塔底铰接型独塔斜拉桥施工阶段力学特性分析

周勇军，田瑞欣，吴领领，赵 煜

(长安大学公路学院，西安 710064)

目前，独塔斜拉桥以其独特的受力方式、优美多变的造型、良好的工作性能和成熟的施工技术，逐渐占据了城市和风景区桥梁的一席之地[1]。

孙远等[2]以某独塔双索面弯斜拉桥为例建立空间梁格模型，考虑了整个结构体系转换施工过程中的多种非线性因素的影响，实测监控数据与理论模型数据吻合较好；尹豪君[3]对无锡中央景观步行桥施工过程中的力学行为进行追踪分析，并考虑了结构的空间效应对不同施工阶段的受力影响，分析结果与理论数据相符合；吴汉奇[4]对斜拉桥进行仿真分析，并考虑恒载、活载及风荷载下的多种荷载组合的力学性能，结果表明结构的强度、刚度以及稳定性均满足要求。李士博等[5]对某单塔斜拉桥进行动力试验，试验结果表明桥塔与承台连接处最为薄弱；贺拴海等[6]对港珠澳工程青州航道斜拉桥进行力学性能研究，对施工阶段进行仿真模拟分析，并考虑了结构非线性的影响；李志刚等[7]研究某异形斜拉桥主梁简洁有效的模拟方法，并通过环境振动试验进行参数优化，结果表明优化后的模型能较真实地反映桥梁的实际状态；池春等[8]以斜拉桥索塔塔冠为例进行应力分析及优化，提出采用自上而下逐渐减少的环向预应力，索塔应力分布更加合理；张明等[9]研究了盾构近距离穿越对桥梁施工中桩基的影响，施工中桥梁桩基的应力和变形提供预警值，施工和监控提供理论指导；冯晓丹[10]对高墩大跨连续刚构桥进行了施工阶段变形控制研究，基于有限元分析和实桥验证，证明了线形控制的可靠性。

与现有的独塔斜拉桥相比，斜拉桥是世界上少有的一座塔底采用万向铰的独塔人行景观斜拉桥，其体系轻盈，结构复杂。为此通过有限元建模分析，探究施工过程中结构的力学行为，相关研究结论可以为后续类似斜拉桥的设计和施工提供参考。

1 工程概况

该桥为三亚某空间曲面钢箱梁斜塔人行景观斜拉桥，其体系轻盈，造型优美，桥梁直线长度约为250 m，桥面主梁宽度为7～21 m，主塔顶部距离地面约75.5 m，是一座独塔万向铰景观人行斜拉桥。大桥由主桥和引桥两部分组成，主桥桥垮布置为99.8 m+51 m+25 m，引桥桥垮布置为27.4 m+30.2 m。

主梁平面为“Y”形曲线形变宽造型，主跨为整体式断面，梁宽为7.2～11.7 m，主梁梁高0.88 m。桥塔为倾斜钢塔，断面为梯形，外形呈梭形，向河中(主跨侧)倾斜，倾角为60°，竖向高约73 m，总长84.6 m。斜塔通过球形钢支座连接在基座上，塔身上设置观光电梯，在塔柱中上部设置观景平台，观景平台直径为26.7 m，高约3 m，质量为75 t。全桥共36根斜拉索，其中8根背索为钢绞线斜拉索，其余28根斜拉索为平行钢丝斜拉索，桥塔根部设置万向铰，释放塔底各向弯矩，而非传统的底部固结形式，结构体系新颖。图1为该桥整体轴测图。

图1 整体轴测图

2 有限元模拟

2.1 模型简介

对该空间钢曲梁独塔斜拉桥采用桥梁专用有限元分析软件MIDAS Civil，建立图2所示的有限元模型。主梁采用梁格法建模，纵梁和边梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，斜拉索采用索单元模拟，桥塔与观景平台均采用梁单元模拟。全桥共1 131个节点，2 656个单元，计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。桥塔根部与基座铰接，近塔处两侧主梁端部与梯道固结。

图2 有限元模型

曲梁、斜塔均采用Q420钢材，主梁支撑柱采用Q345钢材，钢材容重均为78.5 kN/m3。斜拉索采用抗拉强度不低于1 860 MPa钢绞线和1 670 MPa平行钢丝。全桥二期恒载参数如表1所示。

表1 二期恒载参数

2.2 施工阶段模拟

计算模型中为准确模拟桥塔转体、斜拉索张拉以及主梁满堂支架施工等施工工序，依据实际施工过程，具体划分为15个施工阶段，具体施工阶段划分如表2所示。

表2 施工阶段划分

其中桥塔架设采用竖转架设方案，张拉后地锚索采用南北两侧对称一次张拉，主梁拉索采用两侧对称依次向跨中挂索，对称张拉方案。

2.3 索力优化与调整

目前斜拉索的调索理论主要有刚性支撑连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法、影响矩阵法[11-12]。该斜拉桥结构体系复杂，单一的调索理论无法满足要求，故采用零位移法和影响矩阵法两者结合的方式，以结构内力合理和成桥线形平顺为基本原则进行调索。

3 施工阶段力学特性分析

结构形式不同的斜拉桥，施工过程不同，导致桥梁结构的力学状态不同[2]。为此研究该塔底铰接型独塔斜拉桥施工阶段力学行为，为施工和监控提供参考。

3.1 位移分析

图3为塔顶三个方向随着施工阶段变化的位移，随着3～6施工阶段的增加，塔顶位移主要向边跨侧靠拢，同时带动桥塔整体向上变形，由于后地锚索索力比较大，位移曲线较陡，随着主梁拉索的张拉小，塔顶纵向位移曲线逐渐平缓向跨中侧回落。在施工过程中，桥塔出现一定的横向变形是由于：①南北侧后地锚索的不对称；②主梁拉索为非对称空间曲面拉索；③桥塔中上部观景平台稳定前地锚索的不对称张拉。

图3 施工过程中塔顶位移变化

主梁位移在整个施工阶段变化不大，当主梁拉索张拉时出现约80 mm上挠位移，随着二期铺装的增加，主梁位移回落在设计高程附近，可通过索力的微调整来保证成桥线形。无拉索梁段变形较小，有10～30 mm的变形，可通过设置预拱度调节主梁线形。

3.2 内力分析

由于该桥结构体系特点，结构内力随施工阶段变化规律复杂，故对桥塔弯矩与主梁轴力进行内力分析。

3.2.1 桥塔弯矩分析

如图4所示，桥塔在施工阶段，最大弯矩和弯矩位置不断在发生变化，第一个施工阶段，斜塔仅受结构自重的影响，最大弯矩出现在29.7 m处，桥塔呈现微小竖弯状态。随着后地锚索的张拉，最大弯矩出现在拉索锚固点附近，位于48.7 m处，此时弯矩幅值变化较大是由于背索索力较大。随着主梁拉索张拉，最大弯矩位置在29.7 m处，且弯矩变化趋于平缓，此时桥塔呈现较明显的竖弯状态。最大弯矩点发生改变是由于该桥背索主梁拉索锚固点相同以及施工顺序引起的，是该结构特有的力学现象。设计和监控时应该特别注意这两个位置的变形以及受力情况。

图4 桥塔最大弯矩和对应竖向位置

3.2.2 主梁轴力分析

对于空间曲线“Y”形主梁，选取以下8个代表性截面，查看其轴向受力情况，A截面为A′段主梁端部北侧外缘边梁处，B截面为A′段主梁端部中梁处，C截面为A′段主梁端部南侧外缘边梁处，D截面为B′段主梁端部中梁处，E截面为B′段主梁端部北侧边梁处，F截面为B′段主梁端部南侧边梁处，G截面为支柱上方主梁北侧外缘处，H截面为支柱上方主梁中梁处。其中“Y”形主梁分离梁段北侧为A′段主梁，南侧为B′段主梁，其余为C′段主梁。主梁截面示意图如图5所示。

由于曲率的存在，主梁轴力对曲率较为敏感，同时主梁拉索为纵向单侧拉索且横向不对称，故对图5所示的8个代表性截面进行施工阶段轴力分析，研究主梁拉索张拉对主梁轴力的影响。轴力影响结果如图6所示，结果表明整体主梁轴力变化较为均匀，主梁曲率越小的截面，受张拉索力的影响越小，变化曲线越平缓。

图5 主梁示意图

图6 施工过程中主梁轴力变化

如图7所示，施工完二期后的轴力，A、F、G3个截面均位于主梁外边缘处，轴向受拉，同一断面，从主梁外边缘向内边缘，结构逐渐受压。主梁同一断面A、B、C3处轴力相差较大，这是由于A′段主梁曲率较大，横向宽度较小，导致主梁应力分布不均匀，轴力差距较大。

图7 主梁轴力图

3.3 应力分析

3.3.1 桥塔应力分析

桥塔应力分析选取了桥塔中下部应力最大位置处，桥塔上下缘的应力，如图8所示。桥塔上缘(塔背侧)应力随着施工阶段的增加，应力逐渐增大，桥塔下缘(塔腹侧)应力在整个施工阶段呈现波浪形，在结构自重及张拉背索时出现应力增大现象，其余阶段应力变化较为平缓。

图8 施工过程中桥塔应力变化

桥塔采用Q420钢材，在整个施工阶段，无论上下缘应力均在安全合理的范围内，针对桥塔上下缘应力差值较大的情况，桥塔壁厚采用不等厚结构形式，上缘钢板采用加厚设计。

3.3.2 主梁应力分析

主梁应力分析中选取图5中8个截面进行应力分析，应力结果如表3所示，整个施工阶段主梁应力变化平缓，无应力突变现象。应力均满足要求。

表3 施工过程中主梁应力

3.3.3 斜拉索应力分析

斜拉索选取南北两侧各一根背索N1、S1，应力结果如图9所示。南北两侧背索与桥塔并非对称设计，而是与桥塔分别成不同的夹角锚固在桥塔上，北侧斜拉索索力较南侧稍大。在张拉南北两侧4对背索时，随着其余3对背索的张拉，N1、S1背索应力逐渐减少，曲线较陡，在张拉主梁拉索时背索应力逐渐增大，曲线平缓。南北两侧拉索均采用抗拉强度为1 860 MPa钢绞线，整个施工过程中拉索应力均在2.5倍的安全系数范围内。

图9 施工过程中斜拉索应力变化

4 体系方案

桥梁方案设计之初，设有两种结构体系方案，分别是桥塔根部固结和铰接两种结构形式。现列出两种方案在二期铺装完成阶段，即施工成桥后，桥塔在恒载作用下的最大位移、轴力、弯矩和应力。表4为不同方案受力结果对比。

表4 不同方案受力结果对比

由表4可以看出，两种体系桥梁成桥后桥塔顶部最大位移均超过55 mm，固结体系位移量略小于铰接体系，这是由于固结体系刚度偏大。两种体系桥塔最大轴力位于桥塔根部，均达到48 000 kN以上，由于桥塔是倾角为60°的斜塔且桥塔背索索力较大，背索、主梁拉索索力及恒载自重的轴向分力等作用使得桥塔根部产生较大的轴力作用。因此，采用铰接体系时，桥塔根部基础和桥塔支座设计时需要特殊设计和定制，铰接体系由于塔根部铰接释放了弯矩，所以最大弯矩位于桥塔中下部，最大为15 762 kN·m，这是由于背索和主梁拉索处于同一锚固点，在索力和恒载作用下桥塔出现向下弯曲现象(此处纵向位移最大)，导致桥塔中下部出现最大弯矩，建议此处加强设计以及布置监控测点实时监测。铰接体系桥塔中下部应力较大且分布较为均匀，桥塔根部应力为-120 MPa，全桥应力最大处位于弯矩最大处稍下方，为-140 MPa，这是由于组合应力既有弯矩的影响也有轴力的影响，故即不在桥塔根部也不在弯矩最大处位置。该桥在设计时，桥塔应力最大处建议进行钢壁加厚设计，监控时建议布置应力监控测点。

固结体系可以减少桥塔整体约16%位移，轴力接近，差距不大，但是铰接体系可以释放背索和主梁拉索索力由于桥塔弯曲产生的巨大弯矩，同时可以减少主塔根部约41%的应力。两种设计方案对比发现，固结体系可以减少整体的位移量，但是铰接体系可以释放巨大弯矩，减少应力，对结构的整体受力更加有利。

5 结论

基于该塔底铰接型独塔斜拉桥施工阶段的力学行为分析，得到如下结论。

(1)在张拉背索时，桥塔最大弯矩出现在背索锚固点处，在张拉主梁拉索时，最大弯矩出现在主梁拉索锚固点稍下位置，即29.7 m处，在主梁拉索锚固点下方呈现较为明显的竖弯现象。

(2)主梁轴力在施工阶段变化平缓，曲率对轴力的影响较为显著，曲率越大，影响越大，出现曲率外侧受拉，内侧受压的力学状态。

(3)桥塔在整个施工阶段上缘应力逐渐增大，下缘应力稳定在20～60 MPa，变化平缓；与桥塔应力变化相比，主梁应力变化更为平缓，多集中在10～40 MPa变化。背索应力随着其余拉索的张拉而逐渐减少，随着主梁拉索的张拉逐渐增大，变化趋势与拉力大小相对应。

(4)两种设计方案对比发现，固结体系可以减少整体的位移量，但是底部铰接可以释放巨大弯矩，减少应力，对结构的整体受力更加有利。