塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段力學特性分析

周勇軍，田瑞欣，吳領領，趙 煜

(長安大學公路學院，西安 710064)

目前，獨塔斜拉橋以其獨特的受力方式、優美多變的造型、良好的工作性能和成熟的施工技術，逐漸占據了城市和風景區橋梁的一席之地[1]。

孫遠等[2]以某獨塔雙索面彎斜拉橋為例建立空間梁格模型，考慮了整個結構體系轉換施工過程中的多種非線性因素的影響，實測監控數據與理論模型數據吻合較好；尹豪君[3]對無錫中央景觀步行橋施工過程中的力學行為進行追蹤分析，并考慮了結構的空間效應對不同施工階段的受力影響，分析結果與理論數據相符合；吳漢奇[4]對斜拉橋進行仿真分析，并考慮恒載、活載及風荷載下的多種荷載組合的力學性能，結果表明結構的強度、剛度以及穩定性均滿足要求。李士博等[5]對某單塔斜拉橋進行動力試驗，試驗結果表明橋塔與承臺連接處最為薄弱；賀拴海等[6]對港珠澳工程青州航道斜拉橋進行力學性能研究，對施工階段進行仿真模擬分析，并考慮了結構非線性的影響；李志剛等[7]研究某異形斜拉橋主梁簡潔有效的模擬方法，并通過環境振動試驗進行參數優化，結果表明優化后的模型能較真實地反映橋梁的實際狀態；池春等[8]以斜拉橋索塔塔冠為例進行應力分析及優化，提出采用自上而下逐漸減少的環向預應力，索塔應力分布更加合理；張明等[9]研究了盾構近距離穿越對橋梁施工中樁基的影響，施工中橋梁樁基的應力和變形提供預警值，施工和監控提供理論指導；馮曉丹[10]對高墩大跨連續剛構橋進行了施工階段變形控制研究，基于有限元分析和實橋驗證，證明了線形控制的可靠性。

與現有的獨塔斜拉橋相比，斜拉橋是世界上少有的一座塔底采用萬向鉸的獨塔人行景觀斜拉橋，其體系輕盈，結構復雜。為此通過有限元建模分析，探究施工過程中結構的力學行為，相關研究結論可以為后續類似斜拉橋的設計和施工提供參考。

1 工程概況

該橋為三亞某空間曲面鋼箱梁斜塔人行景觀斜拉橋，其體系輕盈，造型優美，橋梁直線長度約為250 m，橋面主梁寬度為7～21 m，主塔頂部距離地面約75.5 m，是一座獨塔萬向鉸景觀人行斜拉橋。大橋由主橋和引橋兩部分組成，主橋橋垮布置為99.8 m+51 m+25 m，引橋橋垮布置為27.4 m+30.2 m。

主梁平面為“Y”形曲線形變寬造型，主跨為整體式斷面，梁寬為7.2～11.7 m，主梁梁高0.88 m。橋塔為傾斜鋼塔，斷面為梯形，外形呈梭形，向河中(主跨側)傾斜，傾角為60°，豎向高約73 m，總長84.6 m。斜塔通過球形鋼支座連接在基座上，塔身上設置觀光電梯，在塔柱中上部設置觀景平臺，觀景平臺直徑為26.7 m，高約3 m，質量為75 t。全橋共36根斜拉索，其中8根背索為鋼絞線斜拉索，其余28根斜拉索為平行鋼絲斜拉索，橋塔根部設置萬向鉸，釋放塔底各向彎矩，而非傳統的底部固結形式，結構體系新穎。圖1為該橋整體軸測圖。

圖1 整體軸測圖

2 有限元模擬

2.1 模型簡介

對該空間鋼曲梁獨塔斜拉橋采用橋梁專用有限元分析軟件MIDAS Civil，建立圖2所示的有限元模型。主梁采用梁格法建模，縱梁和邊梁采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，橋塔與觀景平臺均采用梁單元模擬。全橋共1 131個節點，2 656個單元，計算模型以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。橋塔根部與基座鉸接，近塔處兩側主梁端部與梯道固結。

圖2 有限元模型

曲梁、斜塔均采用Q420鋼材，主梁支撐柱采用Q345鋼材，鋼材容重均為78.5 kN/m3。斜拉索采用抗拉強度不低于1 860 MPa鋼絞線和1 670 MPa平行鋼絲。全橋二期恒載參數如表1所示。

表1 二期恒載參數

2.2 施工階段模擬

計算模型中為準確模擬橋塔轉體、斜拉索張拉以及主梁滿堂支架施工等施工工序，依據實際施工過程，具體劃分為15個施工階段，具體施工階段劃分如表2所示。

表2 施工階段劃分

其中橋塔架設采用豎轉架設方案，張拉后地錨索采用南北兩側對稱一次張拉，主梁拉索采用兩側對稱依次向跨中掛索，對稱張拉方案。

2.3 索力優化與調整

目前斜拉索的調索理論主要有剛性支撐連續梁法、零位移法、倒拆和正裝法、無應力狀態控制法、內力平衡法、影響矩陣法[11-12]。該斜拉橋結構體系復雜，單一的調索理論無法滿足要求，故采用零位移法和影響矩陣法兩者結合的方式，以結構內力合理和成橋線形平順為基本原則進行調索。

3 施工階段力學特性分析

結構形式不同的斜拉橋，施工過程不同，導致橋梁結構的力學狀態不同[2]。為此研究該塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段力學行為，為施工和監控提供參考。

3.1 位移分析

圖3為塔頂三個方向隨著施工階段變化的位移，隨著3～6施工階段的增加，塔頂位移主要向邊跨側靠攏，同時帶動橋塔整體向上變形，由于后地錨索索力比較大，位移曲線較陡，隨著主梁拉索的張拉小，塔頂縱向位移曲線逐漸平緩向跨中側回落。在施工過程中，橋塔出現一定的橫向變形是由于：①南北側后地錨索的不對稱；②主梁拉索為非對稱空間曲面拉索；③橋塔中上部觀景平臺穩定前地錨索的不對稱張拉。

圖3 施工過程中塔頂位移變化

主梁位移在整個施工階段變化不大，當主梁拉索張拉時出現約80 mm上撓位移，隨著二期鋪裝的增加，主梁位移回落在設計高程附近，可通過索力的微調整來保證成橋線形。無拉索梁段變形較小，有10～30 mm的變形，可通過設置預拱度調節主梁線形。

3.2 內力分析

由于該橋結構體系特點，結構內力隨施工階段變化規律復雜，故對橋塔彎矩與主梁軸力進行內力分析。

3.2.1 橋塔彎矩分析

如圖4所示，橋塔在施工階段，最大彎矩和彎矩位置不斷在發生變化，第一個施工階段，斜塔僅受結構自重的影響，最大彎矩出現在29.7 m處，橋塔呈現微小豎彎狀態。隨著后地錨索的張拉，最大彎矩出現在拉索錨固點附近，位于48.7 m處，此時彎矩幅值變化較大是由于背索索力較大。隨著主梁拉索張拉，最大彎矩位置在29.7 m處，且彎矩變化趨于平緩，此時橋塔呈現較明顯的豎彎狀態。最大彎矩點發生改變是由于該橋背索主梁拉索錨固點相同以及施工順序引起的，是該結構特有的力學現象。設計和監控時應該特別注意這兩個位置的變形以及受力情況。

圖4 橋塔最大彎矩和對應豎向位置

3.2.2 主梁軸力分析

對于空間曲線“Y”形主梁，選取以下8個代表性截面，查看其軸向受力情況，A截面為A′段主梁端部北側外緣邊梁處，B截面為A′段主梁端部中梁處，C截面為A′段主梁端部南側外緣邊梁處，D截面為B′段主梁端部中梁處，E截面為B′段主梁端部北側邊梁處，F截面為B′段主梁端部南側邊梁處，G截面為支柱上方主梁北側外緣處，H截面為支柱上方主梁中梁處。其中“Y”形主梁分離梁段北側為A′段主梁，南側為B′段主梁，其余為C′段主梁。主梁截面示意圖如圖5所示。

由于曲率的存在，主梁軸力對曲率較為敏感，同時主梁拉索為縱向單側拉索且橫向不對稱，故對圖5所示的8個代表性截面進行施工階段軸力分析，研究主梁拉索張拉對主梁軸力的影響。軸力影響結果如圖6所示，結果表明整體主梁軸力變化較為均勻，主梁曲率越小的截面，受張拉索力的影響越小，變化曲線越平緩。

圖5 主梁示意圖

圖6 施工過程中主梁軸力變化

如圖7所示，施工完二期后的軸力，A、F、G3個截面均位于主梁外邊緣處，軸向受拉，同一斷面，從主梁外邊緣向內邊緣，結構逐漸受壓。主梁同一斷面A、B、C3處軸力相差較大，這是由于A′段主梁曲率較大，橫向寬度較小，導致主梁應力分布不均勻，軸力差距較大。

圖7 主梁軸力圖

3.3 應力分析

3.3.1 橋塔應力分析

橋塔應力分析選取了橋塔中下部應力最大位置處，橋塔上下緣的應力，如圖8所示。橋塔上緣(塔背側)應力隨著施工階段的增加，應力逐漸增大，橋塔下緣(塔腹側)應力在整個施工階段呈現波浪形，在結構自重及張拉背索時出現應力增大現象，其余階段應力變化較為平緩。

圖8 施工過程中橋塔應力變化

橋塔采用Q420鋼材，在整個施工階段，無論上下緣應力均在安全合理的范圍內，針對橋塔上下緣應力差值較大的情況，橋塔壁厚采用不等厚結構形式，上緣鋼板采用加厚設計。

3.3.2 主梁應力分析

主梁應力分析中選取圖5中8個截面進行應力分析，應力結果如表3所示，整個施工階段主梁應力變化平緩，無應力突變現象。應力均滿足要求。

表3 施工過程中主梁應力

3.3.3 斜拉索應力分析

斜拉索選取南北兩側各一根背索N1、S1，應力結果如圖9所示。南北兩側背索與橋塔并非對稱設計，而是與橋塔分別成不同的夾角錨固在橋塔上，北側斜拉索索力較南側稍大。在張拉南北兩側4對背索時，隨著其余3對背索的張拉，N1、S1背索應力逐漸減少，曲線較陡，在張拉主梁拉索時背索應力逐漸增大，曲線平緩。南北兩側拉索均采用抗拉強度為1 860 MPa鋼絞線，整個施工過程中拉索應力均在2.5倍的安全系數范圍內。

圖9 施工過程中斜拉索應力變化

4 體系方案

橋梁方案設計之初，設有兩種結構體系方案，分別是橋塔根部固結和鉸接兩種結構形式?，F列出兩種方案在二期鋪裝完成階段，即施工成橋后，橋塔在恒載作用下的最大位移、軸力、彎矩和應力。表4為不同方案受力結果對比。

表4 不同方案受力結果對比

由表4可以看出，兩種體系橋梁成橋后橋塔頂部最大位移均超過55 mm，固結體系位移量略小于鉸接體系，這是由于固結體系剛度偏大。兩種體系橋塔最大軸力位于橋塔根部，均達到48 000 kN以上，由于橋塔是傾角為60°的斜塔且橋塔背索索力較大，背索、主梁拉索索力及恒載自重的軸向分力等作用使得橋塔根部產生較大的軸力作用。因此，采用鉸接體系時，橋塔根部基礎和橋塔支座設計時需要特殊設計和定制，鉸接體系由于塔根部鉸接釋放了彎矩，所以最大彎矩位于橋塔中下部，最大為15 762 kN·m，這是由于背索和主梁拉索處于同一錨固點，在索力和恒載作用下橋塔出現向下彎曲現象(此處縱向位移最大)，導致橋塔中下部出現最大彎矩，建議此處加強設計以及布置監控測點實時監測。鉸接體系橋塔中下部應力較大且分布較為均勻，橋塔根部應力為-120 MPa，全橋應力最大處位于彎矩最大處稍下方，為-140 MPa，這是由于組合應力既有彎矩的影響也有軸力的影響，故即不在橋塔根部也不在彎矩最大處位置。該橋在設計時，橋塔應力最大處建議進行鋼壁加厚設計，監控時建議布置應力監控測點。

固結體系可以減少橋塔整體約16%位移，軸力接近，差距不大，但是鉸接體系可以釋放背索和主梁拉索索力由于橋塔彎曲產生的巨大彎矩，同時可以減少主塔根部約41%的應力。兩種設計方案對比發現，固結體系可以減少整體的位移量，但是鉸接體系可以釋放巨大彎矩，減少應力，對結構的整體受力更加有利。

5 結論

基于該塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段的力學行為分析，得到如下結論。

(1)在張拉背索時，橋塔最大彎矩出現在背索錨固點處，在張拉主梁拉索時，最大彎矩出現在主梁拉索錨固點稍下位置，即29.7 m處，在主梁拉索錨固點下方呈現較為明顯的豎彎現象。

(2)主梁軸力在施工階段變化平緩，曲率對軸力的影響較為顯著，曲率越大，影響越大，出現曲率外側受拉，內側受壓的力學狀態。

(3)橋塔在整個施工階段上緣應力逐漸增大，下緣應力穩定在20～60 MPa，變化平緩；與橋塔應力變化相比，主梁應力變化更為平緩，多集中在10～40 MPa變化。背索應力隨著其余拉索的張拉而逐漸減少，隨著主梁拉索的張拉逐漸增大，變化趨勢與拉力大小相對應。

(4)兩種設計方案對比發現，固結體系可以減少整體的位移量，但是底部鉸接可以釋放巨大彎矩，減少應力，對結構的整體受力更加有利。