董 军，哈经纬，葛世超，李国华，向学建

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 102616；2.中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100082)

0 引言

钢管混凝土组合结构在受力性能上具有较大的优越性，在桥梁工程建设中得到越来越广泛的应用，但将其应用于斜拉桥索塔中尚属于起步阶段。刘子君等[1]采用子结构法，通过有限元分析验证钢管混凝土独塔斜拉桥塔墩梁结合段构造设计的合理性。吴巨军[2]以金寨县长征大桥为工程实例，提出钢管混凝土组合结构桥塔可参照 JTG/T D65—06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》进行设计计算，采用特征值屈曲分析判断了桥塔整体稳定性良好，通过数值模拟验证了采用钢管混凝土组合结构桥塔的斜拉桥具有良好的力学性能。陈猛[3]分析了后湖斜拉桥圆端形钢管混凝土塔柱受力性能，论证了该种形式塔柱受力性能的优越性，并根据现场实测数据、数值模拟结果等，确定了结构最不利应力状态。杨飞[4]采用MIDAS/Civil软件建立了朝阳大桥三维模型，采用联合截面法模拟了钢管混凝土组合结构桥塔，更真实地模拟了构件状态。刘钊等[5]结合某钢管混凝土塔柱斜拉桥，指出钢管混凝土柱具有良好的荷载-位移滞回性能和抗局部屈曲能力。

本文依托钢管混凝土独塔双索面斜拉桥——息县淮河大桥，对斜拉索安装过程中索塔受力性能及稳定性进行分析，得到结构最不利受力及位移，为现场施工与监控提供参考。通过与实测数据进行对比，验证计算模型及方法的可靠性。

1 工程概况

息县淮河大桥为独塔双索面斜拉桥，主桥跨度布置为(100+75)m，索塔倾斜10°，如图1所示。

图1 息县淮河大桥主桥示意

桥梁整幅布置，宽24.0m。索塔使用钢管混凝土组合结构，采用双柱形式，构造上采用塔、梁和墩固结形式。桥面以上塔高59.91m，下塔柱采用2根直径2.5m的圆柱形钢管混凝土结构，2根下塔柱顺桥向净距2m，如图2所示。中塔柱为索塔锚固区，将钢管合二为一，形成一箱多室圆端形截面，在2个D形室内填充混凝土，如图3所示。上塔柱为长短不同、直径为2.5m的装饰塔尖。

图2 下塔柱横截面

图3 中塔柱横截面

2 关键施工技术

桥梁各组成部分刚度相差悬殊，且整个结构存在大量多余约束，受自然环境、施工技术及施工精度等因素影响，整桥通过满堂支架现浇混凝土，分阶段进行施工，同时在施工过程中实时监测各关键位置受力及变形，及时纠偏和调整，从而保证整个施工过程安全。

施工过程中，主塔钢结构采用自升式塔式起重机在墩位处分节吊装组拼，索塔共14个节段(见图4)，其中节段1～5(钢塔)采用支架柱+支架面辅助施工，节段6～12(桥)采用斜拉索索塔自平衡法施工，节段13，14为空钢管，无须灌注混凝土，利用塔式起重机施工。索塔混凝土自下而上灌注，塔管利用塔式起重机对位施工，每节钢结构安装就位后进行电焊对接，焊接完成后安装下节钢结构。索塔施工完成后进行斜拉索张拉施工，左、右斜拉索按顺序依次张拉。

图4 索塔节段划分示意

索塔空间位置可衡量斜拉桥是否处于正常状态。索塔主要承受轴向压力，当索塔轴线实际位置偏离设计位置时，索塔轴力会引起附加弯矩，附加弯矩会加剧索塔轴线偏离正常位置。因此，对索塔受力及变形稳定性进行分析是保证安全施工的重要保障和前提。

3 数值模拟分析

将钢管混凝土索塔结构作为主要研究对象，为简化计算，引入以下假设：①假设1 桥墩及0号块按照实际情况建模，为减少计算时间，假设其为刚体；②假设2 简化斜拉索建模，使索力合理传至索塔，将斜拉索假设为刚度极高的实心钢材；③假设3 索塔底部与桥墩及0号块固结，即索塔底部x，y，z向均不发生位移及转动。

3.1 材料本构关系模型

钢管内的混凝土处于三向受压状态，使核心混凝土强度大于单向受压时的强度。对于本工程核心混凝土，采用韩林海等[6]提出的核心混凝土本构关系模型，混凝土受压应力-应变关系曲线如图5所示，受拉应力-应变关系曲线如图6所示。

图5 混凝土受压应力-应变关系曲线

图6 混凝土受拉应力-应变关系曲线

钢管选用Q345qD级钢，应力-应变关系曲线一般可分为弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次塑流段，本研究选用理想的弹塑性本构模型[7-10]，即钢材屈服后，应力不再增加，如图7所示。

图7 钢材应力-应变关系曲线

3.2 计算模型

基于ABAQUS软件进行有限元几何建模与计算分析。C3D8R单元为线性减缩积分单元[11-12]，具有位移结果较精确、结点应力精度低于完全积分、计算时间短、网格划分较细、弯曲荷载不易发生等优点，适用于严重扭曲的模拟。因此，选择C3D8R实体单元模拟索塔。

C50混凝土轴心抗压强度标准值为32.4MPa，轴心抗拉强度标准值为2.65MPa，同时定义混凝土损伤塑性、压缩损伤与拉伸损伤[13-15]。Q345qD钢材屈服强度为345MPa。索塔预应力拉杆筋采用75/100级高强度精轧螺纹粗钢筋，直径为32mm。钢材有限元模型与混凝土有限元模型材料属性设置如表1所示。

表1 材料属性参数

网格剖分是开展有限元分析的重要前提，对于重点关注部位可适当加密网格。本研究采用标准六面体的形式进行网格划分，全模型共由44 424个C3D8R单元组成，共划分80 657个结点。模型共由18个构件装配而成，构件名称及网格划分种子密度如表2所示。

表2 构件名称及网格划分种子密度

3.3 构件接触、边界条件与荷载

模型中共设置4处钢管与混凝土的摩擦接触，分别为moca1～moca4，摩擦系数设定为0.6，法向设置“硬接触”。节段6～12横向拉杆筋分为5部分，以“内置区域”方式设置其与钢管及混凝土的相互接触关系。下部桥墩及主梁部分设为刚体，索塔下部钢管与混凝土设置位移与转角边界条件为约束所有自由度，即采用固支边界条件。肋板及内支撑采用绑定方式进行耦合连接。

索力按照实际斜拉索受力角度和大小进行设置，加载类型为“压强”，分布形式为“合力”，如图8所示。在索塔两侧自下而上非对称布置斜拉索各13对(编号为1～13)，共52根。依据施工过程分为13种荷载工况，如表3所示。

图8 斜拉索荷载布置

表3 荷载工况设置

4 计算结果与分析

4.1 应力

针对研究对象索塔的结构特点，沿竖直方向选取3个特征点作为测点，如图9所示。计算得到斜拉索安装过程中不同测点处钢管、核心混凝土Mises应力变化曲线，如图10所示。

图9 索塔测点布置示意

图10 不同测点处Mises应力变化曲线

由图10可知，随着斜拉索依次张拉，测点1钢管峰值应力达250.05MPa，核心混凝土峰值应力达14.22MPa；测点2钢管峰值应力达51.36MPa，核心混凝土峰值应力达2.26MPa；测点3钢管峰值应力达22.78MPa，核心混凝土峰值应力达1.38MPa。测点1峰值应力最大，且峰值应力出现在13号索张拉阶段，应力集中区域为索塔底部固结区域。

将斜拉索安装过程中索塔钢管、核心混凝土Mises应力计算结果与现场实测数据进行对比，如图11所示。由图11可知，测点1钢管实测峰值应力为218.154MPa，较计算值下降12.76%，核心混凝土实测峰值应力为10.655MPa，较计算值下降25.07%；测点3钢管实测峰值应力为19.364MPa，较计算值下降15.00%，核心混凝土实测峰值应力为1.353MPa，较计算值下降1.96%。这是因为有限元计算模型中未设置核心混凝土配筋，导致测点应力偏大，但差值较小。根据计算结果与现场实测数据得到的钢管应力曲线、核心混凝土应力曲线斜率大致相同，表明数值模拟应力变化规律接近实际施工过程中应力变化规律，模拟结果可靠、可信。

图11 不同测点处Mises应力计算与实测结果对比

综上所述，索塔主要承受轴力，各部位应力基本呈线性增长，索塔钢管及核心混凝土均未出现拉应力，表明索力设置合理，施工过程中索塔具有较好的稳定性。在索塔底部区域埋设应力传感器是施工重点，以保证施工质量及结构安全。

4.2 位移

随着斜拉索的张拉，斜拉索索力不断增加，最终导致索塔发生偏移变形，如图12所示。由图12可知，1号索张拉时，索塔位移约为0mm；2号索张拉时，索塔位移突增；随着3～13号索张拉，索塔位移逐渐增加，最终超过30mm，但满足索塔倾斜度

图12 索塔塔中及塔顶位移曲线

对索塔塔顶位移计算结果与现场实测数据进行对比，如图13所示。由图13可知，斜拉索安装过程中，实测索塔塔顶峰值位移为28.72mm，较计算值下降5.06%。根据计算结果与现场实测数据得到的索塔塔顶位移曲线斜率大致相同，表明数值模拟索塔塔顶位移变化规律接近实际施工过程中位移变化规律，模拟结果可靠、可信。

图13 索塔塔顶位移计算与实测结果对比

5 结语

本文依托息县淮河大桥，对钢管混凝土索塔在斜拉索安装过程中的受力及变形进行分析，得出以下结论。

1)对索塔应力计算值与实测值进行对比分析，结果表明索塔底部钢管和核心混凝土应力均较大，即应力集中区域为索塔底部固结区域。

2)对索塔位移计算值与实测值进行对比分析，结果表明索塔在斜拉索索力不断增加的情况下发生偏移变形，索塔最终位移满足倾斜度

3)整个钢管混凝土索塔受力经斜拉索传至索塔底部塔墩梁固结处，此区域为应力集中区域，需埋设应力传感器，此为施工重点，也是保证施工质量及结构安全的关键。