人字形斜拉桥塔中塔柱精细化分析及优化

胡智敏

(广东省建筑设计研究院,广东 广州 510010)

1 项目概况

某独塔斜拉桥主桥为(160+85+35)m三跨独塔双索面预应力混凝土梁斜拉桥，全长280 m(图1)。采用塔墩梁固结体系，边墩和辅助墩墩顶设置盆式橡胶支座。

图1 全桥布置图 (单位：cm)

主桥上部结构采用扁平箱形预应力混凝土主梁，箱梁采用C55混凝土。箱梁全宽42.0 m，单箱三室(图2)。

图2 箱梁截面图 (单位：cm)

主塔采用空间索面的钻石型结构，桥面标高以上塔高83.96 m，桥面以下高度13.11 m，桥面以上塔的高跨比为1/1.906。主塔分为上、中、下塔柱三部分。其中，上塔柱高32.05 m，中塔柱高51.91 m，下塔柱高13.11 m。上塔柱竖直；中塔柱横向斜率为1∶0.311 7；下塔柱横向外侧竖直，内侧斜率为1∶0.192 7。

主塔采用矩形截面，断面四个角点处倒半径为0.6 m的圆弧。上塔柱截面尺寸为6.6 m×7.0 m(横桥向×顺桥向)，壁厚1.5 m；中塔柱截面尺寸为4.0 m×7.0 m，壁厚1.2 m。下塔柱截面尺寸为4.0 m×7.0 m～7.0 m×10.0 m，壁厚1.2～1.8 m。

2 上中塔柱节点局部分析

2.1 局部分析的目的及方法

全桥的整体计算采用空间有限元软件MIDAS Civil进行，但在整体计算模型中，上中塔柱之间桥塔分枝处采用刚性连接模拟，不能反映实际结构的真实受力状态；另外，整体模型中不能考虑塔柱中环向预应力的影响。由于这两点原因，需对上中塔柱之间这一段桥塔进行局部分析，探讨该处真实的应力分布状态。

局部分析采用直接建模法进行，根据塔柱的实际尺寸及构造建立实体有限元模型，并考虑斜拉索锚垫板、斜拉索孔洞的影响。将整体模型中取出隔离体的内力边界条件施加至局部模型上，从而保证局部模型能真实的反映上中塔柱之间真实的受力状态。

2.2 上中塔柱假设模拟

采用ANSYS建立局部有限元分析模型，如图3所示，研究上、中塔柱之间结合部位的应力分布。混凝土单元和斜拉索锚块采用Solid95实体单元模拟，预应力钢束采用Link8杆单元模拟。局部模型计算范围上塔柱段截取长度为9.049 m，中塔柱段截取长度为7.774 m，上、中塔柱之间长12.8 m，局部模型合计长29.623 m。局部模型采用四面体单元划分，共计273 060个单元，407 450个节点，如图4所示。预应力钢束按实际位置考虑，如图5所示。

图3 有限元模型

图4 局部模型截取范围示意图(单位:cm)

图5 环向预应力布置图(单位:cm)

2.3 边界条件及荷载工况

2.3.1 力学边界条件

力学边界条件包括两部分：模型上端截面不约束，施加从整体模型中取出的边界内力；拉索各个锚固齿板上通过施加面荷载施加斜拉桥拉索索力。

2.3.2 位移边界条件

在模型下端截面处采用固结边界条件，由于模型边界离上、中塔柱结合部位距离足够远，可以保证边界条件不影响该区域的应力。

2.3.3 计算荷载工况

从整体模型中提取三种荷载工况下的索力及边界内力，加至局部模型上。该三种荷载工况为：

工况一：塔柱施工完成+张拉塔柱环向预应力。

设置此工况的目的是为了进行张拉斜拉索前中塔柱的应力分析，保障安全施工。

工况二：主桥施工完成+张拉塔柱环向预应力。

此工况主要用于对成桥后无活载的特定工况进行考察，为施工提供参考数据，为成桥荷载试验的超载提供依据。

工况三：标准组合包络最大+张拉塔柱环向预应力。

此工况主要是为了考察成桥营运的一般情况，中塔柱区的应力状态，确定合理配束量。保证适当的安全储备，进而保障成桥的安全使用。

2.4 分析结果

为了能准确把握上、中塔柱结合部位应力分布情况，用应力云图显示应力，如图6～图10所示(图中应力单位均为MPa)。其中各个符号意义表示如下：

图6 工况三Z方向正应力图

实体应力云图中：X代表横桥向正应力、Y代表顺桥向正应力、Z代表竖向正应力、S1代表第一主应力(主拉)、S3代表第三主应力(主压)。其中，压应力为负，拉应力为正。为节约篇幅，这里仅列出工况三应力云图。

图7 工况三Y方向正应力图

图8 工况三X方向正应力图

图9 工况三第一主应力图

图10 工况三第三主应力图

(1) 三种工况作用下，上、中塔柱结合部正应力和主应力的分布区域见表1，正截面压应力及主压应力均在规范限值以内，但是正截面拉应力及主压应力超出规范限值，且拉应力主要为SY(顺桥向正应力)。

表1 上、中塔柱结合部应力分布

(2) 塔柱矩形截面，虽然截面四个角点已设计为0.6m的圆弧，但是在三种工况下仍然存在应力集中现象(包括压应力和拉应力)。

(3) 在上、中塔柱结合部的横梁位置，受到两侧斜拉索相反方向的拉力，较大范围内存在拉应力，可考虑在此处张拉预应力钢束。

(4) 三种工况下，预应力钢束最大值为1 117 MPa，满足规范要求。

3 上中塔柱优化

3.1 结合部增加一道竖向腹板

从前面的分析可以看出，人字形塔在中塔柱结合部位横桥向宽度过大，导致出现了较大的拉应力，所以增加一道竖向隔板，具体构造和模型如图11、图12所示。

图11 优化后环向预应力布置图

图12 优化后有限元模型

3.2 优化后结果

在工况三(标准组合包络最大+张拉塔柱环向预应力)荷载作用下，该局部隔离体的应力分布如图13～图17所示。

图13 Z方向正应力图

图14 Y方向正应力图

图15 X方向正应力图

图16 第一主应力图

图17 第三主应力图

(1) 从三种工况的计算结果可以看出，该中塔柱整体应力分布都在从范限制以内，上、中塔塔柱之间结合部的应力分布范围与所取隔离体应力分布范围基本一致，并不存在压应力或拉应力在此处增大的现象。

(2) 在斜拉索锚块上和斜拉索孔洞周围和过人洞附近有局部2～3 MPa的拉应力，但分布范围很小。在塔柱矩形截面，虽然截面四个角点已设计为0.6 m的圆弧，但是在三种工况下在塔柱截面角点位置附近仍然存在应力集中现象(包括压应力和拉应力)，建议实际施工时加强截面角点位置以及斜拉索开孔、过人洞附近的普通钢筋配置。

(3) 三种工况下，预应力钢束最大值为1 105 MPa，满足规范要求。

4 结束语

考虑斜拉索锚垫板、斜拉索孔洞影响建立的上中塔柱范围实体有限元模型，能较为准确地反映了上中塔柱之间真实的受力状态。并且通过结果的分析，针对性地提出了优化措施，通过优化后，上中塔之间的结合部顺桥向的拉应力有明显的改善。同时实体模型能明确指出各个应力集中点，对后期构造措施和钢筋的设置有较好的指导作用。