江灣大橋主塔精細化分析

陳海斌

廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010

1 工程概況

江灣大橋主橋采用獨塔雙索面混合梁斜拉橋，橋跨布置為33m+102m+183m=318m，斜拉索為雙索面扇形布置，共計26對。主塔采用鋼筋混凝土拱形橋塔，立面、側面圖如圖1所示，在拉索錨固區、拱頂、拱腳、橫梁皆設置預應力。

圖1 江灣大橋主塔立面、側面圖（單位：m）

（1）主塔塔高109.5m，斜拉索在主塔上的索距為2.0m。塔柱為帶弧度的近矩形斷面，上塔柱為空心箱型截面，下塔柱為實心斷面。主塔下塔柱從橫梁往下逐漸加寬，底寬12.0m，順橋向寬6.5m，壁厚1.2m，車行道面以上塔柱內外側均采用橢圓線型，塔頂為圓弧段，塔柱輪廓線為長軸86.0m、短軸28.6m的橢圓線。主塔采用C50混凝土。錨索區設置15-15φs15.2mm、15-12φs15.2mm的環向預應力鋼束。

（2）橋塔中橫梁為變截面，跨中高6.0m，為空心箱型斷面，頂、底板和橫隔板的厚度分別為0.8m、0.8m和1.2m，橫隔板共2道。下橫梁預應力鋼絞線張拉控制應力為1395MPa，采用深埋錨工藝進行錨固。

（3）斜拉索為疲勞應力幅為250MPa的高強度環氧涂層鋼絞線斜拉索，標準強度為1860MPa，分別含91根、73根、55根和43根φs15.2mm鋼絞線，其主塔上采用混凝土齒塊進行錨固。

（4）橋塔環向預應力采用低松弛鋼絞線，規格為15-15型和15-12型兩種。環向預應力可以有效減小塔柱的尺寸，使得主塔更為輕巧，但是由于主塔結構的特殊性，環向預應力的配置相當復雜，首先需要考慮縱向主塔兩側斜拉索的角度不同，要調整好環向預應力的位置以避讓斜拉索。同時，主塔的箍筋和環向預應力與水平面的夾角不同，也會導致箍筋與環向預應力存在沖突，在實際施工過程中，可應用BIM技術對箍筋和環向預應力進行定位，以確保兩者能夠正確地放樣施工。

綜上所述，由于在建筑景觀上追求主塔和全橋的造型美觀，主塔不僅造型復雜，內部構造也相當復雜，在沒有試驗數據的基礎上進行設計，需要用有限元分析等方法進行較為精確的模擬分析，這樣才能保證工程的可靠性。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元計算模型說明

文章利用Midas FEA有限元分析軟件對主塔進行建模，拱形主塔拱軸線由多段曲線組成，結構受力比較復雜，建模主要考慮的因素包括對結構受力影響比較大的承臺、主塔、橫梁、豎向和環向預應力等，但是不考慮普通鋼筋，分別采用實體單元和鋼筋單元對混凝土和鋼絞線進行模擬。

模型中考慮的荷載主要包括結構自重、風荷載、車道荷載、人群荷載、整體升降溫、斜拉索升降溫和不均勻沉降等荷載。由于規范未對主塔溫度梯度做出明確規定，因此在計算中未考慮塔壁溫度梯度引起的應力效應。

豎向、環向預應力，主塔下橫梁張拉控制應力分別為1302MPa、1302MPa和1395MPa。為充分發揮預應力鋼束的作用，又能控制鋼束應力在使用階段不超允許應力，對于豎向預應力和環向預應力鋼束的長度應設計得相對較短，控制應力按0.7倍鋼束抗拉強度設計，主塔下橫梁應力按0.75倍鋼束抗拉強度設計。

斜拉索成橋索力如表1所示，結合表1再根據各種工況下的荷載組合，得到最不利的索力，并結合錨墊板的尺寸，以均布力的形式在錨固面上進行加載。

表1 主塔拉索索力表

主塔承臺底部約束實體單元節點的3個平動自由度，對稱軸約束水平方向的平動自由度。此次計算中未模擬樁基的樁頂剛度，由于樁基采用了群樁基礎，樁頂出口剛度較大，與群樁剛度相比，塔柱的剛度相對較弱，直接把承臺底作為嵌固端對計算結果影響較小。

2.2 主塔分析結果

（1）最不利荷載工況組合下主塔結構主拉應力控制在規范允許的范圍內，主塔基本處于受壓狀態，塔內預應力體系的配置較為合理。

（2）主塔豎向應力圖表明，在斜拉索最頂端錨固塊與塔壁的接觸面局部出現了較大的拉應力，拉應力的出現主要是因為最頂端錨固塊以上上塔柱的重量偏小，不足以提供足夠的壓應力來平衡拉索所產生的拉應力，因此在設計中配置了大量的豎向預應力來減少由上述原因產生的拉應力，將出現拉應力的范圍控制在可控的局部范圍內，并通過增大局部區域的鋼筋配置，以消除可能存在的裂縫誘因。

（3）環向預應力鋼絞線拉應力最大值為1243.6MPa，滿足規范要求；塔壁外側出現的局部拉應力的位置為環向預應力錨點位置，可通過加強局部構造筋來解決。在此次設計中，主塔塔柱采用了環向預應力而未采用精軋螺紋鋼，主要是考慮塔柱截面為異型截面，采用精軋螺紋鋼不能很好地適應塔壁的造型，且由于邊跨和主跨同一高度的斜拉索傾角不同，導致環向預應力不能位于水平面上，形成螺旋環繞的形狀，精確地模擬環向預應力對于準確地計算錨固區的應力水平相當重要，結構在建模過程采用了CAD三維線形導入FEA，首先保證了模型中預應力鋼束與實際相符，然后對小半徑預應力鋼束的預應力損失進行了現場測試，這樣計算得到的鋼束應力和錨固區的應力才真實可信，通過現場施工監控對比，理論分析與實際應力的偏差較小，滿足使用要求。

（4）主塔位移最大值為1.82cm。主塔塔柱在橫梁以上接近中部的位置會出現往外鼓的位移，由于此處無法設置橫梁，不能減少由此產生的塔梁結合處塔柱內側的應力。在以往的拱塔斜拉橋工程案例中，往往會出現塔柱與下橫梁交接處開裂的現象，因此在江灣大橋的主塔設計中塔柱內側配置豎向預應力來減少由此產生的拉應力，并在下塔柱的位置適當添加鋼纖維混凝土，控制裂縫的產生，在主塔實施過程中，施工監控數據表明此處的應力均在允許范圍內。主塔位移圖如圖2所示。

圖2 主塔位移圖

3 結束語

文章結合有限元分析軟件Midas FEA對江灣大橋拱形主塔進行了分析，從理論上驗證了采用豎向、環向預應力體系，解決了主塔斜拉索錨固拉應力、拱梁結合段主塔外側拉應力較大的問題，并通過在主塔橫梁以下配置豎向應力和采用鋼纖維混凝土的方式，解決了主塔下部大體積混凝土澆筑易出現水化熱產生的拉應力較大等問題，對于超寬異型獨塔斜拉橋的主塔設計有一定的借鑒作用。但是此次計算中并未就施工階段進行模型，施工階段僅進行了Midas Civil桿系單元的模擬分析，還需在進行精細化施工監控分析時補充相關的實體分析內容，這樣才能更好地控制整個主塔的施工精度。