臨沂市西安路橋空間混合橋塔設計與研究

張輝

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

臨沂市西安路橋空間混合橋塔設計與研究

張輝

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

臨沂市西安路祊河大橋為獨塔斜拉橋，橋塔采用三根塔柱組成的空間異形混合橋塔，介紹了橋塔的總體設計方案。著重分析空間異形混合橋塔錨索區、塔柱鋼混凝土結合部、塔柱間的連桿等重要節點的構造及受力性能，三根塔柱整體受力性能、拉索錨固區鋼結構局部受力、塔柱鋼混凝土結合部受力、塔柱間的連桿受力等關鍵設計技術，可為類似工程的設計提供參考。

斜拉橋；空間混合橋塔；鋼混凝土組合結構；連桿

1 項目概況

西安路祊河大橋是西安路向西延伸跨越祊河的重要過河通道，西側與聚才七路相接，橋位距上游G327（北外環）祊河橋約1.3 km。西安路祊河大橋主橋采用獨塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為110 m+110 m=220 m，橋寬44.6 m。主塔為空間異型混合結構，由中間及兩側三個箱型截面塔柱構成，塔柱間設空間水平聯結系，整個橋面的拉索布置為混合索面布置，西側主跨拉索采用空間扇形雙索面布置，東側主跨拉索采用中央扇形雙索面布置。由于橋塔結構空間結構復雜，設計與施工可借鑒經驗較少，橋塔錨索區、塔柱鋼混凝土結合部、塔柱間的連桿等重要節點的構造及受力性能，三根塔柱整體受力性能、拉索錨固區鋼結構局部受力、塔柱鋼混凝土結合部受力、塔柱間的連桿受力等關鍵設計技術。圖1為主橋總體立面布置圖。

圖1 全橋總體布置圖

2 主塔的總體方案及布置

主塔為空間異型結構，由中間及兩側三個塔柱構成全高105.0 m。從結構的耐久性和經濟性方面考慮，橋面以上采用鋼結構，塔高87.0 m，橋面以下采用C50高性能混凝土結構，塔高18.0 m，，鋼塔柱與混凝土塔柱之間設3.5 m長鋼混凝土結合段。三根獨立塔柱之間從下往上依次設置1道大橫梁及17道空間水平連桿，并在塔頂將三根塔柱交匯連接在一起，于是三根塔柱連接組成空間結構共同受力體系，增強了塔柱受力的穩定性及整體性。

中塔柱和邊塔柱均采用梯形箱型截面，中塔柱塔底截面后壁板寬2.4 m，前壁板寬2.8 m，截面高7.2 m，塔頂截面后壁板寬2.4 m，前壁板寬2.532 m，截面高2.37 m；邊塔柱塔底截面前壁板寬2.4 m，后壁板寬2.8 m，截面高5.7 m，塔頂截面前壁板寬2.4 m，后壁板寬2.566 m，截面高2.37 m。塔柱截面均沿塔柱中心線線性進行變化，中塔柱和邊塔柱中心線線形均由直線段+圓弧段構成，圓弧段半徑分別為145 m（中塔柱）、125 m（邊塔柱）。

塔柱采用三維設計，主塔各構件的三維構造示意見圖2。

3 橋塔關鍵節點構造[1,2]

3.1 拉索錨固區鋼主塔構造

全橋共設28對斜拉索，塔上索距為2.4～3.2 m。根據整個塔柱的構造及受力需要，在鋼塔柱箱型截面內設置錨固橫梁，錨固橫梁的頂底板和腹板與各塔柱側壁焊接。根據受力及構造情況，塔柱側壁板厚25 mm，豎向加勁采用一字肋，加勁尺寸為240 mm×22 mm，塔柱前后壁板根據受力大小采用20～30 mm，采用豎向一字加勁肋。

圖2 主塔三維結構構造示意

為保證塔柱整體受力以及平衡各塔柱拉索索力，在每道拉索錨梁位置設置塔柱間橫向鋼連桿，橫向鋼連桿采用箱型斷面，截面高0.5 m，橫向寬度根據受力需要為0.35～0.8 m，連桿頂底板后25 mm，直接與塔柱上的連接節點板焊接。節點板頂底板與錨固橫梁區域設置的上下兩道橫隔板對應焊接，橫隔板與塔柱間連桿的頂底板面對應，保障拉索力通過鋼錨梁傳遞至各鋼塔柱，再通過連桿平衡各塔柱的水平分力，保證整個塔柱的剛度及整體穩定性。

由于鋼塔柱為非規則截面，考慮到結構受力、鋼結構加工運輸和現場安裝方便等多種因素，將鋼結構中塔柱按照高度方向分為12各節段，邊塔柱按照高度方向分為10各節段，最大起重起吊質量約75 t，鋼塔柱間采用全焊接方式連接，見圖3。

3.2 索塔鋼混凝土結合段構造

鋼混凝土結合段一般設置于結構彎矩較小的位置，這樣有利于混凝土結合段結合部位的受力。本塔柱根據塔柱結構造型及受力的需要，鋼混結合段位置選在在彎矩較小的塔柱與主梁交匯的位置。塔柱鋼混結合段采用承壓傳剪式連接形式，結合段長度為3.5 m，由塔柱鋼結構傳力段、鋼塔柱內填充混凝土傳力段以及設置的前后承壓板共同組成鋼混結合段的受力體系。

結合段范圍鋼結構內填充C50高性能自密實低收縮混凝土（內摻聚丙烯纖維），其外設50 cm厚外包混凝土（材料同填充混凝土）。主塔結合段主要傳力構件為PBL開孔板連接件、上下承壓板和焊釘。PBL開孔板連接件主要由前后壁板、側壁板、中壁板及其上的豎向加勁肋開孔形成，開孔直徑為80 mm，孔內貫穿25 mm鋼筋。壁板及其加勁肋沿豎向共設置15排開孔，豎向間距220 mm，前后壁板加勁肋在結合段范圍內加高為440 mm，水平向設置兩排80 mm孔，側壁板及中壁板加勁肋寬240 mm，水平向設置單排80 mm孔。PBL連接件孔按水平向開設。焊釘采用22×200 mm圓柱頭焊釘，布置于前、后壁板及側壁板外側，豎向共設置14排，豎向間距220 mm。剪力釘垂直于鋼板布置，結合段前后承壓板采用板厚40 mm的鋼板。

鋼混凝土結合段底部設置4個定位底座，便于鋼塔柱的安裝、定位，并預留一定的長度與結合段內混凝土一起澆筑。在前后承壓板上設置人孔、振搗孔及冒漿孔，以保證施工時下料和混凝土澆筑振搗的密實性。為確保鋼混結合段在不利荷載下始終處于受壓狀態，根據受力需要，中塔柱和邊塔柱結合段分別設置23束和13束φ15.20-15的豎向預應力鋼束。鋼束張拉結束后設置1m高封錨混凝土。

3.3 塔柱間連桿構造

由于塔柱構造的特殊性，決定了三根塔柱之間的連接桿件為傳遞各塔柱之間的內力及增強塔柱受力的穩定性和整體性的重要構件。塔柱之間設置17道水平連接系，每道水平連接系的連桿在平面內形成一個三角形的布置，三角形的穩定性對于整個塔柱的整體受力及穩定性起到了關鍵的作用。每道水平連接系的三根連桿的拉壓狀態隨著塔柱高度及是否位于拉索錨固區發生交替變化，根據連桿的受力狀態確定每根連桿的截面尺寸。為了景觀的需要，連桿統一采用箱型截面，沒根連桿為等截面布置，根據受力需要截面高變化從0.5～0.7 m，寬變化從0.35～0.8 m。距橋面17.6 m處設置一道大橫梁，此位置位于三根塔柱的空間交匯處，橫橋向采用直線形布置于三根塔柱之間，此橫梁對于確保三根塔柱下部的整體穩定和平衡邊塔柱的扭轉作用非常重要。大橫梁采用箱形截面，截面高度為1.0 mm，寬度為2.0 m，頂、底板板厚40 mm，腹板厚30 mm。

4 結構受力特性分析

4.1 總體受力分析

全橋的總體受力分析采用MIDAS有限元分析軟件，按照空間梁格單元模擬主梁，對塔柱其他構件采用梁單元模擬。分析得出，在最不利荷載組合下，鋼塔柱的中塔柱最大壓應力為136 MPa，邊塔柱最大壓應力為132 MPa，連桿的最大拉應力為138 MPa，出現在最頂層的連桿位置。最下面的大橫梁的最大壓應力為135 MPa。鋼結構受力滿足設計要求，處于安全狀態。對于混凝土下塔柱中塔柱的最大壓應力為7.2 MPa,全截面處于受壓狀態，未出現拉應力。對于混凝土下邊塔柱最大壓應力為10.6 MPa，最大拉應力為1.3 MPa，結構滿足設計要求。

4.2 拉索錨固區受力分析

拉索錨固區結構的受力情況比價復雜，采用Midas FEA有限元分析程序對拉索錨固區進行實體建模數值分析。圖4為拉索錨固區精細化分析模型及14對拉索錨固區在最不利拉索荷載作用下，拉索錨固區的應力分布圖。從圖上我們可以看出，所有鋼錨箱中大部分鋼板應力水平在70 MPa左右，鋼錨箱與塔壁連接處大部分應力水平在125 MPa，局部區域應力集中，最高應力可達到180 MPa左右。鋼塔的拉索錨固區的構造對拉索索力的傳遞路徑是比較清晰合理的，拉索索力通過錨箱傳遞給塔柱，塔柱之間通過連桿平衡拉索索力，最后使塔柱形成一個整體穩定的受力體系，因此拉索錨固區的設計是相對合理的。

4.3 塔頂塔柱交匯處受力分析

圖4 拉索錨固區精細化分析模型及錨箱Mises應力分布（單位：MPa）

塔柱造型的設計思路就是三根塔柱在空間相互交匯一起形成一個空間優美的造型。從結構的受力上，三根塔柱的交匯處是整個塔柱的受力比較復雜。為了真實的了解三塔柱交匯處的受力情況，依然采用Midas FEA有限元分析程序對三塔柱交匯處進行精細化建模分析。圖5為三塔交匯處在全橋最不利荷載組合作用下該區域的應力分布圖。從圖上我們可以看出，塔柱交匯處塔壁的大部分應力分布在0～60 MPa之間，應力較大值出現在錨箱以及橫向聯系與主塔相接處以及邊中塔相接處，應力最大值為125 MPa左右。塔柱相接處局部區域出現較大的應力集中，最大應力值達到了182 MPa，整體上三塔柱交匯處的應力狀態處于合理范圍。

圖5 最不利荷載組合下三塔柱交匯處Mises應力分布（單位：MPa）

4.4 主塔連桿的受力分析

連桿與主塔的連接形式是設計時重點考慮的一個問題。對連桿與塔柱采用鉸接連接形式還是剛性接連接形式進行了分析，兩種不同的連接形式對連桿的軸向力影響不是很大，剛性連接形式在連桿與塔柱剛性連接處產生較大應力，但應力處于合理狀態。考慮到塔柱的整體造型和景觀效果，最后選擇采用連桿與塔柱剛接的處理形式。對連桿的受力采用Midas FEA有限元分析程序進行實體建模數值分析。圖6為連桿在最不利荷載組合作用下連桿的Mises應力分布云圖。從圖可以看出主塔間連桿的應力大部分處于0～70 MPa之間，連桿與主塔相接處出現應力集中，最大應力值為140 MPa左右，連桿結構處于安全狀態。

5 結 語

臨沂市西安路斜拉橋采用了空間異形鋼混結合型橋塔，達到了很好的景觀效果。但是這種空間異形結構受力復雜，施工難度大，對結構關鍵部位細節的設計要求非常高。通過對主塔拉索錨固區、主塔連桿以及塔頂塔柱交匯段的受力性能及特點采用有限元程序進行精細化分析，使塔柱關鍵部位的受力情況及構造難點得到有效的解決，為項目的順利建設提供了可靠的技術保證，對今后類似結構形式的設計和研究提供一定的技術參考。

圖6 最不利荷載組合下連桿Mises應力分布（單位：MPa）

[1]JTG D64-01-2015,公路鋼混組合橋梁設計與施工規范[S].

[2]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

U448.27

B

1009-7716（2017）01-0061-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.017

2016-10-26

張輝（1983-），男，陜西咸陽人，工程師，從事橋梁設計工作。