花瓶形混凝土斜拉桥索塔受力敏感性分析与施工建议

花瓶形混凝土斜拉桥索塔受力敏感性分析与施工建议
刘胜！，谈华顺#,杨仲进$
（1丽水市交通工程质量监督站，浙江丽水323000 2.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州310006 3•浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江温州325000）
以S H
就s ^
drr El 羽作者简介：
刘胜（1974-）,男，浙江丽水人，毕业于同济大
学土木工程业，，工程。

业方向：桥
梁工程。

基金项目：
浙江省交通运输厅科研项目（2017037）
摘要：为确保花瓶形斜拉桥索塔施工过程中受力安全，文章以某在建斜拉桥为背景,
采用ANSYS及Madis/Civil分别建立三维有限元模型，分析了下横梁预应力、临时对拉
杆对拉力、临时对撑杆对顶力对索塔关键位置的受力影响，并根据计算结果给出花瓶形
斜拉桥索塔的施工建议。

关键词：斜拉桥;花瓶形索塔;临时对拉杆；临时对撑杆；下横梁预应力；有限元法
中图分类号:U448.27文献标识码:A
文章编号：（007-7359（2021）01-0154-02
DOI：10.16330/j.c n ki.1007-7359.2021.01.070
!引言
花瓶形混凝土索塔造型优美、外观
大气美观，其索面张开具有空间性可适
用于双索面的结构形式，同时横梁及主
梁位置相对较高，可适用于对通航净空
要求较高的大跨径斜拉桥。

另外花瓶形
索塔下塔柱底部内收，有效地减小了基
础尺寸，其经济效益相对门字形、A字形
索塔具有更大优势,目前花瓶形索塔形
式被广泛接受。

然而花瓶形索塔由于空间曲线复
杂，存在施工难度大、控制因素较多的特
点。

随着施工外部荷载的变化，其受力状
态也在不断地发生变化,因此在花瓶形
索塔施工过程中，要对其应力进行严格
验算，确保索塔受力安全合理。

而横梁预
应力、临时对拉杆、临时对撑杆的设置对
花瓶形索塔施工过程及成桥后的受力状
态具有一定影响,研究分析横梁预应力、
临时对拉杆、临时对撑杆的设置对索塔
受力影响的敏感性，对同类索塔的设计
及施工可提供参考意义。

2工程概况
某在建桥梁为双塔双索面混凝土斜
拉桥,跨径组成为（140+300+140）m,边
中跨比0.467,为塔墩梁固结体系。

索塔
采用花瓶形钢筋混凝土结构，1号塔塔
座以上塔高2034m,2号塔塔座以上塔
高1924m。

1号塔与2号塔外形变化率
一致,号塔在1号塔的基础上将下塔
柱截短而成。

索塔在桥面以上高为
9144m,高跨比为0204o索塔设置上、
中、下三道横梁，采用C50混凝土。

该桥
总体布置如图1所示。

主梁采用预应力
混凝土肋板式结构，主肋高度22m,宽
2m。

全梁顶宽284m,底板284m。

桥面
板为受力单向板，标准板厚022mo边跨
压重区主肋加宽至34m,桥面板加厚至
0.40m；主梁横隔板厚度040m。

每个索
塔分别布置20对斜拉索，全桥共2x
2x2x20=160根斜拉索,最长约168m,
最大规格为PES7-241,单根最大重量
约（不计锚具）约为132）根据索力分为
PES7-109、PES7-139、PES7-
163、PES7-187、PES7-211、PES7-241
共6种规格。

斜拉索采用抗拉标准强度
为1860MPa镀锌平行钢丝斜拉索。

图1某在建斜拉桥总体布置图（单位:@）
3有限元模型
选用通用有限元软件Ansys、
Midas/Nivil进行建模分析。

采用
Midas/Nivil建立全桥及索塔计算模型，
采用Ansys模拟索塔与下横梁的局部受
力复杂位置,分析下横梁施加预应力后,
索塔与下横梁固结位置的局部应力分布
情况。

Ansys有限元模型选取10节主塔
塔柱进行计算,其中每节塔柱高度为
4.5m。

Midss/Nivil及Ansys节段有限元
模型如下图2所示。

Ansys模型中混凝土采用8节点
SOLID45实体单元，预应力钢筋选用三
维杆单元LNK180单元模拟,预应力的
施加采用等效降温法，关键思路是设置
各向异性的温度应变系数，经过应力、应
变关系进行推算，通过降温使得预应力
钢筋线性收缩，以此模拟预应力筋的张
图2Midas/Civil及Ansys有限元模型
拉收紧，达到在给定的温差下获得与预
应力张拉等效的效果。

Midss/Nivil采用梁单元模拟索塔及
主梁单元，斜拉索采用桁架单元建模,计
算时考虑混凝土的收缩、徐变效应。

考虑
的荷载包括:恒载（一期和二期）、斜拉索
索力及施工阶段的临时荷载。

4计算分析
4.1实体单元与梁单元模拟对比分析
由于下横梁与索塔结合位置受力较
复杂,采用实体单元和梁单元分别对该
局部受力复杂位置进行模拟。

经
Midss/Nivil计算分析，当下横梁预应力
张拉完成中塔柱尚未浇筑时，索塔在塔
梁结合位置出现最大拉应力,以该施工
阶段作为参考施工阶段,将下横梁预应
力一次张拉至025fpk,计算分析结果如
图3所示。

将预应力大小按照04f pk
〜025f pk逐步递增,得到实体单元和梁单
元建模计算结果如图4所示。

由图3计算结果可知：除张拉端部
外,实体单元模拟所得索塔最大拉应力
相比梁单元较为接近。

采用实体单元模
拟索塔最大拉应力为34MPs,梁单元模
拟索塔最大拉应力为34MPs,计算结果
图3梁单元和实体单元建模索塔应力对拉杆对拉力、对撑杆对顶力、下横梁预应力的设置对索塔施工过程中关键位置的受力影响力值(kN)
改变对拉杆对拉力
下塔柱分叉位置的应力
(MPa)
改变对撑杆对顶力
塔梁结合位置的应力
(MPa)
改变下横梁预应力
塔梁结合位置的应力
(MPa)
1000 2.31-0.4
20002-0.10.2
3000 1.6-10.8
4000 1.3-2.1 1.3
50001-3.1 1.9 60000.7-4.1 2.4 70000.4-5.23
80000.1-6.2 3.5
9000-0.3-7.2 4.1
10000-0.6-8.3 4.7
较为接近。

由图4计算结果可知，当下横梁预应力从04f ps〜0.75f pk逐步增加时，索塔最大拉应力随下横梁预应力的增大
而增大，且近似呈现出线性增长关系，采
用梁单元模拟计算结果与实体单元模拟
计算结果较为接近。

4.2塔梁结合位置受力敏感性分析
为分析下横梁预应力张拉力、临时
对拉杆对拉力、临时对撑杆对顶力对塔
梁结合位置的受力影响，以中塔柱混凝
土浇筑完成作为参考施工阶段，临时对
拉杆对拉力作用于下塔柱分叉段中间位
置，临时对撑杆对顶力作用于中塔柱中
间位置。

下横梁预应力张拉力、临时对拉
杆对拉力、临时对撑杆对顶力分别从
1000kN〜10000kN变化，计算得到塔梁
结合位置最大拉应力如图5所示。

由图5计算结果可知：下横梁预应力大小对索塔最大拉应力影响最显著，
当以最大拉应力作为索塔施工过程控制
指标时，施工过程中应严格控制下横梁
预应力的张拉。

4.3索塔关键位置受力敏感性分析
为分析临时对拉杆对拉力、临时对
撑杆对顶力及下横梁预应力对索塔施工
过程中关键位置的受力影响，将下横梁
预应力张拉力、临时对拉杆对拉力、临时
对撑杆对顶力分别从1000kN〜10000kN 变化，对下塔柱分叉位置、塔梁结合位置的最大应力进行分析，分析结果如下表
图5对拉力、对顶力、下横梁预应力大小对索塔最大拉应力影响结果(单位:MPa)所示。

由上表计算结果可知，在索塔施工
过程中，增大临时对拉杆的对拉力，下塔
柱分叉段位置的拉应力显著减小，临时
对拉杆的设置可为下塔柱分叉位置提供
足够压应力储备。

增大临时对撑杆的对
顶力，塔梁结合位置的压应力显著增大，
临时对撑杆的设置可为塔梁结合位置提
供压应力储备。

而增大下横梁预应力的
张拉力，塔梁结合位置的拉应力显著增
大。

综合以上计算结果，说明在索塔施
工过程中，临时对拉杆对拉力、临时对撑
杆对顶力的合理设计可为索塔关键位置
提供足够的压应力储备。

同时在索塔施
工过程中应合理控制下横梁预应力的张
拉力，下横梁预应力宜随索塔施工过程
分批张拉，张拉过程不仅需要考虑为下
横梁提供足够的压应力储备，同时应注
意防范施工过程中，下横梁预应力一次
张拉过大导致塔梁结合位置产生较大拉
应力。

5花瓶形斜拉桥索塔施工建议
①在下横梁施工过程，应合理设计
下横梁预应力的张拉顺序，下横梁预应
力的张拉一方面需考虑为下横梁提供足
够的压应力储备，另一方面需防范下横
梁预应力张拉过大导致塔梁结合位置拉
应力过大，合理的解决方法可随索塔施
工过程分批张拉下横梁预应力。

②临时对拉杆的设计宜充分考虑索
塔施工过程及成桥后下塔柱分叉位置的
受力状况，临时对拉杆对拉力的合理设
计，可为下塔柱分叉位置提供足够的压
应力储备，临时对撑杆的设计及下横梁
预应力的分批张拉，主要考虑控制施工
过程中塔梁结合位置的受力。

6结论
采用MiVas/SiviVAnsys分别建立
了索塔梁单元、实体单元的有限元模型,
对索塔塔梁结合位置局部受力复杂位置
进行计算，结果表明:索塔最大拉应力随
下横梁预应力的增大而增大，且近似呈
现出线性增长关系，实体单元模拟所得
计算结果与梁单元计算结果接近。

针对临时对拉杆、临时对撑杆、下横
梁预应力的合理设计，对索塔施工过程
进行了受力敏感性分析，结果表明临时
对拉杆、临时对撑杆的合理设计可为索
塔关键位置提供足够的压应力储备，同
时应合理设计下横梁预应力的张拉过
程，下横梁预应力一次张拉过大容易导
致塔梁结合位置拉应力过大，合理的解
决方法是可随索塔施工过程分批逐次张
拉下横梁预应力，计算结果及施工建议
可为同类工程施工过程提供参考。

参考文献
[1吴溉原.超大跨度斜拉桥索塔受力分析
与施工控制⑷].长沙理工大学,2009.
[2：黄新，姚群■淮北长山路斜拉桥主梁支架
法施工技术4J安徽建筑4004(92):76-
79.
[E：张志红，孙长军，邱敏■矮塔斜拉桥混凝土
索塔锚固区受力性能分析4J安徽建筑,
2019,026(208):125-128.
[4：胡永，丁靖，闫子才■超宽桥面部分斜拉桥
施工控制4J安徽建筑400744(202):58
-61
[E：王存国，徐宙元■甬江斜拉桥索塔空间应
力有限元分析4J铁道建筑,2009(11:1-
4.
[E：贺玖龙•斜拉桥异形索塔施工中临时水
平横撑的应用研究⑷]•长安大学,2015.
[7：程驭，尹永杰,余龙飞•独塔斜拉桥不同结
构体系成桥状态分析4J安徽建筑,2014,
021(203):125-126.
旺
忸
JJT
航
态
®
H
®
^。