花瓶形混凝土斜拉橋索塔受力敏感性分析與施工建議

劉勝，談華順，楊仲進

（1.麗水市交通工程質量監督站，浙江 麗水 323000；2.浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325000）

1 引言

花瓶形混凝土索塔造型優美、外觀大氣美觀，其索面張開具有空間性可適用于雙索面的結構形式，同時橫梁及主梁位置相對較高，可適用于對通航凈空要求較高的大跨徑斜拉橋。另外花瓶形索塔下塔柱底部內收，有效地減小了基礎尺寸，其經濟效益相對門字形、A字形索塔具有更大優勢，目前花瓶形索塔形式被廣泛接受。

然而花瓶形索塔由于空間曲線復雜，存在施工難度大、控制因素較多的特點。隨著施工外部荷載的變化，其受力狀態也在不斷地發生變化，因此在花瓶形索塔施工過程中，要對其應力進行嚴格驗算，確保索塔受力安全合理。而橫梁預應力、臨時對拉桿、臨時對撐桿的設置對花瓶形索塔施工過程及成橋后的受力狀態具有一定影響，研究分析橫梁預應力、臨時對拉桿、臨時對撐桿的設置對索塔受力影響的敏感性，對同類索塔的設計及施工可提供參考意義。

2 工程概況

某在建橋梁為雙塔雙索面混凝土斜拉橋，跨徑組成為（140+300+140）m，邊中跨比0.467，為塔墩梁固結體系。索塔采用花瓶形鋼筋混凝土結構，1號塔塔座以上塔高203.8m，2號塔塔座以上塔高192.9m。1號塔與2號塔外形變化率一致，2號塔在1號塔的基礎上將下塔柱截短而成。索塔在橋面以上高為91.14m，高跨比為0.304。索塔設置上、中、下三道橫梁，采用C50混凝土。該橋總體布置如圖1所示。主梁采用預應力混凝土肋板式結構，主肋高度2.7m，寬2m。全梁頂寬28.0m，底板28.5m。橋面板為受力單向板，標準板厚0.32m。邊跨壓重區主肋加寬至3.8m，橋面板加厚至0.40m；主梁橫隔板厚度0.40m。每個索塔分別布置20對斜拉索，全橋共2×2×2×20=160根斜拉索，最長約168m，最大規格為PES7-241，單根最大重量約（不計錨具）約為13.2t，根據索力分為PES7-109、PES7-139、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241共6種規格。斜拉索采用抗拉標準強度為1860MPa鍍鋅平行鋼絲斜拉索。

圖1 某在建斜拉橋總體布置圖（單位：m）

3 有限元模型

選用通用有限元軟件Ansys、Midas/Civil進行建模分析。采用Midas/Civil建立全橋及索塔計算模型，采用Ansys模擬索塔與下橫梁的局部受力復雜位置，分析下橫梁施加預應力后，索塔與下橫梁固結位置的局部應力分布情況。Ansys有限元模型選取10節主塔塔柱進行計算，其中每節塔柱高度為4.5m。Midas/Civil及Ansys節段有限元模型如下圖2所示。

Ansys模型中混凝土采用8節點SOLID45實體單元，預應力鋼筋選用三維桿單元LINK180單元模擬，預應力的施加采用等效降溫法，關鍵思路是設置各向異性的溫度應變系數，經過應力、應變關系進行推算，通過降溫使得預應力鋼筋線性收縮，以此模擬預應力筋的張拉收緊，達到在給定的溫差下獲得與預應力張拉等效的效果。

Midas/Civil采用梁單元模擬索塔及主梁單元，斜拉索采用桁架單元建模，計算時考慮混凝土的收縮、徐變效應。考慮的荷載包括：恒載（一期和二期）、斜拉索索力及施工階段的臨時荷載。

圖2 Midas/Civil及Ansys有限元模型

4 計算分析

4.1 實體單元與梁單元模擬對比分析

由于下橫梁與索塔結合位置受力較復雜，采用實體單元和梁單元分別對該局部受力復雜位置進行模擬。經Midas/Civil計算分析，當下橫梁預應力張拉完成中塔柱尚未澆筑時，索塔在塔梁結合位置出現最大拉應力，以該施工階段作為參考施工階段，將下橫梁預應力一次張拉至0.75f，計算分析結果如圖3所示。將預應力大小按照0.1 f～0.75f逐步遞增，得到實體單元和梁單元建模計算結果如圖4所示。

由圖3計算結果可知：除張拉端部外，實體單元模擬所得索塔最大拉應力相比梁單元較為接近。采用實體單元模擬索塔最大拉應力為3.0MPa，梁單元模擬索塔最大拉應力為3.8MPa，計算結果較為接近。由圖4計算結果可知，當下橫梁預應力從0.1 f～0.75f逐步增加時，索塔最大拉應力隨下橫梁預應力的增大而增大，且近似呈現出線性增長關系，采用梁單元模擬計算結果與實體單元模擬計算結果較為接近。

圖3 梁單元和實體單元建模索塔應力計算結果（單位：MPa）

圖4 下橫梁預應力張拉力對索塔應力影響結果（單位：MPa）

4.2 塔梁結合位置受力敏感性分析

為分析下橫梁預應力張拉力、臨時對拉桿對拉力、臨時對撐桿對頂力對塔梁結合位置的受力影響，以中塔柱混凝土澆筑完成作為參考施工階段，臨時對拉桿對拉力作用于下塔柱分叉段中間位置，臨時對撐桿對頂力作用于中塔柱中間位置。下橫梁預應力張拉力、臨時對拉桿對拉力、臨時對撐桿對頂力分別從1000kN～10000kN變化，計算得到塔梁結合位置最大拉應力如圖5所示。

由圖5計算結果可知：下橫梁預應力大小對索塔最大拉應力影響最顯著，當以最大拉應力作為索塔施工過程控制指標時，施工過程中應嚴格控制下橫梁預應力的張拉。

4.3 索塔關鍵位置受力敏感性分析

為分析臨時對拉桿對拉力、臨時對撐桿對頂力及下橫梁預應力對索塔施工過程中關鍵位置的受力影響，將下橫梁預應力張拉力、臨時對拉桿對拉力、臨時對撐桿對頂力分別從1000kN～10000kN變化，對下塔柱分叉位置、塔梁結合位置的最大應力進行分析，分析結果如下表所示。

圖5 對拉力、對頂力、下橫梁預應力大小對索塔最大拉應力影響結果（單位：MPa）

對拉桿對拉力、對撐桿對頂力、下橫梁預應力的設置對索塔施工過程中關鍵位置的受力影響

由上表計算結果可知，在索塔施工過程中，增大臨時對拉桿的對拉力，下塔柱分叉段位置的拉應力顯著減小，臨時對拉桿的設置可為下塔柱分叉位置提供足夠壓應力儲備。增大臨時對撐桿的對頂力，塔梁結合位置的壓應力顯著增大，臨時對撐桿的設置可為塔梁結合位置提供壓應力儲備。而增大下橫梁預應力的張拉力，塔梁結合位置的拉應力顯著增大。

綜合以上計算結果，說明在索塔施工過程中，臨時對拉桿對拉力、臨時對撐桿對頂力的合理設計可為索塔關鍵位置提供足夠的壓應力儲備。同時在索塔施工過程中應合理控制下橫梁預應力的張拉力，下橫梁預應力宜隨索塔施工過程分批張拉，張拉過程不僅需要考慮為下橫梁提供足夠的壓應力儲備，同時應注意防范施工過程中，下橫梁預應力一次張拉過大導致塔梁結合位置產生較大拉應力。

5 花瓶形斜拉橋索塔施工建議

①在下橫梁施工過程，應合理設計下橫梁預應力的張拉順序，下橫梁預應力的張拉一方面需考慮為下橫梁提供足夠的壓應力儲備，另一方面需防范下橫梁預應力張拉過大導致塔梁結合位置拉應力過大，合理的解決方法可隨索塔施工過程分批張拉下橫梁預應力。

②臨時對拉桿的設計宜充分考慮索塔施工過程及成橋后下塔柱分叉位置的受力狀況，臨時對拉桿對拉力的合理設計，可為下塔柱分叉位置提供足夠的壓應力儲備，臨時對撐桿的設計及下橫梁預應力的分批張拉，主要考慮控制施工過程中塔梁結合位置的受力。

6 結論

采用 Midas/Civil、Ansys 分別建立了索塔梁單元、實體單元的有限元模型，對索塔塔梁結合位置局部受力復雜位置進行計算，結果表明：索塔最大拉應力隨下橫梁預應力的增大而增大，且近似呈現出線性增長關系，實體單元模擬所得計算結果與梁單元計算結果接近。

針對臨時對拉桿、臨時對撐桿、下橫梁預應力的合理設計，對索塔施工過程進行了受力敏感性分析，結果表明臨時對拉桿、臨時對撐桿的合理設計可為索塔關鍵位置提供足夠的壓應力儲備，同時應合理設計下橫梁預應力的張拉過程，下橫梁預應力一次張拉過大容易導致塔梁結合位置拉應力過大，合理的解決方法是可隨索塔施工過程分批逐次張拉下橫梁預應力，計算結果及施工建議可為同類工程施工過程提供參考。