空间复杂曲面钢塔与承台锚固区合理构造及受力性能研究

聂斌、王定全、王若同、孙旭霞

（1.成都交通投资集团有限公司，四川成都 610000；2.同济大学土木工程学院，上海 200092；3.同济大学建筑设计研究院，上海 200092）

0 引言

斜拉桥因为其造型优美、跨越能力强成为近些年来发展迅猛的一种桥型[1]。同时随着对其景观性以及辨识度要求的不断提高，逐渐开始出现异形桥塔[2-3]。所谓异形桥塔是指桥塔的塔柱呈非直线形或折线形而呈曲线形，或桥塔倾斜,或二者并存的斜拉桥[4]。异形桥塔受力表现出复杂的空间特性，塔底往往承担着较大的压力和弯矩[5]。同时，由于造型施工和预防开裂等因素，不少异形桥塔采用钢结构，其钢混连接段的连接构造力学性能和可靠度值得关注。

由于空间异形桥塔的特殊造型，桥塔和承台连接区往往面临着复杂的传力问题，对该连接区的安全性也提出了较高的要求。目前钢混连接段区主要采用以下几种设计方案：焊接钢筋锚固式、剪力键式、剪力钉体外预应力锚固式和法兰盘预压式等。

本文以沱江大桥为工程背景，介绍了该桥桥塔与承台连接区的设计方法和结构特点，同时利用有限元建模计算对其应力分布规律进行了分析研究，同时对一些结构上的应力集中问题进行了改进，为今后类似的结构设计提供参考依据。

1 工程概况

金简仁快速路沱江大桥段位于成都市简阳市，主桥采用空间扭索面曲塔斜拉桥结构形式，跨径布置为45m+185m+238m+45m=513m，斜拉索倒排布置形成空间曲面。结构体系采用塔梁墩全固接体系，边跨设置辅助墩，中跨一跨过江。

主塔采用空间扭曲面钢塔，主塔理论轴线在桥梁正立面的投影为椭圆，长轴半径62.5m，短轴半径22.5m，且椭圆向边跨倾倒18°。拉索在塔端采用钢锚梁锚固形式。梁端斜拉索锚固在侧分带，为空间扭索面。沱江大桥主塔塔脚共2 个。塔底锚固采用埋入式柱脚的锚固形式，塔脚板件均埋入承台混凝土内，并在塔脚三角区范围内灌满混凝土进行压重处理。主塔基础采用两级承台，上承台迎水面最大宽度24.5m，长度20.5m，高度11m 左右，内设主塔锚固架；下承台宽31m 长23m，完全置于河床底面以下。图1为全桥结构布置示意图。

图1 全桥结构布置示意图

2 塔脚连接区设计

该桥塔脚连接区采用内法兰预压设计，由承台混凝土、型钢锚固架、高强螺杆和承压板组成。承台混凝土中预埋型钢锚固架和高强螺杆，拱肋端部设置承压板，将螺杆锚固在承压板上，通过高强螺杆施加预紧力将二者固结在一起，如图2 所示。塔脚分为承台以上区域、上塔座、下塔座。承台以上区域为桥塔拱肋，包括5 道实腹式横隔板，4 道空腹式横隔板，核心筒两道竖板，两道横板，及加劲肋等；其中横隔板、两道竖板和塔壁板竖直向下形成上塔座的竖向隔板。上塔座被4 道水平隔板分为三层，隔板从上到下为顶板、中板、上承压板、下承压板，每道板件与竖向隔板交接，形成24 个2.2m×2.2m 的舱室；各个竖向隔板设置加劲肋，塔壁板过渡至上塔座设置弧形加劲肋。下塔座包括型钢锚固架以及高强螺杆。螺杆一端紧固在型钢锚固架上，另一端紧固在上承压板上，并施加预紧力。该连接方案桥塔的竖向压力主要由横向隔板和竖向隔板形成的舱室和承台混凝土承担，可能产生的拉应力绝大部分由高强拉杆承担，预防塔底的脱空的可能。

图2 塔脚连接区域构造图(单位：mm)

3 受力性能研究

3.1 有限元模型

采用有限元软件ABAQUS 建立塔脚连接区域的节段模型，如图3 所示。该连接段主要由桥塔腿的承台以上区域和上塔座组成。下塔座仅包括锚固架和高强螺杆，受力较为明确，混凝土承受上塔座传递的竖向压力，同时螺杆承受拉应力并通过锚固架将拉应力扩散到混凝土中。本文主要研究塔脚连接区域的结构受力问题，因此将下塔座部分简化为边界条件，将混凝土和螺杆底部完全固结。

图3 有限元模型

模型中承台以上区域主要构件包括塔壳、内筒、横隔板和加劲肋。而上塔座由水平隔板、竖向隔板、混凝土、加劲肋和锚杆组成。除锚杆、混凝土外，构件均采用壳单元建模，锚杆采用线单元建模，不考虑其抗弯和抗压的作用。各板板厚以及锚杆直径均按照实桥进行建模，钢材采用Q345qD，混凝土为C50。模型荷载根据桥梁整体计算结果，提取节段模型相应截面的等效反力，在节段模型创建参考点并在整个平面上创建MPC 约束，建立不同的局部坐标系，创建空间的六个集中力和集中弯矩荷载，通过MPC 约束均匀地传递到整个截面上，达到施加等效荷载的目的。荷载数值见表1。总体网格尺寸为800mm，局部网格加密为300mm。

表1 外部荷载

在承台以上区域和上塔座连接区域，为防止其应力集中，设置有弧形侧加劲板和加劲面板，为研究侧加劲板的作用，同时建立一个不带侧加劲板的塔脚局部模型。塔底为索塔向塔座及承台传力的核心部位，为增加竖向压力、降低塔底弯矩造成的偏心受力，在塔底三角区设置填芯混凝土，混凝土压满三角区全高范围。为了研究得到一个偏安全的结果，模型不考虑填芯混凝土的作用，将混凝土的弹性模量缩小一百倍，考虑其自重的影响而忽略其传力的影响。同时，另外创建一个模型考虑混凝土的传力贡献，通过对比验证填芯混凝土在结构中起到的作用。

3.2 计算结果

由于桥塔的弯扭程度较大，大部分外壁板为空间扭曲板件，导致桥梁结构的受力不对称性显著，南北侧塔脚的受力和变形相差较大，因此需要分开对比分析。

北侧承台水平隔板最大应力值88.7MPa，在顶板与拱脚第三块横隔板相交的部位。加劲肋最大应力值67.2MPa，在顶部第二列边缘。竖向隔板的最大应力50.6MPa，在与第二块横隔板相交处。拱脚横隔板的最大应力108.7MPa，在第二块横隔板的底部，与加劲肋和竖向隔板的应力峰值处较为吻合。

南侧承台水平隔板最大应力值132.2MPa，在顶板边缘。加劲肋最大应力值184MPa，在东北角的中间区域，大部分板件应力在50MPa 左右，但出现较大应力集中。竖向隔板的最大应力45.3MPa，在顶部第二道横隔板相交处。横隔板最大应力150MPa，在第二块横隔板处。

由以上计算结果可知，南侧塔脚的受力相较于北侧偏大。其中，水平隔板和横隔板相差较大，二者的应力也是结构中最大的，表明了水平隔板和横隔板是传力的主要途径，受到不对称性的影响最大。竖向隔板应力略小于水平隔板和横隔板也承担了较大的传力作用。锚杆的应力水平较低，主要是荷载仅为自重和恒载作用，同时受混凝土的压重降低了弯矩造成的偏心压力，结构所需要承载的拉力较小，未能发挥出拉杆的全部性能。

南侧结构的应力较大值多分布在西南处，而北侧塔脚的应力较大值主要分布在东北侧，表明结构受力有较大的空间效应，塔脚承受了一定的偏心弯矩，证明了塔底填芯混凝土的必要性。应力最大值多出现在拱脚与上塔座相交处，表明此处的应力集中现象较为明显，南北侧应力峰值基本出现在第二或者第三块横隔板处，未在最外侧出现，表明了设置的侧向加劲板起了作用。

3.3 结构加强设置（填芯混凝土）分析

通过对比有无填芯混凝土的计算模型结果，分析填芯混凝土在结构受力中起到的作用。

结果显示，考虑混凝土的受力作用之后，水平隔板、竖向隔板和横隔板的应力大幅度减小，其中水平隔板和竖向隔板的最大应力减小到原来的1/3 左右，横隔板的最大应力下降也超过1/2。说明填芯混凝土在结构中起到的传力作用十分明显，通过忽略填芯混凝土的作用计算出来的结果有着极大的安全系数。

4 结论

为研究桥塔与承台连接区结构的实用性，以沱江大桥为背景，提出了连接区的构造的合理设计，并采用ABAQUS 进行有限元模拟计算，对其受力性能进行研究，同时对部分区域的设计进行加强，通过对比研究其加强结构的作用，得到如下结论：

一是提出了斜拉桥钢桥塔与承台的连接区的合理构造方案，该方案主要由承台混凝土、型钢锚固架、高强螺杆和承压板组成，其中桥塔的竖向压力主要由锚固架和承台混凝土承担，而可能产生的拉应力绝大部分由高强拉杆承担。该连接构造的连接性能稳定，受力性能良好，可用于大多数塔底连接构造中。

二是在节段模型计算结果中，桥塔受力呈现空间受力的特性，南侧塔脚的受力相较于北侧大了1/2 左右。其中，承台水平隔板和塔脚横隔板承担了大部分受力，是塔脚主要的传力路径。

三是设置的侧向加劲板对外塔壳和竖向隔板的集中应力削弱十分明显，应力峰值减小了1/2，同时附近区域的应力也大幅度减小，应力最大值转移到了内侧。侧向加劲板对其他区域的应力集中现象影响不明显。

四是塔底的填芯混凝土对塔脚结构传力的作用十分明显，考虑混凝土作用后，最大应力值衰减到原来的1/3。通过忽略填芯混凝土得到的结果用于结构设计，可以获得较大的安全系数。