缆索支承桥梁A型扭转钢壳混凝土索塔方案

广东公路交通

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Vol郾44No郾5Oct郾2018

文章编号:1671-7619(2018)05-0037-05

缆索支承桥梁A型扭转钢壳混凝土索塔方案

马玉全

(广东科贸职业学院,广州510430)

摘要:索塔结构既作为缆索支承桥梁的主要承重结构,又是体现其整体景观的重要构件。索塔设计不仅要注重其结构类型的选择及满足受力要求,同时还应重视其造型、断面形状、外观色彩等景观设计。目前,悬索桥的索塔基本上都是H型,斜拉桥的索塔大致分为A型塔、H型塔和独柱塔三种类型,索塔塔柱截面大部分为矩形,塔柱表面大多数为平面。虽然结构简洁,但造型单一,立体感不强,缺少美学艺术特性。结合现有常规斜拉桥及悬索桥的索塔造型,提出一种A型扭转索塔设计方案,使索塔在满足结构受力的同时,又能赋予索塔特有的美观和更丰富的艺术造型。

关键词:缆索支承桥梁;扭转索塔;钢壳混凝土;组合结构

中图分类号:U442.54摇摇摇文献标志码:B

0摇概述

索塔结构是斜拉桥和悬索桥的主要支撑构

1摇索塔造型构思

1.1摇H型索塔造型

大跨径悬索桥的索塔基本上都是H型,斜拉桥的索塔大致分为A型塔、H型塔和独柱塔三种类型。H型索塔塔柱直立,为体现桥梁整体景观,只能通过改进索塔横梁造型予以实现。目前,索塔横梁基本上以直线造型为主,受力清晰、构造简单,但造型过于单一,索塔横梁为塔柱联系构件,横桥向受力为主,结合横梁受力,对索塔横梁造型进行改进,如图1所示。

件。斜拉桥和悬索桥的缆索固定在索塔结构上,其不仅作为斜拉桥和悬索桥的主要承载结构,也是反映整体景观的重要组成部分,其设计不应只着眼于结构形式的选择和受力的要求,还应注意其造型、截面形状、外观颜色等景观设计。

目前,大跨度悬索桥索塔基本上是H型,斜拉桥可分为A型、H型塔和独塔三种类型,以及在此基础上的变异构型,索塔塔柱截面大部分为矩形,塔柱表面大多数为平面。虽然结构简单,但形状单一,立体感不强,缺乏美学艺术特色。

材料方面,斜拉桥和悬索桥索塔中绝大多数都采用钢筋混凝土。钢筋混凝土索塔受施工模板的限制,很难做出新颖独特的钢结构塔形外观,尽管钢结构可以达到特殊形状要求,但由于其昂贵的成本,大大限制了钢结构塔的应用。大跨度斜拉桥和悬索桥的风敏性较强,传统的矩形截面塔将产生导致更大的风荷载。为了满足抗风的需要,必须增加结构材料的数量,造成一定的浪费。

本文在现有常规斜拉桥和悬索桥的基础上,结合结构受力,对现有常规斜拉桥和悬索桥的形状和构造进行了改进,使其在满足结构受力的同时,还可以具有独特的外观和更丰富的艺术设计,且施工方便,具有一定的经济性。

图1摇常规的H型索塔横梁造型

常规的H型索塔,塔柱直立,仅通过变换横梁形状来实现索塔整体景观造型,其构造简洁,但目前国内外大多数缆索支承桥梁索塔都采用H型索塔,大跨度悬索桥基本上均采用H型索塔造型,虽然横梁等构造略有差异,但总体造型基

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作者简介:马玉全(1982-),男,工学硕士,高级工程师,主要研究方向:桥梁设计及理论研究,E-mail:282502980@qq.com。

2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第158期

本一致,导致景观效果千篇一律,没有新鲜感,缺乏视觉冲击力,而且异形索塔横梁构造复杂,不1.利于施工2摇A普通。

型索塔大多应用于空间索面斜拉桥中A型索塔造型型索塔造型增加了塔柱横桥向的稳定性,有利于。A

结构受力,目前的缆索支承桥梁中,A型塔塔柱基本以矩形为主,并设置若干道横梁以满足稳定性。矩形断面A型塔较为常见,本文不再赘述,在此介绍菱形、六边形断面的A型塔造型设计,如图2~图3所示。

图2摇菱形断面索塔造型

图3摇六边形断面索塔造型

菱形断面A型索塔与六边形断面A型索塔断面菱角分明,有一定的光影效果,造型较普通矩形断面A型塔柱新颖,但整体景观效果仍然没有摆脱传统A型索塔,造型略显呆板,视觉冲击力仍然1.欠缺3摇。

为扭转A型索塔增加索塔视觉冲击力A型索塔造型,提升桥梁

整体景观效果,可考虑将塔柱断面扭转一定的角度,增加塔柱全方位的立体效果。菱形断面及六边形断面扭转A型塔如图4~图5所示。·38·

图4摇菱形断面扭转A型索塔造型

图5摇六边形断面扭转A型索塔造型

六边形断面扭转A型索塔造型由于断面线条较多,扭转后略显凌乱,对景观造成一定的影响。菱形断面扭转A型索塔通过扭转塔柱截面来增强索塔的立体阴影效果,造型更加独特,景观效果较佳。菱形扭转塔柱通过扭转棱角分明的菱形断面,形成空间线条分明阴影效果极佳的索塔造型,完全摆脱了传统A型索塔的束缚,具有较强的视1.觉冲击力4摇扭转。

可通过改变塔柱线形及塔冠构造得到变异的

A型索塔变异造型

扭转A型索塔造型,如图6~图7所示。

图6摇曲线型扭转索塔造型

2018年第5期马玉全:缆索支承桥梁A型扭转钢壳混凝土索塔方案总第158期

图7摇斜顶扭转A型索塔造型

曲线扭转塔柱虽然造型新颖,但结构受力不合理,力学问题很难解决。斜顶扭转塔柱造型独特,灵巧而不呆板,视角效果较好,但斜顶塔冠范围仅为景观需要,势必会造成塔高的增加,造成一2摇定的浪费菱形断面扭转,可在中小跨径桥梁中使用A型扭转索塔可应用于悬索桥及斜拉桥体系

A型索塔全桥景观造型

。

中,应用扭转A型索塔的悬索桥及斜拉桥全桥造

型如图8~图9所示。

图8摇菱形断面扭转A型索塔悬索桥全桥造型

图9摇菱形断面扭转A型索塔斜拉桥全桥造型

菱形断面塔柱的旋转,动感油然而生,强烈的立体感阴影效果扑面而来,使得整座桥梁造型新颖,寓意美好,富有现代气息,截面线条鲜明、光影3摇效果明显,集结构美、3.1摇菱形断面扭转A造型美于一体型索塔方案设计

。

为了提高索塔运动和梦幻的变化感索塔几何造型设计

,提高其

空间的立体阴影效果,利用非常有利于抗风的菱形断面,并以美学效果较佳的均匀直线扭转手法,使塔顶相对于塔底扭转90毅,在塔顶一定范围相互融入,不但能减小顶部体量,以更好体现A型塔的尖端高耸效果,还能减小顶部迎风面积,并构筑A型塔顶部的强劲节点,其风力大的上塔柱和受风面积大的下塔柱在横桥向和顺桥向的大部分均处于菱形迎风构形,减小了控制工况的风载效应,这是一个美学融入力学的索塔原创。

扭转的菱形塔柱由于采用直线均匀扭转,具有每一条菱边均为直线,扭转后的塔柱面为多条空间直线组成的曲面,任一水平横切面在扭转前后均保持为一条直线的特点,使得看似复杂的模板制作变得容易起来。索塔几何造型如图10所示。

图10摇菱形断面扭转A型索塔几何造型

3.2摇由于索塔为主要的受力结构索塔构造设计

,因此采用混凝

土材料是经济合理的选择。对于海洋环境下的大规模施工,大节段预制是一种快捷、安全、优质、高效的工法,结合索塔混凝土模板的制作安装及考

虑混凝土的耐久性,将钢模板作为永久结构的一部分保留下来以形成组合构造的钢壳混凝土结构是不错的选择。

为方便施工及更好的耐久性,塔柱采用钢壳混凝土组合结构,塔柱内外表面均为钢壳,内设纵横向加劲肋及桁架支撑,加劲肋与钢壳的焊缝均为直线,使加工制造大为简化。钢壳既可作为模板,又可依靠剪力键与混凝土结合而共同受力。钢壳混凝土塔柱构造如图11~图13所示。

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图11摇索塔典型断面

图12摇钢壳混凝土局部大样

图13摇索塔节段透视图

3.3摇塔柱钢壳可采用工厂大节段预制索塔施工方案

,并通过驳

船运至现场。钢壳节段采用焊接连接,并向钢壳内灌注高强度微膨胀混凝土。

塔柱下节段范围可采用浮吊整体吊装,塔柱14上节段范围可采用塔吊吊装施工~图,施工方案如图

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15所示。图14摇索塔下节段施工

图15摇索塔上节段施工

4摇算例分析

矢跨比600m+11/10,620m+600m索塔采用菱形扭转三跨连续钢箱梁悬索桥A型索塔,桥型立,

面布置如图16所示。塔柱顶面尺寸为12m(顺桥向()伊14m(横桥向)菱形截面,索塔塔底尺寸为外扭转顺桥向90毅。)伊14m(塔柱为单箱单室钢壳混凝土结构横桥向)菱形截面,塔底至塔顶向18m,上塔柱横桥向和纵桥向壁厚均为1.2m~1.6m。

图16摇600m+1620m+600m悬索桥立面布置

利用桥梁专业有限元分析程序MidasCivil建立全桥有限元模型,分析索塔受力力,并对塔柱强度进行验算。悬索桥模型如图17所示,基本组合索塔内力如图18所示,强度验算结果如表1、表2

2018年第5期所示。

马玉全:缆索支承桥梁A型扭转钢壳混凝土索塔方案总第158期

图17摇600m+1620m+600m悬索桥有限元模型

表1摇索塔横桥向强度验算

计算方向

位置上横梁底

横向计算

中塔柱下横梁顶

控制荷载工况恒载+极限横风+温度恒载+极限横风+温度恒载+极限横风+温度

图18摇基本组合作用下索塔内力

横向最大弯矩对应内力组合轴力/kN横向弯矩/(kN·m)489592560505737167

532095260670625666

极限轴力/kN7032106782111017290

安全系数1.441.211.38

表2摇索塔纵桥向强度验算

纵向最大弯矩对应内力组合

计算方向

位置

控制荷载工况

轴力/kN1086340

纵向弯矩/(kN·m)881817

极限轴力/kN

安全系数

纵向计算塔底恒载+汽车+温度+组合风荷载17055541.57

经上述验算可知,索塔纵横桥向强度满足设力,景观造型新颖,在缆索支承桥梁体系中具有一定的应用前景。

参考文献:

JTGD62-2004[S].北京:人民交通出版社,2004.人民交通出版社,2002.2004.

[1]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[2]雷俊卿,郑明珠,徐恭义.悬索桥设计[M].北京:[3]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,[4]马玉全,孙向东,陈枝洪.虎门二桥坭洲水道桥索塔

(收稿日期:2018-05-26)

5摇结语

计要求。

本文在现有的常规斜拉桥及悬索桥的索塔造

型及构造基础上,结合缆索支承桥梁实际受力情况,对现有常规斜拉桥及悬索桥的索塔造型及构造进行改进,提出一种菱形扭转A型钢壳混凝土索塔方案,使索塔在满足结构受力的同时,又能赋予索塔特有的美观和更丰富的艺术造型。

以一座三跨连续悬索桥为例,初步拟定菱形扭转A型索塔构造尺寸,并建模计算,塔柱强度可满足设计要求。菱形扭转A型索塔可满足结构受

结构设计及受力分析[J].广东公路交通,2014(3):21-27.

SchemeConceptionofA-typeTorsionalSteelShellConcretePylon

forCableSupportedBridges

(GuangdongPolytechnicofScienceandTrade,Guangzhou510430)

MAYuquan

Abstract:Asthepylonhasbeennotonlythemainload-bearingstructureofcablesupportedbridges,butalsothemostimportantcomponentreflectingtheoveralllandscape,thedesignshouldnotonlyfocusontheselectionofstructuretypesandmeettherequirementsofforce,butalsoshouldpayattentiontoitslandscapedesignofshape,sectionshapeandappearanceofcolor.Atpresent,thepylonofsuspensionbridgeadoptsbasicallytypeH,whilethepylonofcable-stayedbridgecanbedividedintothreetypes,includingtypeA,typeHandsinglepylon,withthepylonsectionbeingmostlyrectangularandpylonsurfacebeingplane.Althoughthestructureissimple,theshapeissingle,thethree-dimensionalsenseisnotstrong,beinglackofaestheticartisticcharacteristics.Basedonexistingpylontypesofconventionalcable-stayedbridgesandsuspensionbridges,adesignschemeofatorsionalpylonhasbeenputforwardtomakethepylonnotonlysatisfythestructuralforce,butalsobeingendowedwithuniquebeautyandricherartisticmodeling.Keywords:cablesupportedbridge;torsionalpylon;steelshellconcrete;compositestructure

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