外傾式矮塔斜拉橋主塔上塔柱空間受力分析

關(guān) 偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋位于山西省臨汾市浮山縣城柏村附近，是浮山縣城至北王公路改造工程全線中的控制性工程，橋梁北接柏村，南連南霍村，跨越丞相河，橋址處地形呈“W”型，主溝、次溝主橋均采用（87+160+87）m雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋，主溝、次溝主塔外形一致，主塔高度分別為111 m、106 m、107 m、94 m。主橋結(jié)構(gòu)體系為剛構(gòu)體系，即塔、墩、梁固結(jié)體系。

主梁采用單箱雙室箱形截面，采用C55混凝土，橋面寬度28 m。主塔造型橫橋向呈“Y字形”，采用C50混凝土，上塔柱橋面以上高24.8 m，上塔柱塔肢橫橋向?qū)挾?.5 m，縱橋向?qū)挾? m，主塔上塔柱左、右肢軸線相交于橋面以下28.718 m處，主塔外傾角度為22°。主塔橫橋向布置左右兩肢，用上、中、下3道橫梁進(jìn)行連接。主塔可分為3部分：上塔柱有索區(qū)、上塔柱無索區(qū)及下塔柱，上塔柱有索區(qū)為實(shí)心圓角矩形截面，上塔柱無索區(qū)及下塔柱均為空心箱形截面，主塔倒角半徑為20 cm。主橋斜拉索扇形布置于橋面兩側(cè)，索面呈外傾狀，全橋共布置128根斜拉索，斜拉索采用61-Φs15.2 mm和 73-Φs15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線，單股鋼絞線規(guī)格直徑為15.2 mm，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860 MPa。拉索錨具采用可換索式250型15.2-61和250型15.2-73群錨體系。主塔拉索錨固豎橋向索距1.5 m，主塔上斜拉索通過索鞍貫通，主塔側(cè)設(shè)置抗滑裝置。主塔斜拉索布置及上塔柱構(gòu)造見圖1。

圖1 斜拉索布置及上塔柱構(gòu)造圖(單位:cm)

2 主塔上塔柱力學(xué)平衡機(jī)理分析

取橫橋向1/2主塔結(jié)構(gòu)對(duì)上塔柱結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡機(jī)理進(jìn)行分析，主橋結(jié)構(gòu)梁、索、塔空間位置見圖2，主塔空間受力見圖3。

圖2 主橋梁、索、塔空間位置圖

圖3 主塔空間受力圖

圖2中主塔外傾角度α為主塔上塔柱塔肢軸線CN與橋梁中心線的夾角，斜拉索軸線Sx、Sd與主塔上塔柱塔肢軸線CN相較于點(diǎn)C，A1、A2點(diǎn)為斜拉索在主梁翼緣外側(cè)的錨固點(diǎn)，A1CA2三角形所形成的面為斜拉索索面，θ角為主塔塔肢軸線CN與斜拉索索面A1CA2間的夾角，主塔上塔柱塔肢結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡主要依靠斜拉索索面A1CA2與主塔上塔柱塔肢軸線CN所形成的夾角θ來平衡。

圖3中斜拉索Sx、Sd在主塔塔肢軸線CN上錨固點(diǎn)C處的作用力Fx、Fd可以分解為沿縱橋向的分力 Fx1、Fd1及沿索面 A1CA2內(nèi)的分力 Fm1、Fm2，F(xiàn)m1、Fm2兩分力的合力可分解為沿主塔軸線CN向下的壓力Ft和垂直于主塔軸線向橋梁中心線方向的拉力Fp。由于θ角的存在，拉力Fp對(duì)主橋成橋階段主塔的安全、穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用，當(dāng)主塔重力沿力Fp反方向的分量小于力Fp時(shí)，主塔上塔柱塔肢結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。

3 有限元模型

丞相河特大橋主橋主塔上塔柱采用有限元軟件建模，上塔柱采用實(shí)體單元模擬，對(duì)上塔柱索塔結(jié)合部兩側(cè)錨塊預(yù)先進(jìn)行線網(wǎng)格尺寸控制，線網(wǎng)格尺寸控制是最可靠的，線網(wǎng)格尺寸控制可以有效地控制結(jié)構(gòu)重要部位的單元數(shù)量，然后采用自動(dòng)網(wǎng)格對(duì)上塔柱進(jìn)行實(shí)體單元?jiǎng)澐?，模型共劃?5261個(gè)節(jié)點(diǎn)和222442個(gè)單元。上塔柱實(shí)體模型約束為塔頂部自由，根部采用固結(jié)約束。上塔柱空間有限元實(shí)體模型見圖4。

圖4 上塔柱空間有限元模型圖

分別對(duì)主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大懸臂狀態(tài)、成橋狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)（頻遇組合和準(zhǔn)永久組合）下斜拉索索力計(jì)算，邊、中跨斜拉索索力值見表1、表2，主塔上塔柱應(yīng)力分析采用正常使用極限狀態(tài)頻遇組合索力值計(jì)算。丞相河特大橋索塔錨固采用單根可更換式貫通索鞍錨固系統(tǒng)，主塔側(cè)設(shè)置抗滑裝置，斜拉索對(duì)主塔上塔柱的力可采用徑向（即沿著索面方向）線均布?jí)毫Φ刃?，即單根斜拉索索力除以索鞍軸線彎曲半徑為徑向線均布?jí)毫Γ瑢较蚓€均布?jí)毫ρ匦崩魉髅娣较蚴┘拥剿靼八骺?D單元面上[1]。

表1 邊跨斜拉索索力值

表2 中跨斜拉索索力值

4 主塔上塔柱應(yīng)力分析

4.1 索鞍索孔應(yīng)力分析

取主塔上塔柱索塔結(jié)合部索鞍邊跨側(cè)索鞍錨固面索孔、主塔橫橋向中心線處索孔、中跨側(cè)索鞍錨固面索孔八分點(diǎn)A1～A8點(diǎn)位為研究對(duì)象，在斜拉索S1～S8索力作用下，A1～A8點(diǎn)位豎橋向應(yīng)力見圖5～圖7，圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖5 錨固面索孔應(yīng)力圖(邊跨側(cè))

圖6 主塔橫橋向中心線索孔應(yīng)力圖

圖7 錨固面索孔應(yīng)力圖(中跨側(cè))

外傾式矮塔斜拉橋斜拉索S1～S8所形成的索面與主塔塔肢軸線夾角均不相同，其夾角變化由斜拉索S1～S8逐漸減小，索面索鞍索孔A4點(diǎn)位置較接近于斜拉索索面。從圖5、圖6可以看出：

a）豎橋向索孔應(yīng)力在斜拉索S1主塔橫橋向中心線處為壓應(yīng)力-5.74 MPa最大，在邊跨側(cè)索鞍錨固面索孔應(yīng)力為壓應(yīng)力-3.61 MPa，在中跨側(cè)索鞍錨固面索孔應(yīng)力為壓應(yīng)力-3.06 MPa，而拉應(yīng)力在3個(gè)考察索孔上最大為0.966 MPa。外傾式矮塔斜拉橋斜拉索對(duì)主塔上塔柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力效應(yīng)為沿索面指向橋面方向索孔面出現(xiàn)壓應(yīng)力，反向則出現(xiàn)拉應(yīng)力。

b）縱橋向索鞍索孔軸線方向壓應(yīng)力由主塔橫橋向塔肢中心線處向邊跨、中跨側(cè)逐漸減小。經(jīng)對(duì)壓應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行擬合縱橋向索鞍索孔軸線方向應(yīng)力線呈拋物線狀。

c）索塔結(jié)合部設(shè)置單根可更換式貫通索鞍錨固系統(tǒng)安全可靠，與主塔設(shè)置鋼錨箱比較，避免了較大應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.2 上塔柱根部應(yīng)力分析

在主塔施工完成階段（即主塔上塔柱在不設(shè)置臨時(shí)約束措施且未施工斜拉索狀態(tài)下）對(duì)主塔上塔柱進(jìn)行應(yīng)力分析，在上塔柱結(jié)構(gòu)自重作用下，上塔柱混凝土拉應(yīng)力云圖、主拉應(yīng)力云圖見圖8、圖9，圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。主塔上塔柱在結(jié)構(gòu)自重作用下，由于主塔結(jié)構(gòu)呈“Y形”，上塔柱向外傾斜，加之主塔上塔柱間無任何橫橋向聯(lián)接，上塔柱會(huì)產(chǎn)生繞縱橋向軸線方向的橫橋向彎矩，致使上塔柱內(nèi)側(cè)混凝土受拉，外側(cè)受壓。

圖8 上塔柱混凝土拉應(yīng)力云圖

從圖8可以看出，上塔柱混凝土拉應(yīng)力最大為5.447 MPa，壓應(yīng)力最大為 -12.537 MPa，14.9%的拉應(yīng)力均大于1 MPa。主橋結(jié)構(gòu)采用全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其構(gòu)件截面正截面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖9 上塔柱混凝土主拉應(yīng)力云圖

從圖9可以看出，上塔柱混凝土主拉應(yīng)力最大為6.267 MPa，29.2%的主拉應(yīng)力均大于1 MPa，主塔上塔柱構(gòu)件斜截面主拉應(yīng)力限值應(yīng)小于1.06 MPa[2]。在主塔施工完成階段上塔柱根部處混凝土拉應(yīng)力、主拉應(yīng)力均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范要求的限值，上塔柱根部處混凝土?xí)霈F(xiàn)開裂，主塔上塔柱結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性得不到保證，需對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)約束以確保主塔上塔柱結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定。

5 上塔柱臨時(shí)約束設(shè)計(jì)

對(duì)外傾式主塔上塔柱根部混凝土截面應(yīng)力的有效控制是上塔柱安全、穩(wěn)定的關(guān)鍵，在主塔設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)予以高度重視。上塔柱臨時(shí)約束可根據(jù)上塔柱根部在懸臂澆注過程中在其結(jié)構(gòu)自重及施工荷載作用下不產(chǎn)生裂縫的最大懸臂高度扣除一定的施工工作空間后確定。在上塔柱施工過程中可以在主塔上塔柱左、右肢間設(shè)置兩道橫橋向臨時(shí)約束，使兩道臨時(shí)約束與主塔塔肢形成空間桁架結(jié)構(gòu)，以確保上塔柱的施工安全及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

由于臨時(shí)約束對(duì)上塔柱結(jié)構(gòu)的施加，隨著上塔柱施工的進(jìn)行，臨時(shí)約束力會(huì)不斷變化，主塔上塔柱臨時(shí)約束可采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線橫橋向?qū)ο驈埨?，第一道臨時(shí)約束設(shè)置于上塔柱有索區(qū)實(shí)心段根部，第二道臨時(shí)約束設(shè)置于上塔柱有索區(qū)實(shí)心段斜拉索S5～S6之間，主塔上塔柱單肢外側(cè)面每道橫橋向臨時(shí)約束處均設(shè)置2個(gè)受力點(diǎn)。臨時(shí)約束預(yù)應(yīng)力束布置見圖10，其規(guī)格及張拉控制參數(shù)見表3。

圖10 臨時(shí)約束預(yù)應(yīng)力束布置圖

經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算、對(duì)比，主塔上塔柱臨時(shí)約束的施加可以大大減小上塔柱在施工過程中其根部的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，采用第一道臨時(shí)約束4Φs15.2、第二道臨時(shí)約束5Φs15.2，在主塔上塔柱施工完成后，上塔柱根部的拉應(yīng)力可以降低到0.5 MPa以下。主塔上塔柱臨時(shí)約束的設(shè)置對(duì)其施工起到了關(guān)鍵性的作用，也是上塔柱結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的保證。

表3 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束規(guī)格及張拉控制參數(shù)表

6 結(jié)語

a）浮山縣丞相河特大橋Y形主塔結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、構(gòu)思巧妙，主塔呈Y形并向橋面外側(cè)傾斜，使橋型效果有明顯的標(biāo)識(shí)性。

b）主塔上塔柱塔肢軸線與斜拉索索面所形成的夾角θ，使主橋結(jié)構(gòu)在力學(xué)和橋梁美學(xué)上達(dá)到了完美的融合，致使主橋結(jié)構(gòu)主梁、斜拉索、主塔三者的結(jié)構(gòu)平衡，且使橋塔結(jié)構(gòu)造型美觀。

c）Y形主塔的施工，尤其是主塔上塔柱的施工在整個(gè)主橋施工過程中是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，這在施工過程中應(yīng)當(dāng)予以高度重視。

d）主塔上塔柱臨時(shí)約束的設(shè)置是上塔柱結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的保證。