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大跨悬索桥中新型钢管混凝土组合桥塔的应用
摘要：卡哈洛金沙江特大桥为主跨为1030m单跨悬索桥，针对山区桥梁施工场地狭小，区间运输能力差且该桥桥址地震设防烈度高的特点，开展悬索桥桥塔结构型式的研究。基于＂框架－剪力墙＂设计思想提出钢管混凝土组合塔的结构形式，静力下钢管混凝土柱与混凝土腹板组成框架共同承担竖向荷载，罕遇地震下利用钢管混凝土材料强度高且延性好的特点提高抗震能力。文章通过有限元分析对比钢管混凝土组合桥塔与传统钢筋混凝土桥塔的抗震性能，并对混凝土腹板的稳定性进行研究，结果表明：钢管混凝土组合桥塔具有良好的综合抗震性能，混凝土腹板厚度达到25cm即可满足桥塔腹板局部稳定需求。
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对钢管混凝土结构的深入研究始于二十世纪六七十年代，早期的钢管混凝土结构采用的钢管多为热轧管，壁厚较大，且受到当时管内混凝土浇筑技术的限制，钢管混凝土的优势未得到有效发挥[1]。二十世纪八十年代后，由于先进的泵送混凝土工艺解决了管内混凝土浇筑的难题，加上钢管混凝土的套箍效应能克服高强混凝土脆性的缺点[2],对钢管混凝土的研究进一步成为热门课题之一。
现在常用的设计理论为钢管混凝土套箍理论和钢管混凝土“统一”理论[3]。
套箍理论原理为：核心区混凝土对钢管外壁有径向约束作用，避免钢管外壁过早屈曲，钢管外壁对核心区混凝土有套箍作用，延缓混凝土纵向开裂并提升其强度，两种材料取长补短，使钢管混凝土结构具有较高的承载力，同时具备良好的塑性与韧性[4]。
“统一”理论原理：钢管混凝土的工作性能随着物理参数、几何参数和应力状态的改变而改变，变化是连续的、相关的。把钢管和混凝土视为组合而成的新型材料，用构件整体几何特性和组合性能指标来计算构件的各项承载力。
钢管混凝土在桥梁结构中的应用，主要用于桥墩与拱肋这种主要承受轴向压力的构件，悬索桥桥塔的应用几乎没有[5]。本文采用有限元的方法比较钢管混凝土组合桥塔与传统钢筋混凝土桥塔的受力状态，并分析了钢管混凝土腹板厚度对桥塔稳定性的影响。
1、工程概况
卡哈洛金沙江特大桥是沿江高速新金段跨越金沙江的特大悬索桥，为我国首次在千米级悬索桥桥塔应用钢管混凝土技术，该桥主缆跨径布置为(240+1030+309)m,成桥状态下中跨垂跨比为1/9.5,主梁为钢桁梁，桁宽28m,桁高7m,标准段吊索纵向间距为13.8m,四川岸锚碇采用框架基础重力式锚碇，云南岸锚碇采用扩大基础重力式锚碇，桥塔为钢管混凝土组合式门型塔，桥塔横梁采用波形钢腹板钢-混组合横梁。大桥总体布置见图1。
本桥结合总塔高及桥面对主塔的分割比例，采用2层门式钢架结构。四川岸主塔由IP点到承台顶面为175m,云南岸主塔由IP点到承台顶面为197m。
钢管混凝土组合塔截面构造见图2,钢管混凝土组合塔骨架节段立面见图3,为四肢格构柱及柱间混凝土腹板形成的单箱单室截面，采用分节段安装的4根钢管与型钢横撑、斜撑形成骨架，骨架采用的钢构件与立柱钢管间采用节点板拼接或焊接连接，横桥向设置水平撑，纵桥向设置水平撑和交叉斜撑。在骨架钢管内灌注C80混凝土，钢管壁外包20cm厚的C30混凝土，钢管之间浇筑C30腹板，塔柱每23.6m设置一道横隔板，两道横隔板中间11.8m的位置。
自上而下设两道横梁，采用钢-砼组合结构。横梁骨架是4肢水平钢管与塔身主钢管焊接形成，横梁水平顶、底板为预应力混凝土结构，横梁竖直方向腹板采用波形钢腹板，上横梁设置两道波形钢腹板，下横梁为应对较大的地震剪力设置三道波形钢腹板。
上、下横梁两外侧波形钢腹板与塔身主管以及横梁钢管之间的连接采用全熔透相贯焊缝连接，下横梁中间波腹板与预埋在横梁顶、底板的工字钢全熔透焊接，侧面与塔身侧壁混凝土的连接采用埋入式连接。
2、钢管混凝土组合塔
2.1 工况设置
为对比不同尺寸下钢筋混凝土桥塔与钢管混凝土组合塔的内力水平，设计了5种方案进行比较，参数设置见表1。
桥塔为不等高布置，两岸桥塔塔顶尺寸相同且向下变化斜率一致，表中塔底尺寸指高塔塔底尺寸，矮塔塔底尺寸根据矮塔高度线性内插。
2.2 钢管混凝土组合塔对抗震性能的改善
通过有限元软件建立以上5种方案的空间动力全桥模型，采用时程分析方法，地震动作用同时考虑了水平向和竖向作用，得到了桥塔塔底的内力响应，结果见表2、表3。
由表2、表3可知：
(1)钢管混凝土组合塔相对于钢筋混凝土塔能大幅改善桥塔的地震响应，纵向地震力作用下高塔塔底弯矩能减小44%。
(2)因为钢管混凝土组合塔横梁采用的是钢管桁架横梁，横梁框架效应较钢筋混凝土横梁弱，横向地震力作用下钢管混凝土组合塔塔底弯矩略大于钢筋混凝土桥塔。
(3)由于变截面塔相对于等截面塔更符合内力变化趋势，且能有效减少重量，有利于减小地震响应。
(4)设置中央扣之后，纵桥向地震作用下高塔弯矩与剪力进一步下降，矮塔弯矩与剪力略微上升，说明中央扣能协调弯矩与剪力在两桥塔之间的分配，使地震反应更加均匀。
2.3 工程数量对比
将方案一的钢筋混凝土桥塔和方案五的钢管混凝土组合塔的工程数量进行对比(表中数量为两岸桥塔总量),见表4、表5。采用钢管混凝土组合塔能有效减小塔身自重，总重减少13123t。由于塔身自重减少相应承台桩基的尺寸也可进行优化，四川岸承台尺寸由(29.8×29.8×7.5)m减小为(29.5×23.25×6.0)m,桩基数量尺寸由50-ϕ3.0m减小为24-ϕ3.0m;云南岸承台尺寸由(28.8×28.8×7.5)m减小为(28.5×21.0×6.0)m,桩基数量尺寸由50-ϕ3.0m减小为40-ϕ2.5m,优化后基础混凝土可节约18571m3,钢筋节约2222t,总造价节约3860×104元。钢管混凝土桥塔轻质高强，能高效利用材料，减小材料用量，符合低碳环保的设计理念，具有良好的经济优势。
2.4 腹板稳定性
钢管混凝土组合塔承受的偏压荷载由钢管混凝土主管截面与钢筋混凝土箱型截面共同承担，钢筋混凝土箱型截面腹板壁厚较薄，面外刚度小，即使有横隔板与横向加劲肋减小其自由长度，腹板仍有产生局部失稳的风险，研究腹板失稳临界厚度能为腹板尺寸的拟定提供定量依据。
将桥塔腹板简化为四边简支板，根据四边简支板的弹性屈曲理论，弹性屈曲稳定安全系数λ取为5,可导出发生局部失稳时板的临界宽厚比：公式1。
式中：b为腹板短边宽度；t为腹板厚度；Ec为混凝土的弹性模量；fck为混凝土轴心抗压强度标准值。
本桥腹板采用C30级混凝土，取高塔底部的腹板短边宽度计算出局部失稳时的临界板厚为0.23m。
为保证结果的正确性，分别采用Midas与Ansys两款有限元软件建立梁板模型，在桥塔模型顶部施加单位力进行屈曲分析，得到结果见表6。
由表6可知：两种有限元软件结果很接近，腹板在首阶模态屈曲时的厚度均为20cm,腹板厚度达到25cm时，首阶屈曲模态为桥塔横向整体失稳，可推断有限元模拟出的局部失稳临界板厚在20～25cm之间。
有限元模拟的结果与前述弹性理论得出的结果是吻合的，可得出钢管混凝土组合塔腹板局部稳定的结论：腹板板厚大于25cm时，局部稳定系数大于整体稳定安全系数，且稳定安全系数大于5。结合桥塔的抗震计算结果，下塔柱腹板厚度设计为50cm,上塔柱腹板厚度设计为40cm,可同时满足静力工况和地震工况下强度、刚度和稳定性需求。
3、结束语
针对卡哈洛金沙江特大桥开展桥塔型式论证，基于安全、适用、经济、美观的设计准则，将钢管混凝土组合塔和钢筋混凝土桥塔进行多方案技术分析对比，并对钢管混凝土组合塔的腹板稳定性进行了研究。主要结论如下：
(1)钢管混凝土组合塔相对于钢筋混凝土塔能显著改善桥塔的地震响应。
(2)采用钢管混凝土桥塔可节省大量材料进而节约造价，具有较好的经济优势。
(3)腹板厚度达到25cm即可满足稳定性需求，设计厚度由强度和构造控制。
相对于混凝土桥塔而言，钢管混凝土组合桥塔能有效减少混凝土用量，从而降低其地震响应，同时能大幅节省基础材料，有利于减少造价、保护环境，是高烈度地震区以及复杂山区下的新型桥梁结构，具有广阔的推广应用前景。
参考文献:
[1]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004:7.
[2]蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J].土木工程学报,1999(4):16-26.
[3]牟廷敏,范碧琨,赵艺程,等.钢管混凝土桥梁在中国的应用与发展[J].公路,2017,62(12):161-165.
[4]马建锋.钢管混凝土抗弯构件的稳定性及在桥墩中的应用[D].南京:南京理工大学,2009.
[5]钱稼茹,程丽荣,周栋梁.普通箍筋约束混凝土柱的中心受压性能[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(10):1369-1373.
[9]杨建林,庞建军.薄壁空心高墩局部及整体稳定性分析[J].工业建筑,2015,45(11):122-125.
文章来源：汪洋,陈立,陶齐宇.新型钢管混凝土组合桥塔在大跨悬索桥中的应用[J].四川建筑,2021,41(05):112-114+118.
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近年来，随着我国经济驱动模式由劳动密集型逐步转化为技术密集型，国内经济发展对高级人才的依赖度日趋上升。因此，有效推进高校教育教学改革，提升高校人才培养质量，使高校人才教育质量与国家社会经济发展需求相匹配，具有极为重要的现实价值与理论意义。
2023-07-01
随着社会经济持续发展，桥梁工程持续增多，而要处理的问题也在不断增加，其中比较突出的当属软土地基施工问题。软土地基对桥梁施工有一定的影响，必须要采用合适的处理技术和质量管理对策，才能满足桥梁施工要求。据此，本文先对软土地基概念、特点、危害进行了简单阐述，然后提出了桥梁工程软土地基施工影响因素，最后探讨了桥梁工程软土地基处理技术和质量管理对策。
2022-04-25
交通代表着一个城市的发展速度和城建力度，我们国家越来越注重交通事业的发展，在桥梁建设中取得了很大的成绩。在工程实践中，刷新了很多桥梁跨度的记录，虽然桥梁建设突飞猛进，但是在桥梁质量方面，更需要提出更高的要求和标准，这样才能更好的建设桥梁。对于大跨径连续桥梁的施工技术，在桥梁建设施工中属于难度较大的工程，在这方面还有很多不足和需要改进的地方。
2022-04-07
铁路桥梁承台墩身混凝土的施工水平会直接影响整个桥梁工程的质量，而在铁路桥梁承台墩身混凝土施工中，温度的高低是影响施工水平的重要因素之一，在冬季时，混凝土承力强度会发生不同变化，同时还会出现受冻冷缩，进而影响承台墩身的施工质量。因此，必须从多方面入手，加强对铁路桥梁承台墩身冬季混凝土施工工艺的控制。
2021-12-27
冬季是高速公路桥梁养护的重要时期，其经过寒冷和低温天气的冲击，非常容易出现冻融、崩裂、变形等问题，进而给正常通行带来较大负面影响，甚至可能诱发安全事故。基于此，本文结合G30高速公路养护工程，首先分析了高速公路桥梁冬季养护的影响因素，包括雪水、持续低温等因素，进而阐述养护工作的特点与重点，最终提出了详细的高速公路桥梁养护建议。
2021-12-27
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2021-11-26
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2021-11-03
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