塔梁固结部分斜拉桥的主塔受力特点分析

汪吉豪，魏庆庆 （1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230000）

1 部分斜拉桥结构体系简介

部分斜拉桥是介于斜拉桥与连续梁之间的一种结构体系，具有斜拉桥和连续梁桥的双重特点，属于刚柔相济的新桥型[1]。根据部分斜拉桥结构自身的特点和墩、塔、梁的结合方式，部分斜拉桥的结构体系可分为塔梁固结体系、支承体系和刚构体系3 种[2]。塔墩固结、塔梁分离的结构体系类似普通斜拉桥中的半漂浮体系，此种结构布置下主梁需要在塔墩上设置竖向支承，支座均为活动支座，在此模式下主梁接近具有弹性支承的连续梁结构，我国最早的矮塔斜拉桥-芜湖长江大桥采用即为此种支承体系[3]，但该体系在部分斜拉桥结构中目前已较少采用；其次为塔梁固结、塔墩分离、梁底和桥墩之间设置支座为塔梁固结体系，此种桥型斜拉索同样提供为弹性支承，斜拉索的倾角决定了弹性支撑的刚度。这种结构体系一般主梁受力比较均匀，同时由于约束的减少，温度变形对结构影响也较小，对于下塔柱的受力改善明显，而且得益于自由度的释放，下塔柱的弯矩得到很大的改善，利于下部墩柱的配筋。但由于该体系结构整体刚度较小，而且通常需要在主梁下设置较大吨位的支座，同时根据影响线的分布可知，当在中跨加载时会造成主塔塔柱的倾斜变形，使塔顶产生较大的水平位移，从而进一步增大主梁的跨中挠度。

无论是何种体系的部分斜拉桥，从连续梁、部分斜拉桥到斜拉桥的过渡过程中，主梁承受的弯矩逐渐减小，而轴力却逐渐增加，一般而言主梁需承担恒载的75%左右以及活载的大部分，因此部分斜拉桥的主梁为了满足结构受力的需要，要求刚度、强度都要很大[4]。而由于部分斜拉桥的塔高较矮，其拉索倾角较小，拉索为主梁提供较大的轴向力，拉索的竖向支撑效应与传统的斜拉桥相比较弱。在实际工程中，由于塔梁固结体系各方性能较好，设计中经常采用塔、梁、墩固结的部分斜拉桥的桥梁形式。此种结构体系结构刚度大，而且省去了大吨位支座，由于刚度较大，其主梁和塔柱的变形及挠度均较小。但是固结处的刚度集中，此处力流传递模式也较为复杂，除了桥塔巨大的轴力传递给塔梁墩固结区外，主梁的弯矩、剪力和轴力也汇集于此，其吸收的主梁负弯矩也较大，导致其对温度变化敏感，在具体应用上下塔柱桥墩高度不宜过小。同时该结构体系的抗震性能不好，用于地震区及风荷载较大的区域时，应谨慎选择并重点进行动力的分析研究。同时此类桥梁的主塔受力也较为复杂，也是该类型斜拉桥的设计关键部位[5]。本文以某省道的跨河大桥为范例，采用实体有限元模型分析固结模式下主塔的受力特征，为类似结构设计提供相应参考。

2 桥梁设计概况

某省道跨河大桥主桥为100m+165m+100m 的矮塔斜拉桥，全长365m，刚构体系，上部结构主梁为单箱三室大悬臂悬浇预应力混凝土连续箱梁，主塔为人字形塔，下部主墩为双肢薄壁墩，钻孔灌注桩基础。主桥总体布置图如图1所示。

图1 主桥总体布置图（单位：cm）

主梁断面采用单箱三室大悬臂斜腹板整幅断面布置，三向预应力体系，桥面全宽28.75m，支点处梁高6.5m，跨中梁高3.5m，边跨支架段、跨中合拢段为等高梁段，其余梁高由按1.8 次抛物线规律变化。主梁顶板厚28cm，支点底板厚度100cm，跨中底板厚度32cm，底板厚度按1.8 次抛物线规律变化。边腹板采用斜腹板，由跨中向支点按50cm、60cm、70cm 三段变化，中腹板为直腹板，厚度50cm。主梁设置端、0#块支点及拉索横梁，端横梁厚度2.0m，0#块支点横梁与双薄壁墩对应，厚度1.6m，拉索处边室部位横梁厚度30cm，中室部位厚度50cm，其余所有横梁厚度均为30cm；主梁悬臂长度6.0m，悬臂下每隔3.5m 或4m 设置一道加劲肋，高2.5m，厚度30cm，拉索处加劲板与横隔梁纵向布置位置一致。主桥平面位于直线上，单向2%横坡通过箱梁腹板变高形成。主梁混凝土采用C55混凝土。主梁标准横断面如图2所示。

图2 主梁支点横断面（单位：cm）

预应力筋采用《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2014）标准生产的低松弛级钢绞线，直径Φs15.2mm，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。纵向预应力采用19 股钢铰线，横向预应力筋采用15.2-4 股钢绞线，扁锚体系。

主墩墩高20.0m，采用双肢薄壁墩结构形式，双肢间距7.0m，单肢宽度14.0m，厚度1.6m，墩下为承台接群桩基础，承台采用整体布置方式，整幅桥承台长23.2m，宽18.2m，厚度5.0m，承台下设置20 根直径2.0m 钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计，如图3所示。

图3 主塔一般构造图（单位：cm）

小桩号过渡墩采用矩形墩，整体式布置，墩柱长3.0m，宽2.0m，墩柱上接盖梁，盖梁宽度28.25m，高2.5m，墩柱下为整体式承台接群桩基础，承台为哑铃型承台，长26.0m，宽8.2m，厚3.5m，承台下设置8 根直径2.0m 钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。大桩号过渡墩采用矩形墩，整体式布置，墩柱长3.0m，宽2.0m，墩柱上接盖梁，盖梁宽度20.75m，高2.5m，墩柱下为整体式承台接群桩基础，承台为矩形断面，长18.2m，宽8.2m，厚3.5m，承台下设置8根直径2.0m 钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。

本桥斜拉索塔顶采用分丝管结构形式，主塔采用独柱矩形塔，顺桥向宽度4.0m，横桥向宽正面刻槽0.2m 深。主塔一般构造图如图4所示。

图4 主塔一般构造图（单位：cm）

斜拉索采用环氧喷涂钢绞线。单个桥塔共设置7 对斜拉索，横向双排布置，本桥梁上索距8.0m，塔上索距1.5m。鞍座采用矩形分丝管形式，每根分丝管穿一根钢绞线。在两侧斜拉索出口处设挡板。拉索鞍座由锚体、过渡管和延伸管组成。桥梁上部结构采用挂蓝悬臂施工工艺。主塔采用爬模或滑模施工。

3 实体有限元建模及结果分析

计算分析时采用大型通用有限元分析软件ANSYS 19.0 建立实体有限元模型，采用solid187 四面体10 节点的高阶单元，对结构进行有限元离散，采用高阶单元保证应力和变形计算的精确度。主塔一共划分节点996415 个，单元753176 个。通过事先建立的杆系模型提取计算结果，作为外荷载施加在实体模型上。主墩刚度模拟是刚构方案建模的重要内容，通过在梁单元模型中提取承台顶的刚度矩阵，按照弹簧模拟约束下塔柱底部节点的自由度以对主塔塔底进行约束模拟，拉索索力通过面荷载进行施加。混凝土材料按照均质弹性体进行模拟。

取标准组合荷载下，主塔的受力分析结果如图5-图7所示。

图5 塔柱变形云图（左为总体变形、右为竖向压缩变形，单位：mm）

图6 塔柱竖向应力云图（左为表面、右为剖面，单位：MPa）

图7 塔柱纵桥向及横桥向应力云图(左侧为纵向、右侧为横向，单位MPa)

在标准组合下主塔的合计总体变形量最大在7.5mm 左右，最大变形位置为塔顶，自塔顶至塔底变形量逐渐减小。变形形式呈现不规则的形式，下塔柱呈现较为明显的“外涨”变形，在总计变形量中竖向压缩变形占据较大的部分，其中由拉索不平衡力引起的纵向变形量在2.6mm 左右。下塔柱左右塔肢变形不对称。在上塔柱与下塔肢的连接部位，变形较为扭曲。塔柱总体变形较为不规则。

在标准组合下主塔竖向压应力最大角点出现在塔柱圆角处，超过16MPa，竖向拉应力量级较小，在1MPa 以下。在塔柱内部压应力自圆角处至上部塔柱出现明显的应力扩散现象，从上中塔柱交接处的位置向上依次递减。同时结合左右应力云图对比可知，横向开槽对应力分布力流传递的影响较大，应力范围自表面至内部收缩。主塔内部和表面的应力分布云图均呈现“水流”扩散的效应。应力范围较大的区域为上中塔柱过渡的范围，特别是开槽区域的底部。

塔柱横梁纵向拉应力效应明显，在上下塔肢交接处横梁的底部大范围区域，以及表面的圆角部分区域，均出现较大的拉应力，最大拉应力在2MPa 以上；在圆角的角点附近出现较大的应力波动。而在塔柱交接的横梁底部的小范围区域，由于泊松比的影响，也产生一定的横向拉应力作用。

4 结论

部分斜拉桥正作为一种跨度在100～300m 范围内有很大竞争力的桥型蓬勃发展，本文以某省道165m 矮塔斜拉桥的主塔实体分析，得出如下结论：

根据本范例主塔的应力云图分析可知，主塔作为典型的压弯构件，拉索索力直接施加在主塔上，上部拉索的竖向荷载分量会引起劈裂效应沿主塔结构四周传播，主要表现为纵桥向劈裂，引起上下塔肢的交接横梁特别是底部拉应力效应明显，此部分应特别注意底部钢筋的纵向配置，可以考虑配置为双层钢筋。具体配筋大小可结合实体计算的应力积分结果，结合裂缝控制进行设计。同时拉索荷载的施加也引起了劈裂力的横向传播，但由于结构的横向约束作用要明显强于纵向，因此仅在薄弱部位横梁底部的部分区域引起横向拉应力。同时，由于塔柱开槽以及结构形状的变化，在结构形体变化处均产生了较大的应力集中现象。

综上分析，在这类桥梁的设计实践中，需要加强主塔横梁底部及圆角区域的纵向配筋。同时在主塔横梁底部横桥向靠近圆角部分的小范围区域拉应力也较大，可考虑配置相应尺寸的钢筋网。