某大桥主桥桥塔方案优化方案比选分析

摘要：文章通过建立某大桥Midas Civil桥梁数值分析模型，分析了四种方案（方案Ⅰ～Ⅳ）下的桥塔塔柱内力、桥塔横梁内力、桥塔抗弯性能，得出以下结论：方案Ⅳ为四种方案中受力性能最好的结构形式，但总造价最高，且施工难度较大；对比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ虽然结构的抗弯性能提高，且主梁的配筋率可以降低，但增加了一道横梁，成本相较于方案Ⅰ分别增加了1.67%、4.22%；在受力分析验算中，方案Ⅰ的上横梁、上塔柱结构的受力较大，但经过增加配筋可以有效提高承载性能；结合安全性、经济性、美观性及适用性考虑，方案Ⅰ的桥塔结构形式较为合理。研究成果可以为同类型桥梁桥塔方案的选择提供参考。

关键词：高速铁路；特大桥；桥塔；方案比选

0引言

对于斜拉桥，桥塔结构是桥梁结构中较为重要的受力构件，斜拉桥将桥面荷载沿着拉索结构传入桥塔结构中，进而转化为竖向荷载传入承台及桩基。因此，研究桥塔结构对于斜拉桥结构是较为关键的。

对于桥梁桥塔结构的研究目前已经取得了较为丰硕的研究成果，文望青等［1］分析了福州至厦门高速铁路的泉州湾跨海大桥，通过对多个塔型方案进行设计和比选，最终确定桥塔采用贝壳造型的曲线H形塔；崔苗苗等［2］以甬舟铁路富翅门公铁两用跨海大桥为研究对象，综合考虑了结构受力、工程造价、景观效果及施工便利性等因素，对桥塔方案进行了选择，最终确定梭形桥塔较为合理；张德明［3］以济南凤凰黄河大桥主桥为研究对象，对桥塔结构进行静力、稳定及动力分析；王念［4］以商合杭铁路芜湖长江公铁大桥主桥为研究对象，对桥塔环向预应力技术进行了分析；徐艳等［5］以某双塔斜拉桥为研究对象，采用了振动台试验的研究方法观测桥塔破坏过程，并对桥塔加速度和位移响应进行了分析；李浩［6］以广州南沙港铁路西江特大桥的高低塔斜拉桥为研究对象，分析了其受力特性及车桥动力响应；马碧波等［7］以温州瓯江北口大桥主桥为研究对象，分析了桥梁结构的中塔应力分布，并结合数值模型分析了索鞍施工时的预偏量影响；贺鹏等［8］以嘉鱼长江公路大桥主桥为研究对象，该桥结构形式为双塔单侧混合梁斜拉桥，对该桥塔结构结合斜拉索工作性能、受力状况进行了分析。

基于前人的研究基础，本研究拟建立Midas Civil桥梁数值分析模型，分别分析方案Ⅰ～Ⅳ在多遇、罕遇地震响应下的稳定性状态。

1 工程概况

本工程以某大桥为研究对象。该特大桥桥址处的河道为航道主干道，规划为Ⅴ级航道，如图1所示为大桥主桥的布置方案，为（80+80+260+80+80）m双塔、双索面、半飘浮体系混合梁的斜拉桥结构，主梁为钢-混混合箱梁结构。其中，梁体高度为4.25 m，梁体中间截面为钢箱梁结构，两端为混凝土箱梁结构，桥塔设计高度为101 m，桥塔基础为桩孔灌注桩基础+矩形承台結构。桥梁的抗震烈度设计等级为Ⅷ级，该斜拉桥设计抗震烈度在国内同类型高速铁路中处于较高水平。

桥塔是斜拉桥结构较为重要的受力部件，主要是将拉索传递的荷载转化为竖向载荷传入承台及桩基。为了保证桥梁的抗震烈度、降低工程造价、降低施工难度，桥塔采用竖直上塔柱并结合横向内倾下塔柱的结构。由于高设计抗震烈度对于桥塔的要求较高，结合设防烈度下的内力状况，设计了4种桥塔形式（方案Ⅰ～Ⅳ）如图2所示。对于方案Ⅰ，该桥塔为H形的结构形式；对于方案Ⅱ，该桥塔为方案Ⅰ的H形+中部1道横梁的“井”形结构形式；对于方案Ⅲ，该桥塔为方案Ⅰ的H形+塔顶1道横梁的门型结构形式；对于方案Ⅳ，该桥塔为方案Ⅱ的“井”型变形结构形式（上塔间距减小至8 m）。

2 桥塔方案比选

2.1 桥塔模型的建立

采用Midas Civil软件对桥梁进行建模，分别分析4种方案在多遇、罕遇地震响应下的稳定性状态。在4种方案的桥塔中，均在主桥设置纵向、横向阻尼器，当在罕遇地震下，承受地震作用的主要为横向钢阻尼器结构。

2.2 桥塔内力分析

2.2.1 桥塔塔柱内力分析

选取桥梁结构的7个主要的点进行分析，对于计算截面的编号如表1所示，在罕遇地震作用下，4种方案下7个典型截面的纵向弯矩、横向弯矩变化状况如图3所示。

分析图3（a）中的纵向弯矩值变化状况可以发现，对于4种方案，其典型截面最大纵向弯矩值基本无变化，表明最大纵向弯矩值基本不受桥塔塔形的影响。

分析图3（b）中的横向弯矩值变化状况可以发现，方案Ⅱ为方案Ⅰ的H形+中部1道横梁的“井”形结构形式，上塔柱底S5位置处的横向弯矩值由方案Ⅰ的299.5 mN·m减小为方案Ⅱ的114.1 mN·m，减少了62.0%，下塔柱底S1位置的横向弯矩值也略有减小，其余典型截面的横向弯矩值基本无明显变化；方案Ⅲ为方案Ⅰ的H形+塔顶1道横梁的门型结构形式，上塔柱底S5位置处的横向弯矩值由方案Ⅰ的299.5 mN·m减小为方案Ⅱ的194.4 mN·m，减小了35.1%，但上塔柱顶S7位置由于在塔顶设置了1道横梁，出现了弯矩突然增大的情况，其余典型截面的横向弯矩值相较于方案Ⅰ均略有减小；方案Ⅳ为在方案Ⅱ的“井”型变形结构形式的基础上，将上塔间距减小至8 m，中塔柱底S3位置与中塔柱顶S4位置处的横向弯矩值相较于方案Ⅱ均出现不同程度的减小，减小幅度约为30%，其余典型截面的横向弯矩值与方案Ⅱ基本相同。

2.2.2 桥塔横梁内力分析

选取桥梁结构的3个主要点进行分析，对于计算截面的编号如表2所示。在纵向罕见地震作用下，四种方案下3个典型截面的最大横向弯矩值基本无变化，表明最大横向弯矩值基本不受桥塔塔形的影响。最大纵向弯矩变化状况如图4所示。

分析图4中的最大纵向弯矩值变化状况可以发现，对于下横梁根部L1位置与上横梁根部L2位置，4种方案中最大纵向弯矩值由大到小依次为：方案Ⅰ、方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅳ，对于次上横梁根部L3位置，3种方案最大纵向弯矩值由大到小依次为：方案Ⅱ、方案Ⅳ、方案Ⅲ；相较于方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ的上横梁根部L2位置处的最大纵向弯矩值由454.7 mN·m分别降低至316.0 mN·m、356.3 mN·m，分别减小了30.0%、22.0%；相较于方案Ⅱ，方案Ⅲ的上横梁根部L2位置处的最大纵向弯矩值由316.0 mN·m降低至260.5 mN·m，减小了18.0%。

总体分析认为，方案Ⅱ～Ⅳ的两道上横梁布置方案相较于方案Ⅰ的一道上横梁布置方案可以有效降低桥塔塔柱、横梁内力，但两种横梁布置方案的内力除了上塔柱底S5、上横梁根部L2具有明显差别外，其余典型截面的弯矩值差别较小。

2.3 桥塔抗弯性能分析

该桥的设计要求较高，基本原则为“中震弹性，大震可修”，即在小震及中震下的桥塔结构保持弹性的状态、不发生塑性的破坏；在罕遇地震下，桥塔结构可发生小的塑性可修复的损伤变形，且在震后及修复过程中不影响车辆的通行。针对这一要求，该桥塔结构的分析采用弯矩-曲率的分析方法，在地震工况下，桥塔结构不同塔形下下塔柱的变形及内力差别较小，因而主要分析桥塔结构的中、上塔柱及横梁结构的抗弯性能。对于模型中材料的选择，混凝土采用C55等级的混凝土，钢筋材料为HRB500级别钢筋，预应力钢筋为低松弛预应力钢绞线。混凝土采用Mander模型，钢筋、钢绞线为强化阶段的双线性模型。

由于纵向地震对中、上塔柱弯矩的影响较小，因而，本研究主要分析在横向地震下中、上塔柱弯矩的变化特征，选取中塔柱底S3、上塔柱底S5作为研究对象，分析其抗弯承载力。对于方案Ⅰ～Ⅳ工况下，中塔柱底S3的配筋分别为1.40%、1.40%、1.12%、0.96%，上塔柱底S5的配筋分别为1.84%、0.45%、1.03%、0.45%，模拟中、上塔柱底的抗弯性能，结果如表3所示。分析表3可以发现，在罕遇地震下，4种方案的最小抗弯安全系数为1.05，＞1.0，均能满足抗弯性能的要求。

3 结语

本研究通过建立某大桥Midas Civil桥梁数值模型，分析了4种方案（方案Ⅰ～Ⅳ）下的橋塔塔柱内力、桥塔横梁内力、桥塔抗弯性能，主要分析得到如下结论：

（1）方案Ⅳ为四种方案中受力性能最好的结构形式，但总造价最高，且施工难度较大；（2）对比方案Ⅰ，方案Ⅱ、方案Ⅲ虽然结构的抗弯性能有效提高且主梁的配筋率可以有效降低，但增加了一道横梁，通过造价分析，4种方案的成本分别为933.2万元、948.8万元、972.6万元、960.1万元，成本相较于方案Ⅰ分别增加了15.6万元、39.4万元；（3）在受力分析验算中，方案Ⅰ的上横梁、上塔柱结构的受力较大，但经过增加配筋可以有效提高承载性能；（4）方案Ⅰ造型较为美观、简洁，与周边建筑物风格较为统一。因而，结合安全性、经济性、美观性及适用性，考虑选取方案Ⅰ作为桥塔形式结构。

参考文献：

［1］文望青，严 翯，曾甲华.福厦高铁泉州湾跨海大桥桥塔设计［J］.世界桥梁，2020，48（S1）：7-11.

［2］崔苗苗，刘振标，王鹏宇.甬舟铁路富翅门公铁两用跨海大桥桥塔设计［J］.世界桥梁，2020，48（S1）：40-46.

［3］张德明.济南凤凰黄河大桥主桥桥塔设计［J］.桥梁建设，2020，50（5）：84-89.

［4］王 念.商合杭铁路芜湖长江公铁大桥桥塔环向预应力技术［J］.桥梁建设，2019，49（4）：7-12.

［5］徐 艳，崔存玉.斜拉桥H形混凝土桥塔横桥向地震破坏模式研究［J］.桥梁建设，2019，49（3）：29-33.

［6］李 浩.铁路高低塔斜拉桥受力特性研究［J］.中国铁道科学，2019，40（3）：54-59.

［7］马碧波，叶雨清，白雨东，等.瓯江北口大桥中塔设计及索鞍施工预偏量影响研究［J］.桥梁建设，2018，48（6）：41-46.

［8］贺 鹏，王成启.嘉鱼长江公路大桥桥塔设计［J］.桥梁建设，2018，48（4）：84-89.

作者简介：李茂华（1988—），工程师，主要从事高速公路试验检测工作。