空間復雜曲面鋼塔與承臺錨固區合理構造及受力性能研究

聶斌、王定全、王若同、孫旭霞

（1.成都交通投資集團有限公司，四川成都 610000；2.同濟大學土木工程學院，上海 200092；3.同濟大學建筑設計研究院，上海 200092）

0 引言

斜拉橋因為其造型優美、跨越能力強成為近些年來發展迅猛的一種橋型[1]。同時隨著對其景觀性以及辨識度要求的不斷提高，逐漸開始出現異形橋塔[2-3]。所謂異形橋塔是指橋塔的塔柱呈非直線形或折線形而呈曲線形，或橋塔傾斜,或二者并存的斜拉橋[4]。異形橋塔受力表現出復雜的空間特性，塔底往往承擔著較大的壓力和彎矩[5]。同時，由于造型施工和預防開裂等因素，不少異形橋塔采用鋼結構，其鋼混連接段的連接構造力學性能和可靠度值得關注。

由于空間異形橋塔的特殊造型，橋塔和承臺連接區往往面臨著復雜的傳力問題，對該連接區的安全性也提出了較高的要求。目前鋼混連接段區主要采用以下幾種設計方案：焊接鋼筋錨固式、剪力鍵式、剪力釘體外預應力錨固式和法蘭盤預壓式等。

本文以沱江大橋為工程背景，介紹了該橋橋塔與承臺連接區的設計方法和結構特點，同時利用有限元建模計算對其應力分布規律進行了分析研究，同時對一些結構上的應力集中問題進行了改進，為今后類似的結構設計提供參考依據。

1 工程概況

金簡仁快速路沱江大橋段位于成都市簡陽市，主橋采用空間扭索面曲塔斜拉橋結構形式，跨徑布置為45m+185m+238m+45m=513m，斜拉索倒排布置形成空間曲面。結構體系采用塔梁墩全固接體系，邊跨設置輔助墩，中跨一跨過江。

主塔采用空間扭曲面鋼塔，主塔理論軸線在橋梁正立面的投影為橢圓，長軸半徑62.5m，短軸半徑22.5m，且橢圓向邊跨傾倒18°。拉索在塔端采用鋼錨梁錨固形式。梁端斜拉索錨固在側分帶，為空間扭索面。沱江大橋主塔塔腳共2 個。塔底錨固采用埋入式柱腳的錨固形式，塔腳板件均埋入承臺混凝土內，并在塔腳三角區范圍內灌滿混凝土進行壓重處理。主塔基礎采用兩級承臺，上承臺迎水面最大寬度24.5m，長度20.5m，高度11m 左右，內設主塔錨固架；下承臺寬31m 長23m，完全置于河床底面以下。圖1為全橋結構布置示意圖。

圖1 全橋結構布置示意圖

2 塔腳連接區設計

該橋塔腳連接區采用內法蘭預壓設計，由承臺混凝土、型鋼錨固架、高強螺桿和承壓板組成。承臺混凝土中預埋型鋼錨固架和高強螺桿，拱肋端部設置承壓板，將螺桿錨固在承壓板上，通過高強螺桿施加預緊力將二者固結在一起，如圖2 所示。塔腳分為承臺以上區域、上塔座、下塔座。承臺以上區域為橋塔拱肋，包括5 道實腹式橫隔板，4 道空腹式橫隔板，核心筒兩道豎板，兩道橫板，及加勁肋等；其中橫隔板、兩道豎板和塔壁板豎直向下形成上塔座的豎向隔板。上塔座被4 道水平隔板分為三層，隔板從上到下為頂板、中板、上承壓板、下承壓板，每道板件與豎向隔板交接，形成24 個2.2m×2.2m 的艙室；各個豎向隔板設置加勁肋，塔壁板過渡至上塔座設置弧形加勁肋。下塔座包括型鋼錨固架以及高強螺桿。螺桿一端緊固在型鋼錨固架上，另一端緊固在上承壓板上，并施加預緊力。該連接方案橋塔的豎向壓力主要由橫向隔板和豎向隔板形成的艙室和承臺混凝土承擔，可能產生的拉應力絕大部分由高強拉桿承擔，預防塔底的脫空的可能。

圖2 塔腳連接區域構造圖(單位：mm)

3 受力性能研究

3.1 有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS 建立塔腳連接區域的節段模型，如圖3 所示。該連接段主要由橋塔腿的承臺以上區域和上塔座組成。下塔座僅包括錨固架和高強螺桿，受力較為明確，混凝土承受上塔座傳遞的豎向壓力，同時螺桿承受拉應力并通過錨固架將拉應力擴散到混凝土中。本文主要研究塔腳連接區域的結構受力問題，因此將下塔座部分簡化為邊界條件，將混凝土和螺桿底部完全固結。

圖3 有限元模型

模型中承臺以上區域主要構件包括塔殼、內筒、橫隔板和加勁肋。而上塔座由水平隔板、豎向隔板、混凝土、加勁肋和錨桿組成。除錨桿、混凝土外，構件均采用殼單元建模，錨桿采用線單元建模，不考慮其抗彎和抗壓的作用。各板板厚以及錨桿直徑均按照實橋進行建模，鋼材采用Q345qD，混凝土為C50。模型荷載根據橋梁整體計算結果，提取節段模型相應截面的等效反力，在節段模型創建參考點并在整個平面上創建MPC 約束，建立不同的局部坐標系，創建空間的六個集中力和集中彎矩荷載，通過MPC 約束均勻地傳遞到整個截面上，達到施加等效荷載的目的。荷載數值見表1。總體網格尺寸為800mm，局部網格加密為300mm。

表1 外部荷載

在承臺以上區域和上塔座連接區域，為防止其應力集中，設置有弧形側加勁板和加勁面板，為研究側加勁板的作用，同時建立一個不帶側加勁板的塔腳局部模型。塔底為索塔向塔座及承臺傳力的核心部位，為增加豎向壓力、降低塔底彎矩造成的偏心受力，在塔底三角區設置填芯混凝土，混凝土壓滿三角區全高范圍。為了研究得到一個偏安全的結果，模型不考慮填芯混凝土的作用，將混凝土的彈性模量縮小一百倍，考慮其自重的影響而忽略其傳力的影響。同時，另外創建一個模型考慮混凝土的傳力貢獻，通過對比驗證填芯混凝土在結構中起到的作用。

3.2 計算結果

由于橋塔的彎扭程度較大，大部分外壁板為空間扭曲板件，導致橋梁結構的受力不對稱性顯著，南北側塔腳的受力和變形相差較大，因此需要分開對比分析。

北側承臺水平隔板最大應力值88.7MPa，在頂板與拱腳第三塊橫隔板相交的部位。加勁肋最大應力值67.2MPa，在頂部第二列邊緣。豎向隔板的最大應力50.6MPa，在與第二塊橫隔板相交處。拱腳橫隔板的最大應力108.7MPa，在第二塊橫隔板的底部，與加勁肋和豎向隔板的應力峰值處較為吻合。

南側承臺水平隔板最大應力值132.2MPa，在頂板邊緣。加勁肋最大應力值184MPa，在東北角的中間區域，大部分板件應力在50MPa 左右，但出現較大應力集中。豎向隔板的最大應力45.3MPa，在頂部第二道橫隔板相交處。橫隔板最大應力150MPa，在第二塊橫隔板處。

由以上計算結果可知，南側塔腳的受力相較于北側偏大。其中，水平隔板和橫隔板相差較大，二者的應力也是結構中最大的，表明了水平隔板和橫隔板是傳力的主要途徑，受到不對稱性的影響最大。豎向隔板應力略小于水平隔板和橫隔板也承擔了較大的傳力作用。錨桿的應力水平較低，主要是荷載僅為自重和恒載作用，同時受混凝土的壓重降低了彎矩造成的偏心壓力，結構所需要承載的拉力較小，未能發揮出拉桿的全部性能。

南側結構的應力較大值多分布在西南處，而北側塔腳的應力較大值主要分布在東北側，表明結構受力有較大的空間效應，塔腳承受了一定的偏心彎矩，證明了塔底填芯混凝土的必要性。應力最大值多出現在拱腳與上塔座相交處，表明此處的應力集中現象較為明顯，南北側應力峰值基本出現在第二或者第三塊橫隔板處，未在最外側出現，表明了設置的側向加勁板起了作用。

3.3 結構加強設置（填芯混凝土）分析

通過對比有無填芯混凝土的計算模型結果，分析填芯混凝土在結構受力中起到的作用。

結果顯示，考慮混凝土的受力作用之后，水平隔板、豎向隔板和橫隔板的應力大幅度減小，其中水平隔板和豎向隔板的最大應力減小到原來的1/3 左右，橫隔板的最大應力下降也超過1/2。說明填芯混凝土在結構中起到的傳力作用十分明顯，通過忽略填芯混凝土的作用計算出來的結果有著極大的安全系數。

4 結論

為研究橋塔與承臺連接區結構的實用性，以沱江大橋為背景，提出了連接區的構造的合理設計，并采用ABAQUS 進行有限元模擬計算，對其受力性能進行研究，同時對部分區域的設計進行加強，通過對比研究其加強結構的作用，得到如下結論：

一是提出了斜拉橋鋼橋塔與承臺的連接區的合理構造方案，該方案主要由承臺混凝土、型鋼錨固架、高強螺桿和承壓板組成，其中橋塔的豎向壓力主要由錨固架和承臺混凝土承擔，而可能產生的拉應力絕大部分由高強拉桿承擔。該連接構造的連接性能穩定，受力性能良好，可用于大多數塔底連接構造中。

二是在節段模型計算結果中，橋塔受力呈現空間受力的特性，南側塔腳的受力相較于北側大了1/2 左右。其中，承臺水平隔板和塔腳橫隔板承擔了大部分受力，是塔腳主要的傳力路徑。

三是設置的側向加勁板對外塔殼和豎向隔板的集中應力削弱十分明顯，應力峰值減小了1/2，同時附近區域的應力也大幅度減小，應力最大值轉移到了內側。側向加勁板對其他區域的應力集中現象影響不明顯。

四是塔底的填芯混凝土對塔腳結構傳力的作用十分明顯，考慮混凝土作用后，最大應力值衰減到原來的1/3。通過忽略填芯混凝土得到的結果用于結構設計，可以獲得較大的安全系數。