异形桥塔斜拉桥结构性能分析

2022-04-12沈佳伟朱豪军

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2022年1期

沈佳伟，朱豪军

(浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310030)

沈佳伟，朱豪军.异形桥塔斜拉桥结构性能分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2022,35(1):44-50.

0 引言

随着国内桥梁施工技术和设计水平的不断发展，桥梁工程的景观性越来越受到关注[1]。斜拉桥通过高耸的桥塔带来巨大的视觉冲击，随着结构分析技术的进步、施工机械的革新、施工工艺的不断创新，近几年出现了越来越多的异形斜拉桥桥塔。台湾淡江大桥[2]主桥跨径布置为(2×75+450+175+75+70)m，采用单塔斜拉桥结构体系，桥塔采用倒Y形钢筋混凝土，截面为特别设计的曲线造型。南京花山大桥[3]跨径布置为(100+50+100)m，为倾斜拱塔斜拉桥，桥塔为向一侧倾斜的“心形”拱塔。潼南涪江大桥[4]是一座主跨220 m的单塔空间双索面斜拉桥，桥塔采用花瓶形钢筋混凝土异形结构。太原摄乐大桥[5]主桥跨径布置为(30+150+150+30)m，桥塔采用大幅变宽无横梁A形塔柱。

桥塔是斜拉桥的主要受力构件，针对异形桥塔的设计分析最主要是采用实体有限元软件进行仿真分析[6-7]。本文依托某异形桥塔斜拉桥，首先采用有限元软件Midas Civil进行全桥杆细模型分析，再提取杆细模型内力，采用ANSYS建立异形桥塔三维实体模型。

1 主桥结构设计

图1 桥梁效果图

某桥梁为“月环”形构造的独塔空间双索面不等跨斜拉桥。道路等级为一级公路兼顾城市主干道，主桥桥梁宽38 m，双向6车道布置，两侧设置非机动车道和人行道。桥梁跨径布置为(107.5+87.5)m，桥下通航孔净宽80 m，采用半漂浮体系，主梁在主塔横梁处设置竖向支座和纵向牛腿[3]。全桥的效果图如图1所示。

主梁采用钢混组合梁结构形式，断面上有2片工字形钢纵梁和小纵梁，纵梁梁高2.6 m，横向中心距26 m，桥面板厚度为26 cm，采用预制桥面板，纵、横桥向均设置预应力钢束。主梁标准断面如图2所示。沿纵桥向每隔4 m设置一道钢横梁，顶面设置双向2%的横坡。为防止边跨支座脱空，在边跨采用铁砂混凝土压重。

图2 主梁标准横断面(单位：cm)

斜拉索采用平行钢绞线拉索，采用塔端张拉、主梁锚固形式。每个索面共有7对斜拉索，标准间距为12 m，在边跨压重区段加密至8 m。根据斜拉索受力不同，采用73-Φ15.2和85-Φ15.2 2种型号。主跨斜拉索编号为MC1～MC7，边跨斜拉索编号为SC1～SC7，均为桥塔向引桥侧开始编号。

图3 桥塔断面示意图

桥塔纵桥向为“月环”形，横桥向为H形桥塔，塔高约63 m，桥面以上桥塔高约49.5 m。2片桥塔顶部稍向内倾，桥塔横桥向尺寸塔顶处为3 m，塔底处为4 m。分别设置上、下2根横梁，在下横梁设置竖向支座，主梁梁底向下设置2块牛腿卡在下横梁两侧，以抵抗不平衡的纵向水平力。除塔顶装饰段采用单箱单室截面外，其余塔段均采用单箱三室截面，如图3所示。在底部采用钢混结合段进行过渡，并与承台和基础连接，将桥塔内力可靠地传递至基础。

2 静力分析

2.1 模型的建立

采用Midas Civil软件建立有限元计算模型，共计2 358个节点，2 269个单元。

(1)主梁模拟。采用施工阶段联合截面模拟，考虑组合梁施工阶段工况，压重区采用外荷载形式，不考虑压重区结构的共同受力。

图4 桥塔分段示意图

(2)桥塔模拟。桥塔为空间异形结构，根据桥塔受力与构造的不同，将桥塔分为5个部分：塔顶装饰段、桥塔锚固段、塔底段、钢-混结合段和次塔装饰段，如图4所示。对于塔顶装饰段和次塔装饰段，主要起到体现桥塔景观造型的作用，受到的荷载仅为该段自重荷载。桥塔锚固段为斜拉索锚固区域，该区域为传力锚固段，承受斜拉索传递的力并将内力传递至塔底段，该段与塔底段构造上的区别在于设置了钢锚梁构造。塔底段为桥塔受力最大的区域，与常规的斜拉桥桥塔不同，由于桥塔构造较为异形，在斜拉索和桥塔自重的作用下，塔底段受到相当大的纵桥向弯矩，因此塔底段的设计和计算分析是本桥的重、难点之一。钢-混结合段采用了钢和混凝土组合结构，在该区域灌注混凝土，并通过预应力精轧螺纹钢、剪力钉、普通钢筋等与钢结构互相结合，共同抵抗桥塔处传递过来的强大内力，同时将桥塔钢结构伸入承台混凝土中约3 m深(含1.5 m塔座)，承台内的主筋通过钢板预先开好的孔洞贯穿，保证桥塔内力能可靠地传递至基础。在建模计算前，根据定性分析，钢-混结合段的刚度和承载力明显高于其他桥塔节段，因此在杆细模型模拟时，将该处定义为刚臂单元。桥塔其余节段则采用梁单元进行模拟，桥塔截面为单箱三室截面。

(3)拉索模拟。根据恩斯特公式，斜拉桥拉索需考虑垂度效应对拉索弹模的修正[8-9]。本桥桥梁跨径较小，最长索长仅为97.596 m，根据表1的计算结果，斜拉索的弹性模量折减系数均在0.95以上，垂度效应影响较小，故在单梁模型中不考虑弹模的修正。斜拉索采用只受拉桁架单元模拟。

表1 斜拉索的弹模修正

图5 全桥有限元模型

(4)边界条件模拟。主梁在桥塔处采用设置支座的半漂浮体系，纵向通过牛腿限制主梁位移，在单梁模型中桥塔处竖、纵、横向均约束。边支座为纵向活动、竖向和横向约束。桩基础按照全桩长模拟，桩底固结，桩侧采用“m”值法计算土弹簧刚度，全桥的有限元模型见图5所示。

(5)荷载。考虑恒载、汽车荷载、温度荷载、支座变位、风荷载等，并按现行规范进行荷载最不利组合。

2.2 主要计算结果

2.2.1 结构刚度和位移

摘取模型中桥塔塔顶正常使用状态标准组合下的最大位移，纵桥向最大位移为4.7 cm,横桥向最大位移为9 cm,竖向最大位移为6.5 cm。

由于桥塔截面较大，刚度较大，因而在各种荷载作用下，桥塔位移均较小。

图6 汽车荷载下主梁挠曲线(单位：m)

如图6所示，主梁在汽车荷载作用下，主跨竖向挠度最大值为0.053 m，远小于规范规定的L/400=0.269 m[10]，这说明依靠桥塔强大的纵桥向刚度，拉索对主梁的变形起到了很好的限制作用，全桥的刚度均比较大。

2.2.2 结构应力验算

2.2.2.1 主梁

在基本组合作用下，钢混组合梁的钢梁应力计算结果见图7、图8。根据计算结果，基本组合作用下钢梁上缘最大压应力为-108.3 MPa，位于MC1拉索处附近；钢梁下缘最大压应力为-192.8 MPa，位于MC2拉索处附近，最大拉应力151.3 MPa，位于MC7拉索处附近。

图7 主梁(钢结构部分)上翼缘应力(单位：MPa)

图8 主梁(钢结构部分)下翼缘应力(单位：MPa)

主桥桥面板采用预应力结构体系，按A类构件设计，并提高一定的设计富裕度，保证桥面板在频遇组合下不产生拉应力。频遇组合、准永久组合及标准组合下桥面板上、下缘应力验算见表2。频遇组合下桥面板上缘最小压应力为0.1 MPa，位于MC1及SC4斜拉索附近；桥面板下缘最小压应力为0.2 MPa，位于SC7及SC6斜拉索附近。频遇组合下，桥面板均未出现拉应力。准永久组合下桥面板上缘最小压应力为0.1 MPa，位于SC4斜拉索附近；桥面板下缘最小压应力为0.2 MPa，位于SC7及SC6斜拉索附近。准永久组合下，桥面板均未出现拉应力。标准组合下桥面板上缘最大压应力为9.7 MPa，位于SC5和SC6斜拉索之间；桥面板下缘最大压应力为7.3 MPa，位于SC4斜拉索附近。标准组合下，桥面板压应力均满足规范要求。

表2 主梁(桥面板部分)正应力验算

2.2.2.2 桥塔

如图9、图10所示，基本组合下桥塔外侧最大压应力为-217.9 MPa，位于桥塔根部，最大拉应力为71.1 MPa，位于桥塔锚固区；桥塔内侧最大压应力为-108.6 MPa，位于锚固区底部，最大拉应力为182.3 MPa，位于桥塔根部。

图9 基本组合下桥塔外侧应力图(单位：MPa)

图10 基本组合下桥塔内侧应力图(单位：MPa)

2.2.3 斜拉索验算

斜拉索在成桥阶段最不利组合作用下的索力和活载应力幅见表3。由结果可知,每根斜拉索在最不利组合下的安全系数均大于2.5；活载引起的应力幅均小于250 MPa，满足规范要求。

表3 斜拉索内力验算

2.2.4 断索工况验算

根据《公路斜拉桥设计细则》，斜拉桥结构计算中，应验算脱落或断索工况。分别验算当MC1～MC7、SC1～SC7断索时，钢主梁应力和混凝土桥面板应力，如表4所示。

表4 主桥断索工况验算 MPa

由表4可知，当断裂一根斜拉索时，钢梁最大应力及混凝土板最大压应力均未超过设计值，混凝土板最大拉应力在局部位置超过拉应力限值，将有裂缝产生。

3 桥塔实体分析

3.1 桥塔实体模型建立

采用ANSYS通用有限元软件进行主塔结构实体分析[11]，模型考虑了桥塔壁板、腹板、横隔板及加劲肋，并考虑了由于斜拉索穿过壁板和腹板的开孔影响。采用SHELL181壳单元建立主塔模型。网格划分采用四边形自由划分，其中钢锚箱网格尺寸为10 cm，桥塔网格尺寸为20 cm。钢板的弹性模量取2.0×105MPa，泊松比取0.3，质量密度取7 850 kg/m3。板件厚度通过实常数进行赋值。

图11 桥塔实体有限元模型

锚垫板与钢锚箱之间的连接采用MPC接触单元刚性连接，钢锚箱与腹板间采用MPC接触单元刚性连接[11-12]。

为考虑横梁传递的内力，建立横梁构件，考虑圣维南原理，避开加载位置附近的应力扰动区。横梁与塔壁之间采用MPC接触单元刚性连接。

所有外荷载通过面荷载形式加载，自重通过加速度场加载。

为尽量准确模拟塔横梁受力，在加载面加一块刚性板，通过刚性板传力至横梁。桥塔实体有限元模型如图11所示。

在总体模型中提取最不利工况加载，分别考虑以下几种工况：

(1)使塔根部应力最大工况。恒载+活载+横风+降温+制动力。

(2)使下横梁根部应力最大工况。恒载+活载+横风+升温+桥塔横桥向梯度升温。

(3)使上横梁根部应力最大工况。恒载+活载+横风+升温+桥塔横桥向梯度升温+制动力。

3.2 桥塔实体分析结果

图12～图17为桥塔各板件在工况1作用下的Mises应力图，根据实体分析计算结果：桥塔外壁板应力最大值发生在塔底段与结合段固结角点处(图12)，为215.1 MPa；腹板应力在上横梁交接处应力较大(图13)，为146.5 MPa，在索导管开孔附近也有一定的应力集中，但应力程度较低；各板件的加劲肋应力最大值发生在塔底段与结合段固结角点处(图14)，为111.7 MPa，主要原因是塔底段受力本身较大，加劲肋参与部分受力，其次是由于靠近约束位置，导致应力集中；桥塔隔板应力最大值发生在最下面一块隔板(图15)，为122.1 MPa，主要原因是外侧横梁传递的内力较大，导致该部分的横隔板受力较大；下横梁由于弯扭轴力共同作用，在角点处产生最大应力(图16)，为158.6 MPa；上横梁最大应力发生在根部(图17)，为170.3 MPa。