跨海斜拉橋異形橋塔塔底鋼混結合段受力研究

【中圖分類號】：U448.27 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-19-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.005

【Abstract】 ∵ In order to understand the mechanical properties of the key parts of the irregular pylon of the urban cablestayed bridge accurately，one certain 70 m+80 m+200 m+80 m+70 m cross-sea cable-stayed bridge with irregular pylon is takenas the background engineering。Through the detailed finite-element simulation analysis，the detailed stress distributionand rigidityof the steel-concrete composite sectionatthebotom of the irregular pylon is studied and analyzed，and the safety factorof the key partat the pylon base is obtained.

【Key words】： cable-stayed bridge；irregularpylon；bottom of the tower;；steel-concrete composite section

斜拉橋因突出的跨越能力、充滿張力的造型、易賦象征意義的橋塔，在跨海灣、跨及城市交通樞紐等重要節點應用廣泛；滿足交通功能的同時，也作為高聳建筑融入城市景觀，成為城市形象的組成部分。橋塔作為斜拉橋核心承重構件和建筑元素，決定斜拉橋安全和建筑形象。隨著建設理念的更新，橋塔的建筑形式突破常規的H形、A形、鉆石形、倒Y形，鋼-混結合的構造結合鋼和混凝土兩種材料的優點且對橋塔造型具有較高的適應性，在日益創新的主塔設計中得到越來越多的應用。學者們陸續開展針對塔柱鋼-混結合段的多項研究。司秀勇等以綿陽城南新區1號橋鋼混結合段為背景，設計縮尺模型加載試驗，研究PBL鍵作用下鋼混結合段的整體性；黃僑等2結合工程實踐，研究斜拉橋鋼橋塔端承壓式鋼-混凝土結合段的構造特點及傳力機理；孫智韜以雙溪鋪大橋橋塔為背景，通過節段仿真分析和試驗研究，研究結合段受力性能和板件應力分布規律及剪力釘的剪應力分布特征；杜程以某大跨斜拉橋索塔的鋼-混結合段為研究對象，通過數值方法，研究鋼-混結合段的適用位置及鋼與混凝土結構、焊釘剪力件的受力狀態；曹永睿等以某在建 2×130m 獨塔斜拉橋為例，通過空間有限元分析，得出結合段處鋼和混凝土塔柱間的應力傳遞情況和分布規律。

已有研究多為常規塔形，塔柱截面較為規則且結合段多處于軸壓為主的中塔柱，研究內容包括鋼混結合段的錨固構造、剪力鍵的設計與受力特性、鋼板與混凝土部分的壓力分配及整體的應力分布等，對其剛度特點的研究基本處于空白；隨著鋼塔型式和受力的日益多變，出現越來越多在主塔底部應用鋼-混結合段的實踐案例且結合段的截面越來越復雜，承受較復雜的彎剪內力，針對此種應用的鋼-混結合段力學特性的研究較少，缺少可參考的成果。

為研究復雜鋼混結合段在斜拉橋主塔底部的適用性與力學特性，本文以海口市如意島跨海斜拉橋為工程背景，研究風帆形橋塔塔底鋼混結合段的構造和力學特性，通過對塔底鋼混結合段的實體有限元仿真分析，得出其應力分布及剛度特點。

1工程概況

1.1總體設計

海口市如意島跨海大橋主橋為 70m+80m+200 m+80m+70m 的雙塔斜拉橋，采用半漂浮體系，主橋設2個外傾“風帆\"形橋塔。見圖1。

圖1如意島跨海大橋

主跨內采用扇形索面布置，每個橋塔9組，塔上豎直索距 1.8m ，梁上順橋向索距 9m ，最長索長 141m 。背跨設1組（4對）平行索。見圖2。

圖2主跨立面

主梁為雙箱雙室鋼箱梁，梁高 3.5m ，兩側設有風嘴。基礎采用群樁基礎，樁徑 2m ，墩柱采用V形墩設計。

海上引橋分幅設計，標準跨徑為 4×50m ，上部采用 2.8m 高預應力混凝土箱梁，南北兩側引橋長分別為 1950.2180m 。下部結構均由鉆孔灌注樁 + 承臺構成，墩柱采用與主橋匹配的Y形墩。

1.2橋塔及塔底方案

主橋主塔建筑方案為抽象的“風帆”，由塔冠和結構部分組成，總高 123.7m ，塔冠高 26.08m ，結構部分高 97.647m 、橋面以上結構高度 67.7m ，高跨比67.7/200=0.34 。主體采用鋼結構，結合風帆造型，上塔柱自下而上由分離式雙柱在塔頂合并為整體，塔柱斷面為變截面梯形，寬度 2.5m ，高度 11.5～3.6m 線性變化。下塔柱總高 25.7m ，分離式雙肢從上到下逐漸收攏，形成倒三角形，塔柱斷面從上到下為線性加大的梯形截面，由 3m×4.5m 線性變化到 7.5m×3m 。見圖3。

圖3主塔構造

塔底 5.5m 范圍內采用鋼混結合段設計，內部采用“回\"字形混凝土填充，塔壁上設變高加勁肋，內部環向均勻布置豎向預應力。見圖4和圖5。

圖4塔底布置

圖5橋塔底斷面

設計傳力路徑：下塔柱鋼板通過變高加勁板及錨下鋼板將力傳遞給預應力鋼束，預應力鋼束將力分散至結合段混凝土及承臺混凝土，以保證下塔柱鋼板基本不出現拉應力。初擬的下塔柱外鋼板及錨下鋼板板厚 42mm ，加勁板板厚 30mm ，承臺混凝土強度等級為C35，結合段混凝土強度等級為C40，預應力鋼絞線采用每束 9?15.2mm 高強低松弛鋼絞線，邊跨側下塔柱布置35束，中跨側下塔柱布置34束，上端張拉，張拉控制應力 1200MPa 。

2研究方法

為詳細研究塔底鋼混結合段安全性及剛度特點，擬采用整體 ⁺ 局部詳細有限元仿真模擬的方法對塔底進行模擬與詳細的應力、變形分析。

先通過整體模型計算分析得出正常使用極限狀態塔底座上部最不利荷載組合內力，然后將此內力作為塔座局部分析的外部荷載，單獨對塔底實體模型進行詳細應力分析，根據其結果總結塔底鋼混結合構造的安全性與剛度。

2.1全橋整體與塔底局部模擬

整體模型計算采用midasCivil軟件，主梁、塔柱及承臺基礎采用空間梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元。見圖6。

塔底座詳細分析采用midasFEA，混凝土采用實體單元模擬，鋼板采用板單元模擬，預應力鋼束采用鋼筋單元模擬，其中鋼筋單元可與穿過的實體單元實現自動耦合，承臺底部按照固結模擬。見圖7。

圖7塔底詳細模型

整體模型共有節點2932個、單元2627個；局部 計算共有節點686811個，單元205280個。

2.2加載模擬

通過全橋模型在設計荷載下的有限元分析，得出塔底最不利荷載組合下的各單向內力。見表1。

表1最不利荷載組合內力

表1結果作為塔底詳細模型的外荷載，以集中荷載的方式對下塔柱實體模型進行加載。根據圣維南原理，如下塔柱模擬范圍足夠大，則局部加載方式不會影響塔底受力及整體變形的表現。見圖8。

圖8局部分析模型加載

3分析結果

3.1塔壁鋼板應力

塔壁鋼板最大拉應力 100.61MPa ，最大壓應力93.68MPa ，換算應力 99.15MPa ，最大剪應力55.6MPa 。鋼塔壁最大拉應力出現在鋼塔壁與錨下鋼板及混凝土連接位置角點，應力集中較明顯，結果偏大，其余位置拉應力基本 lt;50MPa ，鋼混結合段鋼板以受壓為主。見圖9。

3.2混凝土應力及預應力永留應力

結合圣維南原理，扣除加載方式影響區域及計算誤差，塔底鋼混結合段在最不利加載作用下，混凝土極限拉應力 2.14MPa ，出現在塔壁鋼板鈍角處附近混凝土位置，混凝土整體以受壓為主。見圖10。

圖10錨下及承臺混凝土應力

在最不利加載作用下，塔柱鋼束永留拉應力1036～1200MPa ，滿足預應力使用要求。見圖11。

3.3位移計算結果

為對比分析塔底鋼混結合段的剛度特點，進一步對比計算整體模型與下塔柱實體詳細模型分別在最不利一致荷載作用下的位移結果，研究鋼混結合段的變形特征。

下塔柱實體模型在最不利荷載集中加載作用下結構豎向最大位移 10.223mm ，見圖12。

為提高結果可靠度，對比分析全橋桿系有限元模型塔底變形，計算結果中下塔柱豎向變形30.718-20.493=10.225mm ，與實體模型結果一致。整體結果顯示鋼混結合段下塔柱剛度較大，可有效控制主塔變形。見圖13。

進一步研究：

1）本研究未考慮塔壁加勁措施與剪力傳遞方式的影響，建議后續研究結合加勁板與剪力鍵的詳細模擬，進一步開展鋼混結合段內部加勁板與剪力鍵受力特點與優化研究；

2）塔座應力集中且許多案例塔底處于海洋浪濺區，建議后續結合該處鋼結構腐蝕進度，開展鋼混結合段下塔柱全周期安全性分析。

圖13整體位移計算結果

4結論及建議

1）鋼塔壁最大拉應力出現在鋼塔壁與錨下鋼板及混凝土連接位置角點，進入鋼混結合段鋼板基本受壓，鋼混結合段鋼結構安全性可靠。

2）混凝土極限主拉應力出現在塔壁鋼板鈍角處附近混凝土位置；混凝土應力水平低于材料標準強度，應力受壓為主，滿足預期，安全可靠。

3）全橋模型與下塔柱詳細模型變形結果一致，一方面可驗證采用局部詳細模型研究關鍵部位的方法可靠，同時也說明鋼混結合段下塔柱剛度較大，可有效限制主塔變形。

受限于研究模式，關于異形橋塔下塔柱鋼混結合段構造之研究仍有未盡之處，后續應在以下方向展開

參考文獻：

[1]司秀勇，肖林，趙建波.斜拉橋橋塔鋼一混凝土結合段模型試驗研究[J].中國鐵道科學，2011，32（5）：26-31.

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