斜拉桥宝瓶型主塔及承台传力机理研究

王倩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

自20世纪70年代以来，我国的斜拉桥技术在设计和施工方面均积累了丰富的经验。特别是近几年，国内外特大跨度斜拉桥的建设技术发展迅速。2009年通车的上海长江大桥跨度已达730 m，香港昂船洲大桥和苏通大桥主跨均超过1 000 m，已处于世界领先地位[1]。

典型的斜拉桥由斜拉索、主塔及主梁组成，塔柱自身承担主梁的恒载与活载，同时索塔与斜拉索及主梁共同形成高次超静定结构，因此还承担温度变化、日照温差、支座沉降、混凝土收缩和徐变等因素引起的次内力，此外，作用在主梁的风力、地震力也通过索塔传到地基[2]。

斜拉桥主塔的形式多种多样，其中宝瓶型主塔横向刚度大，具有很好的横向抗扭性能，且下塔柱靠拢，可大大减小基础尺寸，节约结构造价，因此在南京长江二桥、湖北鄂黄长江大桥、武汉军山长江大桥及上海南浦大桥等大跨径斜拉桥中均有应用。但由于其造型特点，力的传递有转折，塔柱水平荷载需由横梁平衡，横梁需施加强大的预应力。横梁与塔柱连接处的节点区受力复杂，是传力的关键部位。本文针对宝瓶型主塔构造特点，采用三维有限元分析方法有针对性地对其传力机理进行分析研究。

1 工程概况

在建的樟树市赣江二桥主桥（见图1）为跨径布置（54+114+400+114+54）m的双塔空间双索面结合梁斜拉桥。主塔总高为124.52 m，采用宝瓶型混凝土索塔，上塔柱和中塔柱采用分离式截面，下塔柱为整体式单箱双室截面，中下塔柱之间设预应力混凝土横梁。主塔构造及横梁预应力钢束布置如图1和图2所示，横梁预应力共3排3 9根，规格均为Φ15.24-22。

图1 主塔一般构造图(单位：mm)

中、下塔柱与横梁连接的节点区域传递竖向及水平荷载，为结构重点受力部位。由于该桥通航净空的限制，中、下塔柱与横梁中心线未交汇于一点，使结构受力更为复杂。节点区域、下塔柱及承台的受力情况在设计时均应重点关注。

2 计算模型及荷载组合

采用三维有限元分析软件ANSYS进行结构分析，结构模型如图3所示。

2.1 单元

（1）混凝土结构：三维实体单元SOLID186；

（2）预应力钢束：三维杆单元LINK8；

图2 主塔下横梁局部构造图(单位：mm)

图3 实体有限元模型

（3）弹性桩基：六自由度COMBIN14。

2.2 边界条件

（1）考虑结构的对称性采用半结构进行分析，半结构对称面上施加YZ平面对称约束；

（2）桩基弹簧单元一端固结，并根据二维计算给定弹簧单元各自由度的弹性刚度；

（3）预应力筋单元节点与混凝土单元间约束耦合。

2.3 荷载

（1）根据圣维南原理，模型保留一定的中塔柱长度，荷载通过刚臂单元施加于中塔柱顶端；

（2）荷载值采用全桥整体计算三维模型中相应位置处单元荷载标准组合值（包括恒载、活载、风载、温度效应及支座沉降作用）（见表1）。

表1 模型荷载值

（3）采用施加初始张拉力的方法给预应力钢束施加预应力，预应力力值采用考虑各项损失后数值。

3 计算结果及分析

3.1 构件设计定位

本结构针对不同构件受力特点设计定位不同，如表2所示。

表2 构件设计定位

3.2 节点及横梁区域计算结果

荷载通过中塔柱传递至节点区域，然后传递到下塔柱。节点区为力传递的重要区域。考虑预应力张拉前后两种情况分析节点及横梁区域受力情况。

取从中塔柱到节点区域与塔柱外侧线平行共7个关键断面（见图4），分别积分得到剪力，并对各切面中下横梁顶部以下部分进行积分，得到其剪力的承担比例，最后根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）[3]第5.2.9条计算各截面抗剪设计值与有限元计算结构进行比较分析（见表3、表4）（表中γ为根据总体计算结果和设计规范计算所得荷载基本组合值与标准组合值间的综合换算系数，本项目γ取为 1.17）。

图4 剪力积分切面（短箭头为横梁顶以下切面区域）

剪应力（见图5、图6）在节点区随着剪切面积的减小逐渐变大，且横梁顶面以下区域承担了剪切面较大部分的剪力值。以1003剪切面为例，未张拉横梁预应力的情况下占剪切面29%的横梁顶部以下截面区域承担了82%的剪力。张拉横梁预应力筋之后可很好地改善节点区剪应力分布，提高结构的安全性。

图5 未张拉预应力节点区沿中塔柱方向剪应力分布（单位：Pa）

图6 张拉预应力后节点区沿中塔柱方向剪应力分布（单位：Pa）

表3 预应力张拉前截面剪力

表4 预应力张拉后截面剪力

横梁与节点区横桥向应力分布如图7和图8所示，未张拉横梁预应力时，横梁顶部存在1 MPa左右的拉应力，横梁呈现明显的上拉下压弯曲受力；张拉横梁预应力后，横梁整体受压且分布较为均匀，拉应力上移至节点区上部，但应力水平较低。

图7 未张拉预应力节点及横梁区域横桥向正应力（单位：Pa）

图8 张拉预应力节点及横梁区域横桥向正应力（单位：Pa）

由以上结果可以看出，上塔柱传递下来的剪力主要由横梁顶部以下剪切面承担，横梁预应力的施加显著地改善了节点区域的应力分布，结构正应力及剪应力值均较小，横梁应力分布较为均匀。

3.3 下塔柱计算结果

下塔柱为由塔壁、横梁和隔板形成的单箱双室构造，其主要承受压弯作用，特别是下塔柱柱腿结构为主要受压区。其主压应力如图9所示，横桥向从塔柱中心向侧塔壁压正应力逐渐增大，柱腿外侧主应力约为10 MPa。

图9 下塔柱主压应力（单位：Pa）

下塔柱柱腿方向剪应力（见图10）分布较为均匀，应力均值为0.6 MPa左右。

图10 下塔柱柱腿方向剪应力（单位：Pa）

下塔柱主拉应力如图11所示，下塔柱腿外侧处于受压状态，内侧有较小的拉应力；最大主拉应力出现在下塔柱腔室加腋处，大小为2 MPa左右。

图11 桥塔结构主拉应力（单位：Pa）

3.4 承台计算结果

承台与下塔柱采用整体式浇筑，主塔荷载通过下塔柱及塔柱间横梁和塔壁传递到承台，塔柱范围内承台顶部均受压，压应力值由边缘到中心逐渐增大，在下塔柱底部压应力最大约5 MPa（见图12）；承台底部局部受拉，最大主拉应力位于下塔柱腔室下方承台位置，应力值均在3 MPa以内（见图13）。

图12 承台横桥向正应力（单位：Pa）

图13 承台主拉应力（单位：Pa）

3.5 桩基反力计算结果

主塔基础桩长为35～40 m，桩径为2.5 m，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63－2007）[4]，按嵌岩桩计算单桩轴向受压承载力容许值可知，单桩承载力最小值为45 021 kN。

有限元模型中采用六维弹簧元模拟桩基础，并给予弹簧单元6个方向自由度（见表5）。荷载作用下桩基反力值分布较为均匀（见表6），最大桩基反力值为19 886 kN，位于5号桩位，满足设计要求。

表5 桩基弹簧元自由度

表6 桩基反力计算值

4 结语

本文通过樟树赣江二桥主塔和承台的三维有限元计算，对宝瓶型主塔传力机理、应力分布及承台的受力情况进行了详细分析。分析结果表明，桥塔横梁预应力布置可明显改善节点区和横梁受力，节点区各关键截面抗剪能力均得到明显提高；下塔柱基本处于受压状态，柱腿内侧局部具有较小的拉应力；承台底部受拉，上部主要受压，且压应力值由边缘到中心逐渐增大；模型各弹簧支承反力（桩基受力）分布也较为均匀。

本文对斜拉桥宝瓶型主塔及承台进行了三维有限元分析，分析结果为此类型主塔结构优化设计提供了一定的参考。

[1]张喜刚，陈艾荣.千米级斜拉桥：结构体系、性能与设计[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].