花瓶形混凝土斜拉桥索塔受力敏感性分析与施工建议

刘胜，谈华顺，杨仲进

（1.丽水市交通工程质量监督站，浙江 丽水 323000；2.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3.浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江 温州 325000）

1 引言

花瓶形混凝土索塔造型优美、外观大气美观，其索面张开具有空间性可适用于双索面的结构形式，同时横梁及主梁位置相对较高，可适用于对通航净空要求较高的大跨径斜拉桥。另外花瓶形索塔下塔柱底部内收，有效地减小了基础尺寸，其经济效益相对门字形、A字形索塔具有更大优势，目前花瓶形索塔形式被广泛接受。

然而花瓶形索塔由于空间曲线复杂，存在施工难度大、控制因素较多的特点。随着施工外部荷载的变化，其受力状态也在不断地发生变化，因此在花瓶形索塔施工过程中，要对其应力进行严格验算，确保索塔受力安全合理。而横梁预应力、临时对拉杆、临时对撑杆的设置对花瓶形索塔施工过程及成桥后的受力状态具有一定影响，研究分析横梁预应力、临时对拉杆、临时对撑杆的设置对索塔受力影响的敏感性，对同类索塔的设计及施工可提供参考意义。

2 工程概况

某在建桥梁为双塔双索面混凝土斜拉桥，跨径组成为（140+300+140）m，边中跨比0.467，为塔墩梁固结体系。索塔采用花瓶形钢筋混凝土结构，1号塔塔座以上塔高203.8m，2号塔塔座以上塔高192.9m。1号塔与2号塔外形变化率一致，2号塔在1号塔的基础上将下塔柱截短而成。索塔在桥面以上高为91.14m，高跨比为0.304。索塔设置上、中、下三道横梁，采用C50混凝土。该桥总体布置如图1所示。主梁采用预应力混凝土肋板式结构，主肋高度2.7m，宽2m。全梁顶宽28.0m，底板28.5m。桥面板为受力单向板，标准板厚0.32m。边跨压重区主肋加宽至3.8m，桥面板加厚至0.40m；主梁横隔板厚度0.40m。每个索塔分别布置20对斜拉索，全桥共2×2×2×20=160根斜拉索，最长约168m，最大规格为PES7-241，单根最大重量约（不计锚具）约为13.2t，根据索力分为PES7-109、PES7-139、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241共6种规格。斜拉索采用抗拉标准强度为1860MPa镀锌平行钢丝斜拉索。

图1 某在建斜拉桥总体布置图（单位：m）

3 有限元模型

选用通用有限元软件Ansys、Midas/Civil进行建模分析。采用Midas/Civil建立全桥及索塔计算模型，采用Ansys模拟索塔与下横梁的局部受力复杂位置，分析下横梁施加预应力后，索塔与下横梁固结位置的局部应力分布情况。Ansys有限元模型选取10节主塔塔柱进行计算，其中每节塔柱高度为4.5m。Midas/Civil及Ansys节段有限元模型如下图2所示。

Ansys模型中混凝土采用8节点SOLID45实体单元，预应力钢筋选用三维杆单元LINK180单元模拟，预应力的施加采用等效降温法，关键思路是设置各向异性的温度应变系数，经过应力、应变关系进行推算，通过降温使得预应力钢筋线性收缩，以此模拟预应力筋的张拉收紧，达到在给定的温差下获得与预应力张拉等效的效果。

Midas/Civil采用梁单元模拟索塔及主梁单元，斜拉索采用桁架单元建模，计算时考虑混凝土的收缩、徐变效应。考虑的荷载包括：恒载（一期和二期）、斜拉索索力及施工阶段的临时荷载。

图2 Midas/Civil及Ansys有限元模型

4 计算分析

4.1 实体单元与梁单元模拟对比分析

由于下横梁与索塔结合位置受力较复杂，采用实体单元和梁单元分别对该局部受力复杂位置进行模拟。经Midas/Civil计算分析，当下横梁预应力张拉完成中塔柱尚未浇筑时，索塔在塔梁结合位置出现最大拉应力，以该施工阶段作为参考施工阶段，将下横梁预应力一次张拉至0.75f，计算分析结果如图3所示。将预应力大小按照0.1 f～0.75f逐步递增，得到实体单元和梁单元建模计算结果如图4所示。

由图3计算结果可知：除张拉端部外，实体单元模拟所得索塔最大拉应力相比梁单元较为接近。采用实体单元模拟索塔最大拉应力为3.0MPa，梁单元模拟索塔最大拉应力为3.8MPa，计算结果较为接近。由图4计算结果可知，当下横梁预应力从0.1 f～0.75f逐步增加时，索塔最大拉应力随下横梁预应力的增大而增大，且近似呈现出线性增长关系，采用梁单元模拟计算结果与实体单元模拟计算结果较为接近。

图3 梁单元和实体单元建模索塔应力计算结果（单位：MPa）

图4 下横梁预应力张拉力对索塔应力影响结果（单位：MPa）

4.2 塔梁结合位置受力敏感性分析

为分析下横梁预应力张拉力、临时对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力对塔梁结合位置的受力影响，以中塔柱混凝土浇筑完成作为参考施工阶段，临时对拉杆对拉力作用于下塔柱分叉段中间位置，临时对撑杆对顶力作用于中塔柱中间位置。下横梁预应力张拉力、临时对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力分别从1000kN～10000kN变化，计算得到塔梁结合位置最大拉应力如图5所示。

由图5计算结果可知：下横梁预应力大小对索塔最大拉应力影响最显著，当以最大拉应力作为索塔施工过程控制指标时，施工过程中应严格控制下横梁预应力的张拉。

4.3 索塔关键位置受力敏感性分析

为分析临时对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力及下横梁预应力对索塔施工过程中关键位置的受力影响，将下横梁预应力张拉力、临时对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力分别从1000kN～10000kN变化，对下塔柱分叉位置、塔梁结合位置的最大应力进行分析，分析结果如下表所示。

图5 对拉力、对顶力、下横梁预应力大小对索塔最大拉应力影响结果（单位：MPa）

对拉杆对拉力、对撑杆对顶力、下横梁预应力的设置对索塔施工过程中关键位置的受力影响

由上表计算结果可知，在索塔施工过程中，增大临时对拉杆的对拉力，下塔柱分叉段位置的拉应力显著减小，临时对拉杆的设置可为下塔柱分叉位置提供足够压应力储备。增大临时对撑杆的对顶力，塔梁结合位置的压应力显著增大，临时对撑杆的设置可为塔梁结合位置提供压应力储备。而增大下横梁预应力的张拉力，塔梁结合位置的拉应力显著增大。

综合以上计算结果，说明在索塔施工过程中，临时对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力的合理设计可为索塔关键位置提供足够的压应力储备。同时在索塔施工过程中应合理控制下横梁预应力的张拉力，下横梁预应力宜随索塔施工过程分批张拉，张拉过程不仅需要考虑为下横梁提供足够的压应力储备，同时应注意防范施工过程中，下横梁预应力一次张拉过大导致塔梁结合位置产生较大拉应力。

5 花瓶形斜拉桥索塔施工建议

①在下横梁施工过程，应合理设计下横梁预应力的张拉顺序，下横梁预应力的张拉一方面需考虑为下横梁提供足够的压应力储备，另一方面需防范下横梁预应力张拉过大导致塔梁结合位置拉应力过大，合理的解决方法可随索塔施工过程分批张拉下横梁预应力。

②临时对拉杆的设计宜充分考虑索塔施工过程及成桥后下塔柱分叉位置的受力状况，临时对拉杆对拉力的合理设计，可为下塔柱分叉位置提供足够的压应力储备，临时对撑杆的设计及下横梁预应力的分批张拉，主要考虑控制施工过程中塔梁结合位置的受力。

6 结论

采用 Midas/Civil、Ansys 分别建立了索塔梁单元、实体单元的有限元模型，对索塔塔梁结合位置局部受力复杂位置进行计算，结果表明：索塔最大拉应力随下横梁预应力的增大而增大，且近似呈现出线性增长关系，实体单元模拟所得计算结果与梁单元计算结果接近。

针对临时对拉杆、临时对撑杆、下横梁预应力的合理设计，对索塔施工过程进行了受力敏感性分析，结果表明临时对拉杆、临时对撑杆的合理设计可为索塔关键位置提供足够的压应力储备，同时应合理设计下横梁预应力的张拉过程，下横梁预应力一次张拉过大容易导致塔梁结合位置拉应力过大，合理的解决方法是可随索塔施工过程分批逐次张拉下横梁预应力，计算结果及施工建议可为同类工程施工过程提供参考。