江湾大桥主塔精细化分析

陈海斌

广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010

1 工程概况

江湾大桥主桥采用独塔双索面混合梁斜拉桥，桥跨布置为33m+102m+183m=318m，斜拉索为双索面扇形布置，共计26对。主塔采用钢筋混凝土拱形桥塔，立面、侧面图如图1所示，在拉索锚固区、拱顶、拱脚、横梁皆设置预应力。

图1 江湾大桥主塔立面、侧面图（单位：m）

（1）主塔塔高109.5m，斜拉索在主塔上的索距为2.0m。塔柱为带弧度的近矩形断面，上塔柱为空心箱型截面，下塔柱为实心断面。主塔下塔柱从横梁往下逐渐加宽，底宽12.0m，顺桥向宽6.5m，壁厚1.2m，车行道面以上塔柱内外侧均采用椭圆线型，塔顶为圆弧段，塔柱轮廓线为长轴86.0m、短轴28.6m的椭圆线。主塔采用C50混凝土。锚索区设置15-15φs15.2mm、15-12φs15.2mm的环向预应力钢束。

（2）桥塔中横梁为变截面，跨中高6.0m，为空心箱型断面，顶、底板和横隔板的厚度分别为0.8m、0.8m和1.2m，横隔板共2道。下横梁预应力钢绞线张拉控制应力为1395MPa，采用深埋锚工艺进行锚固。

（3）斜拉索为疲劳应力幅为250MPa的高强度环氧涂层钢绞线斜拉索，标准强度为1860MPa，分别含91根、73根、55根和43根φs15.2mm钢绞线，其主塔上采用混凝土齿块进行锚固。

（4）桥塔环向预应力采用低松弛钢绞线，规格为15-15型和15-12型两种。环向预应力可以有效减小塔柱的尺寸，使得主塔更为轻巧，但是由于主塔结构的特殊性，环向预应力的配置相当复杂，首先需要考虑纵向主塔两侧斜拉索的角度不同，要调整好环向预应力的位置以避让斜拉索。同时，主塔的箍筋和环向预应力与水平面的夹角不同，也会导致箍筋与环向预应力存在冲突，在实际施工过程中，可应用BIM技术对箍筋和环向预应力进行定位，以确保两者能够正确地放样施工。

综上所述，由于在建筑景观上追求主塔和全桥的造型美观，主塔不仅造型复杂，内部构造也相当复杂，在没有试验数据的基础上进行设计，需要用有限元分析等方法进行较为精确的模拟分析，这样才能保证工程的可靠性。

2 有限元模型的建立与分析

2.1 有限元计算模型说明

文章利用Midas FEA有限元分析软件对主塔进行建模，拱形主塔拱轴线由多段曲线组成，结构受力比较复杂，建模主要考虑的因素包括对结构受力影响比较大的承台、主塔、横梁、竖向和环向预应力等，但是不考虑普通钢筋，分别采用实体单元和钢筋单元对混凝土和钢绞线进行模拟。

模型中考虑的荷载主要包括结构自重、风荷载、车道荷载、人群荷载、整体升降温、斜拉索升降温和不均匀沉降等荷载。由于规范未对主塔温度梯度做出明确规定，因此在计算中未考虑塔壁温度梯度引起的应力效应。

竖向、环向预应力，主塔下横梁张拉控制应力分别为1302MPa、1302MPa和1395MPa。为充分发挥预应力钢束的作用，又能控制钢束应力在使用阶段不超允许应力，对于竖向预应力和环向预应力钢束的长度应设计得相对较短，控制应力按0.7倍钢束抗拉强度设计，主塔下横梁应力按0.75倍钢束抗拉强度设计。

斜拉索成桥索力如表1所示，结合表1再根据各种工况下的荷载组合，得到最不利的索力，并结合锚垫板的尺寸，以均布力的形式在锚固面上进行加载。

表1 主塔拉索索力表

主塔承台底部约束实体单元节点的3个平动自由度，对称轴约束水平方向的平动自由度。此次计算中未模拟桩基的桩顶刚度，由于桩基采用了群桩基础，桩顶出口刚度较大，与群桩刚度相比，塔柱的刚度相对较弱，直接把承台底作为嵌固端对计算结果影响较小。

2.2 主塔分析结果

（1）最不利荷载工况组合下主塔结构主拉应力控制在规范允许的范围内，主塔基本处于受压状态，塔内预应力体系的配置较为合理。

（2）主塔竖向应力图表明，在斜拉索最顶端锚固块与塔壁的接触面局部出现了较大的拉应力，拉应力的出现主要是因为最顶端锚固块以上上塔柱的重量偏小，不足以提供足够的压应力来平衡拉索所产生的拉应力，因此在设计中配置了大量的竖向预应力来减少由上述原因产生的拉应力，将出现拉应力的范围控制在可控的局部范围内，并通过增大局部区域的钢筋配置，以消除可能存在的裂缝诱因。

（3）环向预应力钢绞线拉应力最大值为1243.6MPa，满足规范要求；塔壁外侧出现的局部拉应力的位置为环向预应力锚点位置，可通过加强局部构造筋来解决。在此次设计中，主塔塔柱采用了环向预应力而未采用精轧螺纹钢，主要是考虑塔柱截面为异型截面，采用精轧螺纹钢不能很好地适应塔壁的造型，且由于边跨和主跨同一高度的斜拉索倾角不同，导致环向预应力不能位于水平面上，形成螺旋环绕的形状，精确地模拟环向预应力对于准确地计算锚固区的应力水平相当重要，结构在建模过程采用了CAD三维线形导入FEA，首先保证了模型中预应力钢束与实际相符，然后对小半径预应力钢束的预应力损失进行了现场测试，这样计算得到的钢束应力和锚固区的应力才真实可信，通过现场施工监控对比，理论分析与实际应力的偏差较小，满足使用要求。

（4）主塔位移最大值为1.82cm。主塔塔柱在横梁以上接近中部的位置会出现往外鼓的位移，由于此处无法设置横梁，不能减少由此产生的塔梁结合处塔柱内侧的应力。在以往的拱塔斜拉桥工程案例中，往往会出现塔柱与下横梁交接处开裂的现象，因此在江湾大桥的主塔设计中塔柱内侧配置竖向预应力来减少由此产生的拉应力，并在下塔柱的位置适当添加钢纤维混凝土，控制裂缝的产生，在主塔实施过程中，施工监控数据表明此处的应力均在允许范围内。主塔位移图如图2所示。

图2 主塔位移图

3 结束语

文章结合有限元分析软件Midas FEA对江湾大桥拱形主塔进行了分析，从理论上验证了采用竖向、环向预应力体系，解决了主塔斜拉索锚固拉应力、拱梁结合段主塔外侧拉应力较大的问题，并通过在主塔横梁以下配置竖向应力和采用钢纤维混凝土的方式，解决了主塔下部大体积混凝土浇筑易出现水化热产生的拉应力较大等问题，对于超宽异型独塔斜拉桥的主塔设计有一定的借鉴作用。但是此次计算中并未就施工阶段进行模型，施工阶段仅进行了Midas Civil杆系单元的模拟分析，还需在进行精细化施工监控分析时补充相关的实体分析内容，这样才能更好地控制整个主塔的施工精度。