空間復(fù)雜曲面鋼塔與承臺錨固區(qū)合理構(gòu)造及受力性能研究

聶斌、王定全、王若同、孫旭霞

（1.成都交通投資集團有限公司，四川成都 610000；2.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院，上海 200092）

0 引言

斜拉橋因為其造型優(yōu)美、跨越能力強成為近些年來發(fā)展迅猛的一種橋型[1]。同時隨著對其景觀性以及辨識度要求的不斷提高，逐漸開始出現(xiàn)異形橋塔[2-3]。所謂異形橋塔是指橋塔的塔柱呈非直線形或折線形而呈曲線形，或橋塔傾斜,或二者并存的斜拉橋[4]。異形橋塔受力表現(xiàn)出復(fù)雜的空間特性，塔底往往承擔(dān)著較大的壓力和彎矩[5]。同時，由于造型施工和預(yù)防開裂等因素，不少異形橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)，其鋼混連接段的連接構(gòu)造力學(xué)性能和可靠度值得關(guān)注。

由于空間異形橋塔的特殊造型，橋塔和承臺連接區(qū)往往面臨著復(fù)雜的傳力問題，對該連接區(qū)的安全性也提出了較高的要求。目前鋼混連接段區(qū)主要采用以下幾種設(shè)計方案：焊接鋼筋錨固式、剪力鍵式、剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式和法蘭盤預(yù)壓式等。

本文以沱江大橋為工程背景，介紹了該橋橋塔與承臺連接區(qū)的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)特點，同時利用有限元建模計算對其應(yīng)力分布規(guī)律進行了分析研究，同時對一些結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中問題進行了改進，為今后類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

金簡仁快速路沱江大橋段位于成都市簡陽市，主橋采用空間扭索面曲塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為45m+185m+238m+45m=513m，斜拉索倒排布置形成空間曲面。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁墩全固接體系，邊跨設(shè)置輔助墩，中跨一跨過江。

主塔采用空間扭曲面鋼塔，主塔理論軸線在橋梁正立面的投影為橢圓，長軸半徑62.5m，短軸半徑22.5m，且橢圓向邊跨傾倒18°。拉索在塔端采用鋼錨梁錨固形式。梁端斜拉索錨固在側(cè)分帶，為空間扭索面。沱江大橋主塔塔腳共2 個。塔底錨固采用埋入式柱腳的錨固形式，塔腳板件均埋入承臺混凝土內(nèi)，并在塔腳三角區(qū)范圍內(nèi)灌滿混凝土進行壓重處理。主塔基礎(chǔ)采用兩級承臺，上承臺迎水面最大寬度24.5m，長度20.5m，高度11m 左右，內(nèi)設(shè)主塔錨固架；下承臺寬31m 長23m，完全置于河床底面以下。圖1為全橋結(jié)構(gòu)布置示意圖。

圖1 全橋結(jié)構(gòu)布置示意圖

2 塔腳連接區(qū)設(shè)計

該橋塔腳連接區(qū)采用內(nèi)法蘭預(yù)壓設(shè)計，由承臺混凝土、型鋼錨固架、高強螺桿和承壓板組成。承臺混凝土中預(yù)埋型鋼錨固架和高強螺桿，拱肋端部設(shè)置承壓板，將螺桿錨固在承壓板上，通過高強螺桿施加預(yù)緊力將二者固結(jié)在一起，如圖2 所示。塔腳分為承臺以上區(qū)域、上塔座、下塔座。承臺以上區(qū)域為橋塔拱肋，包括5 道實腹式橫隔板，4 道空腹式橫隔板，核心筒兩道豎板，兩道橫板，及加勁肋等；其中橫隔板、兩道豎板和塔壁板豎直向下形成上塔座的豎向隔板。上塔座被4 道水平隔板分為三層，隔板從上到下為頂板、中板、上承壓板、下承壓板，每道板件與豎向隔板交接，形成24 個2.2m×2.2m 的艙室；各個豎向隔板設(shè)置加勁肋，塔壁板過渡至上塔座設(shè)置弧形加勁肋。下塔座包括型鋼錨固架以及高強螺桿。螺桿一端緊固在型鋼錨固架上，另一端緊固在上承壓板上，并施加預(yù)緊力。該連接方案橋塔的豎向壓力主要由橫向隔板和豎向隔板形成的艙室和承臺混凝土承擔(dān)，可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力絕大部分由高強拉桿承擔(dān)，預(yù)防塔底的脫空的可能。

圖2 塔腳連接區(qū)域構(gòu)造圖(單位：mm)

3 受力性能研究

3.1 有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS 建立塔腳連接區(qū)域的節(jié)段模型，如圖3 所示。該連接段主要由橋塔腿的承臺以上區(qū)域和上塔座組成。下塔座僅包括錨固架和高強螺桿，受力較為明確，混凝土承受上塔座傳遞的豎向壓力，同時螺桿承受拉應(yīng)力并通過錨固架將拉應(yīng)力擴散到混凝土中。本文主要研究塔腳連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)受力問題，因此將下塔座部分簡化為邊界條件，將混凝土和螺桿底部完全固結(jié)。

圖3 有限元模型

模型中承臺以上區(qū)域主要構(gòu)件包括塔殼、內(nèi)筒、橫隔板和加勁肋。而上塔座由水平隔板、豎向隔板、混凝土、加勁肋和錨桿組成。除錨桿、混凝土外，構(gòu)件均采用殼單元建模，錨桿采用線單元建模，不考慮其抗彎和抗壓的作用。各板板厚以及錨桿直徑均按照實橋進行建模，鋼材采用Q345qD，混凝土為C50。模型荷載根據(jù)橋梁整體計算結(jié)果，提取節(jié)段模型相應(yīng)截面的等效反力，在節(jié)段模型創(chuàng)建參考點并在整個平面上創(chuàng)建MPC 約束，建立不同的局部坐標(biāo)系，創(chuàng)建空間的六個集中力和集中彎矩荷載，通過MPC 約束均勻地傳遞到整個截面上，達到施加等效荷載的目的。荷載數(shù)值見表1?？傮w網(wǎng)格尺寸為800mm，局部網(wǎng)格加密為300mm。

表1 外部荷載

在承臺以上區(qū)域和上塔座連接區(qū)域，為防止其應(yīng)力集中，設(shè)置有弧形側(cè)加勁板和加勁面板，為研究側(cè)加勁板的作用，同時建立一個不帶側(cè)加勁板的塔腳局部模型。塔底為索塔向塔座及承臺傳力的核心部位，為增加豎向壓力、降低塔底彎矩造成的偏心受力，在塔底三角區(qū)設(shè)置填芯混凝土，混凝土壓滿三角區(qū)全高范圍。為了研究得到一個偏安全的結(jié)果，模型不考慮填芯混凝土的作用，將混凝土的彈性模量縮小一百倍，考慮其自重的影響而忽略其傳力的影響。同時，另外創(chuàng)建一個模型考慮混凝土的傳力貢獻，通過對比驗證填芯混凝土在結(jié)構(gòu)中起到的作用。

3.2 計算結(jié)果

由于橋塔的彎扭程度較大，大部分外壁板為空間扭曲板件，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受力不對稱性顯著，南北側(cè)塔腳的受力和變形相差較大，因此需要分開對比分析。

北側(cè)承臺水平隔板最大應(yīng)力值88.7MPa，在頂板與拱腳第三塊橫隔板相交的部位。加勁肋最大應(yīng)力值67.2MPa，在頂部第二列邊緣。豎向隔板的最大應(yīng)力50.6MPa，在與第二塊橫隔板相交處。拱腳橫隔板的最大應(yīng)力108.7MPa，在第二塊橫隔板的底部，與加勁肋和豎向隔板的應(yīng)力峰值處較為吻合。

南側(cè)承臺水平隔板最大應(yīng)力值132.2MPa，在頂板邊緣。加勁肋最大應(yīng)力值184MPa，在東北角的中間區(qū)域，大部分板件應(yīng)力在50MPa 左右，但出現(xiàn)較大應(yīng)力集中。豎向隔板的最大應(yīng)力45.3MPa，在頂部第二道橫隔板相交處。橫隔板最大應(yīng)力150MPa，在第二塊橫隔板處。

由以上計算結(jié)果可知，南側(cè)塔腳的受力相較于北側(cè)偏大。其中，水平隔板和橫隔板相差較大，二者的應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)中最大的，表明了水平隔板和橫隔板是傳力的主要途徑，受到不對稱性的影響最大。豎向隔板應(yīng)力略小于水平隔板和橫隔板也承擔(dān)了較大的傳力作用。錨桿的應(yīng)力水平較低，主要是荷載僅為自重和恒載作用，同時受混凝土的壓重降低了彎矩造成的偏心壓力，結(jié)構(gòu)所需要承載的拉力較小，未能發(fā)揮出拉桿的全部性能。

南側(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大值多分布在西南處，而北側(cè)塔腳的應(yīng)力較大值主要分布在東北側(cè)，表明結(jié)構(gòu)受力有較大的空間效應(yīng)，塔腳承受了一定的偏心彎矩，證明了塔底填芯混凝土的必要性。應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在拱腳與上塔座相交處，表明此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，南北側(cè)應(yīng)力峰值基本出現(xiàn)在第二或者第三塊橫隔板處，未在最外側(cè)出現(xiàn)，表明了設(shè)置的側(cè)向加勁板起了作用。

3.3 結(jié)構(gòu)加強設(shè)置（填芯混凝土）分析

通過對比有無填芯混凝土的計算模型結(jié)果，分析填芯混凝土在結(jié)構(gòu)受力中起到的作用。

結(jié)果顯示，考慮混凝土的受力作用之后，水平隔板、豎向隔板和橫隔板的應(yīng)力大幅度減小，其中水平隔板和豎向隔板的最大應(yīng)力減小到原來的1/3 左右，橫隔板的最大應(yīng)力下降也超過1/2。說明填芯混凝土在結(jié)構(gòu)中起到的傳力作用十分明顯，通過忽略填芯混凝土的作用計算出來的結(jié)果有著極大的安全系數(shù)。

4 結(jié)論

為研究橋塔與承臺連接區(qū)結(jié)構(gòu)的實用性，以沱江大橋為背景，提出了連接區(qū)的構(gòu)造的合理設(shè)計，并采用ABAQUS 進行有限元模擬計算，對其受力性能進行研究，同時對部分區(qū)域的設(shè)計進行加強，通過對比研究其加強結(jié)構(gòu)的作用，得到如下結(jié)論：

一是提出了斜拉橋鋼橋塔與承臺的連接區(qū)的合理構(gòu)造方案，該方案主要由承臺混凝土、型鋼錨固架、高強螺桿和承壓板組成，其中橋塔的豎向壓力主要由錨固架和承臺混凝土承擔(dān)，而可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力絕大部分由高強拉桿承擔(dān)。該連接構(gòu)造的連接性能穩(wěn)定，受力性能良好，可用于大多數(shù)塔底連接構(gòu)造中。

二是在節(jié)段模型計算結(jié)果中，橋塔受力呈現(xiàn)空間受力的特性，南側(cè)塔腳的受力相較于北側(cè)大了1/2 左右。其中，承臺水平隔板和塔腳橫隔板承擔(dān)了大部分受力，是塔腳主要的傳力路徑。

三是設(shè)置的側(cè)向加勁板對外塔殼和豎向隔板的集中應(yīng)力削弱十分明顯，應(yīng)力峰值減小了1/2，同時附近區(qū)域的應(yīng)力也大幅度減小，應(yīng)力最大值轉(zhuǎn)移到了內(nèi)側(cè)。側(cè)向加勁板對其他區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響不明顯。

四是塔底的填芯混凝土對塔腳結(jié)構(gòu)傳力的作用十分明顯，考慮混凝土作用后，最大應(yīng)力值衰減到原來的1/3。通過忽略填芯混凝土得到的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以獲得較大的安全系數(shù)。