自錨式懸索橋錨碇的設計與研究

杜濤

0 引言

自錨式懸索橋因其自錨體系的獨特優(yōu)勢而越來越受到社會的認同和青睞。但也由于其結構的特殊性，使得錨碇在各個部件中受力最為復雜也最為重要。它不但要承受通常意義上的主纜的錨固作用力，還要承受引橋的部分恒載力以及擔負著將主纜水平力傳遞給加勁梁這么一個“導體”的角色。所以自錨式懸索橋的設計通常要對錨碇的受力情況仔細考慮，并采用合理的結構保證其無論在施工還是在成橋狀態(tài)均滿足應力和穩(wěn)定的要求。

1 工程背景

義烏江自錨式懸索橋坐落在金華市金東新區(qū)，地處金華城市上風向的義烏江兩岸，緊挨著城市中心街道。

義烏江橋主橋采用跨徑為(36+100+36)m，計算跨徑為(33+100+33)m，全長172 m三跨自錨式懸索橋，橋梁全寬31.5 m，設計雙向四車道。纜索呈拋物線型，主跨矢跨比為1/7.519，矢高13.3 m，邊跨矢高1.448m，主纜橫向間距24 m，主纜采用19根平行鋼絲成品索(不帶PE護套)編制排列而成，用冷鑄錨錨固體系錨固在加勁梁兩端。吊桿采用平行鋼絲成品索，冷鑄錨錨固體系。吊桿間距5.0 m，與鋼橫梁一一對應。主梁采用鋼—混凝土疊合梁，標準梁高2.35 m，其中鋼結構在橋梁中心處高度為2.1 m，鋼筋混凝土橋面板厚0.25 m。主塔為鋼筋混凝土結構，塔高為31.278 m，采用線形流暢的半弓形主塔，造型新穎、別致。主塔在橋面以上高度約為16 m，橋面以下(包括橋面和主梁)高度為15.0 m。主梁縱向為全漂浮體系，塔梁分離。

錨碇部分采用混凝土錨箱結構，與鋼箱梁采用剪力丁連接，錨箱端部設置牛腿，將引橋梁體放置其上(見圖1，圖2)。

設計人員將錨碇完全設置于橋面以下，這樣做可以保證橋面的人行道處平坦無障礙，但是卻使得錨碇形心與加勁梁形心偏心過大，主纜傳遞給錨碇的水平力在靠近錨碇處加勁梁產生負彎矩。

另外，引橋的梁體部分重量直接作用到了梁端錨碇上，而設計人員并沒有采取相應的措施，諸如設置錨固跨，讓邊墩來承受引橋恒載;或是在錨碇另一側加設平衡重，以此來抵消引橋恒載引起的負彎矩。

2 與同類橋型的比較

位于大連金石灘景區(qū)的一座混凝土自錨式懸索橋——金灣橋采用了如下方法來處理錨碇的問題:

將錨碇壓重靠近主橋一側，而橋墩靠近引橋一側。用錨碇的壓重來平衡引橋直接作用在錨碇牛腿上所產生的加勁梁負彎矩。將主纜的錨固點上移，盡量使該點與加勁梁形心點偏差減小，同時為了保證錨固處應力合理，將部分錨碇澆筑于橋面以上(見圖3)。

撫順天湖大橋采用如下方法解決錨碇問題:

該橋錨碇比較龐大，所以設置跨徑為15 m的錨固跨，這樣做既可以保證錨碇的穩(wěn)定，又可以讓引橋的重量由錨固跨的邊墩來承擔，使加勁梁不承受引橋產生的負彎矩。錨固構造中使用通長主纜，通過轉索鞍傳遞主纜拉力，這在加勁梁采用鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋中是首次使用。這種構造可以減小錨塊的尺寸，使錨碇處鋼結構在洪水位以上;同時提高了錨碇形心高度，減小了加勁梁的偏心負彎矩(見圖4)。

3 本橋錨碇處的改進措施

鑒于義烏江大橋錨碇設計出現的問題，相關人員提出了多種改進的設想，諸如，鋼箱加勁梁內加壓重、鋼箱加勁梁內澆筑微膨脹混凝土等等。但是由于工期和施工條件的限制，最后決定的方案為:將鋼箱梁變截面段加長加厚(見圖5)。

這樣做的目的有兩個:1)使負彎矩較大處得到加強，保證其下緣應力不至于因為過大而使加勁梁底板屈曲;2)使加勁梁的形心位置從接近錨碇處沿著變截面平緩過渡到標準截面，這樣就可以減小加固段鋼箱梁由于偏心壓力而產生的負彎矩。

改進后的變截面形心高度最大下降了0.776 m，慣性矩最大增加到了標準截面慣性矩的3.2倍。經過計算加勁梁端彎矩由原先的最大負彎矩－30 888 kN·m變?yōu)檎龔澗? 534 kN·m，梁底壓應力由原先的179.7 MPa變?yōu)?2.8 MPa，可見改進設計后梁端應力得到了較大改善。

4 結語

通過對義烏江大橋錨碇設計與改進措施的分析，我們得到如下結論:1)引橋直接作用在錨碇時，可以考慮加設邊墩承擔其荷載(類似于“天湖大橋”，見圖4)或讓橋墩向引橋方向偏移靠錨碇壓重平衡其荷載(類似于“金灣橋”，見圖3);2)可以考慮建立錨固跨，并使用通長主纜減小錨碇體積，借此提高錨碇形心高度，減小錨碇形心與加勁梁形心的偏心距(類似于“天湖大橋”，見圖4);3)可以考慮讓錨固點上移，將部分錨碇體設置于橋面以上(類似于“金灣橋”，見圖3)。顯而易見的是，當錨碇形心與加勁梁形心沒有偏心的情況發(fā)生時是不會在梁端產生負彎矩的，我們通常建立的模型也僅僅是將加勁梁和錨碇在一條直線或是多位線上表示，而沒有考慮實際模型的偏心影響。但是，從原設計模型計算結果中我們看出，錨碇與加勁梁偏心所帶來的應力問題不但存在而且影響非常大，嚴重者可能導致整個工程的失敗，所以自錨式懸索橋錨碇處的受力問題必須引起設計人員高度的重視。

［1］ 鐘新谷.鋼箱—混凝土組合梁正截面承載力的初步研究［J］.土木工程學報，2002，35(6)：73-78.

［2］ 竇 鵬.混凝土自錨式懸索橋設計計算及箱形加勁梁的受力研究［D］.碩士學位論文，2003：3.

［3］ 吳恒立.懸索與吊橋及薄壁桿件理論［M］.重慶：重慶大學出版社，1992.

［4］ 徐君蘭，項海帆.大跨度橋梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2002：8.

［5］ 杜 濤.自錨式吊橋的施工控制［D］.大連：大連理工大學碩士學位論文，2004：4.

［6］ 金華跨義烏江大橋施工圖設計［Z］.