖向输入方式，竖向地震作用取相应水平地震作用的0.65 倍。取3条地震波最大反应值作为最终输出，图6 为50 年超越概率2%的3条地震波中的一条。

图6 加速度时程曲线

4.2 动力特性

不同桥塔布置方案的动力特性见表3。可知：①3种方案的1 阶和2 阶桥塔纵向振动频率数值差异不大，说明桥塔纵向振动特性相近。②3 种方案的1 阶桥塔横向振型，最早出现的阶次不尽相同，方案1 和方案3出现在第5 阶振型，方案2 出现在第7 阶振型。方案1和方案3 的桥塔横向振动频率相近，方案2 频率最大。

表3 不同方案的动力特性

4.3 桥塔内力

对3 种方案进行时程分析，分别取桥塔关键截面的内力进行比较，截面编号参见图3。以方案1桥塔内力值作为基准，求出其他方案的相对倍数，见表4。可知，方案1 和方案3 中塔（混凝土塔）弯矩和剪力明显大于方案2中塔（钢塔）的内力值。

表4 纵向+竖向地震激励下3种方案中塔内力相对倍数

5 结论

1）中间混凝土塔+两边钢塔与全混凝土塔相比，结构体系刚度差别很小；全部采用钢塔时，结构体系刚度相对较小，但能满足城际列车和汽车运行安全性及舒适性要求；混凝土塔和钢塔在外轮廓尺寸相同的前提下，中塔为混凝土塔时，混凝土应力偏大。

2）混凝土塔抗震性能较差，钢塔抗震性能较好。从桥塔受力角度而言，推荐采用全钢塔方案。

3）桥塔采用钢塔时，主桥结构采用刚构-连续梁体系，桥塔与主梁固结，钢塔与钢主梁连接细节处理较容易，斜拉索在钢塔内的锚固也较简单。

4）桥址位于入海口，海上施工条件恶劣，工效低，采用钢塔适应性好，可采用整体吊装方案，施工工期短，现场工作量与高空作业量少。