大跨度斜拉桥主塔横撑关键截面受力分析

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路与 汽运

总第190期

Highways A Automotive Applications

大跨度斜拉桥主塔横撑关键截面受力分析

黎祜蛟王柏文2

(1.长沙理工大学公路工程试验检测中心，湖南长沙 410015&.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114)

摘要：以某大跨度斜拉桥为工程背景，采用有限元软件MIDAS/Civil建立模型，对设置横撑

时主塔关键截面进行受力计算，分析主塔关键截面的应力与位移变化，研究大跨度斜拉桥主塔结

构在施工荷载作用下的受力性能和变形。计算结果表明，横撑设置可有效减小主塔的位移，且应力符合规范要求，具有优越的受力性能。

关键词：桥梁；斜拉桥；主塔&黄撑；受力分析

文章编号！ 671 — 2668 (2019) 01 — 0112 — 04中图分类号：U441 文献标志码：A

大跨度斜拉桥的主塔随着跨径的增大其高度增

大，为安全起见，施工时一般设置主塔横撑。由于是 施工辅助措施，对其没有进行详细的研究。该文结 合广东省茂名市某大跨度斜拉桥，对设置横撑时主 塔关键截面的受力进行分析。

为

165 m + 318 m

\"

D

165 m,边、主跨之比为0.457

(见图1加劲梁为预应力砼箱梁3.2 m，约为主跨

的1/100&主梁标准断面桥面宽35.2 m，设双向2% 人字横坡；索塔为海湾之贝造型的空间门式结构，塔 梁分离，下部基础为钻孔灌注桩。主塔施工中具有 一定的内倾角度，且相对较大，主塔根部在承受较大 竖向轴力的同时承受着横桥向及纵桥向弯矩，使主

1工程概况

茂名市某大跨度斜拉桥全长628 m，跨径组合

塔结构受力十分复杂。

200^ t|<16x 700=11 20^^00 21 x700=14 700 600 21x700=14 700 1 400^16x700=11 20^ t| 200

图1 主桥立面布置示意图（单位 ：cm)

主塔采用爬模施工，塔座底面高程为5 m，塔顶

高程为130 m

，主塔总高125 m。主要构件包括下

塔柱、上塔柱、横梁、塔顶装饰块、钢锚梁及牛腿等， 其中上、下横梁及上塔柱斜拉索锚固区为预应力砼 结构，其他塔柱部分为普通钢筋砼结构。主塔构造 见图2。

2有限元模型

结构计算选用有限元软件MIDAS/Civl，采用

空间直梁单元，通过以直代曲的方法，按照施工顺序 分阶段建立主塔计算模型进行结构分析。结构分析 时，各阶段离散为梁单元。模型共1 722个节点、 1 693个单元。C50砼主要用于塔座、塔柱、横梁及

图2

主塔构造示意图（单位:标高为m,其他为mm)

2019年第1期黎祜蚊，等：大跨度斜拉桥主塔横撑关键截面受力分析113

装饰块，C!0砼主要用于主塔承台，C35水下砼主要 用于承台封底及桩基。承台底桩基嵌固深度采用多 单元弹簧的边界条件模拟，桩基在理论嵌固位置固 结。承台底部与桩基刚接，塔座与塔柱刚性连接，横 撑与塔柱固结。下横梁分层浇筑采用施工阶段联合 截面功能模拟，浇筑完成时临时支架对塔支的作用 采用等效荷载代替。下横梁支撑作用采用只受压弹 性支承模拟，通过定义弹性支承刚度来等效下横梁 支架的刚度。

主塔与下横梁交接处采用梁端刚域处理，为防 止下横梁与主塔的不均匀下挠产生较大次内力，采 用下横梁与下横梁支架分离的方式。由于该桥主塔 东西侧结构布置相同，仅选择西侧主塔进行分析计

算。结构计算模型见图3。

图3

主塔空间分析有限元模型

3计算结果分析

3.1横撑关键截面应力

主塔及横撑受力分析的验算荷载主要分为结构

自重（砼容重取26kN/m3)和施工荷载移动荷载两 部分，其中自重根据实际重量计算，施工阶段移动荷 载考虑人群荷载、爬模系统荷载及施工机具荷载。 其他可变荷载包括'）温度荷载。温度荷载的取值 取决于当地温度变化。2)风荷载。施工阶段设计 基本风速为32.1m/s,主塔上的风荷载及施工阶段 的风荷载按JTG/TD60 — 01 — 2016《公路桥梁抗风 设计规范》的规定计算。3)收缩徐变。计算时考虑 砼徐变对应力的影响，砼的徐变按如下经验数值模 型取值：

C (Z，r) (^(1 + 9.207—0:5 ) [1 — e0.30Ct—r) ] +

C2(1 # 1.70r—045 )[1 — e—0:05 ct—r) +

式中：C1 = 0.23/£2 ;C2 = 0.52/£2 为砼的最终

弹性模量。

根据有限元模型计算和设计分析，将变形和应 力最大值处设为关键截面，即承台、横梁、横撑与主 塔相交截面处（见图4)。

A、B、C、D分别为承台、承台横梁、承台第一道横撑、承台第二道

横撑与主塔相交截面。

图％

设置横撑结构边界条件及关键截面示意图

按GB 50010 — 2010《混凝土结构设计规范》的 要求，C50砼轴心抗压强度设计值/e = 23.1 MPa， 轴心抗拉强度设计值/t = 1.89 MPa。施工至成塔

时主塔柱关键截面的压应力最大值=6.97 MPa， 拉应力最大值心=1.73MPa，均小于规范值，砼受 力满足要求。各截面的应力见表1。

表1

设横撑主塔关键截面的应力

关键截面

荷载阶段最大应力/MPa

最小应力/MPa

A合计主塔完成0.926 0一2.55B

合计主塔完成1.730 0一6.97C合计主塔完成一 0.050 1一 2.93D

合计主塔完成

-0.133 0

-3.90

3#横撑设置原则及应力计算

在索塔塔柱根部最不利位置即出现最大拉应力 处，在拉应力超限前进行第一道主动临时横撑设置， 之后进行斜柱后续节段砼浇筑。第一道临时横撑完 成后可降低塔柱根部的拉应力，使其恢复到设计范 围，后续节段浇筑砼的自重及施工荷载对第一道横 撑位置处塔柱砼截面的影响较大，但对塔柱根部的 影响较小。在后面节段施工中，若根部拉应力接近 控制值，需考虑设置第二道临时横撑，其支撑位置的 确定需考虑轴向压应力及附加拉应力的组合应力在

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公路与 汽运

2019年1月

第一道支撑所在截面处是否超限。塔柱根部截面在 第一道横撑设置后基本无横桥向附加拉应力，若顺 桥向作用产生的附加应力与轴向压应力组合超限， 则应考虑设置临时拉索或临时支撑等结构。

临时水平横撑主动力的确定遵循内力控制为 主、变形控制为辅的原则。斜拉桥索塔塔柱大多采 用砼材料，刚度较大，计算所得理论主动力至少要能

抵消自重及施工荷载横桥向分量作用在最不利截面 处产生的附加拉应力。主动力也不宜过大，防止横 撑处砼出现裂缝。因为顶推力过大会引起横撑处出 现过大横桥向位移，该处往往是设计配筋较薄弱的 位置，随着砼塔柱高度的增大，塔柱外侧塔壁截面附 加拉应力增大，超过控制值时会产生裂缝。横撑应

力计算结果见图5。

根据计算结果，每道横撑应力最大值均出现在 刚设置在塔柱的阶段，横撑压应力最大值ai =95.8 MPa，拉应力最大值a2=#6.2MPa，均小于设计值a = 215MPa。

3.3设与不设横撑时主塔的横向位移

设与不设置横撑时主塔施工完成时主塔横向位 移见图6。横撑的主要作用是控制截面线形及主塔

计算结果见图7。

施工过程中的稳定性。由图6可知：设置横撑时，主 塔最大位移由不设横撑时的82.66 mm降至29.88 mm，减少63.85%。横撑的设置显著减少了位移， 控制了主塔的位移变形，提高了工程的安全性。3.4不同温度下主塔的横向位移

横撑与主塔在施工过程中由于材料的线膨胀系 数不同，升降温会导致横撑与主塔之间的作用力随 温度变化而改变。根据实测数据，桥位处历史最高、 最低气温分别为37.2、3 °C，月平均最高、最低气温 分别为28.7、14 °C，年均温度为22〜23 °C;4月中 旬一 11月上旬各旬平均温度超过22 °C，11月一翌 年3月月平均气温都低于12C。该桥横撑设置到 撤掉的时间为6—12月，考虑横撑在施工过程中对

图'

(b)设置横撑(a)未设横撑

8.26655e+001

6.76592e+0015.26528e+0013.76465e+0012.26402e+0017.63387e+000O.OOOOOe+OOO-2.23788e+001-3.73851e+001-5.23914e+001-6.73977e+001-8.24041e+001

I

2.98893e+001 2.44582e+001 1.90272e+001 1.35962e+001 8.16514e+000 2.73410e+000 O.OOOOOe+OOO -8.12797e+000 -1.35590e+001 -1.89900e+001 -2.4421 le+001 -2.98521e+001

设与不设横撑时主塔施工完成时

横向位移云图（单位：mm\"

由图7可知：主塔最大横向位移发生在降温 温度的敏感性对主塔成桥线形及内力的影响，拟定

20C时，达37.8 mm。塔柱施工完成时单侧横向最整体升温20C、整体降温20C两种工况进行计算，

2019年第1期黎祜蛟，等：大跨度斜拉桥主塔横撑关键截面受力分析115

下：）主塔关键截面的最大压应力为23/MPa

，最

2.60022e+001 2.12761e+001 1.65500e+001 1.18239e+001 7.09776e+000 2.37165e+000 0.00000e+000 —(-7.08057e+000 -1.18067e+001 -1.65328e+001 -2.12589e+001 -2.59850e+001

(a)整体升温20 T：

大拉应力为173MPa

，均

满足规范要求&)有效的

横撑设置可使主塔横向位移减少52.78 mm，使变形 在允许范围内&)温度降低20C

时，局部位移变形

增加7.95 mm，需加强变形观测和控制。

该桥主塔横撑设置方式和桥梁受力分析方法可

为同类桥梁设计提供参考。考虑到该桥跨径只有 328 m，塔高也不大，计算结果存在一定局限性，且 桥塔形状独特，参考时需注意主塔内倾角及横撑设 置高度，有限元模型建立宜采用以曲代直的方法。

3.78214e+001

3.09463e+0012.40712e+0011.71961e+0011.03210e+0013.44589e+0000.00000e+000-1.03043e+001-1.71794e+001-2.40545e+001-3.09296e+001-3.78047e+001

(b)整体降温20 t；

参考文献：

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刘占兵，左生荣，魏英明

!

(c)不考虑温度

图7

大位移为 3#/ mm<

2.98893e+001

2.44582e+001 1.90272e+001 1.35962e+001 8.16514e+000 2.73410e+000 0.00000e+000 -8.12797e+000 -1.35590e+001 -1.89900e+001 -2.4421 le+001 -2.98521e+001

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不同温度工况下主塔位移云图

（单位：mm

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JTG/TD60 — 01 — 2016，公路桥梁抗风设计规范[S].

L/3 000 = 125 X 1 000/3 000

= 41.67mm(L为4

结语

塔柱高度），满足规范要求。

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该文针对大跨度斜拉桥主塔结构在施工荷载作

用下的受力性能和变形进行计算分析，主要结论如

收稿日期：2018 — 06 —13

\"上接第111页）

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