斜拉橋空間索面拉索錨點(diǎn)定位及索塔錨固區(qū)受力分析

何靜科

摘要：斜拉橋拉索空間索面較平面索面，增加了多維度上的旋扭，在豎向垂度的疊加影響下，拉索線型更加復(fù)雜，拉索錨固點(diǎn)的精確定位往往十分困難，錨固區(qū)的受力模式也變得更加復(fù)雜。本文結(jié)合工程實(shí)踐，針對空間索面斜拉橋錨點(diǎn)定位及索塔錨固區(qū)受力進(jìn)行了分析研究，給出了一種錨點(diǎn)精確定位的求解思路，并結(jié)合幾種常見的索塔錨固區(qū)形式進(jìn)行了實(shí)體建模分析，對相關(guān)構(gòu)造提出了合理化的建議。

關(guān)鍵詞：空間索面;錨點(diǎn)定位;受力分析

1 引言

隨著近年來國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，國內(nèi)已建成多座大跨度的跨海、跨長江、跨黃河的特大橋。斜拉橋因其跨越能力和優(yōu)美造型的優(yōu)勢，成為近年來在中等跨度橋梁中應(yīng)用最普遍的橋型。其中空間索面斜拉橋由于在景觀方面的突出優(yōu)勢受到了諸多設(shè)計(jì)者的青睞。但是由于空間索面斜拉橋相較于平面索面，增加了多維度上的旋扭，在豎向垂度的疊加影響下，拉索線型更加復(fù)雜多變。索塔錨固區(qū)的構(gòu)造、受力與拉索線型緊密相關(guān)。

索塔錨固區(qū)作為拉索與橋塔的連接的重要部位，負(fù)責(zé)將拉索所承擔(dān)的拉力安全、均勻地傳遞到塔柱，是關(guān)系到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵區(qū)域。出于受力方面的考慮，拉索往往與錨固區(qū)呈垂直角度，空間索面使得錨固區(qū)構(gòu)造和受力模式更加復(fù)雜多變。錨點(diǎn)的精確定位以及索塔錨固區(qū)的受力分析是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以山西某項(xiàng)目，跨丹河特大橋工程為依托，主要針對以下內(nèi)容進(jìn)行了研究。

1.通過工程案例，分析了空間索面斜拉橋在錨點(diǎn)定位遇到的困難，并提出了一種基于迭代原理的精確定位求解方式。

2.分析了幾種常見的索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合有限元模擬分析的結(jié)果，優(yōu)化了錨固區(qū)構(gòu)造，對結(jié)構(gòu)形式的選擇提出了合理化的建議，對相關(guān)的工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

2 簡介

2.1 工程概況

主橋跨徑布置為（130+130）m，全長260m，為獨(dú)塔雙索面組合梁斜拉橋。結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，采用支架拼裝施工。橋塔全高94.5m，塔身采用混凝土結(jié)構(gòu)，索塔采用“水滴”型造型，美觀大方，與周圍環(huán)境融為一體。全橋設(shè)置44根斜拉索，斜拉索采用環(huán)氧噴涂平行鋼絲索體。

2.2 錨固區(qū)構(gòu)造

本橋塔柱為空心箱型斷面，橫橋向尺寸為3.5m，順橋向尺寸為6m，壁厚80～200cm，索與主塔的錨固采用混凝土牛腿結(jié)構(gòu)形式，拉索錨固在混凝土索塔內(nèi)壁的齒板上。

斜拉索在鋼梁上的錨固采用了錨拉板結(jié)構(gòu)形式。錨拉板焊接于邊主梁上翼緣板頂面，并與邊主梁腹板對應(yīng)。錨管嵌于錨拉板上部的中間，錨管兩側(cè)通過焊縫與錨拉板互相連接，下部直接焊在橋面板上，中部除了要開孔安裝錨具外，尚需連接上下兩部分。為了補(bǔ)償開孔部分對錨拉板截面的削弱，以及增強(qiáng)其橫向的剛度和保證錨拉板橫向傾角的準(zhǔn)確，在錨拉板的兩側(cè)焊接加勁板并和橋面板焊連。同時(shí)在加勁板對應(yīng)位置，邊主梁腹板設(shè)置豎向加勁肋。

3 錨固點(diǎn)定位

3.1 錨固點(diǎn)定義

首先明確如下兩個(gè)定義：

（1）名義錨固點(diǎn)：如圖3.1所示，名義錨固點(diǎn)用于初步描述拉索的錨固位置，可以通過簡單的幾何標(biāo)注來進(jìn)行描述。

（2）實(shí)際錨固點(diǎn)：拉索的實(shí)際錨固位置。由于根據(jù)錨固系統(tǒng)具有一定的構(gòu)造，如牛腿、鋼錨箱、錨拉板等，拉索端部的實(shí)際固定位置并非名義錨固點(diǎn)。而是由名義錨固點(diǎn)與實(shí)際錨固點(diǎn)的物理關(guān)系，以及拉索的空間角度計(jì)算得到。

如圖3.2-a所示，由于規(guī)定了拉索與牛腿的角度以及實(shí)際錨固點(diǎn)與塔壁的距離，當(dāng)拉索的角度確定后便可以根據(jù)名義錨固點(diǎn)求出實(shí)際錨固點(diǎn)。

同理如圖3.2-b所示，由于規(guī)定了名義錨固點(diǎn)到實(shí)際錨固點(diǎn)的距離L，當(dāng)拉索的角度確定后便可以根據(jù)名義錨固點(diǎn)求出實(shí)際錨固點(diǎn)。

需要注意的是，空間體系的每條拉索在三個(gè)方向的（x、y、z）的角度均在變化，且角度又受到垂度、索力等因素的影響，每個(gè)拉索的實(shí)際錨固點(diǎn)需要單獨(dú)計(jì)算。

3.2 斜拉索的垂度效應(yīng)

斜拉橋的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下會產(chǎn)生一定的垂度，因此實(shí)際的索形為一條懸鏈線。拉索坐標(biāo)計(jì)算以及鋼導(dǎo)管安裝時(shí)，必須考慮垂度引起的索兩端傾角的變化量β，否則將造成軸線偏位。

一般情況下，可按拋物線計(jì)算，即：

當(dāng)索的水平投影長度很長時(shí)（L>300m），按拋物線計(jì)算會帶來一定的誤差，因而應(yīng)采用更精確的懸鏈線方程求解。

3.3 實(shí)際錨固點(diǎn)坐標(biāo)求解

由前面分析可知，求解實(shí)際錨固點(diǎn)坐標(biāo)，應(yīng)先求出拉索的空間角度，且應(yīng)考慮垂度修正，但垂度修正計(jì)算又要以拉索的錨固點(diǎn)已知為條件，陷入死循環(huán)無法求解。為此，本文提出以下解決思路：

一、利用名義錨固點(diǎn)虛擬張拉拉索，以進(jìn)行角度求解及垂度修正。

二、利用上一步得到的修正后的角度，結(jié)合名義錨固點(diǎn)與實(shí)際錨固點(diǎn)的物理關(guān)系，求得實(shí)際錨固點(diǎn)的坐標(biāo)。

這樣得到的實(shí)際錨固點(diǎn)必然存在一定誤差，誤差產(chǎn)生的根源在于求解用到的索形為名義錨固點(diǎn)連接得到的虛擬索形，而非實(shí)際索形。對于索長較短，垂度影響不明顯的工程，忽略該誤差一般不會引起太大問題。但精確解對于提高工程控制精度，確保拉索體系的安全耐久還是十分必要的。為得到精確解，本文借鑒了數(shù)值分析中的迭代法。

三、利用第二步得到的實(shí)際錨固點(diǎn)坐標(biāo)重新進(jìn)行角度求解及垂度修正。

四、利用上一步得到的修正后的角度，重新結(jié)合名義錨固點(diǎn)與實(shí)際錨固點(diǎn)的物理關(guān)系，求得實(shí)際錨固點(diǎn)的坐標(biāo)。

五、重復(fù)以上步驟，不斷迭代直到兩次迭代得到的實(shí)際錨固點(diǎn)的差值（或者是兩次迭代得到的角度差值）可以忽略不計(jì)，這樣就得到了最終的拉索角度和最終的實(shí)際錨固點(diǎn)坐標(biāo)。

經(jīng)在丹河特大橋項(xiàng)目中驗(yàn)證，該迭代方法收斂性良好，可作為一種有效的實(shí)際錨固點(diǎn)坐標(biāo)求解方式。

4 索塔錨固區(qū)受力分析

索塔錨固區(qū)作為大跨度斜拉橋的重要受力構(gòu)件，由于其受到預(yù)應(yīng)力筋的錨固力、索導(dǎo)管孔洞削弱作用以及斜拉索的集中拉力的共同作用，使得錨固區(qū)的應(yīng)力分布十分復(fù)雜。在保證恒載、活載作用下錨固區(qū)本身合理受力的情況下，構(gòu)造上還要滿足施工的要求，同時(shí)考慮方便養(yǎng)護(hù)和斜拉索的后期更換。

因此如何清楚認(rèn)識索塔錨固區(qū)的受力性能，并合理地簡化設(shè)計(jì)，一直是一個(gè)值得研究的課題。采用空間有限元建模分析是較為常用且有效的分析手段。丹河特大橋在設(shè)計(jì)過程中先后研究了以下幾種方案，并利用Midas fea進(jìn)行建模分析。

4.1 鋼錨箱

在鋼錨箱索塔錨固結(jié)構(gòu)中，拉索錨固在錨固梁上，后者又焊接在鋼錨箱內(nèi)，鋼錨箱通過剪力釘與混凝土索塔連接。索力通過錨固點(diǎn)傳遞給鋼錨箱四壁，再通過剪力釘與混凝土索塔共同作用。索力的豎向分力完全由混凝土索塔承擔(dān)，而其水平分力則可以認(rèn)為作用于鋼混疊合框架結(jié)構(gòu)上。為提供順橋向塔壁在水平索力下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，抵抗混凝土框架變形產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)使得混凝土塔壁與鋼錨箱更好地共同作用。

可以看到，在錨固區(qū)端板這一側(cè)的錨管出塔點(diǎn)位置出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。側(cè)墻與承壓板附件也有輕微的應(yīng)力集中。

如圖4.2所示，為減小錨管處的應(yīng)力水平，取消了錨固區(qū)端板的端板。兩側(cè)斜拉索的水平分力僅由錨箱的側(cè)面拉板承受。由應(yīng)力結(jié)果可以看到，端墻的應(yīng)力水平降低十分明顯，但是加劇了錨箱與橋塔的結(jié)合部位尤其在承壓板附近應(yīng)力集中現(xiàn)象。

如圖4.3所示，為解決橋塔側(cè)墻應(yīng)力集中，端墻應(yīng)力水平較大的問題，將鋼錨箱的側(cè)板與橋塔脫離，同時(shí)在塔壁內(nèi)時(shí)間環(huán)向預(yù)應(yīng)力。由應(yīng)力云圖可知，前述問題得到了較好的解決。

4.2 混凝土齒塊

鋼錨箱錨固形式受力明確、傳力清晰、可以充分利用鋼材與的料性能，安全度較高，但是鋼錨箱形式構(gòu)造復(fù)雜、用鋼多、造價(jià)貴，安裝需要較大的橋塔內(nèi)部空間，因此在大跨度、超大跨度空間索面斜拉橋中應(yīng)用較多。而對于中小跨徑常規(guī)斜拉橋，傳統(tǒng)的混凝土齒塊錨固形式，可滿足使用需求，且具有構(gòu)造簡單、用鋼量少、造價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)。此種結(jié)構(gòu)型式的斜拉索的索塔錨固端直接錨固于混凝土索塔內(nèi)壁的齒板上，索力直接通過齒板傳遞給混凝土索塔。為了抵抗塔壁受到的彎矩和拉力，需要混凝塔壁中施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，因此也被稱為環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固。

本文選取丹河特大橋最不利位置，利用Midas fea建立局部分析模型。分析結(jié)果圖4.3～4.4所示。

可以看到，施加預(yù)應(yīng)力后塔壁橫橋向，順橋向均出現(xiàn)了1-2Mpa的壓應(yīng)力儲備，受力狀態(tài)良好。

4.3 本章小節(jié)

通過以上比較研究可知，鋼錨箱錨固形式受力明確、傳力清晰、可以充分利用鋼材與的料性能，承載能力大，可滿足大跨度、超大跨度斜拉橋的使用需求。但是鋼錨箱形式構(gòu)造復(fù)雜、鋼混結(jié)合部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)從構(gòu)造上加以優(yōu)化考慮。另外鋼錨箱造價(jià)高，且安裝需要較大的橋塔內(nèi)部空間。環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式構(gòu)造簡單、用鋼量少、造價(jià)便宜，但承載能力有限。在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)橋梁跨度、工程預(yù)算、施工養(yǎng)護(hù)能力等具體情況，選擇合理的索塔錨固方式。

5 結(jié)論

本文以山西晉城丹河特大橋工程為依托，針對空間索面斜拉橋錨點(diǎn)定位及索塔錨固區(qū)受力進(jìn)行了分析研究。提出的基于迭代原理的錨固點(diǎn)精確坐標(biāo)求解方式是方便且有效的，可應(yīng)用于多數(shù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。針對橋塔錨固區(qū)的受力分析，借助有限元分析軟件進(jìn)行了多方位的優(yōu)化比較，對于相關(guān)工程在錨固形式的選擇、錨固區(qū)構(gòu)造方面具有一定的參考價(jià)值。