江灣大橋主塔精細(xì)化分析

陳海斌

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010

1 工程概況

江灣大橋主橋采用獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，橋跨布置為33m+102m+183m=318m，斜拉索為雙索面扇形布置，共計(jì)26對(duì)。主塔采用鋼筋混凝土拱形橋塔，立面、側(cè)面圖如圖1所示，在拉索錨固區(qū)、拱頂、拱腳、橫梁皆設(shè)置預(yù)應(yīng)力。

圖1 江灣大橋主塔立面、側(cè)面圖（單位：m）

（1）主塔塔高109.5m，斜拉索在主塔上的索距為2.0m。塔柱為帶弧度的近矩形斷面，上塔柱為空心箱型截面，下塔柱為實(shí)心斷面。主塔下塔柱從橫梁往下逐漸加寬，底寬12.0m，順橋向?qū)?.5m，壁厚1.2m，車行道面以上塔柱內(nèi)外側(cè)均采用橢圓線型，塔頂為圓弧段，塔柱輪廓線為長(zhǎng)軸86.0m、短軸28.6m的橢圓線。主塔采用C50混凝土。錨索區(qū)設(shè)置15-15φs15.2mm、15-12φs15.2mm的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（2）橋塔中橫梁為變截面，跨中高6.0m，為空心箱型斷面，頂、底板和橫隔板的厚度分別為0.8m、0.8m和1.2m，橫隔板共2道。下橫梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為1395MPa，采用深埋錨工藝進(jìn)行錨固。

（3）斜拉索為疲勞應(yīng)力幅為250MPa的高強(qiáng)度環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa，分別含91根、73根、55根和43根φs15.2mm鋼絞線，其主塔上采用混凝土齒塊進(jìn)行錨固。

（4）橋塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用低松弛鋼絞線，規(guī)格為15-15型和15-12型兩種。環(huán)向預(yù)應(yīng)力可以有效減小塔柱的尺寸，使得主塔更為輕巧，但是由于主塔結(jié)構(gòu)的特殊性，環(huán)向預(yù)應(yīng)力的配置相當(dāng)復(fù)雜，首先需要考慮縱向主塔兩側(cè)斜拉索的角度不同，要調(diào)整好環(huán)向預(yù)應(yīng)力的位置以避讓斜拉索。同時(shí)，主塔的箍筋和環(huán)向預(yù)應(yīng)力與水平面的夾角不同，也會(huì)導(dǎo)致箍筋與環(huán)向預(yù)應(yīng)力存在沖突，在實(shí)際施工過(guò)程中，可應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)箍筋和環(huán)向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行定位，以確保兩者能夠正確地放樣施工。

綜上所述，由于在建筑景觀上追求主塔和全橋的造型美觀，主塔不僅造型復(fù)雜，內(nèi)部構(gòu)造也相當(dāng)復(fù)雜，在沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要用有限元分析等方法進(jìn)行較為精確的模擬分析，這樣才能保證工程的可靠性。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元計(jì)算模型說(shuō)明

文章利用Midas FEA有限元分析軟件對(duì)主塔進(jìn)行建模，拱形主塔拱軸線由多段曲線組成，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，建模主要考慮的因素包括對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響比較大的承臺(tái)、主塔、橫梁、豎向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力等，但是不考慮普通鋼筋，分別采用實(shí)體單元和鋼筋單元對(duì)混凝土和鋼絞線進(jìn)行模擬。

模型中考慮的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、車道荷載、人群荷載、整體升降溫、斜拉索升降溫和不均勻沉降等荷載。由于規(guī)范未對(duì)主塔溫度梯度做出明確規(guī)定，因此在計(jì)算中未考慮塔壁溫度梯度引起的應(yīng)力效應(yīng)。

豎向、環(huán)向預(yù)應(yīng)力，主塔下橫梁張拉控制應(yīng)力分別為1302MPa、1302MPa和1395MPa。為充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，又能控制鋼束應(yīng)力在使用階段不超允許應(yīng)力，對(duì)于豎向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)得相對(duì)較短，控制應(yīng)力按0.7倍鋼束抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)，主塔下橫梁應(yīng)力按0.75倍鋼束抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

斜拉索成橋索力如表1所示，結(jié)合表1再根據(jù)各種工況下的荷載組合，得到最不利的索力，并結(jié)合錨墊板的尺寸，以均布力的形式在錨固面上進(jìn)行加載。

表1 主塔拉索索力表

主塔承臺(tái)底部約束實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度，對(duì)稱軸約束水平方向的平動(dòng)自由度。此次計(jì)算中未模擬樁基的樁頂剛度，由于樁基采用了群樁基礎(chǔ)，樁頂出口剛度較大，與群樁剛度相比，塔柱的剛度相對(duì)較弱，直接把承臺(tái)底作為嵌固端對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。

2.2 主塔分析結(jié)果

（1）最不利荷載工況組合下主塔結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，主塔基本處于受壓狀態(tài)，塔內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系的配置較為合理。

（2）主塔豎向應(yīng)力圖表明，在斜拉索最頂端錨固塊與塔壁的接觸面局部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的出現(xiàn)主要是因?yàn)樽铐敹隋^固塊以上上塔柱的重量偏小，不足以提供足夠的壓應(yīng)力來(lái)平衡拉索所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)中配置了大量的豎向預(yù)應(yīng)力來(lái)減少由上述原因產(chǎn)生的拉應(yīng)力，將出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍控制在可控的局部范圍內(nèi)，并通過(guò)增大局部區(qū)域的鋼筋配置，以消除可能存在的裂縫誘因。

（3）環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉應(yīng)力最大值為1243.6MPa，滿足規(guī)范要求；塔壁外側(cè)出現(xiàn)的局部拉應(yīng)力的位置為環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨點(diǎn)位置，可通過(guò)加強(qiáng)局部構(gòu)造筋來(lái)解決。在此次設(shè)計(jì)中，主塔塔柱采用了環(huán)向預(yù)應(yīng)力而未采用精軋螺紋鋼，主要是考慮塔柱截面為異型截面，采用精軋螺紋鋼不能很好地適應(yīng)塔壁的造型，且由于邊跨和主跨同一高度的斜拉索傾角不同，導(dǎo)致環(huán)向預(yù)應(yīng)力不能位于水平面上，形成螺旋環(huán)繞的形狀，精確地模擬環(huán)向預(yù)應(yīng)力對(duì)于準(zhǔn)確地計(jì)算錨固區(qū)的應(yīng)力水平相當(dāng)重要，結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程采用了CAD三維線形導(dǎo)入FEA，首先保證了模型中預(yù)應(yīng)力鋼束與實(shí)際相符，然后對(duì)小半徑預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，這樣計(jì)算得到的鋼束應(yīng)力和錨固區(qū)的應(yīng)力才真實(shí)可信，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控對(duì)比，理論分析與實(shí)際應(yīng)力的偏差較小，滿足使用要求。

（4）主塔位移最大值為1.82cm。主塔塔柱在橫梁以上接近中部的位置會(huì)出現(xiàn)往外鼓的位移，由于此處無(wú)法設(shè)置橫梁，不能減少由此產(chǎn)生的塔梁結(jié)合處塔柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力。在以往的拱塔斜拉橋工程案例中，往往會(huì)出現(xiàn)塔柱與下橫梁交接處開(kāi)裂的現(xiàn)象，因此在江灣大橋的主塔設(shè)計(jì)中塔柱內(nèi)側(cè)配置豎向預(yù)應(yīng)力來(lái)減少由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力，并在下塔柱的位置適當(dāng)添加鋼纖維混凝土，控制裂縫的產(chǎn)生，在主塔實(shí)施過(guò)程中，施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明此處的應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)。主塔位移圖如圖2所示。

圖2 主塔位移圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合有限元分析軟件Midas FEA對(duì)江灣大橋拱形主塔進(jìn)行了分析，從理論上驗(yàn)證了采用豎向、環(huán)向預(yù)應(yīng)力體系，解決了主塔斜拉索錨固拉應(yīng)力、拱梁結(jié)合段主塔外側(cè)拉應(yīng)力較大的問(wèn)題，并通過(guò)在主塔橫梁以下配置豎向應(yīng)力和采用鋼纖維混凝土的方式，解決了主塔下部大體積混凝土澆筑易出現(xiàn)水化熱產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大等問(wèn)題，對(duì)于超寬異型獨(dú)塔斜拉橋的主塔設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。但是此次計(jì)算中并未就施工階段進(jìn)行模型，施工階段僅進(jìn)行了Midas Civil桿系單元的模擬分析，還需在進(jìn)行精細(xì)化施工監(jiān)控分析時(shí)補(bǔ)充相關(guān)的實(shí)體分析內(nèi)容，這樣才能更好地控制整個(gè)主塔的施工精度。