斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計研究

顏俊

摘要：索塔錨固區因為其復雜的受力性能和結構構造，在斜拉橋設計中需考慮鋼與混凝土材料的非均勻性、彈塑性、施工工藝等因素對索塔錨固區結構受力、傳力機理的影響，這就給現在的橋梁人提出了許多新的橫向和縱向課題，因此，要想做好斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計，就需要掌握索塔錨固區的基本情況，在此基礎上進行設計與研究。

關鍵詞：斜拉橋 索塔錨固區 鋼錨箱設計

中圖分類號： S611文獻標識碼： A

斜拉橋索塔錨固段的受力情況比較復雜，橋梁設計師對這一區域進行鋼錨箱設計的時候就需要在認真分析其手里情況的基礎上，綜合考慮多種影響因素，并根據實際情況做出合理的設計。斜拉橋索塔錨固區是將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件，由于其局部強大的集中力作用等因素影響會使錨固區構造和受力狀態均較為復雜，因此，斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計的研究一直以來受到橋梁界的矚目。

鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區中的應用

1.1內置式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區中的應用

內置式鋼錨箱設置在混凝土塔柱的內部，在索塔的外側不能看到鋼錨箱。鋼錨箱為箱形結構,由側面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等構件組成。索力通過腹板傳遞至豎向拉板上，腹板兩側焊有加勁肋及連接板；側面拉板間設置開有人孔的橫隔板，可作為張拉斜拉索的施工平臺。在斜拉橋索塔錨固區中，拉板承擔大部分斜拉索拉力在順橋方向的分力,其余索力沿索塔高度方向的分力傳給混凝土索塔,由混凝土承擔。鋼錨箱承受了較大的拉力,混凝土承受了較大的壓力和較少的拉力,充分發揮了鋼材抗拉強度高和混凝土能承受較大壓應力的優點,克服了鋼材承受較大壓應力容易失穩和混凝土承受較大拉應力容易開裂的缺點。內置式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區中得到了很廣泛的應用，在蘇通大橋的建造中，鋼錨箱節段間用高強螺栓連接,鋼錨箱與索塔之間側向接觸面用剪力釘連接,最下端支撐錨固在混凝土底座上；香港昂船洲大橋為雙塔雙索面斜拉橋，圓形混凝土塔壁將鋼錨箱包裹在里面,鋼錨箱和塔壁外側的不銹鋼都是通過剪力釘與混凝土塔壁連接的；厄勒海峽橋為鋼桁梁斜拉橋，斜拉索錨固定在鋼錨箱內,兩條相對的拉索產生的水平分力由鋼錨箱直接承受,而垂直方向的分力則通過抗剪螺栓傳到混凝土上。

1.2外露式鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區中的應用

外露式鋼錨箱把混凝土索塔在錨固區分成了兩部分,在索塔的外側能夠看到鋼錨箱的一部分。外露式與內置式鋼錨箱受力特性上總體相似，其剪力鍵既要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿索塔高度方向的剪力,又要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿順橋向的剪力,受力較復雜,但混凝土塔壁所承受的拉索索力比較小，外露式鋼錨箱用水平環向預應力筋將鋼錨箱緊夾在混凝土塔柱的兩個分肢之間。諾曼底橋為混合梁斜拉橋，內部有21節鋼錨箱，鋼錨箱外部逐節澆筑塔冠筒壁混凝土,并在環向施加預應力，為了使得錨箱能承受預壓應力,并且不產生過大變形,在橫板內側設有交叉斜桿；里翁-安蒂里翁橋為全漂浮體系的四塔五跨斜拉橋，索塔錨固采用類似于諾曼底橋的鋼錨箱；香港汀九大橋為三塔四跨連續公路預應力混凝土斜拉橋，索塔錨固區有4個索面,分別錨固于組合式橋面之主梁固定端,而張拉端則位于橋塔頂鋼錨箱內,以避免在塔身上預留孔道和澆筑錨塊，同時,鋼錨箱為斜拉索安裝、張拉提供了工作平臺。

2.組合結構在斜拉橋中的應用情況

2.1板桁組合結構的優勢與特點

板桁組合結構是由橋面板與主桁架組合而成的共同作用受力的結構，它能發揮橋面板與主桁平縱聯的共同作用，增強結構的抗彎、抗扭剛度。在斜拉橋設計中應用板桁組合結構，可以優化橋梁設計與性能，板桁組合結構可以增加橋梁的抗撓、抗扭剛度，還可以減小小、減小車振撓度等，與普通的混凝土橋梁相比，應用組合結構的斜拉橋在相同跨度條件下，可以降低建筑高度，具有施工快、對交通影響小等優點，因此在橋梁設計中，板桁組合得到了越來越廣泛的應用，應用板桁組合的橋梁設計也越來越受到重視。在斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計中應用板桁組合結構，可以彌補傳統鋼桁梁橋面一般為與主桁結構分離的縱橫梁體系的缺陷，可以在一定程度上提高橋梁的整體性能，還能提高材料的利用效率，我國現在的橋梁設計正在逐步減小主桁桿件，減輕橋梁構架的自重，更有利于施工和安裝，對抗震也十分有利。

2.2板桁組合梁在斜拉橋中的應用

2.2.1板桁組合梁中的正交異形鋼橋面板研究

板桁組合梁中的正交異形鋼橋面板用于鋼箱梁結構，在實際應用過程中出現了一些問題。正交異形鋼橋面板是一種特殊的結構受力體系，除承受橋面鋪裝等二期恒載和車輛荷載的重量外，影響其使用壽命的還有橋梁的抗疲勞性能、結構體系的合理性。

2.2.2板桁組合梁計算方法研究

板桁結構靜力計算分為平面分析和空間分析兩個方面。平面分析是把橋面板視為上弦桿的一部分，計算主桁面內的受力特性，關鍵是橋面板的有效寬度。空間分析方法在總體上與普通的桁架橋梁的分析方法類似，如果涉及到動力計算，一般按照空間結構進行，跟靜力計算的方法的一樣。板桁組合梁計算方法可以得到簡化，可以把正交異形板簡化為一根縱向梁，縱向梁位于橋面板中軸處，令其橫截面積、抗彎剛度、抗扭剛度等于正交異形板的相應值，在簡化條件下進行計算可以得出：板桁組合梁和桁架梁的自振頻率、振動位移時程曲線等都很接近。此外，橋梁設計師還可以針對橋面板和縱橫肋的相互作用特點，運用有限元理論，將板桁結構不同受力結構用不同單元進行模擬，把研究的重點放在橋面板與縱、橫梁連接的處理上。

3.鋼錨梁索塔錨固區的受力機理分析

3.1水平受力機理分析

索塔錨固區主要承擔和傳遞斜拉索索力作用，根據斜拉索的作用方向可分解為豎向分力和水平分力。橋梁設計師在研究鋼錨梁索塔錨固區的受力機理時，可以將該區域的構造進行簡化，可以將鋼錨箱和混凝土塔壁都簡化成平面箱型結構,鋼錨箱的錨固構和端板簡化為鋼錨箱端壁，可以視為斜拉索水平力直接作用于鋼錨箱端壁上，鋼錨箱端壁與混凝土端壁上通過剪力釘連為一體共同承擔水平力,兩者在其交界面上的水平變形應符合變形協調原則。將這一區域進行模型簡化之后，就可以分析其水平方向的受力分配以及變形情況。

3.2豎向受力機理分析

斜拉索直接作用于鋼錨箱上，其豎向分力一部分由鋼錨箱自身承擔并往下節段傳遞，另一部分則通過剪力釘和鋼-混凝土界面摩擦等傳遞至混凝土塔壁，其中剪力釘是變形協調和傳遞剪力的傳力構件。鋼錨箱、混凝土塔壁和剪力釘之間的傳力途徑為鋼錨箱首先在斜拉索豎向分力的作用下發生豎向變形，接著引起剪力釘剪切和彎曲變形,使斜拉索豎向力由剪力釘傳遞至混凝土塔壁,最終使混凝土塔壁和鋼錨箱完成豎向力分配并協同受壓。橋梁設計師在分析其豎直方向的受力情況時，可以以含一枚剪力釘的鋼-混凝土組合結構為模型進行分析，剪力釘的豎向變形為鋼錨箱豎向變形與混凝土塔壁豎向變形的差，這樣便可以得到變形協調關系。

結語

隨著科學技術的發展，我國橋梁技術也取得了飛速的發展，斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計在不斷的優化與改良中逐漸能夠適應人們的需求，但是仍舊存在很多的不足。由于斜拉橋索塔錨固區的特殊結構，其理論、設計、施工工藝及耐久性研究還需要進一步完善，需要新一代的橋梁人做出艱苦的努力，相信在未來，斜拉橋索塔錨固區鋼錨箱設計能夠不斷優化，我國橋梁設計建造技術能夠達到更高的水平。

參考文獻：

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