斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)研究

顏俊

摘要：索塔錨固區(qū)因?yàn)槠鋸?fù)雜的受力性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在斜拉橋設(shè)計(jì)中需考慮鋼與混凝土材料的非均勻性、彈塑性、施工工藝等因素對索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)受力、傳力機(jī)理的影響，這就給現(xiàn)在的橋梁人提出了許多新的橫向和縱向課題，因此，要想做好斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)，就需要掌握索塔錨固區(qū)的基本情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

關(guān)鍵詞：斜拉橋 索塔錨固區(qū) 鋼錨箱設(shè)計(jì)

中圖分類號： S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

斜拉橋索塔錨固段的受力情況比較復(fù)雜，橋梁設(shè)計(jì)師對這一區(qū)域進(jìn)行鋼錨箱設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要在認(rèn)真分析其手里情況的基礎(chǔ)上，綜合考慮多種影響因素，并根據(jù)實(shí)際情況做出合理的設(shè)計(jì)。斜拉橋索塔錨固區(qū)是將斜拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要受力構(gòu)件，由于其局部強(qiáng)大的集中力作用等因素影響會使錨固區(qū)構(gòu)造和受力狀態(tài)均較為復(fù)雜，因此，斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)的研究一直以來受到橋梁界的矚目。

鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區(qū)中的應(yīng)用

1.1內(nèi)置式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區(qū)中的應(yīng)用

內(nèi)置式鋼錨箱設(shè)置在混凝土塔柱的內(nèi)部，在索塔的外側(cè)不能看到鋼錨箱。鋼錨箱為箱形結(jié)構(gòu),由側(cè)面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等構(gòu)件組成。索力通過腹板傳遞至豎向拉板上，腹板兩側(cè)焊有加勁肋及連接板；側(cè)面拉板間設(shè)置開有人孔的橫隔板，可作為張拉斜拉索的施工平臺。在斜拉橋索塔錨固區(qū)中，拉板承擔(dān)大部分斜拉索拉力在順橋方向的分力,其余索力沿索塔高度方向的分力傳給混凝土索塔,由混凝土承擔(dān)。鋼錨箱承受了較大的拉力,混凝土承受了較大的壓力和較少的拉力,充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度高和混凝土能承受較大壓應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn),克服了鋼材承受較大壓應(yīng)力容易失穩(wěn)和混凝土承受較大拉應(yīng)力容易開裂的缺點(diǎn)。內(nèi)置式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區(qū)中得到了很廣泛的應(yīng)用，在蘇通大橋的建造中，鋼錨箱節(jié)段間用高強(qiáng)螺栓連接,鋼錨箱與索塔之間側(cè)向接觸面用剪力釘連接,最下端支撐錨固在混凝土底座上；香港昂船洲大橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉橋，圓形混凝土塔壁將鋼錨箱包裹在里面,鋼錨箱和塔壁外側(cè)的不銹鋼都是通過剪力釘與混凝土塔壁連接的；厄勒海峽橋?yàn)殇撹炝盒崩瓨颍崩麇^固定在鋼錨箱內(nèi),兩條相對的拉索產(chǎn)生的水平分力由鋼錨箱直接承受,而垂直方向的分力則通過抗剪螺栓傳到混凝土上。

1.2外露式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區(qū)中的應(yīng)用

外露式鋼錨箱把混凝土索塔在錨固區(qū)分成了兩部分,在索塔的外側(cè)能夠看到鋼錨箱的一部分。外露式與內(nèi)置式鋼錨箱受力特性上總體相似，其剪力鍵既要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿索塔高度方向的剪力,又要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿順橋向的剪力,受力較復(fù)雜,但混凝土塔壁所承受的拉索索力比較小，外露式鋼錨箱用水平環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋將鋼錨箱緊夾在混凝土塔柱的兩個(gè)分肢之間。諾曼底橋?yàn)榛旌狭盒崩瓨颍瑑?nèi)部有21節(jié)鋼錨箱，鋼錨箱外部逐節(jié)澆筑塔冠筒壁混凝土,并在環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力，為了使得錨箱能承受預(yù)壓應(yīng)力,并且不產(chǎn)生過大變形,在橫板內(nèi)側(cè)設(shè)有交叉斜桿；里翁-安蒂里翁橋?yàn)槿◇w系的四塔五跨斜拉橋，索塔錨固采用類似于諾曼底橋的鋼錨箱；香港汀九大橋?yàn)槿目邕B續(xù)公路預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，索塔錨固區(qū)有4個(gè)索面,分別錨固于組合式橋面之主梁固定端,而張拉端則位于橋塔頂鋼錨箱內(nèi),以避免在塔身上預(yù)留孔道和澆筑錨塊，同時(shí),鋼錨箱為斜拉索安裝、張拉提供了工作平臺。

2.組合結(jié)構(gòu)在斜拉橋中的應(yīng)用情況

2.1板桁組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與特點(diǎn)

板桁組合結(jié)構(gòu)是由橋面板與主桁架組合而成的共同作用受力的結(jié)構(gòu)，它能發(fā)揮橋面板與主桁平縱聯(lián)的共同作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭剛度。在斜拉橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用板桁組合結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)與性能，板桁組合結(jié)構(gòu)可以增加橋梁的抗撓、抗扭剛度，還可以減小小、減小車振撓度等，與普通的混凝土橋梁相比，應(yīng)用組合結(jié)構(gòu)的斜拉橋在相同跨度條件下，可以降低建筑高度，具有施工快、對交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此在橋梁設(shè)計(jì)中，板桁組合得到了越來越廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用板桁組合的橋梁設(shè)計(jì)也越來越受到重視。在斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)中應(yīng)用板桁組合結(jié)構(gòu)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼桁梁橋面一般為與主桁結(jié)構(gòu)分離的縱橫梁體系的缺陷，可以在一定程度上提高橋梁的整體性能，還能提高材料的利用效率，我國現(xiàn)在的橋梁設(shè)計(jì)正在逐步減小主桁桿件，減輕橋梁構(gòu)架的自重，更有利于施工和安裝，對抗震也十分有利。

2.2板桁組合梁在斜拉橋中的應(yīng)用

2.2.1板桁組合梁中的正交異形鋼橋面板研究

板桁組合梁中的正交異形鋼橋面板用于鋼箱梁結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題。正交異形鋼橋面板是一種特殊的結(jié)構(gòu)受力體系，除承受橋面鋪裝等二期恒載和車輛荷載的重量外，影響其使用壽命的還有橋梁的抗疲勞性能、結(jié)構(gòu)體系的合理性。

2.2.2板桁組合梁計(jì)算方法研究

板桁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分為平面分析和空間分析兩個(gè)方面。平面分析是把橋面板視為上弦桿的一部分，計(jì)算主桁面內(nèi)的受力特性，關(guān)鍵是橋面板的有效寬度?？臻g分析方法在總體上與普通的桁架橋梁的分析方法類似，如果涉及到動力計(jì)算，一般按照空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行，跟靜力計(jì)算的方法的一樣。板桁組合梁計(jì)算方法可以得到簡化，可以把正交異形板簡化為一根縱向梁，縱向梁位于橋面板中軸處，令其橫截面積、抗彎剛度、抗扭剛度等于正交異形板的相應(yīng)值，在簡化條件下進(jìn)行計(jì)算可以得出：板桁組合梁和桁架梁的自振頻率、振動位移時(shí)程曲線等都很接近。此外，橋梁設(shè)計(jì)師還可以針對橋面板和縱橫肋的相互作用特點(diǎn)，運(yùn)用有限元理論，將板桁結(jié)構(gòu)不同受力結(jié)構(gòu)用不同單元進(jìn)行模擬，把研究的重點(diǎn)放在橋面板與縱、橫梁連接的處理上。

3.鋼錨梁索塔錨固區(qū)的受力機(jī)理分析

3.1水平受力機(jī)理分析

索塔錨固區(qū)主要承擔(dān)和傳遞斜拉索索力作用，根據(jù)斜拉索的作用方向可分解為豎向分力和水平分力。橋梁設(shè)計(jì)師在研究鋼錨梁索塔錨固區(qū)的受力機(jī)理時(shí)，可以將該區(qū)域的構(gòu)造進(jìn)行簡化，可以將鋼錨箱和混凝土塔壁都簡化成平面箱型結(jié)構(gòu),鋼錨箱的錨固構(gòu)和端板簡化為鋼錨箱端壁，可以視為斜拉索水平力直接作用于鋼錨箱端壁上，鋼錨箱端壁與混凝土端壁上通過剪力釘連為一體共同承擔(dān)水平力,兩者在其交界面上的水平變形應(yīng)符合變形協(xié)調(diào)原則。將這一區(qū)域進(jìn)行模型簡化之后，就可以分析其水平方向的受力分配以及變形情況。

3.2豎向受力機(jī)理分析

斜拉索直接作用于鋼錨箱上，其豎向分力一部分由鋼錨箱自身承擔(dān)并往下節(jié)段傳遞，另一部分則通過剪力釘和鋼-混凝土界面摩擦等傳遞至混凝土塔壁，其中剪力釘是變形協(xié)調(diào)和傳遞剪力的傳力構(gòu)件。鋼錨箱、混凝土塔壁和剪力釘之間的傳力途徑為鋼錨箱首先在斜拉索豎向分力的作用下發(fā)生豎向變形，接著引起剪力釘剪切和彎曲變形,使斜拉索豎向力由剪力釘傳遞至混凝土塔壁,最終使混凝土塔壁和鋼錨箱完成豎向力分配并協(xié)同受壓。橋梁設(shè)計(jì)師在分析其豎直方向的受力情況時(shí)，可以以含一枚剪力釘?shù)匿?混凝土組合結(jié)構(gòu)為模型進(jìn)行分析，剪力釘?shù)呢Q向變形為鋼錨箱豎向變形與混凝土塔壁豎向變形的差，這樣便可以得到變形協(xié)調(diào)關(guān)系。

結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國橋梁技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展，斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)在不斷的優(yōu)化與改良中逐漸能夠適應(yīng)人們的需求，但是仍舊存在很多的不足。由于斜拉橋索塔錨固區(qū)的特殊結(jié)構(gòu)，其理論、設(shè)計(jì)、施工工藝及耐久性研究還需要進(jìn)一步完善，需要新一代的橋梁人做出艱苦的努力，相信在未來，斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱設(shè)計(jì)能夠不斷優(yōu)化，我國橋梁設(shè)計(jì)建造技術(shù)能夠達(dá)到更高的水平。

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