大型斜拉橋索塔錨固體系設(shè)計(jì)研究

沈宜萍 ，余竹 （安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

某特大跨徑斜拉橋全長(zhǎng)1448m，主跨828m，采用橋跨布置為（3×48+96+828+280+100）m 非對(duì)稱混合梁斜拉橋。全橋共采用216根斜拉索。主梁為混合梁，斜拉索采用鋼絞線斜拉索。斜拉橋主塔設(shè)計(jì)為花瓶形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔結(jié)構(gòu)由下、中、上塔柱及上、下橫梁組成。Z4號(hào)北主塔高237m，與Z5號(hào)南主塔中、上塔柱及上、下橫梁部分均相同，Z5主塔下塔柱比Z4高6m，其中塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 主塔立面圖(單位:cm)

2 錨固方案設(shè)計(jì)

2.1 索塔錨固方式比選

結(jié)合橋梁主通航孔橋的橋型結(jié)構(gòu)，對(duì)比斜拉索錨固在塔柱內(nèi)的預(yù)應(yīng)力錨固、鋼錨梁、鋼錨箱以及塔柱外鋼橫梁錨固形式，總結(jié)得到塔柱外鋼橫梁錨固有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

①受力機(jī)理：塔柱兩側(cè)拉索的水平分力通過鋼橫梁承受，豎直分力傳遞至塔壁柱混凝土中。

②塔柱受力影響：塔柱不受拉力，僅傳遞剪力。

③安裝精度：鋼橫梁在工廠預(yù)制完成，容易控制錨固點(diǎn)的位置和角度，現(xiàn)場(chǎng)僅需控制塔柱混凝土基座標(biāo)高。

④施工要求：對(duì)吊裝能力有一定要求，鋼橫梁分塊制造，在澆筑上塔柱前采用栓接拼裝，施工較為方便。

綜上，采用塔柱外鋼橫梁的錨固方式，可有效避免主塔局部受拉。同時(shí)，可采用工廠預(yù)制化加工，整體吊裝，施工便捷，景觀上也與主塔外形相匹配。因此，采用塔柱外鋼橫梁錨固的形式是較為適合的。

2.2 索塔及鋼橫梁受力分析

2.2.1 計(jì)算模型

主塔計(jì)算采用SCDS2011平面桿系程序，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況。由總體計(jì)算可知，Z4#主塔結(jié)構(gòu)索力較大，塔端斜拉索邊跨側(cè)豎向角度較小，索力對(duì)主塔內(nèi)力影響較大，因此取Z4#主塔建立模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型共劃分節(jié)點(diǎn)199個(gè)，20 4個(gè)單元。下橫梁混凝土梁?jiǎn)卧幪?hào)1～16，上橫梁共6道鋼橫梁，由上至下，分別為鋼橫梁1～鋼橫梁6,每道鋼橫梁劃分10個(gè)單元。左、右每塔柱共劃分58個(gè)單元。6道鋼橫梁與塔柱采用剛臂連接。

2.2.2 計(jì)算荷載

①主塔自重

主塔按構(gòu)件實(shí)際截面計(jì)入，C50混凝土容重γ=26.25kN/m3。鋼橫梁按實(shí)際截面計(jì)入，采用Q370qE。

②斜拉索索力

圖2 成橋索力表

通過總體計(jì)算，斜拉索索力主要分為成橋索力、活載索力、成橋+活載+附加力索力，分別如圖2。斜拉索NSC1～NSC27為邊跨側(cè)拉索編號(hào)，NMC1～NMC27為中跨側(cè)拉索編號(hào)，拉索編號(hào)順序由內(nèi)向外，靠近主塔處為小號(hào)編號(hào)拉索。

③下橫梁支座反力

通過總體計(jì)算，下橫梁支座反力主要分為成橋反力、活載反力、成橋+活載+附加力反力。分別如表1所示。

下橫梁支座反力表 表1

④荷載組合

組合I：恒載（裸塔，結(jié)構(gòu)塔本身自重）；

組合II：恒載＋成橋索力＋成橋反力；

組合III：恒載＋（成橋＋活載）索力+（成橋+活載）反力；

組合IV：恒載＋（成橋+活載+附加力）索力＋（成橋+活載+附加力）反力；組合Ⅴ：恒載＋（成橋+活載+附加力）索力＋（成橋+活載+附加力）反力+風(fēng)荷載+溫度荷載；

組合VI：活載索力＋活載反力

注：風(fēng)荷載、溫度荷載及收縮徐變按相關(guān)要求及規(guī)范選取

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 主塔鋼橫梁檢算

表2給出了鋼橫梁1～6在5種荷載組合下的內(nèi)力最值。

組合Ⅵ：活載索力＋活載反力——鋼橫梁活載應(yīng)力幅

鋼橫梁活載應(yīng)力幅僅考慮活載作用，為最大索力與最小索力情況下的應(yīng)力差值。經(jīng)計(jì)算分析，鋼橫梁最大應(yīng)力幅僅為6MPa，應(yīng)力幅很小，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 主塔下橫梁檢算

主塔下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，按全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，在荷載組合下，下橫梁全截面均受壓，最大壓應(yīng)力12.1MPa，最小壓應(yīng)力2.8MPa，沒有拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)檢算滿足要求。

2.3.3 主塔塔柱檢算

主塔塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，計(jì)算結(jié)果如下。

組合Ⅲ：恒載＋（成橋＋活載）索力+（成橋+活載）反力；組合Ⅴ：恒載＋（成橋+活載+附加力）索力＋（成橋+活載+附加力）反力+風(fēng)荷載+溫度荷載

塔柱截面在組合Ⅲ主力工況下，全截面受壓，沒有拉應(yīng)力。在組合Ⅴ主力+附加力+風(fēng)荷載+溫度荷載工況下，除塔底及下橫梁與塔柱交接截面處出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其余截面均為壓應(yīng)力，塔底截面最大拉應(yīng)力-3.2MPa，下橫梁與塔柱交接截面最大拉應(yīng)力-2.9MPa。塔柱按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算，截面布置直徑32mm，間距15cm的兩層主鋼筋，強(qiáng)度、裂縫檢算滿足規(guī)范要求。

受力計(jì)算結(jié)果表 表2

2.4 塔柱與橫梁同步施工時(shí)鋼橫梁受力分析

考慮主塔與主梁同步施工，即主塔施工完錨固斜拉索的鋼橫梁時(shí)，具備架設(shè)主梁、斜拉索的條件，同時(shí)施工主塔、主梁架設(shè)及斜拉索張拉。

塔梁同步施工階段，最大應(yīng)力57MPa為鋼橫梁6，小于成橋階段恒載+活載+附加力工況下的最大應(yīng)力99MPa。通過分析結(jié)果表明，上橫梁6道鋼橫梁，最大應(yīng)力為99MPa，最大應(yīng)力幅6MPa，結(jié)構(gòu)檢算滿足要求。下橫梁按預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件檢算，均為壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)檢算滿足要求。塔柱按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算，強(qiáng)度及裂縫滿足要求。因此，橋塔結(jié)構(gòu)受力安全。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)比多種索塔錨固形式，分析索塔及鋼橫梁受力及塔梁同步施工時(shí)鋼橫梁的受力情況，驗(yàn)證了此方案是可行的，對(duì)同類型橋梁的索塔錨固設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。