高速铁路拱承斜拉桥桥塔形式和锚固构造研究

李 浩

（中国铁路广州局集团有限公司，广东 广州 510088）

现有斜拉桥桥塔形式多采用柱式、A型、钻石型、倒Y 型以及H 型。拱形塔柱作为一种特殊的斜拉桥桥塔形式，对于斜向跨越既有交通具有较好的适应性，且具有外形美观、构造简单、节省材料等优点。但是其空间特性显著，桥塔结构空间受力复杂。目前针对拱塔斜拉桥的研究主要有拱塔线型研究［1−4］、结构参数比选［5−7］、抗风抗震研究［8−10］、锚固区受力分析［11−12］、施工控制等［13−15］。

跨深汕西高速公路广汕铁路主桥初步设计采用（32+160+32）m 拱承斜拉桥，主桥长225.8 m，如图1所示。该铁路大桥跨越G15 高速公路深汕西段，线路法线方向与高速公路夹角26°，高速公路按扩建双向8车道预留用地，高速公路正宽44 m。

图1 广汕铁路大桥主桥示意图

跨深汕西高速公路广汕铁路大桥是国内第1 座铁路拱承斜拉桥，双线无砟轨道，设计速度350 km·h−1。主桥结构为独塔双索面拱承斜拉桥，主梁全长采用纵肋倒置式钢混组合梁。全桥共设13对空间斜拉索，索梁及索塔锚固均采用钢锚箱。桥塔为拱形钢塔，采用单箱三室截面。

拱承斜拉桥桥塔呈拱形布置，横向跨越桥下既有交通，可有效解决桥梁结构小角度低净空边界下的跨越难题。同时由于拱承斜拉桥桥塔横向跨度大，斜拉索为大角度空间索，桥塔空间受力复杂，在恒载和活载作用下桥塔不仅承担轴力，还需要承担较大的横向和纵向弯矩。

本文以跨深汕西高速公路新建广州至汕尾铁路特大桥为研究对象，运用Midas Civil软件建立全桥分析模型，分析采用上塔柱分散锚固、塔顶集中锚固的抛物线和圆曲线桥塔的受力，进行该桥桥塔形式和锚固构造研究。

1 拱形塔塔型

对于拱承斜拉桥，塔底横向间距大，常规的H形塔、钻石形塔不再适用，而是采用抛物线和圆曲线桥塔。斜拉索塔上锚固形式分为塔顶集中锚固和上塔区分散锚固2 种。对于不同拱形塔而言，采用不同塔型和锚固方式对桥塔内力影响不同，下面对抛物线和圆曲线2种塔型进行分析研究。

1.1 抛物线拱形塔

抛物线拱形塔拱轴线型采用二次抛物线，塔底间距74 m，塔高55 m。斜拉索分别采用塔顶集中锚固和上塔柱分散锚固。

采用通用有限元软件Midas Civil建立全桥计算分析模型，对采用塔顶集中锚固和上塔区分散锚固的抛物线桥塔的2 个方案进行分析，具体方案如下。

方案1：抛物线拱形塔+塔顶集中锚固。

方案2：抛物线拱形塔+上塔区分散锚固。

2个方案的分析模型分别如图2和图3所示。

图2 抛物线塔形+塔顶集中锚固三维模型

图3 抛物线塔形+上塔区分散锚固三维模型

2 个方案内力分析结果见表1。由表1可见：集中锚固时最大弯矩为塔顶正弯矩；分散锚固时最大弯矩为塔顶负弯矩，集中锚固时弯矩数值更大，为分散锚固的9.7倍；集中锚固与分散锚固的塔底轴力、拱脚竖向力及横向水平力基本相当。

表1 方案1和方案2内力分析结果

抛物线拱塔在塔顶处斜率为0，且沿塔高方向斜率不断变化，集中锚固时，对桥塔直接产生的轴力效应不明显，弯矩效应明显，分散锚固时，由于斜率的变化，轴力产生的直接效应较明显，在分散锚固区域产生正弯矩，导致在塔顶产生反弯，但弯矩效应不明显。若桥塔拱轴线采用抛物线线形，上塔区采用分散锚固是较为合适的。

1.2 圆曲线拱形塔

圆曲线拱形塔拱轴线型采用2 段圆曲线相交而成，圆曲线半径为166.45 m，塔底间距74 m，塔高55 m。采用通用有限元软件Midas Civil建立全桥计算分析模型，对采用塔顶集中锚固和上塔区分散锚固的圆曲线桥塔2个方案进行分析，具体方案如下。

方案3：圆曲线拱形塔+塔顶集中锚固。

方案4：圆曲线拱形塔+上塔区分散锚固。

2个方案的分析模型分别如图4和图5所示。

图4 圆曲线塔形+塔顶集中锚固三维模型

图5 圆曲线塔形+上塔区分散锚固三维模型

2个方案内力分析结果见表2。

表2 方案3、方案4和方案5内力分析结果

由表2可见：集中锚固时最大弯矩为塔顶正弯矩；分散锚固时最大弯矩为塔顶负弯矩，分散锚固时弯矩数值更大，为集中锚固的1.8 倍；集中锚固与分散锚固的塔底轴力、拱脚竖向力及横向力基本相当。

圆曲线拱塔在塔顶处斜率不为0，且沿塔高方向斜率变化不大，集中锚固时，对桥塔直接产生的轴力效应较明显，弯矩效应不明显，分散锚固时，轴力与集中锚固基本相当，在分散锚固区域产生正弯矩，导致在塔顶产生反弯。若桥塔拱轴线采用圆曲线线形，塔顶采用集中锚固或上塔区采用分散锚固都是合适的。

由圆曲线拱塔集中锚固受力可以看出，在桥塔中下部存在反弯，考虑将跨中1 对斜拉索沿横向布置，既起到横梁作用，减小主梁横向变形，同时约束桥塔变形，减小桥塔内力。

采用通用有限元软件Midas Civil建立全桥计算分析模型，对采用塔顶集中锚固的圆曲线桥塔的方案3 和设置横向索的方案5（圆曲线拱形塔+设置横向索）进行分析。

方案5 的分析模型如图6所示。方案5 内力分析结果列于表2。

图6 圆曲线塔形+设置横向索三维模型

由表2可见：横向索可有效减小桥塔的横向变形，进而减小塔柱的面内弯矩约30%，结构内力状态良好。

2 塔顶集束式锚固构造及受力

对于钢结构拱形桥塔，斜拉索在塔上锚固可采用分散锚固或塔顶集中锚固，分散锚固构造相对简单，技术成熟，应用较多，但在塔柱范围内需多次穿孔，对塔柱截面削弱较大，影响桥塔整体受力，且塔柱锚固处节段构造多样化，不利于塔柱节段的标准化制造和施工。采用塔顶集中锚固可有效解决上述问题，同时减少后期养护工作量，但应用较少。本文提出一种构造简单且能适应拱承斜拉桥的全新集束式锚固构造，并针对该构造进行分析研究。

2.1 构造

集束式锚固构造为铸焊组合结构，由顶板、底板、侧拉板、加劲板以及锚垫块组成。底板由3 段圆弧组成，顶板与底板之间设置3 道侧板，侧拉板之间设置4 道加劲板，加劲板与钢桥塔4 道腹板对应，底板上设置4 个锚垫块，斜拉索在塔顶集中锚固。底板及加劲板设有过人孔，供斜拉索锚固张拉及后期养护维修时人员通过。集束式锚固如图7和图8所示。

图7 集束式锚固构造三维图

图8 集束式锚固构造内部三维示意图

侧拉板、底板、顶板及加劲板均采用Q345qD钢材，连接受力焊缝均采用全熔透焊接焊缝。锚垫块采用铸钢件整体制作，材质为采用ZG270-480H，与底板连接焊缝采用部分坡口焊缝。

2.2 受力分析

建立塔顶集束式锚固有限元模型，两侧拱塔节段长度8 m，其中拉索锚垫块采用实体单元SOL⁃ID95 模拟，其余钢塔、索冠板件及加劲肋采用壳单元SHELL63 模拟。集束式锚固构造顶、底、侧板厚度均为100 mm，隔板及塔壁厚度为40 mm，桥塔加劲肋及索冠入孔镶边为20 mm。有限元模型如图9所示。

图9 塔顶集束式锚固有限元模型

塔顶锚固构造与桥塔之间通过共节点连接，锚垫块与锚固构造底板之间采用约束方程连接。边界条件为约束桥塔节段边缘所有节点的平动自由度，主力+附加力作用下各个拉索的最大索力见表3。按表3给出的最大索力均布加载到锚垫块顶板。

表3 主力+附加力作用下拉索最大索力

图10给出了集束式锚固的锚垫块的应力云图。由图10可见：锚垫块顶面（拉索锚固面）应力在15～40 MPa 之间；锚固块底面应力大部分在80～150 MPa之间，局部有应力集中，达到225 MPa。

图10 集束式锚固的锚垫块Mises应力云图

图11给出集束式锚固的应力云图。由图11可见：集束式锚固底面与锚垫块接触处应力较其他部位高，达到175 MPa；锚固底面及侧面中部应力较小，在20 MPa 以内；侧面两侧应力在45 MPa左右。

图11 塔顶集束式锚固的Mises应力云图

图12给出了集束式锚固内部隔板的应力云图。由图12可见：隔板最大应力位于最外侧隔板的人孔倒角处，达到187 MPa，应力由倒角处向远离人孔方向扩散，隔板中部应力较小，上下两端应力较大。

图12 塔顶集束式锚固内部隔板Mises应力云图

图13给出了钢塔节段的应力云图。由图13可见：钢塔节段及加劲肋应力主要在70 MPa 左右，腹板与集束式锚固连接处存在局部应力集中现象，最大应力272 MPa。

图13 钢塔节段Mises应力云图

塔顶集束式锚固构造主要传力路径为锚垫块将索力传递给底板，底板通过侧拉板传递给钢塔节段，侧拉板主要传力集中在锚块区域，侧拉板中部应力水平较低，集束式锚固与钢塔节段连接处存在应力集中现场，但均小于钢材屈服强度。

3 结 论

（1）采用不同拱塔轴线线形时，拱塔高度相同的条件下，拱塔的轴力基本相当，但弯矩差异较大，集中锚固时最大弯矩为塔顶正弯矩，分散锚固时最大弯矩为塔顶负弯矩，且分散锚固时弯矩数值更大，抛物线形和圆曲线形塔采用分散锚固时的最大弯矩分别为采用集中锚固时的9.7和1.8倍。

（2）拱承斜拉桥采用抛物线拱形塔和圆曲线拱形塔均可行，抛物线桥塔采用上塔区分散锚固形式更为适宜，受力状态更好。圆曲线桥塔采用塔顶集中锚固或上塔区分散锚固形式均合适；圆曲线拱形塔采用塔顶集中锚固的情况下，塔间设置横向索可有效改善桥塔变形和内力状态。

（3）塔顶集束式锚固构造传力途径明确，结构受力合理，技术可行。

（4）拱承斜拉桥桥塔呈拱形布置，横向跨越桥下既有交通，可有效解决桥梁结构小角度低净空边界下的跨越难题，在特殊建桥条件下具有较高的推广应用价值。