索塔錨固區(qū)受力性能分析

蘇祥亞，徐 召，趙洪蛟，管錫琨

（1.山東魯橋建設有限公司，山東 濟南 250031；2.山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031）

1 概述

齊河黃河公路大橋主橋跨徑布置為40 m +175 m +410 m +175 m +40 m，采用雙塔鋼混組合梁斜拉橋結構形式，索塔為H 型雙柱結構，索塔錨固區(qū)采用鋼錨梁錨固方式。

2 索塔錨固方案

斜拉橋是一種主梁、索塔及斜拉索協(xié)作承重受力的橋梁結構，斜拉索通過索塔錨固結構將巨大的拉索索力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面。斜拉索在索塔上的主流錨固方式主要有三種：索塔環(huán)向預應力錨固形式、鋼錨箱錨固形式、鋼錨梁錨固形式。

2.1 環(huán)向預應力錨固方案

環(huán)向預應力錨固形式后期維護工作量小，但全部工序需要現(xiàn)場高空作業(yè)，精度和質量控制較難；且預應力束的彎曲半徑較小，預應力損失大，施工質量要求較高。

2.2 鋼錨箱錨固方案

鋼錨箱錨固構造源于法國的諾曼底大橋，鋼錨箱在工廠預制完成，容易控制錨固點的位置和角度；缺點是對吊裝能力有一定要求，水平力由塔壁和鋼錨箱共同承擔，塔壁分擔了不小的水平力，足以使混凝土開裂。

2.3 鋼錨梁錨固方案

鋼錨梁錨固構造源于加拿大的安娜西斯橋，主要優(yōu)點是受力機理明確，混凝土塔壁拉應力很小。傳統(tǒng)鋼錨梁的牛腿均采用混凝土結構，牛腿和塔柱混凝土一起澆注，由于混凝土牛腿的存在，內壁不能采用滑模施工，上塔柱施工工效很低，同時混凝土牛腿存在主拉應力大、易開裂等問題。若采用鋼牛腿，則用鋼量較大，經(jīng)濟性降低。綜合考慮結構受力、施工、造價等因素，齊河黃河公路大橋索塔采用鋼錨梁錨固方案。

3 鋼錨梁錨固方案構造特點及受力特性

3.1 鋼錨梁錨固方案構造特點

鋼錨梁本身是一個獨立且穩(wěn)定的受力構件，斜拉索錨固在鋼錨梁上，鋼錨梁支承在鋼牛腿上。鋼牛腿與塔柱內壁預埋鋼板焊接，預埋鋼板通過剪力釘與塔柱連接。斜拉索張拉時，鋼牛腿與鋼錨梁之間的螺栓處于放松狀態(tài)，可以沿順橋向有一定位移；斜拉索張拉到位后，擰緊螺栓，將鋼牛腿與鋼錨梁鎖死。

鋼錨梁為箱形結構，由錨墊板、支承板、加勁板、側拉板、頂板、底板、橫隔板等組成。

3.2 鋼錨梁錨固方案受力特性

斜拉索張拉過程中，鋼錨梁的錨墊板直接承受斜拉索錨頭傳來的索力。斜拉索索力豎向分力作用于鋼錨梁錨墊板后，經(jīng)由側拉板傳遞到鋼牛腿上，鋼牛腿受到的豎向力以剪力的形式直接傳遞給塔壁鋼板，塔壁鋼板自身承擔一部分豎向力后，將一部分豎向力通過其上的剪力釘作用于混凝土錨固壁上。斜拉索索力水平分力作用于鋼錨梁錨墊板后，一部分水平分力為鋼錨梁自平衡水平分力，這部分水平分力由鋼錨梁側拉板、頂板及底板共同承擔；另一部分水平分力為不平衡水平分力，這部分水平分力通過限位裝置和鋼牛腿傳遞給混凝土塔壁鋼板。

4 鋼錨梁錨固方案設計

4.1 鋼錨梁錨固結構形式的選擇

鋼錨梁是近幾年大跨徑斜拉橋較為常見的索塔錨固方式，在設計過程中對兩種方案鋼錨梁錨固形式進行了分析，見圖1。

圖1 鋼錨梁錨固方案設計

有限元數(shù)值模擬分析過程中，分別計算同一對斜拉索下的兩種鋼錨梁錨固方案。有限元模型中，鋼錨梁和鋼牛腿各個板件的鋼板厚度均取值相同，計算見圖2。

圖2 鋼錨梁錨固方案應力云圖/Pa

結果表明：（1）兩種鋼錨梁錨固方案下的各鋼構件受力均能滿足規(guī)范［6］要求；（2）鋼錨梁錨固方案1 中，錨墊板及錨下支承板應力較大；（3）鋼錨梁錨固方案2 中，斜拉索索力通過錨墊板和錨下支承板能較好地傳遞給側拉板。此外，鋼錨梁錨固方案2用鋼量較小，經(jīng)濟性更好，因此，選定鋼錨梁錨固方案2 為最終索塔錨固方案。

4.2 鋼錨梁、鋼牛腿構造

全橋共有64 對拉索，并錨固于上塔柱內的64個鋼錨梁上。鋼錨梁長5.5 m，除端頭錨索區(qū)外，高0.55 m。鋼錨梁梁端距塔壁10 cm，并在鋼錨梁梁端頂部設有限位鋼板，且鋼錨梁每端在縱向設有8 mm的自由活動量以適應自身的彈性變形。錨墊板為主要承壓構件，其厚度為60 mm。側拉板是主要承拉構件，其板厚為36 mm 和40 mm。為增加鋼錨梁鋼板的穩(wěn)定性，側拉板外側焊有厚度為20 ～30 mm 的豎向加勁肋，且在側拉板中間設置七道橫隔板，板厚為20 ～30 mm。

鋼牛腿寬為753 ～882 cm，高為70 cm，鋼牛腿頂面座板厚30 mm，鋼牛腿豎向支承板厚36 mm 和40 mm，鋼牛腿加勁肋和橫隔板厚20 mm，上設聚四氟乙烯板，鋼錨梁支承在聚四氟乙烯板上。

4.3 鋼錨梁計算

選取承受最大斜拉索索力的鋼錨梁、鋼牛腿進行計算分析，采用有限元軟件建立局部模型。有限元計算分析結果見圖3。

圖3 鋼錨梁、鋼牛腿應力云圖/Pa

鋼錨梁、鋼牛腿有限元分析結果表明：（1）邊界條件約束位置以及錨下支承板與側拉板連接角點位置均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，但此區(qū)域的范圍均較小，應力衰減幅度較快，且應力未出現(xiàn)向周圍區(qū)域擴散的現(xiàn)象，故不予考慮。（2）鋼錨梁各板件受力均滿足規(guī)范［6］要求。錨墊板、錨下支承板以及側拉板應力水平相對較高。側拉板中間部分以及鋼錨梁頂、底板、橫隔板、加勁肋應力水平相對較低。（3）鋼牛腿各板件受力均滿足規(guī)范［6］要求。鋼牛腿各板件應力水平相對較低。

5 結語

齊河黃河公路大橋斜拉索在塔端采用鋼錨梁錨固型式，設計中通過計算分析比選，確定了窄距鋼錨梁方案，既降低了錨下應力，又提高了鋼錨梁的經(jīng)濟性。