獨(dú)塔斜拉橋索梁錨固系統(tǒng)技術(shù)研究

□文 /張友為

1 工程概況

天津團(tuán)泊新橋主橋采用了世界上獨(dú)一無二的“彩針型”獨(dú)塔斜拉橋形式，橋塔向河道中心方向傾斜18°，橋塔與墩柱鉸接、主梁與墩柱固結(jié)。斜拉橋主跨138 m，前副跨45 m，后副跨2×30 m。主橋斜拉索為不對(duì)稱布置形式，主跨側(cè)斜拉索布置在中央分割帶，邊跨斜拉索布置在人行道外側(cè)，以體現(xiàn)仙鶴奮力振翅的兩翼。主跨布置9根斜拉索，索距 12 m，斜拉索與水平夾角為41.5°～62.9°。邊跨斜拉索錨固于30 m跨徑混凝土梁上，斜拉索索距為3.75 m，斜拉索與水平夾角為55.8°～24.2°。邊跨斜拉索布置為梁上距橋塔近的斜拉索錨點(diǎn)與塔上最高的錨點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，依此類推。

2 索梁錨固鋼錨箱受力分析

2.1 計(jì)算模型

天津團(tuán)泊新橋斜拉索與鋼箱梁的錨固采用錨箱式索梁錨固系統(tǒng)，見圖1。即在箱梁的邊腹板外側(cè)順斜拉索軸向焊上錨箱，錨箱主要由兩塊承壓板（N1、N2）和一塊底錨板（N3）組成，每塊承壓板的外側(cè)各有3塊加勁肋（N5），兩承壓板之間有上下兩塊“凹”字加勁板（N4），其兩側(cè)與承壓板外側(cè)的加勁肋位置對(duì)應(yīng)。沿錨板（N3）方向，主梁鋼箱邊腹板有一個(gè)加勁板（N6），在承壓板（N1、N2）板邊，主梁鋼箱邊腹板有兩個(gè)豎向加勁板（N7）。N9為錨墊板，N10為箱梁在錨箱處的橫隔板加勁。承壓板底板上開有與斜拉索直徑配套的圓孔，斜拉索穿過錨箱，錨固在底錨板外側(cè)。這種錨固結(jié)構(gòu)，不僅空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在斜拉索巨大拉力的直接作用下，錨固區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律也比較復(fù)雜，需要進(jìn)行細(xì)致的分析。

圖1 鋼錨箱

建模時(shí)，不考慮錨墊板以及索道因素，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加上去，以H4號(hào)索為例建立模型，見圖2。

圖2 鋼錨箱有限元模型

2.2 錨箱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2.1 恒載下的應(yīng)力分布

取恒載作用下的拉索索力以及邊界條件，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加，其應(yīng)力見圖3-圖9。

圖3 鋼錨箱應(yīng)力

圖4 底錨板N 3應(yīng)力

圖5 承壓板N 1、N 2應(yīng)力

圖6 加勁肋N 5應(yīng)力

圖7 加勁板N 4應(yīng)力

圖8 加勁板N 6應(yīng)力

圖9 加勁板N 7應(yīng)力

2.2.2 組合下的應(yīng)力分布

取恒載+活載作用下的拉索索力以及邊界條件，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加，其應(yīng)力見圖10-圖16。

圖10 鋼錨箱應(yīng)力

圖11 底錨板N 3應(yīng)力

圖12 承壓板N 1、N 2應(yīng)力

圖13 加勁肋N 5應(yīng)力

圖14 加勁板N 4應(yīng)力

圖15 加勁板N 6應(yīng)力

圖16 加勁板N 7應(yīng)力

2.2.3 應(yīng)力分布規(guī)律

由以上應(yīng)力云圖可知，恒載以及恒載+活載作用下，整個(gè)錨箱體系除了部分邊界點(diǎn)外，其應(yīng)力水平比較低。各個(gè)板塊總的應(yīng)力分布可歸納如下：

1）底錨板 N3受力很復(fù)雜，在板件 N1、N2、N4、N5及主梁腹板支承下，形成多邊支承的結(jié)構(gòu)體系，恒載下其Mises應(yīng)力達(dá)80.5 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)104.8 MPa；

2）板N1、N2與腹板相交且靠近頂板處出現(xiàn)最大Mises應(yīng)力，恒載下其Mises應(yīng)力達(dá)87.9 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)107.3 MPa；

3）加勁板N5整體Mises應(yīng)力水平不高，但在與底錨板N3相交且靠近底錨板外側(cè)處出現(xiàn)很大的局部應(yīng)力，恒載下其Mises應(yīng)力達(dá)211.5 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)264.8 MPa，這些高應(yīng)力均發(fā)生在很小的局部范圍，對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響很微小，可忽略不計(jì)，但在焊接時(shí)要注意焊縫的處理，以減少焊接殘余應(yīng)力；

4）加勁板N4整體Mises應(yīng)力水平不高，恒載下其Mises應(yīng)力最高為98.2 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)123.8 MPa；

5）加勁板N6整體Mises應(yīng)力水平很低，恒載下其Mises應(yīng)力最高為28.6 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)29.1 MPa，出現(xiàn)在板與腹板相交處；

6）加勁板N7整體Mises應(yīng)力水平也不高，恒載下其Mises應(yīng)力最高為74.8 MPa，組合載荷作用下其Mises應(yīng)力達(dá)89.9 MPa，出現(xiàn)在板與腹板相交處。

3 索梁錨固鋼錨箱及索道管施工技術(shù)

3.1 鋼錨箱的制作

鋼錨箱的安裝精度是保證能夠順利掛索的重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。錨箱鋼板加工完成后即開始組裝，錨箱的組裝在工裝胎上實(shí)施。錨箱的安裝是在工廠確定好安裝位置后做好標(biāo)記，待鋼梁現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后重新核對(duì)錨箱位置，待確定安裝位置后以索道管中心線為基準(zhǔn)再根據(jù)α、β角大小確定鋼梁箱體底板開孔位置和尺寸，然后進(jìn)行切割孔，再將焊接好的鋼錨箱結(jié)構(gòu)安裝到鋼箱梁相應(yīng)位置調(diào)整好α、β角后焊接。α角度范圍為23.837°～62.877°。β角度的范圍為0.504°～18.143°。索道管根據(jù)不同的α、β角度進(jìn)行下料完成后進(jìn)行索道管的安裝，然后進(jìn)行索道管與錨箱和箱體的焊接。

3.2 索道管安裝控制

索道管安裝位置的準(zhǔn)確才能保證纜索安裝精度要求，否則纜索甚至不能成功安裝。索道管角度就是鋼塔纜索的角度，由于團(tuán)泊新橋纜索為空間索面結(jié)構(gòu)，每一個(gè)索道管角度都是不一樣的空間三位角度，在制作過程中用安裝時(shí)的空間角度來控制是幾乎不可能完成的，因?yàn)橹谱魑恢煤桶惭b位置不是同一個(gè)坐標(biāo)系，而且角度的測(cè)量精確度不高，即使誤差在0.5°范圍內(nèi)，由于鋼管直徑為1.2 m，尺寸誤差為10.5mm，為保證索道管的安裝精度，最后用索道管孔的位置尺寸來控制索道管的角度，這樣大大降低了索道管的角度誤差，保證了纜索安裝一次成功，見圖17和圖18。

圖17 鋼箱梁索道管

圖18 鋼塔索道管

4 結(jié)語(yǔ)

天津團(tuán)泊新橋鋼主梁錨固采用柱式錨箱，錨箱與主梁內(nèi)側(cè)30mm厚腹板焊接。鋼錨箱是由承錨板，承壓板，錨墊板，插板（U形）、承錨板加勁肋以及邊腹板的豎向加勁肋等構(gòu)件組成的。承錨板厚40mm，焊接在鋼梁最外側(cè)斜腹板上并與腹板垂直，是將索力傳遞給腹板的直接傳力構(gòu)件。承壓板厚40mm，與主梁邊腹板及承錨板焊接，是連接兩塊承錨板并將索力傳給承錨板的構(gòu)件。錨墊板為楔形鋼板，用以調(diào)整斜拉索的橫橋向角度，其不與其他構(gòu)件焊接，起到將斜拉索錨圈力均勻擴(kuò)散的作用。承錨板、承壓板均采用熔透角焊縫與邊腹板連接。承錨板加勁肋與承壓板磨光頂緊，錨墊板與承壓板磨光頂緊。在與錨箱40mm厚的承錨板相焊連的腹板內(nèi)側(cè)，通長(zhǎng)水平加勁肋的上下兩側(cè)各增加同樣截面的水平加勁肋和豎向加勁肋。

塔上錨固斜拉索錨固于主塔橫連上，由于本橋的空間索形式復(fù)雜且橋塔也為傾斜布置，造成塔上錨固點(diǎn)的空間定位非常復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)錨固形式勢(shì)必會(huì)對(duì)鋼板的加工和定位造成很大的難度，因此設(shè)計(jì)采用在橫連鋼管內(nèi)灌注混凝土，混凝土通過剪力釘與鋼管聯(lián)系，這樣布置可以大幅度的降低施工難度，同時(shí)降低施工誤差，保證斜拉索安裝正確。

[1]TG/TF 50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].