斜拉橋索塔錨區(qū)鋼錨梁設(shè)計及分析

陳作銀

（北京國道通公路設(shè)計研究院有限公司，北京 100161 ）

引言

主塔拉索錨固是將一個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)造。拉索錨部分的構(gòu)造與拉索的布置、拉索的根數(shù)、形狀、塔形和構(gòu)造等多種因素有關(guān)，應(yīng)用較多的主要有環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨箱和鋼錨梁。

環(huán)向預(yù)應(yīng)力在國內(nèi)應(yīng)用較多，但存在預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲半徑較小，摩阻損失較難確定，計算與實際受力較為失真，施工質(zhì)量難保證，橋塔混凝土易于開裂等問題，需進(jìn)行橋梁的足尺模型試驗來驗證摩阻損失；且環(huán)向預(yù)應(yīng)力徑向力較大，需設(shè)置較多防崩鋼筋，造成混凝土施工困難，影響施工質(zhì)量。

鋼錨箱錨固系統(tǒng)是由鋼索塔和鋼錨梁延伸出來的一種全新斜拉索錨形式，雖然錨固牢靠，受力較好，但存在構(gòu)造異常復(fù)雜，施工安裝不便及需要大型吊裝設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較差等缺點，一般適用于較大跨徑斜拉橋。鋼錨梁為一個獨立的構(gòu)件，支撐于空心塔柱的內(nèi)塔壁牛腿上，在順橋向和橫橋向均設(shè)置了限位裝置。鋼錨梁構(gòu)件承受拉索的水平分力和垂直分力及偏心彎矩，并通過鋼錨梁端部支撐傳至橋塔內(nèi)壁牛腿上，兩側(cè)拉索的平衡力由鋼錨梁本身承擔(dān)，不平衡力則通過內(nèi)塔壁牛腿傳至塔壁上，由塔壁承擔(dān)。這種構(gòu)造設(shè)置形式可有效降低橋塔內(nèi)壁的受力，確保主塔的長期使用性能；且鋼錨梁采用工廠化整體制作，現(xiàn)場吊裝，施工質(zhì)量易于保證，同時橋塔鋼筋設(shè)置簡單，橋塔混凝土施工質(zhì)量較高。在國內(nèi)已建橋梁中（如灌河特大橋、赤石大橋、廈漳跨海大橋北汊主橋等）廣泛采用，國外關(guān)于斜拉橋索塔錨固區(qū)可供參考的文獻(xiàn)研究資料相對較少。

1 項目概況

某特大橋主跨為320 m，跨徑布置為37 m+103 m+320 m+103 m+37 m 雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁為雙邊箱主梁，主橋結(jié)構(gòu)體系為塔梁分離的半漂浮體系，塔梁之間通過支座進(jìn)行銜接，斜拉橋橋型見圖1。

圖1 橋型/cm

索塔采用雙柱式變截面“H”形索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及橫梁組成，塔高為107.5 m。塔柱采用空心薄壁截面。上塔柱為斜拉索錨固區(qū)，索塔斜拉索錨固采用鋼錨梁，共設(shè)有19 對斜拉索，18 對鋼錨梁，其中第1對斜拉索直接錨固在混凝土底座上，第2 ～19 對斜拉索錨固在鋼錨梁上。同時在上塔柱錨區(qū)設(shè)置U 形預(yù)應(yīng)力束對塔壁進(jìn)行加強(qiáng)，以平衡兩側(cè)索力不平衡時作用在索塔上的水平力及增強(qiáng)塔壁混凝土的耐久性，錨固區(qū)域內(nèi)預(yù)應(yīng)力束型號為15-12，間距為60 cm。

2 鋼錨梁支撐體系分析

鋼錨梁作為斜拉索主要錨固和受力結(jié)構(gòu), 設(shè)置在上塔柱。結(jié)合以往實際工程，鋼錨梁的邊界條件根據(jù)與塔柱的結(jié)合方案，一般有三種邊界支撐方案。（1）方案一：鋼錨梁兩端滑動，鋼錨梁底板通過滑板支座與塔壁牛腿進(jìn)行結(jié)合，同時在鋼錨梁兩端與塔壁間留有微小縫隙，鋼錨梁在不平衡索力作用下可發(fā)生微小位移,使不平衡索力傳遞至橋塔。該邊界方案，鋼錨梁承受全部斜拉索力水平分力，橋塔承受鋼錨梁通過牛腿傳遞的豎向力和不平衡索力。（2）方案二：鋼錨梁兩端在安裝時均與橋塔壁固結(jié)，該邊界方案，鋼錨梁與橋塔共同承受斜拉索索力。（3）方案三：鋼錨梁采用先一端固結(jié)，一端滑動，后兩端均進(jìn)行固結(jié)，即鋼錨梁安裝時一端與橋塔壁固結(jié)，一端采取措施，與橋塔壁牛腿之間進(jìn)行滑動，待成橋后，再對滑動端進(jìn)行固結(jié)，該邊界方案，鋼錨梁先承受成橋前的斜拉索索力，成橋后，鋼錨梁與橋塔共同受力。

為驗證鋼錨梁的受力狀態(tài)，針對方案一和方案二建立簡單的有限元分析模型。（1）建立單獨的鋼錨梁模型，對鋼錨梁底板直接采用一端固定，一端滑動，斜拉索索力直接加載在錨板位置。（2）建立一段橋塔，鋼錨梁設(shè)置于塔柱內(nèi)，鋼錨梁與塔柱固結(jié)，在塔柱底部進(jìn)行固結(jié)。模型見圖2。兩種方案斜拉索索力加載方案一致，索力加載工況見表1，各工況下計算結(jié)果見表2。

由表2可知，鋼錨梁在兩種支撐體系方案作用下，各板件的等效應(yīng)力水平較為接近，其中腹板、頂板、底板及錨下加勁板最大應(yīng)力方案二略小于方案一，約為方案一的97%，最大等效應(yīng)力位置均相同，位于腹板與錨墊板連接位置。

圖2 鋼錨梁計算模型

表1 索力加載工況

表2 鋼錨梁主要構(gòu)件在各加載工況下應(yīng)力

計算分析表明，方案一鋼錨梁承擔(dān)全部斜拉索索力，橋塔僅承擔(dān)斜拉索豎直向分力,但該方案在斜拉索施工過程中,鋼錨梁容易產(chǎn)生滑移,不易定位,且存在一定的施工安全風(fēng)險；方案二為鋼錨梁和橋塔共同承擔(dān)斜拉索索力，鋼錨梁承擔(dān)較大部分索力水平分力，同時橋塔也承擔(dān)一部分索力水平分力。

結(jié)合方案一和方案二的特點，為最大限度發(fā)揮鋼錨梁的作用，降低橋塔應(yīng)力水平，使索塔錨固區(qū)的受力更為合理,同時能有效降低施工時安全風(fēng)險，對鋼錨梁支撐體系進(jìn)行優(yōu)化，得出了方案三。雖然該方案工序相對較為復(fù)雜，但鋼錨梁能較好地平衡斜拉索的水平分力，降低橋塔受力,且施工較為安全。

3 鋼錨梁設(shè)計與分析

3.1 方案設(shè)計

結(jié)合本項目橋梁結(jié)構(gòu)的特點，鋼錨梁與橋塔的結(jié)合方式采用方案三。鋼錨梁作為斜拉索錨固結(jié)構(gòu)，設(shè)置在上塔柱中。鋼錨梁兩側(cè)各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構(gòu)造組成。每對斜拉索面內(nèi)的平衡水平力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端底座傳遞到預(yù)埋鋼板，由塔壁承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受。鋼錨梁與牛腿的接觸面之間采用不銹鋼進(jìn)行焊接，安裝斜拉索時，鋼錨梁邊跨側(cè)一端先與牛腿焊接錨固，且利用鋼墊塊將該處鋼錨梁梁端與塔壁之間填實，以防施工過程中索力偏差過大，另一端鋼錨梁發(fā)生翹起。待主梁中跨合龍，且中跨斜拉索張拉完成后再將鋼錨梁中跨側(cè)一端與牛腿進(jìn)行焊接固結(jié)。鋼錨梁布置見圖3。

圖3 鋼錨梁布置/cm

3.2 邊界模擬

根據(jù)鋼錨梁與橋塔的結(jié)合特點，利用非線性及細(xì)部分析軟件Midas FEA 建立空間分析模型，其中塔柱混凝土采用實體單元，鋼錨梁鋼板采用板單元。為精確模擬兩個構(gòu)件的結(jié)合特點，鋼錨梁與橋塔塔壁牛腿之間采用接觸單元，鋼錨梁固定端接觸單元靜態(tài)摩擦系數(shù)取一個較大值1 000 來模擬；滑動端牛腿預(yù)埋鋼板與鋼錨梁底板之間通過靜態(tài)摩擦系數(shù)取0.04 來模擬。

3.3 結(jié)果分析

由圖4 ～圖6 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應(yīng)力為206.1 MPa，發(fā)生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側(cè)板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應(yīng)力為163.2 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應(yīng)力效應(yīng)整體較小，其主拉應(yīng)力頂板為53.2 MPa，底板為15.9 MPa，側(cè)板下緣17.1 MPa，側(cè)板上緣52 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.11 mm,水平向0.67 mm。

圖4 工況一鋼錨梁von Mises 應(yīng)力云圖/MPa

圖5 工況一鋼錨梁最大主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖6 工況一鋼錨梁最大主壓應(yīng)力云圖/MPa

由圖7 ～圖9 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應(yīng)力為229 MPa，發(fā)生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側(cè)板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應(yīng)力為181.4 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應(yīng)力效應(yīng)整體較小，其主拉應(yīng)力頂板為59.2 MPa，底板為18.1 MPa，側(cè)板下緣19.6 MPa，側(cè)板上緣57.7 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.14 mm,水平向0.70 mm。

圖7 工況二鋼錨梁von Mises 應(yīng)力云圖/MPa

圖8 工況二鋼錨梁最大主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖9 工況二鋼錨梁最大主壓應(yīng)力云圖/MPa

由圖10 ～圖12 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應(yīng)力為246 MPa，發(fā)生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側(cè)板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應(yīng)力為194.5 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應(yīng)力效應(yīng)整體較小，其主拉應(yīng)力頂板為60.7 MPa，底板為18.4 MPa，側(cè)板下緣20.1 MPa，側(cè)板上緣59.3 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.155 mm,水平向1.70 mm。

圖10 工況三鋼錨梁von Mises 應(yīng)力云圖/MPa

圖11 工況三鋼錨梁 最大主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖12 工況三鋼錨梁最大主壓應(yīng)力云圖/MPa

由計算結(jié)果分析可以看出，鋼錨梁邊界體系采用方案三計算出的鋼錨梁有效應(yīng)力值介于方案一和方案二之間，較為接近于方案二的值，且總體相差值均較小，說明鋼錨梁滑動端與橋塔壁牛腿界面摩擦接觸系數(shù)起到一定的作用。因此，在實際施工操作過程中，可采用在鋼錨梁承壓底板與橋塔壁牛腿界面涂抹硅脂等潤滑措施，降低鋼錨梁滑動端與橋塔壁牛腿界面摩擦系數(shù)，更好地發(fā)揮鋼錨梁的斜拉索索力平衡作用。

4 結(jié)語

鋼錨梁作為索塔錨固區(qū)斜拉索主要受力平衡構(gòu)件，承擔(dān)了絕大部分索力水平分力。鋼錨梁采用一端固定、一端臨時滑動，有效降低了橋塔本身的應(yīng)力水平，僅通過設(shè)置較少的預(yù)應(yīng)力，即可使橋塔錨固區(qū)全斷面處于受壓狀態(tài)，較好地解決了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橋塔開裂問題。同時由于鋼錨梁采用工廠整體制作，既保證了施工質(zhì)量，又便于安裝及施工控制，也可有效降低橋塔的施工周期。對于中等跨徑斜拉橋，索塔錨固區(qū)采用鋼錨梁作為主要受力構(gòu)件相對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是一個較好的選擇。