塔梁固結部分斜拉橋的主塔受力特點分析

汪吉豪，魏慶慶 （1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230000）

1 部分斜拉橋結構體系簡介

部分斜拉橋是介于斜拉橋與連續梁之間的一種結構體系，具有斜拉橋和連續梁橋的雙重特點，屬于剛柔相濟的新橋型[1]。根據部分斜拉橋結構自身的特點和墩、塔、梁的結合方式，部分斜拉橋的結構體系可分為塔梁固結體系、支承體系和剛構體系3 種[2]。塔墩固結、塔梁分離的結構體系類似普通斜拉橋中的半漂浮體系，此種結構布置下主梁需要在塔墩上設置豎向支承，支座均為活動支座，在此模式下主梁接近具有彈性支承的連續梁結構，我國最早的矮塔斜拉橋-蕪湖長江大橋采用即為此種支承體系[3]，但該體系在部分斜拉橋結構中目前已較少采用；其次為塔梁固結、塔墩分離、梁底和橋墩之間設置支座為塔梁固結體系，此種橋型斜拉索同樣提供為彈性支承，斜拉索的傾角決定了彈性支撐的剛度。這種結構體系一般主梁受力比較均勻，同時由于約束的減少，溫度變形對結構影響也較小，對于下塔柱的受力改善明顯，而且得益于自由度的釋放，下塔柱的彎矩得到很大的改善，利于下部墩柱的配筋。但由于該體系結構整體剛度較小，而且通常需要在主梁下設置較大噸位的支座，同時根據影響線的分布可知，當在中跨加載時會造成主塔塔柱的傾斜變形，使塔頂產生較大的水平位移，從而進一步增大主梁的跨中撓度。

無論是何種體系的部分斜拉橋，從連續梁、部分斜拉橋到斜拉橋的過渡過程中，主梁承受的彎矩逐漸減小，而軸力卻逐漸增加，一般而言主梁需承擔恒載的75%左右以及活載的大部分，因此部分斜拉橋的主梁為了滿足結構受力的需要，要求剛度、強度都要很大[4]。而由于部分斜拉橋的塔高較矮，其拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力，拉索的豎向支撐效應與傳統的斜拉橋相比較弱。在實際工程中，由于塔梁固結體系各方性能較好，設計中經常采用塔、梁、墩固結的部分斜拉橋的橋梁形式。此種結構體系結構剛度大，而且省去了大噸位支座，由于剛度較大，其主梁和塔柱的變形及撓度均較小。但是固結處的剛度集中，此處力流傳遞模式也較為復雜，除了橋塔巨大的軸力傳遞給塔梁墩固結區外，主梁的彎矩、剪力和軸力也匯集于此，其吸收的主梁負彎矩也較大，導致其對溫度變化敏感，在具體應用上下塔柱橋墩高度不宜過小。同時該結構體系的抗震性能不好，用于地震區及風荷載較大的區域時，應謹慎選擇并重點進行動力的分析研究。同時此類橋梁的主塔受力也較為復雜，也是該類型斜拉橋的設計關鍵部位[5]。本文以某省道的跨河大橋為范例，采用實體有限元模型分析固結模式下主塔的受力特征，為類似結構設計提供相應參考。

2 橋梁設計概況

某省道跨河大橋主橋為100m+165m+100m 的矮塔斜拉橋，全長365m，剛構體系，上部結構主梁為單箱三室大懸臂懸澆預應力混凝土連續箱梁，主塔為人字形塔，下部主墩為雙肢薄壁墩，鉆孔灌注樁基礎。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

主梁斷面采用單箱三室大懸臂斜腹板整幅斷面布置，三向預應力體系，橋面全寬28.75m，支點處梁高6.5m，跨中梁高3.5m，邊跨支架段、跨中合攏段為等高梁段，其余梁高由按1.8 次拋物線規律變化。主梁頂板厚28cm，支點底板厚度100cm，跨中底板厚度32cm，底板厚度按1.8 次拋物線規律變化。邊腹板采用斜腹板，由跨中向支點按50cm、60cm、70cm 三段變化，中腹板為直腹板，厚度50cm。主梁設置端、0#塊支點及拉索橫梁，端橫梁厚度2.0m，0#塊支點橫梁與雙薄壁墩對應，厚度1.6m，拉索處邊室部位橫梁厚度30cm，中室部位厚度50cm，其余所有橫梁厚度均為30cm；主梁懸臂長度6.0m，懸臂下每隔3.5m 或4m 設置一道加勁肋，高2.5m，厚度30cm，拉索處加勁板與橫隔梁縱向布置位置一致。主橋平面位于直線上，單向2%橫坡通過箱梁腹板變高形成。主梁混凝土采用C55混凝土。主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁支點橫斷面（單位：cm）

預應力筋采用《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2014）標準生產的低松弛級鋼絞線，直徑Φs15.2mm，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。縱向預應力采用19 股鋼鉸線，橫向預應力筋采用15.2-4 股鋼絞線，扁錨體系。

主墩墩高20.0m，采用雙肢薄壁墩結構形式，雙肢間距7.0m，單肢寬度14.0m，厚度1.6m，墩下為承臺接群樁基礎，承臺采用整體布置方式，整幅橋承臺長23.2m，寬18.2m，厚度5.0m，承臺下設置20 根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計，如圖3所示。

圖3 主塔一般構造圖（單位：cm）

小樁號過渡墩采用矩形墩，整體式布置，墩柱長3.0m，寬2.0m，墩柱上接蓋梁，蓋梁寬度28.25m，高2.5m，墩柱下為整體式承臺接群樁基礎，承臺為啞鈴型承臺，長26.0m，寬8.2m，厚3.5m，承臺下設置8 根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。大樁號過渡墩采用矩形墩，整體式布置，墩柱長3.0m，寬2.0m，墩柱上接蓋梁，蓋梁寬度20.75m，高2.5m，墩柱下為整體式承臺接群樁基礎，承臺為矩形斷面，長18.2m，寬8.2m，厚3.5m，承臺下設置8根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。

本橋斜拉索塔頂采用分絲管結構形式，主塔采用獨柱矩形塔，順橋向寬度4.0m，橫橋向寬正面刻槽0.2m 深。主塔一般構造圖如圖4所示。

圖4 主塔一般構造圖（單位：cm）

斜拉索采用環氧噴涂鋼絞線。單個橋塔共設置7 對斜拉索，橫向雙排布置，本橋梁上索距8.0m，塔上索距1.5m。鞍座采用矩形分絲管形式，每根分絲管穿一根鋼絞線。在兩側斜拉索出口處設擋板。拉索鞍座由錨體、過渡管和延伸管組成。橋梁上部結構采用掛藍懸臂施工工藝。主塔采用爬模或滑模施工。

3 實體有限元建模及結果分析

計算分析時采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 19.0 建立實體有限元模型，采用solid187 四面體10 節點的高階單元，對結構進行有限元離散，采用高階單元保證應力和變形計算的精確度。主塔一共劃分節點996415 個，單元753176 個。通過事先建立的桿系模型提取計算結果，作為外荷載施加在實體模型上。主墩剛度模擬是剛構方案建模的重要內容，通過在梁單元模型中提取承臺頂的剛度矩陣，按照彈簧模擬約束下塔柱底部節點的自由度以對主塔塔底進行約束模擬，拉索索力通過面荷載進行施加。混凝土材料按照均質彈性體進行模擬。

取標準組合荷載下，主塔的受力分析結果如圖5-圖7所示。

圖5 塔柱變形云圖（左為總體變形、右為豎向壓縮變形，單位：mm）

圖6 塔柱豎向應力云圖（左為表面、右為剖面，單位：MPa）

圖7 塔柱縱橋向及橫橋向應力云圖(左側為縱向、右側為橫向，單位MPa)

在標準組合下主塔的合計總體變形量最大在7.5mm 左右，最大變形位置為塔頂，自塔頂至塔底變形量逐漸減小。變形形式呈現不規則的形式，下塔柱呈現較為明顯的“外漲”變形，在總計變形量中豎向壓縮變形占據較大的部分，其中由拉索不平衡力引起的縱向變形量在2.6mm 左右。下塔柱左右塔肢變形不對稱。在上塔柱與下塔肢的連接部位，變形較為扭曲。塔柱總體變形較為不規則。

在標準組合下主塔豎向壓應力最大角點出現在塔柱圓角處，超過16MPa，豎向拉應力量級較小，在1MPa 以下。在塔柱內部壓應力自圓角處至上部塔柱出現明顯的應力擴散現象，從上中塔柱交接處的位置向上依次遞減。同時結合左右應力云圖對比可知，橫向開槽對應力分布力流傳遞的影響較大，應力范圍自表面至內部收縮。主塔內部和表面的應力分布云圖均呈現“水流”擴散的效應。應力范圍較大的區域為上中塔柱過渡的范圍，特別是開槽區域的底部。

塔柱橫梁縱向拉應力效應明顯，在上下塔肢交接處橫梁的底部大范圍區域，以及表面的圓角部分區域，均出現較大的拉應力，最大拉應力在2MPa 以上；在圓角的角點附近出現較大的應力波動。而在塔柱交接的橫梁底部的小范圍區域，由于泊松比的影響，也產生一定的橫向拉應力作用。

4 結論

部分斜拉橋正作為一種跨度在100～300m 范圍內有很大競爭力的橋型蓬勃發展，本文以某省道165m 矮塔斜拉橋的主塔實體分析，得出如下結論：

根據本范例主塔的應力云圖分析可知，主塔作為典型的壓彎構件，拉索索力直接施加在主塔上，上部拉索的豎向荷載分量會引起劈裂效應沿主塔結構四周傳播，主要表現為縱橋向劈裂，引起上下塔肢的交接橫梁特別是底部拉應力效應明顯，此部分應特別注意底部鋼筋的縱向配置，可以考慮配置為雙層鋼筋。具體配筋大小可結合實體計算的應力積分結果，結合裂縫控制進行設計。同時拉索荷載的施加也引起了劈裂力的橫向傳播，但由于結構的橫向約束作用要明顯強于縱向，因此僅在薄弱部位橫梁底部的部分區域引起橫向拉應力。同時，由于塔柱開槽以及結構形狀的變化，在結構形體變化處均產生了較大的應力集中現象。

綜上分析，在這類橋梁的設計實踐中，需要加強主塔橫梁底部及圓角區域的縱向配筋。同時在主塔橫梁底部橫橋向靠近圓角部分的小范圍區域拉應力也較大，可考慮配置相應尺寸的鋼筋網。