DOI: 10.35940/ijese.K9993.13011224 | IJESE 2024, 13(1)
1 仿真背景与价值
斜拉桥凭借其美学表现力和高效跨越能力，在现代桥梁工程中应用日益广泛。桥塔作为斜拉桥核心承力构件，其几何形式直接影响全桥的静动力响应—H形桥塔结构简洁、施工便利，A-D形桥塔抗侧刚度更强但造价较高，两者的选择在工程实践中长期依赖经验判断，缺乏系统的数值对比依据。本文基于发表于《IJESE 2024, 13(1)》的研究，采用MIDAS CIVIL有限元软件建立两类桥塔的三跨双索面斜拉桥全桥FEA模型，以220 m和300 m两种主跨为主要变量，综合运用未知荷载系数（ULF）优化法确定索力初始状态、逆向施工阶段分析模拟架设过程、以及1940年El Centro地震时程分析评估动力特性，从索力轴力、剪切力、弯矩和振型频率四个维度，系统对比H形与A-D形桥塔在不同跨径下的受力差异与规律。
图1 MIDAS CIVIL斜拉桥三维有限元模型
2 仿真建模方法与关键技术
建模流程（图1-4）：在MIDAS CIVIL中按全尺寸参数化建立三跨双索面斜拉桥模型，H形桥塔高度90 m，桥面宽度15 m（220 m主跨）/18 m（300 m主跨），共设80根平行钢丝斜拉索（直径25 cm），桥面厚度250 mm。载荷条件涵盖结构自重、斜拉索预拉力、IRC Class AA履带车辆活载及El Centro地震激励。采用未知荷载系数法（ULF）以单位位移约束求解索力最优分布，使塔顶水平位移归零、主梁弯矩最小化的初始平衡状态，通过对比ULF优化前后主梁弯矩分布（图2→图3）验证方法有效性。施工阶段采用逆向拆除分析法，按实际顺序反推各架设阶段的索力增量，确保成桥索力与设计值一致。动力分析中提取前6阶振型频率，比较两种桥塔形式在不同跨径下的模态特性演化。
图2 H形桥塔初始主梁弯矩分布（ULF优化前）
图3 H形桥塔优化主梁弯矩分布（ULF优化后）
图4 逆向施工阶段分析序列示意图
3 仿真结果对比分析
索力轴力对比（图5）：H形桥塔工况中，最长跨索（Cable 19）轴力达1112.97 kN（220 m跨）和1121.90 kN（300 m跨），两者差异仅0.8%，表明H形塔索力对跨径变化不敏感；A-D形塔工况中，Model 3与Model 4差异显著，Cable 10轴力从模型3的196.88 kN跃升至模型4的274.22 kN（增幅39.3%），提示A-D形塔对载荷分布变化更敏感。剪切力对比（图6）：A-D形桥塔断面抗剪能力远超H形—300 m跨时A-D形塔最大剪力18,801.8 kN较H形塔8,320.5 kN高125.9%，说明A-D形双肢结构提供了更有效的剪力传递路径。弯矩对比（图7）：H形塔弯曲响应整体更稳定，各截面弯矩在6,700–7,500 kN·m窄幅波动，而A-D形塔弯矩离散度大且绝对值显著更高（高出70.2%–71.9%），表明A-D形塔在承受更大荷载的同时对弯曲效应更敏感，设计时需重点配置抗弯钢筋。动力特性：A-D形塔基频约0.586 Hz（振型周期约210 s），较H形塔0.002–0.007 Hz高出两个数量级，且前6阶频率对跨径变化几乎不变，动力响应稳定；H形塔频率随跨径增加显著升高，振型特性对几何参数更为敏感，设计中需注意共振规避。
图5 索力轴力对比：H形与A-D形桥塔（20根索）
图6 剪切力对比：H形桥塔不同跨径
图7 弯矩变异对比：H形 vs A-D形桥塔
4 总结与服务
本文通过MIDAS CIVIL有限元对H形与A-D形桥塔斜拉桥进行了全参数静动力仿真对比。结论表明：A-D形桥塔抗剪能力突出，适合高烈度地震区和大跨径需求，但弯矩响应高、配筋设计需精密优化；H形桥塔弯曲响应稳定、施工造价低，适合中等跨径和常规工况。ULF优化加逆向施工分析的联合手段，实现了索力精确预控。我方团队具备MIDAS CIVIL全桥建模、非线性施工阶段分析、地震时程响应及参数优化的工程仿真能力，可为桥梁设计选型与施工方案比选提供数值支持。
