臨沂市西安路橋空間混合橋塔設(shè)計與研究

張輝

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 2 00092）

臨沂市西安路橋空間混合橋塔設(shè)計與研究

張輝

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 2 00092）

臨沂市西安路祊河大橋為獨塔斜拉橋，橋塔采用三根塔柱組成的空間異形混合橋塔，介紹了橋塔的總體設(shè)計方案。著重分析空間異形混合橋塔錨索區(qū)、塔柱鋼混凝土結(jié)合部、塔柱間的連桿等重要節(jié)點的構(gòu)造及受力性能，三根塔柱整體受力性能、拉索錨固區(qū)鋼結(jié)構(gòu)局部受力、塔柱鋼混凝土結(jié)合部受力、塔柱間的連桿受力等關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，可為類似工程的設(shè)計提供參考。

斜拉橋；空間混合橋塔；鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)；連桿

1 項目概況

西安路祊河大橋是西安路向西延伸跨越祊河的重要過河通道，西側(cè)與聚才七路相接，橋位距上游G327（北外環(huán)）祊河橋約1.3 km。西安路祊河大橋主橋采用獨塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為110 m+110 m=220 m，橋?qū)?4.6 m。主塔為空間異型混合結(jié)構(gòu)，由中間及兩側(cè)三個箱型截面塔柱構(gòu)成，塔柱間設(shè)空間水平聯(lián)結(jié)系，整個橋面的拉索布置為混合索面布置，西側(cè)主跨拉索采用空間扇形雙索面布置，東側(cè)主跨拉索采用中央扇形雙索面布置。由于橋塔結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計與施工可借鑒經(jīng)驗較少，橋塔錨索區(qū)、塔柱鋼混凝土結(jié)合部、塔柱間的連桿等重要節(jié)點的構(gòu)造及受力性能，三根塔柱整體受力性能、拉索錨固區(qū)鋼結(jié)構(gòu)局部受力、塔柱鋼混凝土結(jié)合部受力、塔柱間的連桿受力等關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)。圖1為主橋總體立面布置圖。

圖1 全橋總體布置圖

2 主塔的總體方案及布置

主塔為空間異型結(jié)構(gòu)，由中間及兩側(cè)三個塔柱構(gòu)成全高105.0 m。從結(jié)構(gòu)的耐久性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，橋面以上采用鋼結(jié)構(gòu)，塔高87.0 m，橋面以下采用C50高性能混凝土結(jié)構(gòu)，塔高18.0 m，，鋼塔柱與混凝土塔柱之間設(shè)3.5 m長鋼混凝土結(jié)合段。三根獨立塔柱之間從下往上依次設(shè)置1道大橫梁及17道空間水平連桿，并在塔頂將三根塔柱交匯連接在一起，于是三根塔柱連接組成空間結(jié)構(gòu)共同受力體系，增強了塔柱受力的穩(wěn)定性及整體性。

中塔柱和邊塔柱均采用梯形箱型截面，中塔柱塔底截面后壁板寬2.4 m，前壁板寬2.8 m，截面高7.2 m，塔頂截面后壁板寬2.4 m，前壁板寬2.532 m，截面高2.37 m；邊塔柱塔底截面前壁板寬2.4 m，后壁板寬2.8 m，截面高5.7 m，塔頂截面前壁板寬2.4 m，后壁板寬2.566 m，截面高2.37 m。塔柱截面均沿塔柱中心線線性進(jìn)行變化，中塔柱和邊塔柱中心線線形均由直線段+圓弧段構(gòu)成，圓弧段半徑分別為145 m（中塔柱）、125 m（邊塔柱）。

塔柱采用三維設(shè)計，主塔各構(gòu)件的三維構(gòu)造示意見圖2。

3 橋塔關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造[1,2]

3.1 拉索錨固區(qū)鋼主塔構(gòu)造

全橋共設(shè)28對斜拉索，塔上索距為2.4～3.2 m。根據(jù)整個塔柱的構(gòu)造及受力需要，在鋼塔柱箱型截面內(nèi)設(shè)置錨固橫梁，錨固橫梁的頂?shù)装搴透拱迮c各塔柱側(cè)壁焊接。根據(jù)受力及構(gòu)造情況，塔柱側(cè)壁板厚25 mm，豎向加勁采用一字肋，加勁尺寸為240 mm×22 mm，塔柱前后壁板根據(jù)受力大小采用20～30 mm，采用豎向一字加勁肋。

圖2 主塔三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意

為保證塔柱整體受力以及平衡各塔柱拉索索力，在每道拉索錨梁位置設(shè)置塔柱間橫向鋼連桿，橫向鋼連桿采用箱型斷面，截面高0.5 m，橫向?qū)挾雀鶕?jù)受力需要為0.35～0.8 m，連桿頂?shù)装搴?5 mm，直接與塔柱上的連接節(jié)點板焊接。節(jié)點板頂?shù)装迮c錨固橫梁區(qū)域設(shè)置的上下兩道橫隔板對應(yīng)焊接，橫隔板與塔柱間連桿的頂?shù)装迕鎸?yīng)，保障拉索力通過鋼錨梁傳遞至各鋼塔柱，再通過連桿平衡各塔柱的水平分力，保證整個塔柱的剛度及整體穩(wěn)定性。

由于鋼塔柱為非規(guī)則截面，考慮到結(jié)構(gòu)受力、鋼結(jié)構(gòu)加工運輸和現(xiàn)場安裝方便等多種因素，將鋼結(jié)構(gòu)中塔柱按照高度方向分為12各節(jié)段，邊塔柱按照高度方向分為10各節(jié)段，最大起重起吊質(zhì)量約75 t，鋼塔柱間采用全焊接方式連接，見圖3。

3.2 索塔鋼混凝土結(jié)合段構(gòu)造

鋼混凝土結(jié)合段一般設(shè)置于結(jié)構(gòu)彎矩較小的位置，這樣有利于混凝土結(jié)合段結(jié)合部位的受力。本塔柱根據(jù)塔柱結(jié)構(gòu)造型及受力的需要，鋼混結(jié)合段位置選在在彎矩較小的塔柱與主梁交匯的位置。塔柱鋼混結(jié)合段采用承壓傳剪式連接形式，結(jié)合段長度為3.5 m，由塔柱鋼結(jié)構(gòu)傳力段、鋼塔柱內(nèi)填充混凝土傳力段以及設(shè)置的前后承壓板共同組成鋼混結(jié)合段的受力體系。

結(jié)合段范圍鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)填充C50高性能自密實低收縮混凝土（內(nèi)摻聚丙烯纖維），其外設(shè)50 cm厚外包混凝土（材料同填充混凝土）。主塔結(jié)合段主要傳力構(gòu)件為PBL開孔板連接件、上下承壓板和焊釘。PBL開孔板連接件主要由前后壁板、側(cè)壁板、中壁板及其上的豎向加勁肋開孔形成，開孔直徑為80 mm，孔內(nèi)貫穿25 mm鋼筋。壁板及其加勁肋沿豎向共設(shè)置15排開孔，豎向間距220 mm，前后壁板加勁肋在結(jié)合段范圍內(nèi)加高為440 mm，水平向設(shè)置兩排80 mm孔，側(cè)壁板及中壁板加勁肋寬240 mm，水平向設(shè)置單排80 mm孔。PBL連接件孔按水平向開設(shè)。焊釘采用22×200 mm圓柱頭焊釘，布置于前、后壁板及側(cè)壁板外側(cè)，豎向共設(shè)置14排，豎向間距220 mm。剪力釘垂直于鋼板布置，結(jié)合段前后承壓板采用板厚40 mm的鋼板。

鋼混凝土結(jié)合段底部設(shè)置4個定位底座，便于鋼塔柱的安裝、定位，并預(yù)留一定的長度與結(jié)合段內(nèi)混凝土一起澆筑。在前后承壓板上設(shè)置人孔、振搗孔及冒漿孔，以保證施工時下料和混凝土澆筑振搗的密實性。為確保鋼混結(jié)合段在不利荷載下始終處于受壓狀態(tài)，根據(jù)受力需要，中塔柱和邊塔柱結(jié)合段分別設(shè)置23束和13束φ15.20-15的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼束張拉結(jié)束后設(shè)置1m高封錨混凝土。

3.3 塔柱間連桿構(gòu)造

由于塔柱構(gòu)造的特殊性，決定了三根塔柱之間的連接桿件為傳遞各塔柱之間的內(nèi)力及增強塔柱受力的穩(wěn)定性和整體性的重要構(gòu)件。塔柱之間設(shè)置17道水平連接系，每道水平連接系的連桿在平面內(nèi)形成一個三角形的布置，三角形的穩(wěn)定性對于整個塔柱的整體受力及穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵的作用。每道水平連接系的三根連桿的拉壓狀態(tài)隨著塔柱高度及是否位于拉索錨固區(qū)發(fā)生交替變化，根據(jù)連桿的受力狀態(tài)確定每根連桿的截面尺寸。為了景觀的需要，連桿統(tǒng)一采用箱型截面，沒根連桿為等截面布置，根據(jù)受力需要截面高變化從0.5～0.7 m，寬變化從0.35～0.8 m。距橋面17.6 m處設(shè)置一道大橫梁，此位置位于三根塔柱的空間交匯處，橫橋向采用直線形布置于三根塔柱之間，此橫梁對于確保三根塔柱下部的整體穩(wěn)定和平衡邊塔柱的扭轉(zhuǎn)作用非常重要。大橫梁采用箱形截面，截面高度為1.0 mm，寬度為2.0 m，頂、底板板厚40 mm，腹板厚30 mm。

4 結(jié)構(gòu)受力特性分析

4.1 總體受力分析

全橋的總體受力分析采用MIDAS有限元分析軟件，按照空間梁格單元模擬主梁，對塔柱其他構(gòu)件采用梁單元模擬。分析得出，在最不利荷載組合下，鋼塔柱的中塔柱最大壓應(yīng)力為136 MPa，邊塔柱最大壓應(yīng)力為132 MPa，連桿的最大拉應(yīng)力為138 MPa，出現(xiàn)在最頂層的連桿位置。最下面的大橫梁的最大壓應(yīng)力為135 MPa。鋼結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計要求，處于安全狀態(tài)。對于混凝土下塔柱中塔柱的最大壓應(yīng)力為7.2 MPa,全截面處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。對于混凝土下邊塔柱最大壓應(yīng)力為10.6 MPa，最大拉應(yīng)力為1.3 MPa，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

4.2 拉索錨固區(qū)受力分析

拉索錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的受力情況比價復(fù)雜，采用Midas FEA有限元分析程序?qū)麇^固區(qū)進(jìn)行實體建模數(shù)值分析。圖4為拉索錨固區(qū)精細(xì)化分析模型及14對拉索錨固區(qū)在最不利拉索荷載作用下，拉索錨固區(qū)的應(yīng)力分布圖。從圖上我們可以看出，所有鋼錨箱中大部分鋼板應(yīng)力水平在70 MPa左右，鋼錨箱與塔壁連接處大部分應(yīng)力水平在125 MPa，局部區(qū)域應(yīng)力集中，最高應(yīng)力可達(dá)到180 MPa左右。鋼塔的拉索錨固區(qū)的構(gòu)造對拉索索力的傳遞路徑是比較清晰合理的，拉索索力通過錨箱傳遞給塔柱，塔柱之間通過連桿平衡拉索索力，最后使塔柱形成一個整體穩(wěn)定的受力體系，因此拉索錨固區(qū)的設(shè)計是相對合理的。

4.3 塔頂塔柱交匯處受力分析

圖4 拉索錨固區(qū)精細(xì)化分析模型及錨箱Mises應(yīng)力分布（單位：MPa）

塔柱造型的設(shè)計思路就是三根塔柱在空間相互交匯一起形成一個空間優(yōu)美的造型。從結(jié)構(gòu)的受力上，三根塔柱的交匯處是整個塔柱的受力比較復(fù)雜。為了真實的了解三塔柱交匯處的受力情況，依然采用Midas FEA有限元分析程序?qū)θ粎R處進(jìn)行精細(xì)化建模分析。圖5為三塔交匯處在全橋最不利荷載組合作用下該區(qū)域的應(yīng)力分布圖。從圖上我們可以看出，塔柱交匯處塔壁的大部分應(yīng)力分布在0～60 MPa之間，應(yīng)力較大值出現(xiàn)在錨箱以及橫向聯(lián)系與主塔相接處以及邊中塔相接處，應(yīng)力最大值為125 MPa左右。塔柱相接處局部區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值達(dá)到了182 MPa，整體上三塔柱交匯處的應(yīng)力狀態(tài)處于合理范圍。

圖5 最不利荷載組合下三塔柱交匯處Mises應(yīng)力分布（單位：MPa）

4.4 主塔連桿的受力分析

連桿與主塔的連接形式是設(shè)計時重點考慮的一個問題。對連桿與塔柱采用鉸接連接形式還是剛性接連接形式進(jìn)行了分析，兩種不同的連接形式對連桿的軸向力影響不是很大，剛性連接形式在連桿與塔柱剛性連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，但應(yīng)力處于合理狀態(tài)。考慮到塔柱的整體造型和景觀效果，最后選擇采用連桿與塔柱剛接的處理形式。對連桿的受力采用Midas FEA有限元分析程序進(jìn)行實體建模數(shù)值分析。圖6為連桿在最不利荷載組合作用下連桿的Mises應(yīng)力分布云圖。從圖可以看出主塔間連桿的應(yīng)力大部分處于0～70 MPa之間，連桿與主塔相接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為140 MPa左右，連桿結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5 結(jié) 語

臨沂市西安路斜拉橋采用了空間異形鋼混結(jié)合型橋塔，達(dá)到了很好的景觀效果。但是這種空間異形結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工難度大，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位細(xì)節(jié)的設(shè)計要求非常高。通過對主塔拉索錨固區(qū)、主塔連桿以及塔頂塔柱交匯段的受力性能及特點采用有限元程序進(jìn)行精細(xì)化分析，使塔柱關(guān)鍵部位的受力情況及構(gòu)造難點得到有效的解決，為項目的順利建設(shè)提供了可靠的技術(shù)保證，對今后類似結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計和研究提供一定的技術(shù)參考。

圖6 最不利荷載組合下連桿Mises應(yīng)力分布（單位：MPa）

[1]JTG D64-01-2015,公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范[S].

[2]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

U448.27

B

1009-7716（2017）01-0061-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.017

2016-10-26

張輝（1983-），男，陜西咸陽人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。