索辅矮塔斜拉体系桥梁施工阶段空间稳定分析

（中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250000）

0.引言

传统的大跨斜拉桥结构体系在我国桥梁工程中的应用越来越多，目前斜拉体系已经成为大跨度桥梁最有竞争力的一种桥梁形式[1]。而对于我国中小城市地区，形式各样的异形矮塔斜拉桥结构形式，因其更加突出的景观效应，在城市市政桥梁工程中被广泛应用。从结构受力体系上看，部分斜拉桥可以看做是一种介于梁式桥与传统大跨斜拉桥之间的新型结构形式，梁式桥梁是属于刚性结构体系，传统的斜拉桥则是属于柔性结构体系，部分矮塔斜拉桥结构就是一种刚柔并济的新桥型[2]。作为一种新的桥梁结构形式，造型独特的倾斜索塔以及斜拉桥的施工往往是该类桥型设计过程中的难点，其中，如何确保该类结构施工过程中的各个关键阶段的施工稳定性非常重要。

本文以斜拉索面呈空间扇形布置的某索辅体系矮塔斜拉桥工程为分析背景，通过建立其精细的MIDAS CIVIL[3]有限元分析模型，对其关键施工阶段的结构空间稳定性进行了分析，深入探讨了该类桥梁在设计和施工上的可行性，可为同类相似桥梁的设计计算及施工提供借鉴。

1.工况概况

算例桥梁为泸溪县武溪镇连接滨南路，滨江北路的重要通道，是整个城镇经济活动和社会活动的纽带。工程北起滨江北路，南至滨江南路，跨越峒河（武水），直通廉政路，城市次干路。全长约333.11m，包含两侧交叉口。其中桥梁全长248m。桥梁采用钢拱斜塔桥，双索面半漂浮体系，跨径布置为34+90+90+34m，全桥设18对斜拉索和18对水平索。主塔外观横立面看呈斜伸的双网球拍型，与竖直方向立面呈1:2.5的倾斜角度，塔高（投影高度）约54.5m，采用钢箱截面，截面高度3.2m，宽度2.5m，拱肋采用Q345D钢材。全桥设置2个独立边墩，2个桥台。边墩墩身为六边形截面墩，单个边墩设整体式承台，每个承台下设8根φ1.0m钻孔灌注桩；桥梁上部结构采用等截面现浇箱梁，箱梁采用单箱四室混凝土箱梁结构。斜拉索面呈空间扇形布置，双索面。桥梁结构的总体布置及塔梁断面图见图1所示。

图1 大桥整体布置图（单位cm）

算例桥梁的结构形式在受力特点上常规跨斜拉桥和矮塔拉桥桥都不同，常规斜拉桥位于最上面的拉索通常是受力最大的一对拉索，而算例桥梁的大桥拱形塔顶部是弯曲的，这里的拉索会导致很大的垂直弯矩，为了体现桥塔的窈窕之美，本桥在设计中采用了索辅梁桥的概念，即对斜拉索的索力进行调整，使拉索只承担主梁的部分荷载，因此，最上面斜拉索的作用并不明显，反而是中间部分的拉索最有效。该桥在受力上的关键点是“戒指”造型桥塔配合空间索，局部受力较为复杂，因此，在设计中应进行各阶段的空间稳定性分析，明确各施工及运营阶段结构的整体稳定性是否满足要求十分重要。

2.桥梁有限元建模

在实际应用中，如果采用的模型过于复杂，会明显折减有限元计算的分析效率，对于整体稳定性分析是完全没有必要。因此，鉴于本文算例桥梁所采用闭口箱梁截面主梁的抗扭转刚度较大，对主梁的采用更计算效率更高的单主梁脊骨模型进行模型[4]。斜拉桥在施加荷载以后，主要承力构件的自身的形状及轴线会有不可忽略的改变，鉴于此，结构的作用力与结构变形将不再成线性比例关系[5]。其中，以斜拉索的非线性变形对整个结构的影响最显著，本文将采用Ernst提出的等效弹性模量来考虑[5]斜拉索的非线性的影响：

式中，Eeq为索的等效弹性模量; Ee为斜拉索有效弹性模型；γ为索的容量，l为索的水平投影长度，σ为索的初应力。本文采用桁架单元模拟斜拉索和水平拉索，通过以上的Ernst公式对拉索材料的弹模型进行修正，从而可以同时考虑初始恒载轴力的几何刚度影响。

斜拉桥的索塔、桥墩、基础等刚性构件一般采用弹性梁单元直接进行模型，由于算例桥梁地质条件较好，不考虑桩土相互作用的模拟，墩底和塔底采用完全固结的结构形式。全桥采用Midas-Civil有限元程序进行建模分析，基于提高计算效率及保证准确性的原则，合理划分梁、斜拉索、桥塔的单元节段长度，全桥模型共385个节点，370个单元，其中梁单元316个，桁架单元54个。

3.施工过程空间稳定性分析

斜拉桥为高次超静定结构，安装过程中结构体系将不断变化，对于这种索辅助体系斜拉桥，本文考虑3种工况对进行的稳定性进行分析：（1）CS1裸塔阶段，即钢拱塔的节段拼装施工完成以后，2个拱塔是完成独立的构件；（2）CS2张拉水平拉索阶段，即在支架上完成了2个拱塔之间水平拉索的施工，2个拱塔通过水平索形成整体；（3）CS3成桥阶段，完成了斜拉索的施工，拱塔与主梁也形成整体。

在CS1裸塔施工阶段，索塔为大角度倾斜的悬臂结构，其弹性空间稳定性较差，最容易发生屈曲失稳，但由于设计中采用了钢索塔结构，同时在塔底部位采用了钢混组合结构形式，大大减轻了结构自重，其理论临界荷载系数为6.5>4，安全储备充分，满足规范要求。在CS2施工阶段，在两个倾斜索塔中间张拉了水平拉索，此时结构的临界荷载系数达到了7.8，由此可见水平拉索对于维持结构的整体稳定性有很好的作用。在CS3施工阶段，张拉两侧的斜拉索以后，2个倾斜的斜塔能过三组拉索与主梁形成整体，结构的临界荷载系数达到了11.3，整体的稳定更好了。

4.结论

本文针对“戒指”造型桥塔配合空间索的索辅结构体系，对各施工阶段的空间稳定性进行了分析，得到如下结论：

（1）对于大角度倾斜构造的索塔结构，采用钢塔并在塔底部位采用钢混组合结构，能大大减轻了结构自重，保持其裸塔状态下的空间稳定性。

（2）无论是水平拉索还是倾斜拉索，都对该桥桥梁结构的施工中的整体稳定性有较大的提高作用，建议在倾斜索塔的施工过程中分阶段分批张拉拉索，特别是水平拉索，能进一步保证该类桥梁施工过程中的结构稳定性。