某混合斜拉橋曲塔預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序分析

王 震

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)， 陜西 西安 710064）

某混合斜拉橋曲塔預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序分析

王 震

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)， 陜西 西安 710064）

為確定施工階段曲塔的預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序，確保曲塔在預(yù)應(yīng)力張拉階段的受力合理，以某混合斜拉橋的曲塔為工程背景，詳細(xì)介紹了該橋曲塔的構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力布置的特點(diǎn)，計(jì)算了橋塔關(guān)鍵截面的預(yù)應(yīng)力配筋率，并與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁0號(hào)塊的配筋率進(jìn)行了對(duì)比，采用有限元分析軟件Midas FEA分析了預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序的不同對(duì)橋塔的力學(xué)特點(diǎn)的影響，并給出了優(yōu)化后的張拉順序。

曲塔；預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉順序；預(yù)應(yīng)力布置；有限元分析；優(yōu)化

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，滿足城市景觀的考量，出現(xiàn)了很多新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也帶來(lái)了很多新的技術(shù)難題。例如，近年來(lái)出現(xiàn)的空間曲塔，主塔空間曲線的新穎造形會(huì)導(dǎo)致其受到彎拉剪扭聯(lián)合作用，構(gòu)造和受力復(fù)雜，整體雙向彎曲及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)非常明顯，混凝土容易開裂，同時(shí)也給主塔的施工帶來(lái)了很多問(wèn)題［1］。例如：主塔采用分節(jié)段施工，節(jié)段拼裝難度較大，需要嚴(yán)格控制施工過(guò)程的主塔變形；混凝土澆筑、振搗過(guò)程中因局部受力過(guò)大產(chǎn)生的鼓包，需要嚴(yán)格控制混凝土澆筑高度并從安全角度考慮在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置拉筋；尤其是節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致主塔局部混凝土主拉應(yīng)力過(guò)大有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致橋塔受力不利，需要進(jìn)行分析確定合理的預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序［2-4］，而目前廣泛采用的桿系模型不能計(jì)算出結(jié)構(gòu)細(xì)部的應(yīng)力水平，不能夠詳細(xì)地得出預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后橋塔節(jié)段的應(yīng)力變化，難以模擬其空間受力狀態(tài)，特別是對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束的模擬［5-6］。本文結(jié)合某混合斜拉橋的曲塔預(yù)應(yīng)力鋼束張拉方案采用Midas FEA建立了實(shí)體模型對(duì)橋塔的預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序進(jìn)行了分析，為同類型結(jié)構(gòu)的施工制定科學(xué)合理的鋼束空間張拉順序提供借鑒和參考。

1 工程概況

某混合斜拉橋?yàn)樗憾展探Y(jié)體系的無(wú)背索曲塔曲梁斜拉橋，主橋平面位于半徑為800 m的圓曲線上，主橋跨徑布置為（51.5+138+55）m，主橋布置如圖1所示。

圖1 主橋布置圖（單位：cm）

該橋首先將主墩與主墩處箱梁以及主塔1號(hào)節(jié)段一起進(jìn)行施工，再進(jìn)行主橋其他節(jié)段箱梁的施工，待主橋合龍后，安裝主橋橋面吊機(jī)，吊裝主塔各個(gè)鋼箱梁節(jié)段并灌注混凝土，直至橋塔施工完成。具體施工順序如圖2所示。

2 曲塔構(gòu)造與預(yù)應(yīng)力布置

主橋橋塔高50 m，順橋向水平傾角為58°，傾向岸側(cè)，橫橋向往外圓弧張開，兩個(gè)橋塔中心橫向間距由塔梁結(jié)合位置的28.5 m變化到塔頂?shù)?0.9 m，為空間曲線形斜塔，橋塔被分隔成5個(gè)箱室，為矩形空心鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)。

主塔順橋向傾斜會(huì)導(dǎo)致主塔傾斜側(cè)受拉，通過(guò)斜拉索張拉消除并增大軸力，橫橋向彎矩通過(guò)在橋塔兩側(cè)設(shè)置塔內(nèi)預(yù)應(yīng)力以消除橫向彎矩并增大軸力。塔上預(yù)應(yīng)力分節(jié)段張拉，一端通過(guò)齒板錨固在下塔柱，另一端在相應(yīng)節(jié)段完成后錨固在橋塔節(jié)段分界處，曲塔預(yù)應(yīng)力布置如圖3所示。

圖2 主橋施工示意圖（單位：cm）

由于主橋位于半徑800 m的圓曲線上，索塔下游塔柱位于圓曲線外側(cè)，受力較不利，故選取下游外曲線側(cè)曲塔第一根拉索下的截面對(duì)其預(yù)應(yīng)力配筋率進(jìn)行計(jì)算，并與跨徑一致的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁0號(hào)塊的配筋率進(jìn)行對(duì)比。選取截面位置如圖4所示，截面布置如圖5所示。

圖3 曲塔預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

圖4 橋塔選取截面

圖5 選取截面布置（單位：cm）

根據(jù)該截面的預(yù)應(yīng)力布置情況，計(jì)算得出了該截面的預(yù)應(yīng)力配筋率，如表1所示。

表1 選取截面預(yù)應(yīng)力配筋率

從表1可以看出，該橋塔預(yù)應(yīng)力配筋率較高，屬于矩形空心鋼殼預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

3 橋塔預(yù)應(yīng)力張拉順序分析

3.1 模型建立

主塔分為13個(gè)節(jié)段，前3節(jié)段施工完成后張拉第一批預(yù)應(yīng)力，4節(jié)段～12節(jié)段為各節(jié)段施工完成后張拉該節(jié)段的預(yù)應(yīng)力，13節(jié)段未布置預(yù)應(yīng)力。本文對(duì)橋塔各個(gè)階段預(yù)應(yīng)力的張拉順序進(jìn)行了分析，選取了外弧塔前3個(gè)節(jié)段進(jìn)行了第一批預(yù)應(yīng)力張拉順序研究，選取節(jié)段如圖6所示，預(yù)應(yīng)力鋼筋布置如圖7所示。

采用Midas FEA建立有限元實(shí)體模型，橋塔混凝土采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，橋塔鋼殼及加勁肋采用四節(jié)點(diǎn)板單元，不考慮加勁肋開孔影響。程序自動(dòng)考慮鋼筋與混凝土耦合，鋼殼、加勁肋與混凝土共節(jié)點(diǎn)，混凝土采用C50，鋼材采用Q345，均按照規(guī)范取值。有限元模型如圖8所示。

圖6 選取外弧塔節(jié)段示意圖

圖7 張拉預(yù)應(yīng)力布置圖

圖8 有限元模型圖

將外弧塔3節(jié)段施工過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程劃分為6個(gè)張拉順序，如表3所示，按照各順序進(jìn)行施工階段分析。

表3 預(yù)應(yīng)力張拉順序

3.2 應(yīng)力分析

按照順序1進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，提取主要工況下的軸向應(yīng)力云圖，如圖9所示。

同理對(duì)其他的張拉順序進(jìn)行分析，提取各順序下的計(jì)算結(jié)果，得出各預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后混凝土軸向應(yīng)力的變化范圍，如表4所示。

從表4可以看出，順序5相對(duì)于其他順序表現(xiàn)出整個(gè)張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)有更大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，且整個(gè)張拉過(guò)程中節(jié)段的最大拉應(yīng)力均比其他順序低。

3.3 應(yīng)力變化對(duì)比

從力學(xué)角度分析，橋塔因受拉可能開裂的部位出現(xiàn)在曲線外沿側(cè)，即橋塔的橋梁中心線側(cè)與河心側(cè)，故選取該方向塔底1截面的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，提取曲塔前3節(jié)段各順序下的應(yīng)力值，對(duì)比其應(yīng)力變化情況，選取截面如圖10所示，截面測(cè)點(diǎn)如圖11所示。

3.3.1 河心側(cè)應(yīng)力變化

如圖12所示，橋塔1截面河心側(cè)整體受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在3節(jié)段澆筑后，為1.5 MPa，此階段可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，隨著預(yù)應(yīng)力的張拉，結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸減小，斜拉索張拉后河心側(cè)達(dá)到同一應(yīng)力水平，處于受壓狀態(tài)，圖形中最靠下部的曲線說(shuō)明該順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼束張拉階段結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力水平最大，故從下往上進(jìn)行排序，順序如下：

圖9 S1a-S1b-W1a混凝土應(yīng)力云圖

表4 各順序下軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3.2 橋梁中心側(cè)應(yīng)力變化

如圖13所示，橋塔1截面橋梁中心側(cè)整體受壓，隨著預(yù)應(yīng)力的張拉，順序5、順序6應(yīng)力先增大后減小，其他順序應(yīng)力先減小后增大，斜拉索張拉后應(yīng)力增大，達(dá)到同一應(yīng)力水平，按照相同的原則進(jìn)行排序如下：

S1b-S1a-W1a＞S1a-S1b-W1a＞S1b-W1a-S1a＞S1a-W1a-S1b＞W(wǎng)1a-S1b-S1a＞W(wǎng)1a-S1a-S1b。

圖10 選取截面示意圖

圖11 截面測(cè)點(diǎn)示意圖

圖12 河心側(cè)混凝土軸向應(yīng)力變化圖

圖13 橋梁中心側(cè)混凝土軸向應(yīng)力變化圖

3.4 優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉順序

從以上分析得出：在橋塔節(jié)段澆筑完成后，河心側(cè)混凝土裂縫產(chǎn)生的概率更大，故在預(yù)應(yīng)力張拉進(jìn)行過(guò)程中首先控制河心側(cè)受力，再控制橋梁中心側(cè)受力，故得出了預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程按照橋塔河心側(cè)為主控制側(cè)，橋梁中心側(cè)為輔控制側(cè)的原則，橋塔前3節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉順序建議以順序5進(jìn)行，即W1a-S1a-S1b的張拉順序，能夠確保結(jié)構(gòu)有更大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

按照相同的思路對(duì)其他節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉進(jìn)行分析，得出了橋塔各節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉順序如表5所示。

表5 優(yōu)化的預(yù)應(yīng)力張拉順序表

根據(jù)計(jì)算得出的預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序能夠更好地保證橋塔在施工過(guò)程中的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，確保橋塔在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力合理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了曲塔的空間受力特點(diǎn)以及施工中出現(xiàn)的新問(wèn)題，針對(duì)曲塔預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序不當(dāng)可能導(dǎo)致混凝土開裂的問(wèn)題進(jìn)行了分析，以某混合斜拉橋曲塔為工程背景，介紹了其構(gòu)造與預(yù)應(yīng)力布置，計(jì)算了橋塔關(guān)鍵截面的預(yù)應(yīng)力配筋率，并與兩座預(yù)應(yīng)力箱梁0號(hào)塊的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，明確了主塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)。采用有限元分析軟件Midas FEA分析了不同的預(yù)應(yīng)力鋼束空間張拉順序下橋塔的受力情況，并給出了優(yōu)化的張拉順序，為今后類似的新型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉順序研究提供了借鑒。

［1］ 琚明杰.無(wú)背索曲塔曲梁斜拉橋受力性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

［2］盛捷.無(wú)背索曲塔曲梁斜拉橋力學(xué)性能分析與試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

［3］楊敏.無(wú)背索曲塔曲梁斜拉橋的力學(xué)性能分析與研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］冷文華.預(yù)應(yīng)力鋼殼混凝土橋塔受力分析［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

［5］孫東利，周莉，謝斌. 斜拉橋鋼塔塔墩錨固設(shè)計(jì)與分析［J］.中外公路，2012，32（6）：192-195.

［6］劉世明，劉永健，耿東升，等.現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉方式影響分析［J］.公路交通科技，2013，30（3）：84-88.

Tension Analysis of Prestressed Steel Beam of Curved Pylons of A Hybrid Cable-stayed Bridge

Wang Zhen
（1. CCCC First Highway Consulants Co.,Ltd., Xi'an 710075, China; 2.Chang'an University, Xi'an 710064, China）

In order to confirm the optimized prestress tension sequence of the curved pylon and ensure the reasonable structure stress at prestressed tendons in tensioning, according to the curved pylons of a hybrid cable-stayed bridge, this paper introduced the structure and the arrangement of prestressed tendons of pylons in detail. The prestress radio of pylons were calculated and compared to the prestress beam's. By using the finite element model of midas fea, it analyzed the structure stress behavior in different construction stages of prestress tension sequence of curved pylons, and put forward the optimized prestress tension sequence.

curved pylons; prestressed tendons; tension sequence; arrangement of prestressed tendons; finite element analysis; optimized

U443.38

A

1672-9889（2016）06-0039-04

2016-01-08）

王震（1989-），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。