顺桥向圆环塔斜拉桥拉索布置与受力分析

陈 凯 李长坤

1.山东万方建筑工程设计有限公司2.济南城建集团有限公司

1 引言

常规斜拉桥桥塔设计目标一般为承压为主弯矩较小，无背索斜拉桥通常将桥塔设计为斜塔以减小桥塔弯矩[1]，弯塔斜拉桥则在塔背侧设预应力以抵抗塔身弯拉应力[2]。顺桥向圆环塔兼具了无背索桥塔和弯桥塔两种构造特征，斜拉索布置应尽量使桥塔处于有利受力状态。某城市桥梁方案设计采用顺桥向圆环塔斜拉桥，跨径布置为（45+25+45）m，将圆环塔设计于桥面以上。桥梁采用塔墩梁固结体系，桥面以上塔柱分为上下两部分，上塔柱为圆环塔，下塔柱为斜支承柱。

2 结构设计与分析

2.1 结构设计

桥梁主梁为单箱双室混凝土箱梁，梁高1.75m。桥墩为混凝土薄壁板墩，厚1.5m，宽4.0m。圆环塔为钢箱，箱高2.5m，箱宽1.5m。桥面以上圆环塔高27.0m，圆环外径25.0m，内径20.0m。斜拉索采用扇形布置，外索水平倾角采用27.44°，梁上索距6.0m，塔中心线处索轴线间距0.75m。该桥采用支架法、先梁后索的施工方法。桥梁立面布置见图1。

图1 桥梁立面图

2.2 结构分析与索力优化

表1 合理成桥索力（单位：kN）

采用midas/civil 有限元分析软件建立桥梁空间杆系有限元模型，墩、梁、塔采用空间梁单元，斜拉索采用桁架单元。斜拉索与桥塔连接采用共用节点，与主梁连接采用刚臂。采用刚性支承连续梁法、最小弯曲能量法、midas 未知荷载系数法和影响矩阵法分别试算合理成桥索力，四种方法计算所得索力如表1所示。

刚性支承连续梁法只保证主梁节点位移为零，不能考虑桥塔受力，该方法所得索力较大，较大索力导致圆环塔弯矩最大约60000kN·m。最小弯曲能量法兼顾了主梁和圆环塔弯矩控制，所得索力下圆环塔最大弯矩约25000kN·m，主梁最大弯矩约37000kN·m，但该方法得到的索力分布不均匀，且最外索索力为负值。采用midas未知荷载系数法计算，塔梁墩最大恒载弯矩范围取为±35000kN·m，所得索力仍不均匀，长索索力过于偏小。利用影响矩阵进行索力调匀，并进行检验得：主梁最大负弯矩-34300kN·m，最大正弯矩28700kN·m；墩柱最大弯矩24200kN·m；圆环塔最大负弯矩-35800kN·m，最大正弯矩22200kN·m。塔梁弯矩基本取得平衡，即以此成桥状态进行后续分析。

根据索力初匀的成桥状态，考虑自重、二期恒载、支座沉降和10年收缩徐变等永久作用，及车辆、人群、温度、风荷载等可变作用进行计算，根据计算结果按应力平衡法[3]配置主梁预应力后再进行验算。结果表明，主梁基本组合最大弯矩56800kN·m，最大轴力21500kN；圆环塔基本组合最大弯矩42900kN·m，最大轴压力4840kN，最大轴拉力5350kN。主梁频遇组合最大主拉应力1.1MPa，标准组合最大主压应力13.0MPa。圆环塔基本组合最大组合应力240MPa，小于Q345 钢材强度设计值。车辆和人群荷载作用下全桥最大活载挠度8mm，满足规范要求。

3 拉索布置方式影响分析

以图1中斜拉索扇形布置为拉索布置方式一。以塔顶截面下缘辐射形布索为拉索布置方式二，以塔顶截面两侧向对面扇形布索为拉索布置方式三，见图2、图3。拉索布置方式二中，拉索塔上锚固在同侧圆环塔钢箱内。拉索布置方式三中，拉索塔上锚固在对侧圆环塔钢箱内，并通过预埋索管穿过同侧圆环塔钢箱。

图2 拉索布置方式二

图3 拉索布置方式三

拉索布置方式二时，圆环塔最大负弯矩43490kN·m，最大正弯矩26132kN·m，较方式一时圆环塔最大负弯矩42900kN·m 增大1.38%；圆环塔最大轴压力-5989kN，最大轴拉力5722kN，较方式一时圆环塔最大轴压力-4840kN·m 增大23.7%，最大轴拉力5350增大6.9%。

拉索布置方式三时，圆环塔最大负弯矩39733.5kN·m，最大正弯矩18454.3kN·m，较方式一时圆环塔最大负弯矩减小7.38%；圆环塔最大轴压力-15403.2kN，无轴拉力，较方式一时的圆环塔最大轴压力-4840kN·m增大218.2%。

4 结论与建议

（1）顺桥向圆环塔斜拉桥桥塔弯矩控制是该桥型设计关键，合理成桥索力优化分析时控制目标应包含桥塔弯矩，并尽量控制圆环塔与主梁弯矩取得平衡。

（2）改变斜拉索布置方式不能显著改变圆环塔受力状态。斜拉索自塔顶辐射状布置时，圆环塔弯矩和轴拉力变化不明显，但轴压力稍增大；斜拉索锚固在塔顶两侧对侧钢箱内时，圆环塔弯矩降幅不大，但轴压力增大明显，并且无轴拉力。