“心型索塔”斜拉桥纵向水平力传递设计方法研究

崔 斌, 曾文彬, 韩建南

(中铁四局集团有限公司设计研究院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

随着交通事业的迅速发展,桥梁结构在交通中的重要性越来越明显,在满足桥梁结构的功能性及安全性的前提下,人们对桥梁的美观要求越来越高,各种异型桥梁结构应运而生,随着桥梁结构的复杂化程度不断提高,造成结构受力更加复杂,为解决复杂结构所产生对结构不利的作用，需结合工程特点将作用力与结构相结合，采取合适的方式将力进行传递，减少对结构产生的影响。

1 概 述

1.1 项目概况

本项目位于南京市高淳区环湖线，路线全长9.818 km。其中花山特大桥跨越固城湖，主桥采用主跨 (100+50+100)m“心型索塔”四柱独塔钢箱梁斜拉桥，空间双索面，接引桥处各设置 1 个交界墩。结构体系为塔、梁分离体系。

1.2 设计理念

本桥采用“心型索塔”斜拉桥，拱塔的曲线来源于对船帆造型的重新提炼(图1)。从立面上看，索塔微微偏向一侧，整体造型富有动感，犹如一艘行驶在固城湖上的帆船。斜拉索的巧妙设置既为桥梁提供了支承点，也建立了拱塔与主梁的视觉联系，使桥梁的造型具有张力之美。本桥以帆船的形态呼应高淳发达的造船水运业，寓意扬帆起航，迎接八方来客。

1.3 结构布置

心形索塔外侧斜拉索按扇形布置，索塔索面由 8 对高强度平行钢丝拉索组成，共 2×8对斜拉索。心形索塔内侧同样布置 8 对高强度平行钢丝拉索。为优化塔基内力，减少索塔变形，塔柱内布置系梁拉索，该拉索为 1 对高强度平行钢丝拉索。

因本桥的独塔斜拉结构索塔造型不对称等原因，使得两侧拉索在主梁上的水平分力不平衡，为平衡此水平分力，避免主梁纵向飘移，需将上部结构的纵向水平力传递至下部结构。

图1 造型提炼

2 整体分析

主桥采用主跨(100+50+100)m“心型索塔”独塔钢箱梁斜拉桥方案，空间双索面，接引桥处各设置 1 个交界墩。结构体系为塔、梁分离体系。索塔采用“心型索塔”造型，塔上布置三处横梁，分别为主梁提供竖向支承和纵向抗推支承。

MIDAS模型为空间梁结构体系，按照设计图纸，建立全桥结构计算模型(图2)。

图2 MIDAS全桥结构分析模型

索塔采用钢-混凝土组合塔柱。每侧索塔由上、下拱塔组成。塔柱及主梁采用梁单元进行模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，通过施加初拉力来模拟索力的变化。

根据整体计算结构,索塔造型不对称原因造成的水平支反力为22 126.6 kN。

根据结构造型特点，将水平抗推分别设置在1号及3号横梁处进行计算，作用在1号横梁时纵向水平力对左侧每个下拱塔柱底所产生的弯矩达到83×103kN·m,所增加的弯矩值巨大，增加值约占原弯矩的50%，同理设置在3号横梁，对右侧每个下拱塔柱底所产生的弯矩与作用在1号横梁处大致相当。由于本身索塔结构整体往右侧倾斜，索塔结构自重、斜拉索拉力等荷载作用导致弯矩叠加。水平力作用于1号或3号横梁都对索塔产生非常不利的影响。

当在1号横梁或3号横梁上设置牛腿将水平力传至索塔处时，为消除该水平力对索塔产生的不利影响，需增大索塔截面，考虑桥梁结构造型的需求，索塔结构尺寸不宜过大，因此拟通过2号横梁将水平力通过下拱塔传递至基础。

3 局部分析

拟在主梁边腹板下方布置钢结构牛腿，通过竖直摆放的支座与下拱塔横梁(2号横梁 )连接，将此水平分力传递至基础。对下拱塔等局部位置进行分析。初步拟定下拱塔结构为预应力混凝土结构，计算下拱塔混凝土结构应力状态。

3.1 频遇组合作用下混凝土截面应力分析结果

正截面混凝土压应力验算结果表明：下拱塔上混凝土的最大法向压应力σcc(14.45MPa)，满足规范σcc≤0.7fck的要求，在下拱塔处与2号横梁左侧出现较大拉应力，达到3.557MPa，混凝土抗拉强度无法通过验算(图3)。

图3 主塔下拱塔混凝土截面最大正应力分布(单位：MPa)

3.2 准永久组合作用下混凝土截面应力分析结果

正截面混凝土压应力验算结果表明：下拱塔上混凝土的最大法向压应力σcc(14.307MPa)，满足规范σcc≤0.5fck的要求，在下拱塔处与2号横梁左侧出现较大拉应力，达到3.526MPa。混凝土抗拉强度无法通过验算。

3.3 结果分析

根据计算结果显示，在将纵向水平力传递至下拱塔后，对下拱塔产生的不利影响为：横梁左侧下拱塔截面出现很大的拉应力，且在适当增加截面尺寸后无法避免此拉应力的影响。根据结构造型要求，保证结构造型满足预期效果，此处截面不宜增加太大。在保证结构受力与结构造型的双重要求下，需对此截面材质进行调整。

4 构造、优化措施

根据预应力混凝土结构计算结果，下拱塔受较大拉应力，拟在下拱塔一定范围内采用钢结构(图4)，通过增减钢结构的长度，对比钢结构与混凝土结构的受力情况,最终拟定钢结构与混凝土结构划分长度。

图4 下拱塔钢混结合设置图

下拱塔与上拱塔结合部采用混凝土，中部采用钢箱结构抵抗不平衡推力所产生的较大拉应力，分析结果如下：

4.1 混凝土截面应力分析

(1)频遇组合作用下混凝土截面应力分析结果(图5):

图5 主塔下拱塔混凝土截面最大正应力分布(单位：MPa)

正截面混凝土压应力验算结果表明：下拱塔上混凝土的最大法向压应力σcc(14.28)，满足规范σcc≤0.7fck的要求。

(2)准永久组合作用下混凝土截面应力分析结果，正截面混凝土压应力验算结果表明：下拱塔上混凝土的最大法向压应力σcc(13.97MPa)，满足规范≤0.7fck的要求，未出现拉应力。

4.2 钢结构部分应力分析结果

主塔下拱塔钢结构部分应力验算结果(图6、图7)表明：主塔下拱塔钢结构部分最大组合应力138.8 MPa,小于规范要求295 MPa;最大剪应力31.9 MPa，小于规范要求170 MPa，满足要求。

图6 主塔下拱塔钢结构部分组合应力(单位：MPa)

图7 主塔下拱圈钢结构部分剪应力(单位：MPa)

5 结束语

“心型索塔”四柱独塔钢箱梁斜拉桥由于结构本身的构造要求，导致结构受力不平衡，在满足结构线型要求的情况下，水平力通过下拱塔拱形结构传递至基础，可减少水平力产生的弯矩对索塔结构的影响。

此桥下拱塔结构由于承载较大的水平力。局部节段应力较大，采用钢结构代替传统预应力混凝土结构，能够较好的解决局部应力超限的问题。

在特殊桥梁结构设计时，可根据桥梁自身特点，造型与力的有效的结合，能够有效解决结构特殊性产生的力的影响。此方法可为类似桥梁提供参考。