混凝土橋塔拉索錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴世宏

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京市 210096）

斜拉橋橋塔的拉索錨固區(qū)是其重要的受力部位，通常拉索錨固區(qū)斜拉索錨固點(diǎn)都相對(duì)集中，而且索力一般都很大，該區(qū)域的受力狀況十分復(fù)雜，因此橋塔的拉索錨固區(qū)是斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)以及施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

目前在工程實(shí)際運(yùn)用中，常見(jiàn)的混凝土橋塔拉索錨固方式有：環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固、鋼錨箱錨固和鋼錨梁錨固這三種方式。環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固是指對(duì)塔壁施加環(huán)形預(yù)應(yīng)力以平衡索力在塔壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力，常見(jiàn)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置方式有U字形和井字形兩種，目前U字形布置方式使用較多，環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造、安裝成本低，后期養(yǎng)護(hù)工作量小，但存在施工難度較大、預(yù)應(yīng)力損失大、預(yù)應(yīng)力壓漿不易密實(shí)等問(wèn)題。鋼錨箱錨固和鋼錨梁錨固大體相同，兩者差異在于，鋼錨箱完全固接于混凝土塔壁，塔壁與鋼錨箱共同分擔(dān)索力，且塔壁承擔(dān)的水平分力不小，容易使塔壁混凝土開(kāi)裂，因此需對(duì)塔壁施加足夠的預(yù)應(yīng)力來(lái)防止塔壁開(kāi)裂。而鋼錨梁錨固則是將鋼錨梁支撐于塔壁的牛腿上，斜拉索的大部分水平力由鋼錨梁平衡，少部分未平衡水平力則通過(guò)鋼錨梁與牛腿間的摩擦等方式傳遞給塔壁，因此塔壁受力較小，無(wú)需配置預(yù)應(yīng)力來(lái)防止塔壁開(kāi)裂。

1 項(xiàng)目概況

以某斜拉橋?yàn)楸尘?，該橋?yàn)閱嗡p索面雙層鋼桁梁斜拉橋，半漂浮體系，橋跨布置為（90+128）m。主跨及邊跨各設(shè)置9對(duì)空間斜拉索，邊跨主梁拉索間距為9m，主跨主梁拉索間距為12m，塔上拉索間距為2m，縱橋向索面呈扇形布置。橋梁總體布置如圖1所示。

橋塔采用寶塔形，索塔總高87.0m，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁，采用C50混凝土。拉索錨固區(qū)為單箱單室空心箱形斷面，尺寸由4.4m×5m，塔壁厚度在斜拉索前側(cè)為1.0m，側(cè)面為0.7m。

2 拉索鋼錨梁設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期分析比較，本橋橋塔斜拉索采用鋼錨梁+鋼牛腿的錨固方式，一套錨固系統(tǒng)包括一道鋼錨箱、四個(gè)鋼錨梁以及兩個(gè)鋼牛腿，其三維構(gòu)造如圖3所示。鋼錨箱焊接于鋼錨梁兩側(cè)，一道鋼錨梁連接兩對(duì)斜拉索，由于本橋采用空間索面，斜拉索與橋塔交角隨高度變化，因此需通過(guò)調(diào)整鋼錨箱與鋼錨梁的夾角來(lái)適應(yīng)空間索面。斜拉索面內(nèi)水平分力主要由鋼錨梁承擔(dān)，剩余不平衡水平分力則通過(guò)鋼牛腿傳遞至混凝土塔壁，而斜拉索面外水平力則讓鋼錨梁自己來(lái)平衡。鋼錨梁架設(shè)在鋼錨梁牛腿上，鋼錨梁一端通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定于鋼牛腿上，另一端為設(shè)有四氟乙烯板的滑動(dòng)端，在施工期間處于可滑動(dòng)狀態(tài)，待索力調(diào)整完畢后將螺栓鎖死，使鋼錨梁在成橋及運(yùn)營(yíng)階段處于兩端固定狀態(tài)。鋼牛腿壁板內(nèi)表面設(shè)置剪力釘，與塔柱澆注為一體，鋼牛腿頂板與豎板都通過(guò)剖口角焊縫與壁板連接。

3 受力分析

3.1 計(jì)算模型

為分析橋塔錨固區(qū)的受力情況，以簡(jiǎn)化的桿系模型為基礎(chǔ)，建立橋塔實(shí)體有限元模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。模型中塔柱、鋼錨梁、鋼牛腿均采用實(shí)體單元，并在塔體中保留了斜拉索管道，以便于準(zhǔn)確反應(yīng)開(kāi)孔對(duì)混凝土截面的削弱。橋塔錨固區(qū)局部模型如圖4所示。

各材料根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的材料屬性進(jìn)行模擬，具體數(shù)值在表1中列出。

表1 有限元模型材料屬性表

3.2 應(yīng)力分析

圖5所示為典型拉索錨固斷面處橋塔塔壁主拉應(yīng)力云圖，從圖中可以看出主拉應(yīng)力主要集中在塔壁與鋼牛腿頂板相對(duì)應(yīng)區(qū)域，最大主拉應(yīng)力約為4MPa。此處出現(xiàn)應(yīng)力集中主要是由作用于鋼牛腿上的斜拉索豎向分力引起的。主拉應(yīng)力向塔壁外側(cè)迅速衰減，除局部應(yīng)力集中區(qū)域外，塔壁其余位置主拉應(yīng)力分布較為均勻，且主拉應(yīng)力值維持在較小的數(shù)值，基本小于1MPa。說(shuō)明塔壁承受的水平荷載較小，設(shè)計(jì)時(shí)僅配置普通鋼筋即可滿足受力需要，而無(wú)需配置預(yù)應(yīng)力。由于塔壁與鋼牛腿頂板對(duì)應(yīng)位置主拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意鋼牛腿壁板與塔壁的連接處理，施工時(shí)也應(yīng)特別注意，確保此處混凝土振搗密實(shí)。

如圖6所示，在正常使用狀況下，鋼錨梁側(cè)板、頂板及底板應(yīng)力較為均勻，均處于受拉狀態(tài)，可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特點(diǎn)，不存在受壓失穩(wěn)的問(wèn)題。鋼錨梁各板件，除底板圓弧倒角處應(yīng)力集中外，其余位置均小于100MPa。鋼錨箱直接承受索力的錨墊板處應(yīng)力較大，鋼錨箱頂?shù)装寮皞?cè)板與鋼錨梁焊接處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

如圖7所示，鋼牛腿豎板應(yīng)力相對(duì)較大，最大應(yīng)力值為80MPa，其余位置應(yīng)力較小，整體處于較低的應(yīng)力水平。作用于牛腿的大部分荷載由豎板傳遞至壁板，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算豎板與壁板的焊縫，以及進(jìn)行豎板的壓彎穩(wěn)定驗(yàn)算。鋼牛腿壁板應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壁板與頂板銜接處，并以此為中心向上下衰減，壁板在彎矩作用下有向外的變形，此處壁板與混凝土塔壁的連接設(shè)計(jì)予以加強(qiáng)。

3.3 水平力分配比例

鋼錨梁與混凝土塔壁各自承擔(dān)水平力的比例與鋼錨梁和鋼牛腿的連接方式有關(guān)。鋼錨梁和鋼牛腿常見(jiàn)的連接方式有三種：

（1）滑動(dòng)連接，即鋼錨梁與牛腿處于相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)，斜拉索的不平衡水平力由設(shè)置于鋼錨梁與塔壁之間的擋塊進(jìn)行傳遞；

（2）固定連接，即將鋼錨梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓或焊接等方式固定于鋼牛腿之上，鋼錨梁與鋼牛腿間的水平力分配與它們之間的變形協(xié)調(diào)有關(guān)；

（3）一端滑動(dòng)一端固定，即鋼錨梁一端與鋼牛腿固定連接，另一端則處于可滑動(dòng)狀態(tài)。本橋采用一端固定另一端先滑動(dòng)后固定的連接方式，采用這種連接方式水平力的分配不僅和鋼錨梁與塔壁的變形協(xié)調(diào)有關(guān)，還和固定端的位置以及滑動(dòng)端鎖死時(shí)機(jī)有關(guān)。本橋固定端設(shè)于主跨側(cè)，滑動(dòng)端在斜拉索索力調(diào)整完畢后鎖死。

本橋橋塔上共設(shè)9道鋼錨梁，自上而下編號(hào)為M1～M9，在最不利荷載工況下，各鋼錨梁軸力與塔壁分配水平力如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，鋼錨梁分擔(dān)約80%的斜拉索水平分力，剩余約20%的索力傳遞至塔壁，這是塔壁混凝土保持較低應(yīng)力水平的重要原因。

表2 水平力分配表

4 結(jié)語(yǔ)

本橋采用橋塔斜拉索鋼錨梁+鋼牛腿的錨固方式，鋼錨梁一端固定另一端先滑動(dòng)后固定。驗(yàn)算結(jié)果表明，斜拉索80%的水平分力由鋼錨梁承擔(dān)，橋塔壁承擔(dān)了約20%的水平力，使得橋塔混凝土保持在一個(gè)較低的拉應(yīng)力水平，避免了復(fù)雜的環(huán)向預(yù)應(yīng)力的配置，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。