空間索面斜拉橋索塔錨固方案研究

延力強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

本橋為某在建獨塔雙索面公鐵兩用斜拉橋，橋跨布置為(35+260+51.5+66.0+62.5)m，橋面寬46 m，公路鐵路同橋面布置。橋梁結(jié)構(gòu)采用鋼箱－混凝土混合梁，墩-塔-梁固結(jié)。主跨采用分離式流線形扁平鋼箱梁，分離鋼箱之間由密布工字形橫梁連接，橫梁上設(shè)置正交異性橋面板;邊跨采用分離式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，箱體之間由密布預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁連接。鋼箱梁和混凝土箱梁結(jié)合段設(shè)在主跨，距主塔中心15 m處。

索塔橫橋向采用A字形混凝土塔，橋面以上塔高125 m，橋面以下塔高20.0 m。下塔柱采用實心矩形截面，橫向分成雙塔柱，單個塔柱寬由2.7 m漸變?yōu)?.6 m，縱橋向長度由12.0 m漸變?yōu)?3.0 m;中塔柱采用空心矩形截面，橫向雙塔柱，在約離橋面42.0 m高處交匯于一處，交匯處橫梁高3.0 m;上塔柱采用空心矩形截面。

斜拉索采用高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絲，PE擠壓護(hù)套平行鋼絲束，鋼絲強(qiáng)度1 670 MPa，斜拉索最大設(shè)計索力達(dá)到6 500 kN。主跨拉索錨固間距主跨為9.0 m，邊跨為6.0 m，主塔上錨固間距為2.0 m。全橋共50對拉索。

2 結(jié)構(gòu)方案比選

斜拉橋索塔的拉索錨固部位，是一個將拉索的局部集中力分散到全截面，并且安全、均勻地傳遞到錨固區(qū)以下塔柱的受力構(gòu)造，因此索塔錨固區(qū)是斜拉橋設(shè)計的重點。

為了提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，很多大跨徑斜拉橋采用空間索面的布置形式，針對這種形式常用的錨固方案有以下3種:(1)異型鋼錨梁，將錨固鋼錨梁置于混凝土塔壁的鋼牛腿上，拉索錨固于錨橫梁的兩端，如圖1～圖2所示;(2)鋼錨箱，鋼錨箱通過連接件與混凝土索塔連接，斜拉索錨固在鋼錨箱上，如圖3～圖4所示;(3)齒塊錨固，將斜拉索錨固于混凝土索塔內(nèi)側(cè)的齒塊上，在索塔錨固區(qū)的四壁布設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

圖1 異型鋼錨梁立面

鋼錨梁方案受力機(jī)理比較明確，斜拉索的水平分力由鋼錨梁承受，混凝土塔壁所受拉應(yīng)力較小，但是它對塔柱內(nèi)部空間有一定的要求，安裝和換索都不方便，需要配置少量環(huán)向預(yù)應(yīng)力作為安全儲備，在施工上要求有足夠的吊裝能力。

圖2 異型鋼錨梁平面

圖3 鋼錨箱立面

圖4 鋼錨箱平面

鋼錨箱方案，斜拉索順橋方向的水平分力可以被鋼錨箱兩側(cè)的聯(lián)系鋼板承擔(dān)相當(dāng)大的一部分，其余沒有承擔(dān)的水平分力由鋼錨箱傳到混凝土塔壁上;豎向分力則傳給混凝土索塔，由混凝土承擔(dān)。但由于塔壁分擔(dān)了不小的水平力，混凝土應(yīng)力較大，很容易開裂，會影響到結(jié)構(gòu)的耐久性，需要采取一定的措施進(jìn)行改善，另外用鋼量大，成本高，對吊裝能力和安裝精度要求較高。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，齒塊錨固具有構(gòu)造簡單、造價低、后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點。但也存在施工質(zhì)量和精度很難控制的缺點，主要是因為環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式的全部工序需要現(xiàn)場高空作業(yè)，錨墊板的角度及預(yù)應(yīng)力管道定位控制較難。

本文針對具體工程的特點，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工和后期養(yǎng)護(hù)等諸多因素，擬采用齒塊錨固方案。對于齒塊錨固方案，由于斜拉索索力直接作用在塔壁上，索塔前壁外緣形成了較大的拉應(yīng)力，因此索塔錨固區(qū)需要布設(shè)預(yù)應(yīng)力束抵抗這一拉應(yīng)力。塔壁預(yù)應(yīng)力錨固又分為3種形式:U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固;精軋螺紋鋼筋錨固;短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固。主要針對這3種錨固形式進(jìn)行了分析、研究，以確定索塔錨固區(qū)最合理的預(yù)應(yīng)力布置形式。

2.1 U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案

本方案如圖5～圖9所示，同一層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束外側(cè)、內(nèi)側(cè)分別采用15－7φ5、12－7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線，短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用12－7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線。相同方向環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束豎向間距為40 cm，短直預(yù)應(yīng)力鋼束豎向間距為63～202 cm。U形預(yù)應(yīng)力鋼束、短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用塑料波紋管，鋼束與管道的摩擦系數(shù)分別采用0.2、0.17，預(yù)應(yīng)力鋼束管道每米局部偏差影響系數(shù)為0.001 5。

圖5 立面布置

圖6 側(cè)面布置

圖7 疊加布置示意(一)(單位:cm)

圖8 單層布置(單位:cm)

圖9 非錨固壁短直束單層布置(單位:cm)

圖10 立面布置(二)

圖11 側(cè)面布置(二)

圖12 鋼束疊加布置示意(二)(單位:cm)

圖13 立面布置(三)(單位:cm)

2.2 精軋螺紋鋼筋錨固方案

本方案如圖10～圖12所示，本方案采用JL32 mm預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，fpk=785 MPa，彈性模量Es=2.0×105MPa。索塔的兩側(cè)錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋，兩側(cè)非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋，同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為15 cm。

圖14 側(cè)面布置(三)(單位:cm)

圖15 鋼束疊加布置示意(三)(單位:cm)

2.3 短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案

本方案如圖13～圖15所示，本方案預(yù)應(yīng)力鋼束均采用15－7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線。索塔的兩側(cè)錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋，兩側(cè)非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋，同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為40 cm。短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用金屬波紋管，鋼束與管道的摩擦系數(shù)為0.26，預(yù)應(yīng)力鋼束管道每米局部偏差影響系數(shù)為0.003。

3 索塔空間有限元模型

3.1 模型的建立

本文選取最不利索力所對應(yīng)塔段的4個節(jié)段進(jìn)行計算分析，計算節(jié)段包含4對斜拉索，取頂部的2對索進(jìn)行分析研究。頂部截面非錨固壁長6.965 m，橫向長5.234 m，底部截面非錨固壁長7.527 m，橫向長6.308 m，高度13 m。塔的頂部為厚80 cm的實體段，內(nèi)設(shè)150 cm×150 cm的過人孔。塔的錨固壁厚度為150～158.7 cm，非錨固壁厚度為80 cm。

采用Midas FEA軟件建立實體單元局部分析模型，斜拉索錨固位置等關(guān)心位置單元尺寸為10 cm，其余部位單元尺寸為30 cm，模型共劃分258 030個單元，71 011個節(jié)點。有限元計算模型如圖16所示。

圖16 上塔段上部局部分析模型

邊界條件:塔段底部固結(jié)。

主要考慮荷載工況:工況1 預(yù)應(yīng)力+自重;工況2 預(yù)應(yīng)力+自重+索力。

其中索力是由整體計算模型中主+附加力工況下提取而來。斜拉索編號由下至上主跨側(cè)分別為P23～P26，邊跨側(cè)C23～C26。斜拉索情況如表1所示。

表1 斜拉索參數(shù)

預(yù)應(yīng)力張拉情況:(1)U形、短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束錨頭變形、鋼筋回縮、由于混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力損失等均由FEA軟件自動計算;(2)考慮到精軋螺紋鋼筋應(yīng)力損失的各方面問題，錨下控制應(yīng)力采用785×0.5=392.5 MPa。

3.2 U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案計算結(jié)果分析

3.2.1 自重+環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用下

X方向(非錨固壁)的應(yīng)力圖如圖17所示，從圖中可以看出，在索塔非錨固壁內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為3～15.5 MPa;非錨固壁外側(cè)出現(xiàn)2～8.5 MPa壓應(yīng)力，塔頂實體段為0～4 MPa壓應(yīng)力，0～0.8 MPa拉應(yīng)力。

圖17 非錨固壁混凝土應(yīng)力(一)(單位:MPa)

Y(錨固壁)方向的應(yīng)力圖如圖18所示，從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側(cè)產(chǎn)生了3～17 MPa的壓應(yīng)力，索孔附近產(chǎn)生17～20 MPa的局部壓應(yīng)力;在索塔錨固壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生約1.5～10 MPa的壓應(yīng)力，索孔附近產(chǎn)生10～24 MPa的局部壓應(yīng)力，錨墊板下緣及四周產(chǎn)生0～11 MPa的拉應(yīng)力。

圖18 錨固壁混凝土應(yīng)力(一)(單位:MPa)

3.2.2 自重+環(huán)向預(yù)應(yīng)力+索力作用下

X方向(非錨固壁)的應(yīng)力圖如圖19所示，從圖中可以看出，在索塔非錨固壁內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為2～11 MPa;非錨固壁外側(cè)出現(xiàn)1.5～7 MPa壓應(yīng)力。

圖19 非錨固壁混凝土應(yīng)力(二)(單位:MPa)

Y(錨固壁)方向的應(yīng)力圖如圖20所示，從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側(cè)產(chǎn)生了2～14 MPa的壓應(yīng)力;頂端實體段出現(xiàn)0～1 MPa的拉應(yīng)力;在索塔錨固壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生約0～16 MPa的壓應(yīng)力，錨墊板四周壓應(yīng)力較大。

圖20 錨固壁混凝土應(yīng)力(二)(單位:MPa)

索塔上部主拉應(yīng)力大多在2 MPa以下，滿足規(guī)范中不得超過0.7×3.3=2.31 MPa的要求。超過2 MPa的部分如圖21所示，主要分布于預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置以及錨墊板四周;主壓應(yīng)力大多在0.7×37=25.9 MPa以下，超過10 MPa的部分如圖22所示，主要分布于錨墊板四周。

圖21 主拉應(yīng)力(只顯示≥2 MPa應(yīng)力部分)

圖22 主壓應(yīng)力(只顯示≤－10 MPa應(yīng)力部分)

由于篇幅所限，本文僅列出U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案的詳細(xì)計算結(jié)果。3種錨固方案在自重、預(yù)應(yīng)力及索力共同作用下的結(jié)果對比如表2所示。

表2 三種錨固方案應(yīng)力對比

經(jīng)過分析研究，推薦采用U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案，主要原因如下。

(1)精軋螺紋鋼筋與短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案，預(yù)應(yīng)力束長度較短，由回縮及錨具變形引起的應(yīng)力損失很大，因此預(yù)應(yīng)力筋用量較多。

(2)U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案，大大減少了預(yù)應(yīng)力筋用量，大幅度減少張拉和灌漿等高空危險作業(yè)的工作量。

(3)精軋螺紋鋼筋方案計算時，應(yīng)力損失情況不容易估算準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1)針對索塔錨固區(qū)3種預(yù)應(yīng)力布置形式，對塔壁應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析研究，論證了U形預(yù)應(yīng)力鋼束+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案在本項目中的合理性，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束與短直鋼束的布置滿足規(guī)范要求，使結(jié)構(gòu)處于一定的合理受理狀態(tài)。

(2)對索塔各部位分別進(jìn)行了計算，確定U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案為索塔各段的最佳布置方案。

(3)在斜拉索作用力下，斜拉索錨頭周圍的局部主拉和主壓應(yīng)力較大。雖然應(yīng)力較大區(qū)域很小，但在索力長期的高應(yīng)力狀態(tài)下，錨固區(qū)混凝土?xí)霈F(xiàn)裂縫，所以應(yīng)該采取必要的措施。

(4)錨固塊、錨固塊與箱室交接處會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)域，需要注意配置構(gòu)造鋼筋或設(shè)置包裹鋼板預(yù)防裂縫的開展。

(5)在索塔局部分析計算中，未考慮寒潮作用。在寒潮作用下索塔塔壁外側(cè)將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這時索塔須配足夠的鋼筋，以避免混凝土開裂。

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