大跨度四线铁路高低塔混合梁斜拉桥桥塔设计

任 征

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

福厦高铁乌龙江特大桥位于在建福平铁路乌龙江特大桥和G324国道乌龙江公路大桥之间，是福厦高铁重难点控制性工程。大桥建设条件复杂、设计难度大，为主跨432 m的四线铁路高低塔混合梁斜拉桥(图1)[1]，孔跨布置为(72+109+432+56+56) m。斜拉索采用双索面布置，主跨及109 m边跨主梁为钢箱梁，其余边跨主梁为混凝土箱梁。主梁梁宽29.2 m(钢箱梁含风嘴)，梁高4.047 m。由于大里程侧边跨长度较小、两侧边跨非对称性较大，为适应结构受力需要，需采用高低塔混合梁斜拉桥[2-3]。

图1 (72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉桥桥式布置(单位：m)

2 主要技术标准

(1)铁路等级：客运专线。

(2)轨道类型：无缝线路，有砟轨道[4]。

(3)线路数目：四线，左侧为正线双线，右侧为动车走行线双线。

(4)线间距：(5+5+5) m。

(5)速度目标值：正线160 km/h，动走线80 km/h。

(6)设计活载：ZK活载。

(7)通航：内河Ⅳ航道，桥塔防撞标准按500 t内河货船设计。

(8)抗震设防标准：按地震基本烈度7度设防。

3 桥塔塔形比选

从部分统计来看，公路斜拉桥桥塔样式比较丰富，铁路桥塔主要集中在钻石形、H形和花瓶形(图2)。A字形、倒Y形桥塔下塔柱横桥向向外扩张，基础规模较大。H形塔是比较传统的桥塔形式，完全竖直的塔柱便于施工，斜拉索为平行索面，简化了锚固系统，但基础规模相对于下塔柱内收的钻石形和花瓶形桥塔较大。

钻石形塔斜拉索为空间索，塔、索之间的空间立体感增强，且可以使主梁获得较高的扭转自振频率，提高其横向风荷载承受能力。上塔柱向上收拢，总体造型挺拔，与倾斜的索面结合和谐。而下塔柱通过向内收缩使得基础规模较小，节省工程造价，目前较为广泛地使用于斜拉桥中。

花瓶形桥塔结合了H形塔和钻石形塔的优点，竖直的上塔柱、平行索面便于施工，下塔柱倾斜内收利于减小基础规模。塔形脱胎于福建享誉海外的德化白瓷花瓶造型，结构优美简炼，特别是通过横梁曲线的勾勒，使得塔形大气端庄而又不失秀美，体现出福建深厚的历史文化底蕴[5-6]。

综合以上对受力、施工、造价和景观等方面的分析，从结构受力安全可靠、施工简便、造价合理和景观优美等方面考虑，结合当地文化内涵，推荐采用花瓶形塔。

图2 塔形方案

4 桥塔刚度研究

高低塔斜拉桥的等效跨度L等效是衡量其构造与受力是否合理的关键参数，其数值由活载最大下挠变形点的切点A位置决定，L等效越接近实际跨度数值，梁体受弯曲效应越小、索力也越均匀[7]。因此，主要研究分析了桥塔刚度对等效跨度等参数的影响[8]。

在其他参数一致的情况下，计算分析了5种桥塔刚度条件下桥梁竖向刚度、等效跨度及边跨支座反力的结果，对比如表1所示。

表1 桥塔刚度变化对结构效应的影响

由表1结果可知：(1)桥塔刚度变化对等效跨度改变效应较低，一侧桥塔刚度增加等效跨度点将产生向另一侧桥塔移动的趋势；(2)桥塔刚度增加能提升桥梁竖向刚度，但效果不明显；(3)增大主塔刚度，对改善矮塔侧边支座反力有一定的作用，但同样效益较低。因此，通过增加桥塔刚度来改善本桥结构体系受力性能是不经济的，桥塔截面尺寸按能够满足受力需求进行设计即可。

5 塔高匹配研究

为确定合理的高、低桥塔高度匹配，在维持其他主要参数不变的情况下，对比分析了以下3种高、低桥塔高度匹配方案[9]。

方案1：高塔桥面以上塔高136 m，两侧各19对斜拉索；低塔桥面以上塔高104 m，两侧各15对斜拉索；两桥塔桥面以下塔高均为29 m，塔高差值为32 m。

方案2：高塔桥面以上塔高141 m，两侧各20对斜拉索；低塔桥面以上塔高99.5 m，两侧各14对斜拉索；两桥塔桥面以下塔高均为29 m，塔高差值为41.5 m。

方案3：高塔桥面以上塔高146 m，两侧各21对斜拉索；低塔桥面以上塔高95 m，两侧各13对斜拉索；两桥塔桥面以下塔高均为29 m，塔高差值为52 m。

3个方案主跨索间距布置均为12 m，边跨索间距布置为5～9 m，结构应力和变形均调整到相对合理状态[10]。主要结果对比如表2所示。

分析表2数据可知：(1)3个塔高匹配方案，桥梁结构整体刚度基本相当；(2)随着高塔塔高增加、低塔塔高降低，斜拉索在主跨高塔侧布置范围增大，等效跨度点A会随之向低塔侧移动，高塔侧等效跨度随之增大；(3)方案1边跨混凝土主梁弯曲效应较方案2明显增大，低塔侧边跨压重数量显著增加；(4)方案3边跨混凝土主梁弯曲效应较方案2明显增大，结构受力不对称性更为明显，塔高差值增加对改善低塔侧压重效果已不明显，高塔侧出现较大的配重需求。

表2 塔高匹配研究主要结果对比

综合以上分析，本桥高低塔的塔高匹配需在合理区间内，斜拉桥结构体系受力方能达到较优状态，方案2在结构受力、工程数量等方面均具有优势，因此推荐采用方案2。

6 索塔锚固体系研究(图3)

索塔锚固区设计是斜拉桥桥塔设计的重点，大跨度斜拉桥常用的索塔锚固方案主要有3种形式：(1)钢锚梁，将钢锚梁置于混凝土塔壁的钢牛腿上，拉索锚固于锚横梁的两端；(2)钢锚箱，钢锚箱通过连接件与混凝土索塔连接，斜拉索锚固在钢锚箱上；(3)齿块锚固，将斜拉索锚固于混凝土索塔内侧的齿块上，在索塔锚固区的四壁布设环向预应力[11]。

图3 索塔锚固体系

3种锚固体系受力的主要区别在于桥塔塔壁所承受的斜拉索水平分力大小。混凝土齿块锚固，斜拉索水平分力全部由塔壁承担，具有结构构造简单、后期维护简便的优点，但由于需高空作业环向预应力索、斜拉索锚固板等，存在施工质量和精度很难控制的缺点；钢锚箱，斜拉索水平分力一部分由其两侧的联系钢板承担，另一部分由塔壁承担，具有施工质量、精度更好控制的优点；钢锚梁，相较钢锚箱受力更为明确，斜拉索水平分力主要由钢锚梁承担，塔壁承受水平分力较小，仅需配置“井”字形预应力粗钢筋作为储备即可，缺点是钢结构后期维护工作量较大。

针对高低塔斜拉桥的桥塔受力非对称性较显著的特点，为改善桥塔塔壁受力、利于控制施工质量及精度，索塔锚固宜主要采用钢锚梁；同时，考虑到桥塔最内侧的2对拉索索力较小、水平分力角度亦较小，且可布置于桥塔上横梁处，这2对索更适宜采用混凝土齿块锚固方式。因此，大桥索塔锚固体系采用了以钢锚梁为主，局部为齿块锚固的方案，见图4。塔壁内无环向预应力索，仅布置“井”字形预应力粗钢筋作应力储备。

图4 索塔锚固布置示意

7 桥塔结构设计

两侧桥塔均位于水中，采用花瓶形塔，塔柱截面为单箱单室截面[12-13]。

两桥塔塔底以上全高分别为170 m、128.5 m，高塔桥面以上塔高至塔顶为141.0 m，低索塔桥面以上塔高至塔顶为99.5 m，桥面以下塔高均为29 m，两侧索塔塔顶高差为41.5 m。高塔顺桥向宽度由塔顶10 m线性加宽至塔底14.5 m，低塔顺桥向宽度由塔顶9 m线性加宽至塔底13.0 m。

索塔横桥向为分离式塔柱，高塔塔柱横向净距为18.0 m，塔柱横向宽度为6.0～10.0 m；低塔塔柱横向净距为19.0 m，塔柱横向宽度为5.0～9.0 m。两侧桥塔均设置上、下横梁，横梁与塔柱间采用曲线连接。桥塔立面布置如图5所示。

桥塔塔柱均采用单箱单室矩形截面，内外均设0.3 m×0.6 m倒角。上塔柱前后壁厚(顺桥向)1.5 m，侧面壁厚(横桥向)1.0 m；中塔柱前后壁厚1.5 m，侧面壁厚1.2 m；下塔柱前后壁厚1.5 m，侧面壁厚1.5～3.0 m。桥塔锚固采用内置式钢锚梁，上塔柱内配置“井”字形预应力粗钢筋。

图5 乌龙江特大桥桥塔立面布置(单位：cm)

高塔索塔承台尺寸为27 m×43 m×5.0 m(顺桥向×横桥向×厚度)，塔座为高2.5 m的楔形体，基础采用24φ3.0 m钻孔灌注桩；低塔承台尺寸为25 m×40 m×5.0 m(顺桥向×横桥向×厚度)，塔座为高2.5 m的楔形体，基础采用18φ3.0 m钻孔灌注桩。桥塔基础平面布置如图6所示。

图6 乌龙江特大桥桥塔基础平面布置(单位：cm)

8 桥塔结构分析

采用通用有限元软件对桥塔结构进行了计算分析，包括纵向计算和横向计算，见图7。

图7 乌龙江特大桥全桥三维空间有限元模型

主要计算荷载有：①恒载 包括自重及二期恒载；②活载 四线ZK活载和双线偏心ZK活载；③温度作用 设计基准温度为20 ℃，体系升、降温为35 ℃，侧照引起的桥塔左、右侧温差5 ℃；④风荷载 设计基本风速37.4 m/s；⑤特殊荷载 地震力、船舶撞击力、长钢轨纵向作用力等。

纵向计算分别考虑恒载、活载、纵向风荷载、温度作用、地震、船舶撞击力、长钢轨纵向作用力等计算工况，并进行了多种不利组合，验算桥塔纵向面内截面应力。计算结果表明，在所有组合工况下，桥塔塔柱截面最大应力为16.0 MPa，最小应力为0.05 MPa，满足规范要求。

横向计算主要考虑施工阶段、成桥及运营阶段的不同荷载组合工况。横向风荷载按施工期间的风力、无活载风力、有活载风力计算[14]。另外，分析还考虑了各状态下对应的地震效应[15-16]。经过检算，桥塔塔柱截面最大应力为18.3 MPa，最小应力为0.1 MPa；上、下横梁截面最大应力为13.6 MPa，最小应力为2.5 MPa，均满足规范要求。

采用ANSYS有限元软件对索塔锚固区建立了局部实体模型进行计算分析，模型中未计入预应力粗钢筋和普通钢筋。计算分析表明，混凝土齿块锚固区索塔外侧壁仅出现0.25 MPa的最大拉应力，钢锚梁锚固区索塔外侧壁最大拉应力为0.32 MPa，通过配置“井”字形预应力粗钢筋，可使塔壁处于全受压状态且保有一定的压应力安全储备；钢锚梁最大拉应力176 MPa，最大疲劳应力幅81.9 MPa，钢锚梁牛腿最大压应力135 MPa，均满足规范要求。见图8。

9 结语

乌龙江特大桥是福厦高铁重难点控制性工程，将于2017年10月开工建设，大桥建成后将成为世界上首座大跨度四线铁路高低塔混合梁斜拉桥。桥塔采用蕴含福建德化白瓷底蕴的花瓶形塔型，造型秀美，与当地文化互为交融。设计通过对塔形、桥塔刚度、塔高匹配、索塔锚固体系等方面的研究分析，提出了塔形选取→桥塔刚度研究→高低塔塔高匹配→索塔锚固体系→桥塔截面设计的设计思路，明确了桥塔刚度对结构体系受力的影响和一定孔跨布置等条件下高低塔塔高匹配的设计方法，采用了钢锚梁与齿块锚固相结合的索塔锚固体系，从而确定了大桥合理的桥塔设计。其技术先进、安全可靠、经济适用，设计成果可为类似桥梁建设提供借鉴与参考。