花瓶形混凝土斜拉橋索塔受力敏感性分析與施工建議

劉勝，談華順，楊仲進(jìn)

（1.麗水市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 麗水 323000；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325000）

1 引言

花瓶形混凝土索塔造型優(yōu)美、外觀大氣美觀，其索面張開(kāi)具有空間性可適用于雙索面的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)橫梁及主梁位置相對(duì)較高，可適用于對(duì)通航凈空要求較高的大跨徑斜拉橋。另外花瓶形索塔下塔柱底部?jī)?nèi)收，有效地減小了基礎(chǔ)尺寸，其經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)門字形、A字形索塔具有更大優(yōu)勢(shì)，目前花瓶形索塔形式被廣泛接受。

然而花瓶形索塔由于空間曲線復(fù)雜，存在施工難度大、控制因素較多的特點(diǎn)。隨著施工外部荷載的變化，其受力狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，因此在花瓶形索塔施工過(guò)程中，要對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算，確保索塔受力安全合理。而橫梁預(yù)應(yīng)力、臨時(shí)對(duì)拉桿、臨時(shí)對(duì)撐桿的設(shè)置對(duì)花瓶形索塔施工過(guò)程及成橋后的受力狀態(tài)具有一定影響，研究分析橫梁預(yù)應(yīng)力、臨時(shí)對(duì)拉桿、臨時(shí)對(duì)撐桿的設(shè)置對(duì)索塔受力影響的敏感性，對(duì)同類索塔的設(shè)計(jì)及施工可提供參考意義。

2 工程概況

某在建橋梁為雙塔雙索面混凝土斜拉橋，跨徑組成為（140+300+140）m，邊中跨比0.467，為塔墩梁固結(jié)體系。索塔采用花瓶形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1號(hào)塔塔座以上塔高203.8m，2號(hào)塔塔座以上塔高192.9m。1號(hào)塔與2號(hào)塔外形變化率一致，2號(hào)塔在1號(hào)塔的基礎(chǔ)上將下塔柱截短而成。索塔在橋面以上高為91.14m，高跨比為0.304。索塔設(shè)置上、中、下三道橫梁，采用C50混凝土。該橋總體布置如圖1所示。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)，主肋高度2.7m，寬2m。全梁頂寬28.0m，底板28.5m。橋面板為受力單向板，標(biāo)準(zhǔn)板厚0.32m。邊跨壓重區(qū)主肋加寬至3.8m，橋面板加厚至0.40m；主梁橫隔板厚度0.40m。每個(gè)索塔分別布置20對(duì)斜拉索，全橋共2×2×2×20=160根斜拉索，最長(zhǎng)約168m，最大規(guī)格為PES7-241，單根最大重量約（不計(jì)錨具）約為13.2t，根據(jù)索力分為PES7-109、PES7-139、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241共6種規(guī)格。斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa鍍鋅平行鋼絲斜拉索。

圖1 某在建斜拉橋總體布置圖（單位：m）

3 有限元模型

選用通用有限元軟件Ansys、Midas/Civil進(jìn)行建模分析。采用Midas/Civil建立全橋及索塔計(jì)算模型，采用Ansys模擬索塔與下橫梁的局部受力復(fù)雜位置，分析下橫梁施加預(yù)應(yīng)力后，索塔與下橫梁固結(jié)位置的局部應(yīng)力分布情況。Ansys有限元模型選取10節(jié)主塔塔柱進(jìn)行計(jì)算，其中每節(jié)塔柱高度為4.5m。Midas/Civil及Ansys節(jié)段有限元模型如下圖2所示。

Ansys模型中混凝土采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋選用三維桿單元LINK180單元模擬，預(yù)應(yīng)力的施加采用等效降溫法，關(guān)鍵思路是設(shè)置各向異性的溫度應(yīng)變系數(shù)，經(jīng)過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行推算，通過(guò)降溫使得預(yù)應(yīng)力鋼筋線性收縮，以此模擬預(yù)應(yīng)力筋的張拉收緊，達(dá)到在給定的溫差下獲得與預(yù)應(yīng)力張拉等效的效果。

Midas/Civil采用梁?jiǎn)卧M索塔及主梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元建模，?jì)算時(shí)考慮混凝土的收縮、徐變效應(yīng)?？紤]的荷載包括：恒載（一期和二期）、斜拉索索力及施工階段的臨時(shí)荷載。

圖2 Midas/Civil及Ansys有限元模型

4 計(jì)算分析

4.1 實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧M對(duì)比分析

由于下橫梁與索塔結(jié)合位置受力較復(fù)雜，采用實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧謩e對(duì)該局部受力復(fù)雜位置進(jìn)行模擬。經(jīng)Midas/Civil計(jì)算分析，當(dāng)下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉完成中塔柱尚未澆筑時(shí)，索塔在塔梁結(jié)合位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，以該施工階段作為參考施工階段，將下橫梁預(yù)應(yīng)力一次張拉至0.75f，計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示。將預(yù)應(yīng)力大小按照0.1 f～0.75f逐步遞增，得到實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖3計(jì)算結(jié)果可知：除張拉端部外，實(shí)體單元模擬所得索塔最大拉應(yīng)力相比梁?jiǎn)卧^為接近。采用實(shí)體單元模擬索塔最大拉應(yīng)力為3.0MPa，梁?jiǎn)卧M索塔最大拉應(yīng)力為3.8MPa，計(jì)算結(jié)果較為接近。由圖4計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)下橫梁預(yù)應(yīng)力從0.1 f～0.75f逐步增加時(shí)，索塔最大拉應(yīng)力隨下橫梁預(yù)應(yīng)力的增大而增大，且近似呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)關(guān)系，采用梁?jiǎn)卧M計(jì)算結(jié)果與實(shí)體單元模擬計(jì)算結(jié)果較為接近。

圖3 梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元建模索塔應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

圖4 下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉力對(duì)索塔應(yīng)力影響結(jié)果（單位：MPa）

4.2 塔梁結(jié)合位置受力敏感性分析

為分析下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉力、臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力、臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力對(duì)塔梁結(jié)合位置的受力影響，以中塔柱混凝土澆筑完成作為參考施工階段，臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力作用于下塔柱分叉段中間位置，臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力作用于中塔柱中間位置。下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉力、臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力、臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力分別從1000kN～10000kN變化，計(jì)算得到塔梁結(jié)合位置最大拉應(yīng)力如圖5所示。

由圖5計(jì)算結(jié)果可知：下橫梁預(yù)應(yīng)力大小對(duì)索塔最大拉應(yīng)力影響最顯著，當(dāng)以最大拉應(yīng)力作為索塔施工過(guò)程控制指標(biāo)時(shí)，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉。

4.3 索塔關(guān)鍵位置受力敏感性分析

為分析臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力、臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力及下橫梁預(yù)應(yīng)力對(duì)索塔施工過(guò)程中關(guān)鍵位置的受力影響，將下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉力、臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力、臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力分別從1000kN～10000kN變化，對(duì)下塔柱分叉位置、塔梁結(jié)合位置的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下表所示。

圖5 對(duì)拉力、對(duì)頂力、下橫梁預(yù)應(yīng)力大小對(duì)索塔最大拉應(yīng)力影響結(jié)果（單位：MPa）

對(duì)拉桿對(duì)拉力、對(duì)撐桿對(duì)頂力、下橫梁預(yù)應(yīng)力的設(shè)置對(duì)索塔施工過(guò)程中關(guān)鍵位置的受力影響

由上表計(jì)算結(jié)果可知，在索塔施工過(guò)程中，增大臨時(shí)對(duì)拉桿的對(duì)拉力，下塔柱分叉段位置的拉應(yīng)力顯著減小，臨時(shí)對(duì)拉桿的設(shè)置可為下塔柱分叉位置提供足夠壓應(yīng)力儲(chǔ)備。增大臨時(shí)對(duì)撐桿的對(duì)頂力，塔梁結(jié)合位置的壓應(yīng)力顯著增大，臨時(shí)對(duì)撐桿的設(shè)置可為塔梁結(jié)合位置提供壓應(yīng)力儲(chǔ)備。而增大下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉力，塔梁結(jié)合位置的拉應(yīng)力顯著增大。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明在索塔施工過(guò)程中，臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力、臨時(shí)對(duì)撐桿對(duì)頂力的合理設(shè)計(jì)可為索塔關(guān)鍵位置提供足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。同時(shí)在索塔施工過(guò)程中應(yīng)合理控制下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉力，下橫梁預(yù)應(yīng)力宜隨索塔施工過(guò)程分批張拉，張拉過(guò)程不僅需要考慮為下橫梁提供足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，同時(shí)應(yīng)注意防范施工過(guò)程中，下橫梁預(yù)應(yīng)力一次張拉過(guò)大導(dǎo)致塔梁結(jié)合位置產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。

5 花瓶形斜拉橋索塔施工建議

①在下橫梁施工過(guò)程，應(yīng)合理設(shè)計(jì)下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉順序，下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉一方面需考慮為下橫梁提供足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，另一方面需防范下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)大導(dǎo)致塔梁結(jié)合位置拉應(yīng)力過(guò)大，合理的解決方法可隨索塔施工過(guò)程分批張拉下橫梁預(yù)應(yīng)力。

②臨時(shí)對(duì)拉桿的設(shè)計(jì)宜充分考慮索塔施工過(guò)程及成橋后下塔柱分叉位置的受力狀況，臨時(shí)對(duì)拉桿對(duì)拉力的合理設(shè)計(jì)，可為下塔柱分叉位置提供足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，臨時(shí)對(duì)撐桿的設(shè)計(jì)及下橫梁預(yù)應(yīng)力的分批張拉，主要考慮控制施工過(guò)程中塔梁結(jié)合位置的受力。

6 結(jié)論

采用 Midas/Civil、Ansys 分別建立了索塔梁?jiǎn)卧?、?shí)體單元的有限元模型，對(duì)索塔塔梁結(jié)合位置局部受力復(fù)雜位置進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：索塔最大拉應(yīng)力隨下橫梁預(yù)應(yīng)力的增大而增大，且近似呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)關(guān)系，實(shí)體單元模擬所得計(jì)算結(jié)果與梁?jiǎn)卧?jì)算結(jié)果接近。

針對(duì)臨時(shí)對(duì)拉桿、臨時(shí)對(duì)撐桿、下橫梁預(yù)應(yīng)力的合理設(shè)計(jì)，對(duì)索塔施工過(guò)程進(jìn)行了受力敏感性分析，結(jié)果表明臨時(shí)對(duì)拉桿、臨時(shí)對(duì)撐桿的合理設(shè)計(jì)可為索塔關(guān)鍵位置提供足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，同時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)下橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉過(guò)程，下橫梁預(yù)應(yīng)力一次張拉過(guò)大容易導(dǎo)致塔梁結(jié)合位置拉應(yīng)力過(guò)大，合理的解決方法是可隨索塔施工過(guò)程分批逐次張拉下橫梁預(yù)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果及施工建議可為同類工程施工過(guò)程提供參考。