空間索面斜拉橋索塔錨固方案研究

延力強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

本橋為某在建獨塔雙索面公鐵兩用斜拉橋，橋跨布置為(35+260+51.5+66.0+62.5)m，橋面寬46 m，公路鐵路同橋面布置。橋梁結構采用鋼箱－混凝土混合梁，墩-塔-梁固結。主跨采用分離式流線形扁平鋼箱梁，分離鋼箱之間由密布工字形橫梁連接，橫梁上設置正交異性橋面板;邊跨采用分離式預應力混凝土箱形梁，箱體之間由密布預應力混凝土橫梁連接。鋼箱梁和混凝土箱梁結合段設在主跨，距主塔中心15 m處。

索塔橫橋向采用A字形混凝土塔，橋面以上塔高125 m，橋面以下塔高20.0 m。下塔柱采用實心矩形截面，橫向分成雙塔柱，單個塔柱寬由2.7 m漸變為4.6 m，縱橋向長度由12.0 m漸變為13.0 m;中塔柱采用空心矩形截面，橫向雙塔柱，在約離橋面42.0 m高處交匯于一處，交匯處橫梁高3.0 m;上塔柱采用空心矩形截面。

斜拉索采用高強低松弛鍍鋅鋼絲，PE擠壓護套平行鋼絲束，鋼絲強度1 670 MPa，斜拉索最大設計索力達到6 500 kN。主跨拉索錨固間距主跨為9.0 m，邊跨為6.0 m，主塔上錨固間距為2.0 m。全橋共50對拉索。

2 結構方案比選

斜拉橋索塔的拉索錨固部位，是一個將拉索的局部集中力分散到全截面，并且安全、均勻地傳遞到錨固區以下塔柱的受力構造，因此索塔錨固區是斜拉橋設計的重點。

為了提高結構的抗風性能，很多大跨徑斜拉橋采用空間索面的布置形式，針對這種形式常用的錨固方案有以下3種:(1)異型鋼錨梁，將錨固鋼錨梁置于混凝土塔壁的鋼牛腿上，拉索錨固于錨橫梁的兩端，如圖1～圖2所示;(2)鋼錨箱，鋼錨箱通過連接件與混凝土索塔連接，斜拉索錨固在鋼錨箱上，如圖3～圖4所示;(3)齒塊錨固，將斜拉索錨固于混凝土索塔內側的齒塊上，在索塔錨固區的四壁布設環向預應力。

圖1 異型鋼錨梁立面

鋼錨梁方案受力機理比較明確，斜拉索的水平分力由鋼錨梁承受，混凝土塔壁所受拉應力較小，但是它對塔柱內部空間有一定的要求，安裝和換索都不方便，需要配置少量環向預應力作為安全儲備，在施工上要求有足夠的吊裝能力。

圖2 異型鋼錨梁平面

圖3 鋼錨箱立面

圖4 鋼錨箱平面

鋼錨箱方案，斜拉索順橋方向的水平分力可以被鋼錨箱兩側的聯系鋼板承擔相當大的一部分，其余沒有承擔的水平分力由鋼錨箱傳到混凝土塔壁上;豎向分力則傳給混凝土索塔，由混凝土承擔。但由于塔壁分擔了不小的水平力，混凝土應力較大，很容易開裂，會影響到結構的耐久性，需要采取一定的措施進行改善，另外用鋼量大，成本高，對吊裝能力和安裝精度要求較高。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，齒塊錨固具有構造簡單、造價低、后期維護工作量小等優點。但也存在施工質量和精度很難控制的缺點，主要是因為環向預應力錨固方式的全部工序需要現場高空作業，錨墊板的角度及預應力管道定位控制較難。

本文針對具體工程的特點，綜合考慮安全、經濟、施工和后期養護等諸多因素，擬采用齒塊錨固方案。對于齒塊錨固方案，由于斜拉索索力直接作用在塔壁上，索塔前壁外緣形成了較大的拉應力，因此索塔錨固區需要布設預應力束抵抗這一拉應力。塔壁預應力錨固又分為3種形式:U形+短直預應力鋼束錨固;精軋螺紋鋼筋錨固;短直預應力鋼束錨固。主要針對這3種錨固形式進行了分析、研究，以確定索塔錨固區最合理的預應力布置形式。

2.1 U形+短直預應力鋼束錨固方案

本方案如圖5～圖9所示，同一層環向預應力鋼束外側、內側分別采用15－7φ5、12－7φ5預應力鋼絞線，短直預應力鋼束采用12－7φ5預應力鋼絞線。相同方向環向預應力鋼束豎向間距為40 cm，短直預應力鋼束豎向間距為63～202 cm。U形預應力鋼束、短直預應力鋼束采用塑料波紋管，鋼束與管道的摩擦系數分別采用0.2、0.17，預應力鋼束管道每米局部偏差影響系數為0.001 5。

圖5 立面布置

圖6 側面布置

圖7 疊加布置示意(一)(單位:cm)

圖8 單層布置(單位:cm)

圖9 非錨固壁短直束單層布置(單位:cm)

圖10 立面布置(二)

圖11 側面布置(二)

圖12 鋼束疊加布置示意(二)(單位:cm)

圖13 立面布置(三)(單位:cm)

2.2 精軋螺紋鋼筋錨固方案

本方案如圖10～圖12所示，本方案采用JL32 mm預應力高強精軋螺紋粗鋼筋，fpk=785 MPa，彈性模量Es=2.0×105MPa。索塔的兩側錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋，兩側非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋，同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為15 cm。

圖14 側面布置(三)(單位:cm)

圖15 鋼束疊加布置示意(三)(單位:cm)

2.3 短直預應力鋼束方案

本方案如圖13～圖15所示，本方案預應力鋼束均采用15－7φ5預應力鋼絞線。索塔的兩側錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋，兩側非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋，同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為40 cm。短直預應力鋼束采用金屬波紋管，鋼束與管道的摩擦系數為0.26，預應力鋼束管道每米局部偏差影響系數為0.003。

3 索塔空間有限元模型

3.1 模型的建立

本文選取最不利索力所對應塔段的4個節段進行計算分析，計算節段包含4對斜拉索，取頂部的2對索進行分析研究。頂部截面非錨固壁長6.965 m，橫向長5.234 m，底部截面非錨固壁長7.527 m，橫向長6.308 m，高度13 m。塔的頂部為厚80 cm的實體段，內設150 cm×150 cm的過人孔。塔的錨固壁厚度為150～158.7 cm，非錨固壁厚度為80 cm。

采用Midas FEA軟件建立實體單元局部分析模型，斜拉索錨固位置等關心位置單元尺寸為10 cm，其余部位單元尺寸為30 cm，模型共劃分258 030個單元，71 011個節點。有限元計算模型如圖16所示。

圖16 上塔段上部局部分析模型

邊界條件:塔段底部固結。

主要考慮荷載工況:工況1 預應力+自重;工況2 預應力+自重+索力。

其中索力是由整體計算模型中主+附加力工況下提取而來。斜拉索編號由下至上主跨側分別為P23～P26，邊跨側C23～C26。斜拉索情況如表1所示。

表1 斜拉索參數

預應力張拉情況:(1)U形、短直預應力鋼束錨下張拉控制應力為1 302 MPa，預應力鋼束錨頭變形、鋼筋回縮、由于混凝土收縮徐變引起的應力損失等均由FEA軟件自動計算;(2)考慮到精軋螺紋鋼筋應力損失的各方面問題，錨下控制應力采用785×0.5=392.5 MPa。

3.2 U形+短直預應力鋼束錨固方案計算結果分析

3.2.1 自重+環向預應力作用下

X方向(非錨固壁)的應力圖如圖17所示，從圖中可以看出，在索塔非錨固壁內側壓應力為3～15.5 MPa;非錨固壁外側出現2～8.5 MPa壓應力，塔頂實體段為0～4 MPa壓應力，0～0.8 MPa拉應力。

圖17 非錨固壁混凝土應力(一)(單位:MPa)

Y(錨固壁)方向的應力圖如圖18所示，從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側產生了3～17 MPa的壓應力，索孔附近產生17～20 MPa的局部壓應力;在索塔錨固壁的內側產生約1.5～10 MPa的壓應力，索孔附近產生10～24 MPa的局部壓應力，錨墊板下緣及四周產生0～11 MPa的拉應力。

圖18 錨固壁混凝土應力(一)(單位:MPa)

3.2.2 自重+環向預應力+索力作用下

X方向(非錨固壁)的應力圖如圖19所示，從圖中可以看出，在索塔非錨固壁內側壓應力為2～11 MPa;非錨固壁外側出現1.5～7 MPa壓應力。

圖19 非錨固壁混凝土應力(二)(單位:MPa)

Y(錨固壁)方向的應力圖如圖20所示，從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側產生了2～14 MPa的壓應力;頂端實體段出現0～1 MPa的拉應力;在索塔錨固壁的內側產生約0～16 MPa的壓應力，錨墊板四周壓應力較大。

圖20 錨固壁混凝土應力(二)(單位:MPa)

索塔上部主拉應力大多在2 MPa以下，滿足規范中不得超過0.7×3.3=2.31 MPa的要求。超過2 MPa的部分如圖21所示，主要分布于預應力鋼束錨固位置以及錨墊板四周;主壓應力大多在0.7×37=25.9 MPa以下，超過10 MPa的部分如圖22所示，主要分布于錨墊板四周。

圖21 主拉應力(只顯示≥2 MPa應力部分)

圖22 主壓應力(只顯示≤－10 MPa應力部分)

由于篇幅所限，本文僅列出U形+短直預應力鋼束錨固方案的詳細計算結果。3種錨固方案在自重、預應力及索力共同作用下的結果對比如表2所示。

表2 三種錨固方案應力對比

經過分析研究，推薦采用U形+短直預應力鋼束錨固方案，主要原因如下。

(1)精軋螺紋鋼筋與短直預應力鋼束方案，預應力束長度較短，由回縮及錨具變形引起的應力損失很大，因此預應力筋用量較多。

(2)U形+短直預應力鋼束錨固方案，大大減少了預應力筋用量，大幅度減少張拉和灌漿等高空危險作業的工作量。

(3)精軋螺紋鋼筋方案計算時，應力損失情況不容易估算準確。

4 結論

(1)針對索塔錨固區3種預應力布置形式，對塔壁應力的影響進行了分析研究，論證了U形預應力鋼束+短直預應力鋼束錨固方案在本項目中的合理性，環向預應力鋼束與短直鋼束的布置滿足規范要求，使結構處于一定的合理受理狀態。

(2)對索塔各部位分別進行了計算，確定U形+短直預應力鋼束方案為索塔各段的最佳布置方案。

(3)在斜拉索作用力下，斜拉索錨頭周圍的局部主拉和主壓應力較大。雖然應力較大區域很小，但在索力長期的高應力狀態下，錨固區混凝土會出現裂縫，所以應該采取必要的措施。

(4)錨固塊、錨固塊與箱室交接處會出現較大的應力集中區域，需要注意配置構造鋼筋或設置包裹鋼板預防裂縫的開展。

(5)在索塔局部分析計算中，未考慮寒潮作用。在寒潮作用下索塔塔壁外側將產生較大的拉應力，這時索塔須配足夠的鋼筋，以避免混凝土開裂。

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