非对称独塔斜拉桥塔梁墩固结区横向分析

尚 晋

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市 116024)

0 引言

斜拉桥因塔梁墩的不同连接方式，形成不同的结构体系，即漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和塔梁墩固结体系[1-4]。其中塔梁墩固结形式的斜拉桥结构整体刚度较大，可不用设置大型支座，特别适用于独塔斜拉桥[5-6]。除了桥塔巨大的轴力传递给塔梁墩固结区外，主梁的弯矩、剪力和轴力也汇集于此，因此，塔梁墩固结区结构和受力均较为复杂，是该类型斜拉桥的设计关键部位[7-8]。以某三跨非对称独塔斜拉桥为工程背景，建立全桥模型以及塔梁墩固结区横向受力模型，对其进行分析设计。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某三跨(30.5+56.5+170=257m)非对称独塔双索面斜拉桥，桥宽33m，采用塔梁墩固结体系。小里程侧主梁采用预应力混凝土单箱多室结构，大里程侧主梁采用钢箱梁结构。由于体系为塔梁墩固接体系，在固接处做成钢筋混凝土主梁以增大刚度，抵抗体系的不平衡力矩，结合段选在主跨侧弯矩较小的位置。桥塔为空间结构，采用钢箱结构，与桥墩结合处设钢混结合段。小里程侧设置6对背索，大里程侧设置12对斜拉索。结构形式如图1所示。

图1 总体布置示意图(单位：cm)

1.2 塔梁墩固结区构造

本桥塔梁墩固结区构造复杂，主梁在桥塔处直接与桥塔固结，与主墩形成一体，此区域设置纵横竖向预应力钢束，钢筋布置密集，其结构形式如图2、图3所示。固结区不仅有桥塔传递的巨大轴力，而且纵横向横梁位置均产生较大的弯矩、剪力和轴力，受力也较为复杂[9-10]。

图2 塔梁墩固结区立面图(单位：cm)

图3 塔梁墩固结区平面图(单位：cm)

主梁在桥塔处无支座，通过横梁使塔梁墩固结。此处横梁既是主梁中的横隔梁，又兼具塔柱横向连接作用。横梁主要承受由结构自重和活载产生的弯矩和剪力，同时承受边跨和主跨两侧不平衡弯矩所产生的扭矩，为弯剪扭受力构件。横梁与塔柱连接处的应力集中较为明显，由于自身为单箱双室截面(高4m，宽约10m)，抗扭刚度较大，此位置处的主梁应力水平不高。

塔柱在横梁位置处为实心截面，上端连接钢混结合段，下部桥墩为箱型空心截面，塔柱和桥墩固结成整体。除了纵桥向自重及拉索索力产生的墩底应力外，横桥向桥墩和横梁形成横向框架结构，由于张拉横梁预应力及温度的影响，易使墩底外侧产生过大的拉应力，威胁结构安全。

由此可知，塔梁墩固结区结构形式不仅复杂，而且其设置的合理与否直接影响结构安全，是控制本桥设计的关键因素之一。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

本桥采用通用有限元软件Midas Civil建立全桥整体模型，对全桥进行整体性分析，同时建立桥塔处横梁框架模型进行横向分析，为桥塔处横梁、桥墩及基础设计提供依据。

全桥模型如图4所示，模型共用节点530个，单元464个，其中梁单元428个，桁架单元36个，采用弹性连接模拟支座，桩采用节点弹性支撑约束，土弹簧刚度通过m法计算确定。通过整体模型可以得到传递到桥塔横梁恒载及活载，同时得到桥塔处墩底及基础的纵向受力情况。

图4 全桥有限元模型示意图

桥塔横梁横向分析模型如图5所示，塔柱桥墩及横梁形成横向框架，桥位处在北方严寒地区，较大的温差对结构将产生不利影响。通过对桥塔横梁进行有限元分析，可以确定桥塔横梁受力情况，同时分析桥塔桥墩及基础横向受力，与纵向受力结果共同确定最终受力状态。

图5 桥塔横梁有限元模型示意图

2.2 计算荷载

(1)恒载：包括横梁自重、主梁传递的恒载及二期荷载。

(2)收缩、徐变：按规范[11]计算。

(3)活载：考虑纵向传递后按横向最不利布置。

(4)体系温度：整体升温24℃，整体降温38℃。

(5)风荷载：按规范[12]计算。

2.3 结果分析

(1)桥塔横梁配置42根19Φs15.2mm规格的预应力钢束，横梁计算结果如图6所示。

图6 频遇组合下正截面抗裂验算包络图(单位：MPa)

由图6可知，在使用阶段频遇组合下，截面最大拉应力为0.96MPa，小于0.7ftk=1.855MPa，满足规范[13]的要求。

图7 准永久组合下正截面抗裂验算包络图(单位：MPa)

由图7可知，在使用阶段准永久组合下，截面未出现拉应力，满足规范[13]的要求。

图8 斜截面主拉应力验算(单位：MPa)

图9 斜截面主压应力验算(单位：MPa)

由图8、图9可知，截面最大主拉应力为1.22MPa，小于0.5ftk=1.325MPa，满足规范[13]的要求；截面最大主压应力为10.48MPa，小于0.60fck=19.440MPa，满足规范[13]的要求。

图10 正截面压应力验算包络图(单位：MPa)

由图10可知，在标准组合下，截面最大压应力为10.48MPa，小于0.5fck=16.2MPa，满足规范[13]的要求。

综上所述，桥塔横梁在恒载、活载、风荷载以及温度等共同作用下满足规范[13]要求。

(2)桥墩横向受力计算结果如表1所示。

表1 桥墩应力结果(单位：MPa)

由表1结果可知，横向受力分析引起的桥墩拉应力较大，计算方面需综合考虑纵横向结果进行设计分析；结构方面可在桥墩受拉部位增设预应力钢束，减小拉应力；施工方面可以在桥塔横梁结构中部预留后浇段，采用顶推施工措施来改善桥墩受力，增加压应力储备[14]。

3 结语

(1)本桥对塔梁墩固结区进行横向计算分析，最终确定了桥塔横梁预应力钢束的配置情况，桥塔横梁满足规范要求；分析了桥墩横向受力情况，为配置相应的预应力钢束及普通钢筋提供依据。

(2)对结构主要构件建立杆系模型进行计算分析，简单快捷，方法可靠，可方便指导工程设计；但无法分析横梁与桥塔连接处的局部应力增大情况，可以考虑采用实体局部模型进一步分析[15]。

(3)横向框架结构在降温、收缩徐变、风荷载等作用下桥墩拉应力不可忽略，构件设计需综合考虑纵横向受力。

(4)桥塔横梁预应力的张拉可以改善自身受力情况，但是过大的预加力将使桥墩与横梁连接处内侧受拉，因此需合理配置桥塔横梁预应力钢束。

(5)通过增设桥墩预应力钢束可以有效降低其拉应力，同时可采用顶推施工措施来改善桥墩受力，增加压应力储备。