2000 米跨径下三塔悬索桥钢中塔结构形式的研究①

张静林

(同济大学土木工程学院桥梁系，上海200092)

1 概 述

目前，无论国内还是国际，随着经济的发展，对跨越海峡的建桥技术提出了更高的要求，以往单一追求大跨径已不能满足实际海峡、海湾及连岛工程建桥技术的要求，必须寻求新的适应桥型.

当桥位处水域宽广时，通常有两种方式可以实现跨越:一是采用一座大跨度主桥(悬索桥或斜拉桥)和一系列长桥相结合的方式;二是仅采用长桥的方式.由于长桥每跨的跨度较小，所以其桥墩和基础的数目较多，相应的造价也较高;如果水域较深且又环境恶劣，那么下部结构的施工几乎成为一种不可能.当跨度过大，即使使用悬索桥一跨也很难跨越，或使用一跨会大幅增加造价和施工难度时，工程师就采用了两三座传统悬索桥，通过共用锚碇而前后相连的办法来完成跨越. 但是，这种结构形式增加了至少一个中部锚碇及其基础，不仅有人工岛的施工困难和昂贵费用，而且还会占用航道.于是，多塔连跨悬索桥的出现就成为必然.

多塔连跨悬索桥是一种全新结构，它是在两塔单主跨悬索桥的基础上，通过增设中间塔的方式，实现多主跨连续布设的悬索结构，从而使跨越能力大为增大.从双塔悬索桥走向多塔连跨悬索桥是结构设计上质的飞跃，尤其对超过千米后的多塔连跨悬索桥更是如此.多塔悬索桥中最基本的形式就是三塔悬索桥，三塔悬索桥的关键问题有:悬吊跨数，支撑体系，跨度比，垂跨比，加劲梁的形式，边中塔的形式，边中塔塔顶高程差，以及一些特殊位置的连接等.

对于多塔悬索桥，在恒载状态下，主缆对中塔塔顶的约束较边塔弱得多.当一个主跨加基本可变荷载，另一个主跨不加载时，如果中间主塔刚度很大，则中塔所受纵向剪力大，中塔两侧主缆缆力差值大，对主缆的抗滑移要求高;如果中间主塔刚度小，则中塔产生一定的塔顶纵向位移，非加载跨主缆缆力增加，中塔的挠曲形成加载跨的竖向位移，因而加载跨竖向位移大.因此，三塔悬索桥中主塔的选型，对实现三塔悬索桥合理设计而言至关重要.

图2 加劲梁标准段

在将要建成的泰州长江公路大桥中，由于A形中塔刚度太大，抗滑移安全难以满足，因此采用了倒Y 形中塔. 但是随着跨径的增大恒载所占比重随之加大，中塔在活载作用下两边的不平衡力相应减小，因此使得A 形中塔的使用成为一种可能.本次研究计算了A 形、倒Y 形和I 形中塔，分别分析了他们在2000m 跨径下的适用性.

2 计算模型

本次计算一泰州大桥为参考，主桥立面图见图1.其中，采用与其相同的矢跨比:1/9;相同的主缆材料:抗拉强度为1670MPa 的5.2mm 镀锌高强钢丝;相同的封闭式流线型扁平钢箱梁(图2);相同的吊杆间距:16m;相同的边中塔材料:边塔塔柱为C50 混凝土，中塔塔柱为Q420qD;相同的鞍座-主缆摩擦系数:0.2. 另外，边中塔截面形式见图3 ～图5.

图3 边塔截面形式

图4 人形上塔柱及I 形塔柱结构形式

图5 下塔柱结构形式

本次研究采用有限元分析软件ANSYS 进行非线性有限元分析，移动荷载采用非线性加载.边塔混凝土强度设计值为22.4MPa，中塔钢结构塔柱强的设计值取为240Mpa，中塔抗滑移系数满足公式(1)的要求，计算简图见图6，挠跨比限值取为1/250.

图6 主缆抗滑移安全系数示意图

主缆抗滑移安全系数见公式1:

式中:μ 为主缆与槽底或槽壁间的摩擦系数，本文采用0.2;αs为主缆与鞍槽的包角(弧度);Fcl为主缆松边拉力;Fct为主缆紧边拉力

3 纵向为A 形的桥塔适应性分析

当桥塔采用A 形塔时，塔顶纵向不平衡力对中塔不同高度处产生的弯矩可以由A 形的两个分支塔柱的轴力与张开距离所产生的抵抗矩承受.当桥塔截面尺寸和张开距离取值合理时，可使塔柱截面弯矩很小. 因此，对于A 形塔，通过改变塔底张开量，塔柱截面尺寸等参数，对加劲梁挠度、中主塔的纵向刚度、中主鞍座内主缆抗滑移安全系数、塔顶纵向位移、塔身截面最大拉压应力等的影响. 计算结果见下表1，其中计算所用钢材厚度为60mm.

图7 塔柱张开量对桥塔刚度的影响

从表1 及图7 可以看出，随着塔柱张开量的减小，塔身纵向刚度也跟着逐渐减小，在活载作用下的抗滑移安全系数逐渐增大，中塔顶最大位移逐渐增大，加劲梁最大挠度逐渐增大，截面上的最大拉压应力也都逐渐增大. 对于抗滑移安全系数而言，塔柱张开量在12m ～50m 之间时，其值都能满足规范要求. 中塔挠度也仅当塔柱分开量小至12m，截面尺寸为7m* 6m 是略微超出1/250 的控制条件.由此可见，当三塔悬索桥跨径达到2000m，中主塔采用A 型时，中塔在活载下的抗滑移安全性及加劲梁挠度都能很好满足要求. 由上表可知，不论截面尺寸大小，塔柱张开量对截面最大压应力影响很大. 截面最大压应力基本在200MPa ～300MPa 之间.当塔柱张开量小于30m 时，不论采用哪两种截面，塔柱最大压应力均超过240MPa.由此可知，对于2000m 跨径的三塔悬索桥，如果采用A 形钢中塔，应采取合理的塔柱张开量以控制截面最大压应力.

4 纵向为倒Y 形的桥塔适应性分析

对于倒Y 形塔，本研究通过改变分支点高度、塔底张开量，塔柱截面尺寸、钢板厚度等参数，对加劲梁挠度、中主塔的纵向刚度、中主鞍座内主缆抗滑移安全系数、塔顶纵向位移、塔身截面最大压应力等的影响.计算结果见表2.

表1 2008m 跨径A 形塔计算结果

表2 2008m 倒Y 形塔计算结果

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由表2 可以看出，抗滑移安全系数都满足规范要求，加劲梁挠度只有当上塔柱截面尺寸过小、分支点高度较低时(#14、#18)超出限值.因此对于倒Y 形中塔而言，也能够很好的满足抗滑移和加劲梁挠度的要求.但是塔柱的压应力普遍较大，上塔柱压应力基本大于240MPa，只有当钢板厚度为80mm，上塔柱截面尺寸较大(15m)且分支点高度及张开尺寸取值合理时可以满足.而下塔柱截面最大应力均能满足要求，只有当上塔柱截面取值过大(#9、#10)时，会超过允许应力.

通过分析钢板厚度、分支点高度、下塔柱张开量的大小，可以得出如下规律:

1、通过比较#2、#11、#12，可知钢板厚度对上下塔柱的最大应力影响较大.在其他条件相同的情况下，80mm 厚钢板相对于60mm 厚钢板能明显减小上下塔柱截面最大压应力.2、通过分别比较#1 ～#4以及#13、#15 ～#17 可知，当分支点高度不变，钢板厚度不变，上塔柱尺寸不变时，下塔柱张开量减小，对桥塔纵向刚度、抗滑移安全系数、加劲梁挠度以及上塔柱截面最大压应力没有非常明显的影响，但是会使得下塔柱最大压应力逐渐减小.3、当其他条件不变，分支点高度逐渐升高时，桥塔纵向刚度明显增大，抗滑移安全系数和加劲梁挠度明显减小，上塔柱最大压应力有一定的增大，下塔柱最大压应力变化不大.

5 纵向为I 形的桥塔适应性分析

对于I 形塔，本研究通过改变几面尺寸、钢板厚度等参数，对加劲梁挠度、中主塔的纵向刚度、中主鞍座内主缆抗滑移安全系数、塔顶纵向位移、塔身截面最大压应力等的影响.计算结果见表3.

表3 2008m 跨径I 形塔计算结果

由表3 可以看出，对于I 形中塔，当壁厚采用60mm 时，主缆抗滑移安全系数均大大满足规范要求，但是如果不采用很大的截面以提高刚度，其加劲梁挠度难以达到1/250 的限值，而且截面最大压应力很大，在限值附近.如果采用80mm 壁厚，当截面达到15m* 8m 以上，可以满足抗滑移、加劲梁挠度和塔柱最大压应力限值的要求. 此外，单纯的加大截面时，桥塔纵向刚度会随之增大、抗滑移安全系数和加劲梁挠度随之减小，但是最大压应力并不一定随之按一个方向变化. 这是因为截面加大后，中塔刚度增大，导致桥塔两边在活载作用下的不平衡力增大，从而在塔身产生的弯曲应力增大，于是最大压应力有可能增加.反之减小截面也有可能减小最大压应力(如#7).

6 结 语

本次研究以泰州长江公路大桥为参考，在泰州长江公路大桥的设计中，为了同时满足加劲梁挠度和抗滑移安全性的要求而采用了倒Y 形塔. 如果要采用A 形塔，则要么塔柱张开量不能大于15m，要么主缆与鞍座的摩擦系数不能低于0.345，均不太容易满足.通过本次研究可以发现，在2000m 跨径下，A 形和倒Y 形桥塔在合力选取壁厚和各参数的情况下均可采用，最大应力对结构参数的控制要大于抗滑移安全性和挠跨比的限值的控制，而I形塔相对而言需要较大的截面尺寸以满足应力和挠跨比的要求，这种塔形比较废材料.

［1］ 罗喜恒.复杂悬索桥施工过程精细化分析研究［D］.上海:同济大学，2004.

［2］ 泰州长江公路大桥设计项目组. 泰州长江公路大桥—三塔两跨悬索桥结构分析研究(内部资料)，2007.

［3］ 交通运输部公路科学研究院.多塔悬索桥结构体系与刚度适宜性研究—国内外现状调研报告(内部资料)，2010.

［4］ 中交公路规划设计院. 公路悬索桥设计规范(报批稿)(JTJ xxx-2002)［S］，2002.

［5］ 朱本瑾.多塔悬索桥的结构体系研究［D］. 上海:同济大学，2007.