胡濤, 陽瑞

[摘要]對某主跨300 m雙塔雙索面斜拉橋的混凝土索塔進行局部受力分析，得到了該橋索塔塔柱和橫梁連接區應力分布情況。結果表明：中塔柱空心轉實心部分縱、橫橋向拉應力均較大；下塔柱內壁各倒角處主拉應力較顯著。分析結果對索塔預應力鋼束的配置提供了理論支撐，對普通鋼筋配置提供了指導性意見。

[關鍵詞]斜拉橋； 索塔； 受力分析； 應力

[中國分類號]U443.38? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

斜拉橋索塔在使用階段從整體分析為壓彎構件［1］。現代斜拉橋索塔常常為了線型美觀而設置分肢，分肢點通過橫梁連接，橋塔在此處的受力往往比較復雜，用傳統桿系模擬方式無法反應其真實受力性能，因此需要對局部構造進行精細化的分析研究［2］。

多尺度分析是在進行特殊結構橋梁設計時常用的分析方法，即：采用桿系有限元模型對橋梁結構進行整體建模分析，然后對所關心的局部構件，單獨取出進行局部精細化有限元分析，邊界條件根據實際情況模擬。然后并將整體分析模型得到的內力作為局部分析模型的外力施加于局部模型，從而得到該局部受力特點。

本文以某主跨300 m雙塔雙索面斜拉橋位工程背景，通過多尺度分析方法對混凝土索塔的塔柱與橫梁連接進行局部受力分析。

1工程概況

某跨江大橋主橋結構為跨徑（32+85+300+85+32）m預應力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，半漂浮體系，邊、中跨之比為0.39，橋塔為花瓶型橋塔。橋梁全寬39.1 m（含0.5 m風嘴），其中在人行道和機動車道中間為錨索區左右兩側各1.3 m。主橋各塔均布置為24對索以及縱、橫橋向限位裝置。

橋塔整體塔型均為花瓶型橋塔，采用C55混凝土。上塔柱為豎直的2個塔柱；中塔柱分開成2個向外傾的塔柱，中塔柱在索塔下橫梁處匯合成一個整體，下塔柱為整體斷面，結構剛度較大。

下塔柱為斷面為單箱三室結構形式，高度為11.572 m。橫橋向寬39.25 m，順橋向寬9.5 m. 下橫梁為斷面為箱室結構形式，高度為15.0 m，橫橋向寬51.25 m，順橋向寬9.5 m。下橫梁內配置預應力鋼束。

中塔柱高度為45 m，采用矩形空心截面。中橫梁設置2道，分別為中下橫梁和中上橫梁，中下橫梁高5 m，寬14 m，采用矩形空心截面；中上橫梁高4 m，寬14 m，采用矩形空心截面。中橫梁內設置預應力鋼束。

由于中塔柱在索塔下橫梁處匯合成一個整體，下塔柱為整體斷面。由于主塔內力較大，在塔肢和橫梁相交處截面尺寸變化較大，剛度突變，且主塔分支在橫梁處向外側挑出，主塔受力較復雜，因此建立主塔三維實體有限元模型計算，對主塔進行受力分析，確保結構的安全。

本文分析模型為：模型一：上、中塔柱與中下橫梁連接區；模型二：中、下塔柱與下橫梁連接區（圖1）。

2計算模型

采用通用有限元計算程序Midas FEA對主塔進行計算分析。有限元幾何模型如圖2、圖3所示，根據圣維南原理，為盡量真實模擬主塔的受力，以盡可能減小邊界約束條件對錨固結構區域受力的影響。模型中混凝土用三維單元模擬，預應力筋用程序自帶鋼筋單元模擬，混凝土采用C55，預應力筋采用Strand1860。

初步設計時，未對索塔橫梁區進行局部分析，橫梁預應力鋼束配置主要按經驗和構造配置。模型一中，中下橫梁預應力鋼束為橫梁軸向，每一孔鋼束規格為12-φ15.2；模型二中，下橫梁預應力鋼束為豎向+橫梁軸向，橫豎向一孔鋼束規格均為25-15.2（表1）。

工程結構胡濤， 陽瑞： 斜拉橋混凝土索塔橫梁區局部受力分析

局部分析采用的計算模型：

荷載工況考慮主塔截面內力和下橫梁上的支座反力。在主塔端部截面形心處建立節點并施加截面內力，加載節點與鋼梁端部節點用剛域進行連接，截面內力主要考慮縱橋向軸力、縱橋向彎矩和豎橋向剪力，并考慮節段梁的自重作用，荷載大小通過空間桿系MIDAS Civil整體模型計算得到（內力采用標準組合）。

模型二的下橫梁處還應施加支座反力，根據計算結果，標準組合下單支座反力換算成均布壓力施加于支座墊石上。

根據初步計算分析，主梁受剪力不大，主梁主要受軸力和縱橋向和橫橋向彎矩的作用。主要在最大軸力、最大縱向彎矩、最大橫向彎矩3種工況下，受力最不利，本次計算也僅考慮這3種工況。

3索塔橫梁區計算結果及分析

對結果進行分析時，分別關注結構沿縱、橫、豎3個方向的正應力以及主拉、主壓2個主應力。

由于索塔預應力僅配置于豎向和橫橋向，限于篇幅，本文僅列出與預應力相關方向以及主拉應力結果，其余方向應力和主壓應力均不控制設計，不作贅述（圖4、圖5）。

根據模型一分析結果可知： 中下橫梁橫橋向壓應力超過30%小于-4 MPa，超過70%小于-1 MPa，壓應力富余度較大，可考慮適當減少預應力筋配置（圖6～圖8）。

根據模型二分析結果可知：

（1）下橫梁超過30%單元橫橋向方向壓應力小于-4 MPa，壓應力富余度較大，同時根據結果可見，預應力錨固段引起的應力集中較為顯著，可考慮適當減少橫橋向預應力筋配置。

（2）下橫梁超過55%單元豎向方向壓應力小于-4 MPa，壓應力富余度較大，可適當減少豎向預應力筋配置。

綜合模型一、模型二的分析結果可見，最不利工況下，塔柱拉應力超限范圍極小，結構安全。塔柱與橫梁倒角處、中塔柱空心截面轉實心截面處、下塔柱內腔各倒角處的拉應力均顯著，建議這些區域需加強普通鋼筋配置。

4優化預應力鋼束配置后結果

根據上階段計算，考慮設計經濟性因素，對模型一、模型二中橫梁的鋼束進行優化調整，調整后的鋼束布置如表2所示。

優化后，模型一橫橋向應力超過98%為受壓，模型二橫橋向、豎向均超過95%為受壓。

優化前后索塔各方向應力超出規范限值占比如下表（橫豎向應力以ftk=2.74 MPa為限值，主拉應力以0.5ftk=1.37 MPa為限值），見表3。

優化后的索塔橫梁區受力仍然以絕大部分區域受壓為主，受壓區應力值比優化前有顯著減小，但應力超限范圍實現了下降，因此鋼束配置更加經濟合理。

5結論

對某主跨300 m雙塔雙索面斜拉橋的混凝土索塔橫梁區進行局部受力分析，分析其在最不利工況下的應力分布情況，得到結論：

對中下橫梁區：

（1）最不利工況計算下，中下橫梁區應力超限范圍極小，多數為預應力張拉端應力集中引起，結構安全。

（2）中下橫梁區拉應力主要產生在縱橋向，但絕大多數于0～1 MPa之間。可加強此方向的鋼筋配置。

（3）優化預應力配束后的中下橫梁受力更加合理，拉應力超限范圍也有一定程度的降低。

對下橫梁區：

（4）最不利工況計算下，下橫梁區應力超限范圍極小，多數為預應力張拉端應力集中引起，結構安全。

（5）優化預應力配束后的下橫梁受力更加合理，拉應力超限范圍也有一定程度的降低。

（6）根據計算結果可見，中塔柱空心截面轉實心截面處縱、橫橋向拉應力均較大，建議此處加強普通鋼筋布置。

（7）下塔柱內腔各倒角處主拉應力較顯著，建議各倒角處加強普通鋼筋布置。

參考文獻

［1］劉士林， 梁智濤，孟凡超，等. 斜拉橋［M］. 北京：人民交通出版社.2002.

［2］曹細春， 花文娟. 贛東大橋主塔局部分析［J］. 公路交通科技：應用技術版， 2012（8）：5.