斜拉桥索塔施工过程技术研究与力学分析.docx

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斜拉桥索塔施工过程技术研究与力学分析

斜拉桥索塔施工过程技术研究与力学分析

正文

第一章绪论

1.1斜拉桥结构特点

斜拉桥又称斜张桥，其上部结构是由塔、梁、斜拉索三种基本构件组成的缆索承重的高次超静定结构体系。

斜拉桥主梁一般采用混凝土结构、钢--混凝土组合结构或钢结构，索塔大都采用混凝土结构或钢结构，斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。

斜拉桥中荷载传递途径是:

斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。

因此，斜拉桥的主梁在斜拉索的各点支撑作用下，犹如多孔的弹性支承连续梁，每根钢索犹如桥墩。

正是由于斜向产生的强大水平分力，依靠塔的自锚体系加以平衡，使拉索承受巨大拉力，塔梁承受巨大压力，从而充分发挥了钢材受拉和混凝土受压的特性。

特别是由于利用斜拉索作为主梁的中间弹性支撑，可以大大降低主梁的弯矩值，改善主梁的受力状态，这不但可以使主梁尺寸大大地减小，而且由于结构自重显著减轻，既节省了材料，又能大幅度的增大桥梁的跨越能力。

在大跨径桥梁方案比选中，斜拉桥与悬索桥占据绝大多数。

斜拉桥以其简明的结构受力、较低的材料费用、优美多变的桥型、较好的刚度和抗风能力等众多优点而备受青睐。

1.2斜拉桥索塔结构形式及受力特点

斜拉桥的主塔结构形式、高度、截面尺寸大小、塔底支承形式，应根据桥位处的地质、环境条件、斜拉桥的跨径、桥面宽度、拉索布置以及建筑造型等因素决定。

索塔结构形式变化多样，在顺桥向常用的结构形式有单柱式、A字形和倒Y形等几种，如图1.1所示。

单柱形索塔构造简洁，外形轻盈美观，施工方便，是常用的塔型，但承受横向水平荷载的能力差。

目前，国内外大多数斜拉桥在顺桥向均采用单柱形。

A形和倒Y形在顺桥向刚度大，不存在纵向具有柔度的变形条件，不利于索塔两侧拉索水平拉力的自平衡传递，主塔基础承受较大的顺桥向弯矩，这类索塔不多。

1）单柱式2）A字形3）倒Y型

图1.1塔柱形式（顺桥向）

斜拉桥索塔在横桥向常用的形式有独柱形、双柱形、门形、H形、梯形、A形、倒V形、倒Y形、菱形（包括宝石花形）等，如图1.2所示。

柱式塔构造简单，通常用于主梁抗扭刚度较大的单索面斜拉桥。

门形索塔在两塔柱之间设有横梁，组成了门形框架，构造较单柱式塔复杂，但抵抗横向水平荷载的能力较强，并且构造相对简单，施工方便，一般用于桥面宽度不大的双索面斜拉桥，早期的索塔都仿照悬索桥采用门式的。

A形、倒Y形、菱形索塔的特点是结构横向刚度大，但构造、受力复杂，施工难度较大，既适用于单索面，也适用于双索面，多用于大跨径斜拉桥中。

对较大跨径的斜拉桥，从改善扭振的角度出发，一般倾向于采用A形或倒Y形的索塔。

a）A形b）倒Y形c）单柱形d）双柱形e）门形

f）花瓶形g）钻石形图

图1.2索塔横桥向造型基本形式

斜拉桥索塔一般由基础、承台、下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、塔柱拉索锚固段及塔顶建筑等八大部分组成（或其中几部分组成），如图1.3。

塔柱是索塔的主要构件，塔柱之间设有横梁或其他连接构件。

塔顶横梁及竖直索塔之间的中间横梁是非承重横梁，只承受自身重力引起的内力。

设有主梁支座的受弯横梁、竖塔柱与斜塔柱相交点处的受拉横梁是承重横梁，除承受自身重力外，还承受其他的轴向力和弯矩。

有的塔柱、横梁作为索塔面内的组成构件共同参与抵抗风力、地震力及偏心活载。

组成索塔的塔柱及横梁的截面形状和截面尺寸应根据结构强度、刚度、稳定性要求并结合拉索在索塔上的锚固要求来确定。

主塔的截面形状总的来讲可分为实心截面和空心截面，沿塔高又可采用等截面和变截面的布置方式，外观形状可分为矩形、H形、对称和非对称的多边形等，如图1.4。

塔柱之间的横梁（不管是承重横梁还是非承重横梁），以及塔柱之间的其他连接构件，它们的截面形式由塔柱的截面形式决定，一般采用矩形实心截面、T形实体截面、工字形实体截面或矩形空心截面等形式。

图1.3索塔的组成

（a）实心矩形截面（b）实心非对称五变形截面（c）实心H型截面（d）空心矩形截面

（e）空心非对称五边形截面（f）空心非对称五边形截面（g）空心正六边形截面（g）空心六边形截面

图1.4索塔截面形式

1.3研究的内容

索塔在整个斜拉桥体系中是一个重要的支撑构件，斜拉桥的活载和恒载几乎全通过索塔传递到下部的塔墩和基础。

考虑到索塔混凝土材料的弹塑性、收缩徐变效应，以及索塔受风力、斜拉索大吨位拉力等外力作用，索塔受力相当复杂，并且变形和应力分布具有明显的空间性。

在斜拉桥上部结构施工时，索塔将受到不平衡的纵横向水平力作用，悬臂节段塔顶发生变位。

如果变位过大，则塔底截面混凝土有可能出现拉应力，这对索塔这个受压构件来说是极其危险的。

在整个桥梁的施工中，结构体系的受力状态是不断变化的，索、梁、塔间相互影响，斜拉索索力的变化将给索塔的内力造成显著的变化。

且由于索塔分节段施工，混凝土的收缩徐变效应对索塔的施工控制及成桥后的影响需要进行研究。

对于超大跨度斜拉桥，索塔的高度也越来越高，索塔的稳定性也需要进行验证。

因此，研究施工阶段不同荷载工况、不同施工方法、不同顺序对塔结构的影响、索塔各截面的应力、位移是否满足要求、索塔线形是否满足要求、超高索塔的锚固点的控制等，是本文所应研究的问题。

本文以武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道跨京广铁路斜拉桥为工程背景，作一下研究：

1、对斜拉桥整体结构进行有限元分析，首先采用大型通用软件MIDAS软件对武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道跨京广铁路斜拉桥进行有限元正装迭代计算，得到整体结构的受力情况和位移状况，同时得出合理成桥状态下的斜拉索索力、下横梁内力及索塔的内力、应力、位移；进而推算出施工至裸塔成型阶段的线形与应力。

2、对索塔施工阶段进行有限元分析，利用大型通用软件MIDAS建立武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道跨京广铁路索塔分节段施工模型，模拟施工过程，按照不同的荷载工况对武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道跨京广铁路索塔进行了计算分析，得到索塔分段施工各阶段的计算线形与应力。

其中包括施工阶段索塔在静风荷载作用下的分析，在温度荷载作用下的分析，研究索塔结构的收缩徐变效应，论述收缩徐变理论及其计算方法，分析混凝土收缩徐变效应对索塔结构产生的影响；对于主塔主要部位的不同施工方法的结构应力与线形比较分析，则采用软件建立对比模型，对混凝土索塔悬臂施工过程中的受力、温变、内支撑主动施加力等进行仿真分析。

同时，研究索塔结构的收缩徐变效应，分析混凝土收缩、徐变对索塔结构产生的影响，为索塔结构施工控制提供参考依据，为工程设计和施工提供重要的参考依据。

第二章斜拉桥整体结构静力分析

本章以在建的主跨138m的武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道跨京广铁路斜拉桥大桥混合梁斜拉桥施工控制为背景，对各个施工阶段进行模拟分析，得出合理成桥状态下斜拉索的索力以及索塔的内力、位移参数，推算出施工至裸塔成型阶段的线形与应力。

2.1工程概述

本工程位于汉口地区东北方向，由现状的黄埔大街和金桥大道组成，起于黄浦路立交落地点，止于三金潭立交，全长约6.0km。

是汉口地区南北向重要的城市快速路，是联系城市一环线、二环线、三环线的放射线和快速出城通道。

主桥为独塔双索面预应力混凝土箱梁斜拉桥，全长260米，主跨138米，跨度组成为138+（81+41）=260米。

标准桥面宽度组成：

2.5（索锚区）+0.5（防撞护栏）+15.75（行车道）+1.5（中间分隔带）+15.75（行车道）+0.5（防撞护栏）+2.5（索锚区）=39.0米，从里程K2+343.144至K2+177.6方向由39米宽渐变至49.899米。

051#墩为主塔墩，主塔和下横梁之间采用塔、梁、墩固结体系，边墩和辅助墩处竖向均设置活动盆式橡胶支座。

索塔采用“A"型结构，包括塔座、下塔柱、下横梁、中塔柱、中横梁、上塔柱、上横梁。

索塔总高度为101.7米，桥面以上为79.0m，塔上索距为1.8米、1.7米和2.3米。

主塔塔座高度为2米，顶面尺寸为9.0米x12.0米，底面尺寸为13.0米X16.0米。

下塔柱高为18.3米，横桥向宽为3.5米～6米、顺桥向宽为6.5米～8米，采用单箱单室截面，基本壁厚为1.3米x1.5米，在根部及与下横梁交界部范围内壁厚逐渐加厚。

中塔柱高48.2米，横桥向等宽3.5米、顺桥向等宽6.5米，采用单箱单室截面，基本壁厚为1.0米x1.5米，顶底部与中下横梁交界部位一定范围内壁厚逐渐加厚。

上塔柱高35米，横桥向等宽3.5米、顺桥向等宽6.5米，采用单箱单室截面，侧墙基本壁厚为1.0米、锚固墙均为1.4米，顶底部与上下横梁交界部位一定范围内壁厚逐渐加厚。

上塔柱内设置斜拉索锚块。

塔顶部为1.5m上横梁。

主塔结构为塔梁固结体系，下横梁即主梁T0节段，其顶同主梁一样设置1.5%斜坡，由于桥梁主跨主梁的加宽，主塔横向中心线与主梁中心线不重合，主梁中心线处高6米，横桥向均为42.6米，顺桥向宽6米，采用上下箱型截面，顶板厚度为0.9米，中隔板厚度为0.8米、底板厚度为0.6米，腹板厚度为1.5米，上横梁高1.5米，横桥向为10.84米，顺桥向同塔柱等高，采用矩形截面。

主塔横梁内设置预应力，采用fPK=1860MPa、φ15.2mm高强度低松弛钢绞线，上塔柱斜拉索锚固区设置“井”字形预应力，采用fPK=785MPa、JLφ32mm精轧螺纹钢预应力粗钢筋，在塔柱纵横向每侧塔壁分别布置2排、4排。

塔柱截面竖向配有φ32mm受力主筋，间距15cm，采用套筒连接，上中下塔柱配筋率不小于1%。

箍筋采用φ20mm，拉筋采用φ16mm。

塔柱外表面均设φ6mm,钢筋网片。

主塔采用C55级混凝土。

斜拉索采用扇形双索面布置，全桥共20对斜拉索，共80根。

斜拉索采用φ7mm镀锌涂层高强平行钢丝斜拉索，外挤双层PE，内层为黑色，外层为彩色，钢丝标准强度fPK=1670MPa。

斜拉索规格共七种，即：

187φ7，211φ7，241φ7，265φ7，283φ7，313φ7，337φ7。

金桥大道跨京广铁路斜拉桥主梁施工节段划分：

竹叶山侧主跨包括0#（21米/2）、MB1～MB20（长均为6米挂篮悬浇段），MB21（2米长合拢段），MB22（5.4米长直线段），机场侧边跨包括0#（21米/2）、BB1～BB6（支架现浇段）。

金桥大道跨京广铁路斜拉桥主塔施工，拟采用爬模施工，分14次浇注完成，1～6次每次浇注5.85m，第7次浇注5.50m，8～13每次浇注5.35m，最后一次浇注3.6m。

塔柱截面横桥向宽3.5m、顺桥向宽6.5m，采用单箱单室截面，中塔柱基本壁厚为1.0m×1.5m,上塔柱基本壁厚为1.0m×1.4m。

根据主塔设计图纸和施工组织设计图，中塔柱与上塔柱均设置三道水平横撑；每道横撑为两根Φ630×12的钢管。

技术标准：

（1）桥梁等级：

双向6车道城市快速路；

（2行车速度：

60km/h；

（3）荷载标准：

公路I级；

（4）桥涵宽度：

39.0m～49.899m；

（5）桥面纵坡：

等于1.5%；

（6）通航标准：

通航净高不小于24m；通航净宽：

（7）地震：

地震动峰值加速度为0.1g设防；

2.2武汉市黄浦大街-金桥大道快速通道斜拉桥有限元模型的建立

采用有限元法对桥梁结构进行静力分析时，首先将构件离散化，由节点坐标等单元几何性质、单元的材料性质参数、边界点约束条件及荷载情况确定单元总数等控制参数以及单元和节点间的对应关系。

进行单元特性分析时，单元节点力和位移间的关系式为：

[K]{U}={P}

式中：

[K]为刚度矩阵；{U}为单元节点位移列阵；{P}为单元节点力列阵。

本文采用基于上述原理且考虑非线性因素影响及收缩徐变影响的MIDAS桥梁计算软件进行有限元计算。

计算采用非线性正装迭代有限元法求解。

用该程序进行有限元法分析时，考虑斜拉桥几何非线性问题，即：

斜拉索单元采用带刚臂的悬链线索元模拟，主梁单元和索塔单元的梁柱效应采用带几何刚度矩阵的梁元模拟，结构的大位移效应采用CR列式法考虑。

计算模型简图见图2.1所示。

模型中，共有104个节点，103个单元。

其中1～69号单元为主梁单元，70号单元为竹叶山侧边墩单元，73～103号单元为主塔单元，71号单元为机场侧过渡墩单元，72号单元为机场侧边墩单元，104～143号单元为斜拉索单元。

图2.1结构计算模型图

2.2.1结构材料

表2.1模型主要材料计算参数汇总

单元类型

材料类型

容重（kN/m3）

弹性模量MPa

线膨胀系数

混凝土箱梁

C55砼

26.0

3.45E4

1.0E-5

桩基

C30砼

26.0

3.0E4

1.0E-5

承台

C35砼

26.0

3.15E4

1.0E-5

边墩及辅助墩

C40砼

26.0

3.25E4

1.0E-5

主塔

C55砼

26.0

3.55E4

1.0E-5

支座

聚乙烯

0（不计自重）

3.0E4

1.0E-5

斜拉索

钢绞线

86.0

1.95E5

1.2E-5

临时支架

钢管

0（不计自重）

2.1E5

1.2E-5

2.2.2施工工况及边界条件的模拟

分阶段施工方法和施工顺序直接影响到各个施工阶段的成桥状态的几何构型和内力状况。

每一施工阶段都可能伴随结构构形变化；构件材料的徐变、收缩；边界约束增减；预应力张拉和体系转换等。

一方面，施工方法和施工顺序一经确定，几何构型和内力状况可以唯一计算确定；另一方面，也可以用施工方法和施工顺序的变化来调整和改变几何构型和内力状况。

后期结构的受力状态与力学性能与前期施工过程有很大的关系。

因此，分段施工中的施工过程模拟计算必须严格按照各个施工阶段的实际形式进行。

施工过程模拟计算主要包括结构构件形成、预应力筋作用、施工荷载形式、结构体系转换等模拟计算。

本桥的施工仿真采用前进分析法、累加模型，根据前述的总体结构信息、施工方式信息及各个施工阶段的荷载信息对该桥进行有限元分析。

2.2.3张拉索力的确定

在计算中，先假定一个张拉索力，按正装计算得到一个成桥状态，将该成桥状态与事先定好的合理成桥状态比较，按最小二乘法原理使两个成桥状态相差最小，以此来修正张拉索力，再进行新的一轮正装计算，直至收敛为止。

该方法只需作正装计算，且将不闭合原因造成的影响通过最小二乘法原理减小到最低限度。

其基本思路下图2-2。

图2.2正装迭代法框图

通过索力的调整，最终可以使该组张拉索力计算出的成桥状态与事先定好的合理成桥状态吻合，在计算中确定的斜拉索初始张拉力见图2-2。

表2.2主跨侧线路中心线右侧索力计算汇总

索号

截面组成φ7mm钢丝数量N

截面面积A

索力

支承板面斜拉索中心坐标

主梁

主塔

XB

YB

ZB

XT

YT

ZT

（根）

（mm2）

（t）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

MC1-R

187

7196.6

386.4

122.200

-18.195

35.596

136.779

-12.814

75.820

MC2-R

187

7196.6

416.5

113.200

-18.137

36.059

137.156

-11.939

79.734

MC3-R

211

8120.2

458.5

110.200

-18.102

33.274

137.171

-11.296

82.376

MC4-R

211

8120.2

496.5

104.200

-18.076

36.385

136.829

-10.908

83.791

MC5-R

241

9274.8

530.8

98.200

-18.057

36.527

136.505

-10.524

85.285

MC6-R

241

9274.8

563.7

92.200

-18.044

36.620

136.489

-10.090

87.165

MC7-R

265

10198.4

604.0

83.200

-18.033

36.680

136.476

-9.666

89.002

MC8-R

265

10198.4

634.8

80.200

-18.025

36.715

136.463

-9.250

90.811

MC9-R

283

10891.1

660.6

74.200

-18.018

36.736

136.452

-8.840

92.599

MC10-R

283

10891.1

683.1

68.200

-18.012

36.749

136.442

-8.433

94.372

MC11-R

313

12045.7

713.0

62.200

-18.008

36.755

136.433

-8.030

93.133

MC12-R

313

12045.7

733.2

53.200

-18.003

36.755

136.425

-7.629

97.886

MC13-R

313

12045.7

753.9

50.200

-18.000

36.752

136.417

-7.229

99.632

MC14-R

313

12045.7

770.7

44.200

-17.997

36.745

136.411

-6.831

101.371

MC15-R

313

12045.7

783.4

38.200

-17.994

36.735

136.404

-6.435

103.107

MC16-R

313

12045.7

788.7

32.200

-17.992

36.722

136.399

-6.016

104.936

MC17-R

313

12045.7

808.4

23.200

-17.990

36.707

136.394

-5.599

106.763

MC18-R

313

12045.7

798.8

20.200

-17.988

36.691

136.390

-5.182

108.587

MC19-R

313

12045.7

797.0

14.200

-17.987

36.674

136.386

-4.766

110.408

MC20-R

313

12045.7

787.2

8.200

-17.985

36.655

136.382

-4.351

112.228

表2.3主跨侧线路中心线左侧索力计算汇总

索号

截面组成φ7mm钢丝数量N

截面面积A

索力

支承板面斜拉索中心坐标

主梁

主塔

XB

YB

ZB

XT

YT

ZT

（根）

（mm2）

（t）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

MC1-L

187

7196.6

393.5

122.200

21.206

35.550

136.776

14.752

75.807

MC2-L

187

7196.6

422.0

113.200

21.533

36.007

137.156

13.850

79.732

MC3-L

211

8120.2

463.9

110.200

21.885

33.217

137.172

13.207

82.376

MC4-L

211

8120.2

501.2

104.200

22.246

36.322

136.830

12.844

83.789

MC5-L

241

9274.8

536.0

98.200

22.615

36.458

136.505

12.482

85.283

MC6-L

241

9274.8

568.5

92.200

22.989

36.545

136.490

12.049

87.163

MC7-L

265

10198.4

608.9

83.200

23.366

36.600

136.476

11.627

89.000

MC8-L

265

10198.4

639.5

80.200

23.746

36.629

136.463

11.212

90.809

MC9-L

283

10891.1

665.3

74.200

24.127

36.644

136.452

10.802

92.597

MC10-L

283

10891.1

690.7

68.200

24.509

36.651

136.442

10.396

94.370

MC11-L

313

12045.7

717.9

62.200

24.892

36.652

136.433

9.993

93.131

MC12-L

313

12045.7

740.9

53.200

25.276

36.646

136.425

9.593

97.884

MC13-L

313

12045.7

758.5

50.200

25.660

36.637

136.418

9.194

99.630

MC14-L

313

12045.7

775.1

44.200

26.045

36.624

136.411

8.796

101.370

MC15-L

313

12045.7

787.6

38.200

26.431

36.608

136.405

8.400

103.105

MC16-L

313

12045.7

792.5

32.200

26.816

36.589

136.399

7.982

104.935

MC17-L

313

12045.7

811.7

23.200

27.202

36.569

136.394

7.565

106.761

MC18-L

313

12045.7

801.5

20.200

27.588

36.547

136.390

7.149

108.585

MC19-L

313

12045.7

799.1

14.200

27.975

36.524

136.386

6.733

110.407

MC20-L

313

12045.7

788.4

8.200

28.361

36.500

136.382

6.318

112.226

表2.4边跨侧线路中心线右侧索力计算汇总

索号

截面组成φ7mm钢丝数量N

截面面积A

索力

支承板面斜拉索中心坐标

主梁

主塔

XB

YB

ZB

XT

YT

ZT

（根）

（mm2）

（t）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

（m）

SC1-R

187

7196.6

375.1

153.