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浅谈多塔斜拉桥桥塔样式设计

摘要:针对多塔斜拉桥的结构受力特性,介绍了该桥型的桥塔的样式类型,分析了各个样式的特点和适用条件,最后简要介绍了桥塔在景观设计中应考虑的因素。
关键词:多塔斜拉桥桥塔;样式;景观设计
       多塔斜拉桥是指具有三个及以上桥塔的斜拉桥,常用于跨越需要有较多通航孔道的江河与比较开阔的山区沟谷。桥塔是多塔斜拉桥的重要受力构件,也是大桥整体形象的最重要的组成部分,桥塔是大桥最引人注目的部位。
       与常见的双塔斜拉桥不同,多塔斜拉桥在结构受力上由于中间桥塔的两侧没有过渡墩或辅助墩,不能对主梁或主塔提供约束,整体的变形只能依靠主梁与主塔自身的刚度,活载效应很大[1]。因此,多塔斜拉桥的桥塔设计相对于双塔斜拉桥更加复杂。
一、多塔斜拉桥桥塔样式选择
       多塔斜拉桥的桥塔样式可以从横桥向和纵桥向两个方向进行分类。
1、纵桥向样式
      双塔斜拉桥在纵桥向的形式大部分为一柱型,这种造型轻盈简洁,同时便于施工。多塔斜拉桥由于结构受力体系的特殊性,其形式不仅包含一柱型,还有空间结构型等。表1列举了国内外部分桥塔形式样式。
国内外部分多塔斜拉桥桥塔造型(纵桥向)_文章发表





表1国内外部分多塔斜拉桥桥塔造型(纵桥向)
2.横桥向样式
      桥塔在横桥向的形式主要有H型、A型、花瓶型、倒Y型,一柱型等。表2列举了国内外部分桥塔形式样式。
国内外部分多塔斜拉桥桥塔造型(横桥向)_论文发表




表2国内外部分多塔斜拉桥桥塔造型(横桥向)
二、多塔斜拉桥桥塔设计

1、设计原则
      多塔斜拉桥的桥塔设计应遵循以下原则:
       原则一:以结构体系刚度设计为基础,综合考虑桥梁跨径、桥塔高度等因素,尤其注意中塔设计。
       原则二:桥塔造型应在空间中有和谐的比例关系,突出桥塔的景观特色。
2、桥塔纵桥向设计
       多塔斜拉桥设计的关键问题是采用合适的结构措施保证结构具有必要的体系刚度。根据其他学者的研究结果,增大中塔在纵桥向的刚度,是提高多塔斜拉桥整体刚度的有效方法[2-3]。因此,桥塔在纵桥向的设计必须以提高中塔刚度为前提。
       提高中塔刚度的方法有很多,目前国内设计主要有:采用高低塔设计、增大中塔结构尺寸、采用空间型结构等。
       高低塔设计是指中塔的高度高于边塔的高度,通过边塔与中塔的高度差来调整中塔与边塔的刚度。湖南省洞庭湖大桥就采用此方法设计,如图1。
洞庭湖大桥_期刊发表


图1洞庭湖大桥
       增加中塔结构尺寸也是增大中塔刚度的有效方法。通过尺寸的增加,中塔刚度将显著提高。例如湖北省二七长江大桥,中塔纵向宽度为8.0m,边塔纵向宽度为7.0m,如图2。
二七长江大桥桥塔塔顶局部图(左侧为中塔,右侧为边塔)_文章发表




图2二七长江大桥桥塔塔顶局部图(左侧为中塔,右侧为边塔)
       采用高低塔设计和增加中塔尺寸设计在增大中塔刚度的同时也增加了中塔的自重,造成桥塔基础尺寸增大,工程造价费用增加。因此这两种方法较适合于200m以内塔高的斜拉桥。
       采用空间型结构主要针对桥塔高度较高的斜拉桥,桥塔的空间设计在不增加结构尺寸或增加较小尺寸的情况下达到增大桥塔刚度的目的。如湖南省赤石大桥,在纵桥向采用双肢构件,增大了桥塔的刚度[4],如图3。
赤石大桥_论文发表




图3赤石大桥
       空间型结构的优点在于不通过增加尺寸和高度来提高桥塔的刚度,造型优美,立体感强,但结构受力复杂,施工难度较大。
       下面通过一个简单的计算推导来说明采用双肢构件在不增加结构尺寸的情况下能提高其刚度的原理。
       假设一个矩形截面,尺寸为h×b,如图4。
       其截面的惯性矩为:
       I1=bh3÷12
       图5为两个矩形截面构成的组合截面,每个矩形截面尺寸为0.5h×b,截面中心距离为h,面积与图4的截面面积相同。
       组合截面的惯性矩为:
       I2=2´(b(0.5h)3÷12+(0.5h)2´0.5hb)=26bh398=bh3÷3.77   (2)
       对比(1)和(2)可知,采用两个矩形截面的组合构件其惯性矩将大于单个矩形截面的构件,即组合截面的抗弯刚度大于单个截面的抗弯刚度。














3、桥塔横桥向设计
      桥塔横桥向设计主要考虑采用平面索还是空间索。平面索可以采用H型桥塔,该样式的优点在于施工较为方便、拉索为平面受力,构造较为简单,赤石大桥就采用H型桥塔;空间索可以采用A型、花瓶型、倒Y型,该样式的优点是提高主塔的横向刚度,比如二七大桥和洞庭湖大桥均采用花瓶型桥塔。
4、桥塔景观设计
       桥塔是多塔斜拉桥最重要的景观要素,在满足结构受力要求的基础上,桥塔设计应考虑整体桥梁的景观效果,进行造型优化设计。造型设计包括桥塔的比例调整、塔柱线条优化等。以二七长江大桥为例,桥塔高度为205m,但桥面以上的高度为168m,上下高度比约为4.5:1,有头重脚轻之感。为解决此问题,桥面以上部分的桥塔采用弧线处理,显得塔身较为修长柔和,下塔柱则向内收缩,并加大桥塔尺寸,从而增添了桥塔的厚重感,显得更为坚实。通过一柔一刚的对比,降低了比例的不和谐感[5]。
三、结语
       多塔斜拉桥的桥塔是整个桥梁体系中的重要组成部分,设计中应根据多塔斜拉桥的受力特性、施工条件、桥梁所在位置的水文、气象条件等因素,采用满足结构体系刚度和受力要求的桥塔造型,并适当考虑桥梁的景观性,进行造型优化设计。
参考文献
1、李翠霞,石建华.武汉二七长江大桥桥塔设计[J].城市道桥与防洪,2014,9(9),129-133.
2、喻梅.多塔斜拉桥结构特性分析[D].成都:西南交通大学,2003:13-14.
3、张德平.二七长江大桥桥塔方案设计[J].中国科技信息,2013,8,62-63.
4、龙海滨,胡建华.汝郴高速公路赤石特大桥设计与关键技术研究[J].中外公路,2013,33(1),189-193.
5、龙涛,胡佳安.简约的完美——武汉二七长江大桥桥塔造型设计[J].桥梁建设,2009,(1),51-54.
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