南臺頭閘橋梁索塔錨固區設計研究

吳 樸

（浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

南臺頭閘橋梁索塔錨固區設計研究

吳 樸

（浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

拱形索塔斜拉橋以其造型優美、線條柔和、簡單大方等優點，在景觀要求較高的橋梁投標中具有一定優勢。目前國內對此種形式斜拉塔研究較少，因其空間索面體系及曲線橋塔結構，使得整個索塔錨固區受力更加復雜。以一座單塔拱形橋塔斜拉橋為工程實例，具體分析拱形斜拉塔索塔錨固區的受力情況，可為同類斜拉橋的設計工作提供借鑒與參考。

拱形斜拉塔；索塔錨固區；預應力錨固

0 引言

斜拉橋作為一種拉索體系結構，主要由橋塔、拉索、主梁等構件構成，是一種主梁受壓，支撐體系受拉的組合體系橋梁[1-3]。斜拉橋以其受力性能好、跨越能力大、受場地限制小、抗震抗風性能好、施工工藝成熟等特點，橋梁工程中得到了較大的應用。

橋塔作為斜拉橋的主要承重構件，目前常用的橋塔形式有：柱式、門式、倒Y型、倒V型、A型、花瓶型及磚石型等[4,5]。近年來隨著我國經濟的快速發展和人民的物質生活水平不斷提高，人民的精神文化需求日益增長，對橋梁的景觀功能性要求也逐步提升。橋塔作為整個斜拉橋的高聳部分，其外形是人們關注的焦點，最能表現出斜拉橋的景觀效果，也最能給人留下較為深刻的映像，體現出橋梁的整體文化內涵及地方特色，故橋塔的外型選擇十分重要。因此目前對斜拉橋的景觀處理大多由橋塔入手，誕生了一批外形優美的異形斜拉塔。

拱形斜拉塔以其造型優美、線條柔和、簡單大方等優點，在景觀要求較高的橋梁投標中具有一定優勢。目前國內對此種形式斜拉塔研究較少，因其空間索面體系及曲線橋塔結構，使得整個索塔錨固區受力更加復雜。本文將以一座單塔拱形橋塔斜拉橋為工程實例，具體分析拱形斜拉塔索塔錨固區的受力情況，為同類斜拉橋的設計工作提供借鑒與參考。

1 南臺頭閘橋梁概況

南臺頭閘橋梁主橋采用兩跨102 m+13 m獨塔雙索面斜拉橋，全橋共36對共72根斜拉索，邊跨梁上索距分別為6.3 m和3.5 m，主跨梁上索距為6.3 m，塔上索距為2.8 m、2.6 m、2.4 m和2.2 m。主塔為混凝土橢圓形橋塔，橋面以上高為74.2 m左右。斜拉橋主梁6.3 m索距處的結構形式為雙肋式預應力混凝土結構，邊跨3.5 m索距處的主梁為單箱單室預應力混凝土箱梁，中心點梁高為2.4 m。橋面全寬30.5 m，整體結構采用塔墩梁固結體系。總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置立面圖（單位：cm）

2 南臺頭閘橋梁斜拉索塔錨固區設計

2.1 常用的拉索固形式

拉索錨固處的構造主要受拉索位置、根數、縱橫向布置、橋塔的結構形式、拉索牽引方式及張拉工藝等多種因素的影響。故應從設計、施工、養護維修及換索等多方面來綜合考慮拉索錨固區的構造。

對于混凝土橋塔常用的拉索錨固形式有，預應力錨固、鋼錨梁以及鋼錨箱等。

2.1.1 預應力錨固結構

預應力錨固是將斜拉索直接錨固在混凝土橋塔內壁的齒塊上，拉索索力由齒板傳至塔壁；其中拉索的豎向分力經由塔壁向下傳遞，拉索的水平向分力在塔壁上產生的拉力則由設在塔內的平面預應力筋對橋塔產生的預壓力來抵消。主要構造形式見圖2。

圖2 預應力錨固構造形式圖

2.1.2 鋼錨梁

鋼錨梁作為獨立的拉索錨固構件，支撐于塔柱內壁牛腿上，依靠鋼錨梁自身強度平衡兩側拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通過鋼錨梁支座摩阻力和水平限位裝置傳遞至塔壁，拉索的豎向分力由塔柱內側牛腿傳至塔柱。由于拉索的水平向分力大多由鋼錨梁平衡，故塔壁處混凝土拉應力水平較低。主要構造形式見圖3。

圖3 鋼錨梁構造形式圖

2.1.3 鋼錨箱

鋼錨箱是由鋼結構索塔及主梁錨固橫梁發展而來的一種新型錨固構造。鋼錨箱整體澆筑于混凝土主塔內，與混凝土間通過剪力鍵連接，拉索錨固于鋼橫梁上，鋼橫梁焊接在鋼錨箱上。鋼錨箱的工作機理明確，索力首先傳遞至鋼錨箱上，其豎向分力由塔壁由上而下向下進行傳遞，整體由混凝土承擔；其水平向分力則通過鋼錨箱的水平鋼板和塔柱共同承擔。鋼錨箱中鋼材主要負責承擔索力產生的水平拉力，混凝土主要負責承擔索力產生的豎向壓力，充分發揮了混凝土受力承載力大、鋼材抗拉強度高的特點，受力性能優越。主要構造形式見圖4。

圖4 鋼錨箱構造形式圖

2.1.4 不同錨固方式的優缺點比較

不同的索塔錨固形式有各自不同的特點，其主要優缺點見表1。

表1 不同索塔錨固形式優缺點一覽表

2.2 斜拉塔錨固區設計

該橋采用混凝土橢圓形橋塔，空間索面結構，結構復雜，故索塔錨固方式是該橋設計的重要節點。

由于該橋主塔設計受道路斷面限制，主塔橫向尺寸較小，塔根部橫向尺寸為4.0 m，且拉索豎向間距較小，最小處僅為2.2 m，故塔內錨固空間較小；又因主塔為橢圓形結構，空間索面結構，錨點處空間角度各不相同；故拉索錨固不宜采用鋼錨梁形式，應在預應力錨固和鋼錨箱錨固這兩種錨固形式中進一步進行比選，又由于本橋整體跨徑較小，采用鋼錨箱的錨固方式經濟性較差，綜合分析后該橋采用預應力錨固的方式。

本次設計在常規預應力錨固方式的基礎上進行優化，在每對斜拉索錨固點處設置0.4 m厚的隔板一道，每道隔板順橋向設置4道12Φs15.2 mm的預應力鋼束；每兩道隔板之間設置6道12Φs15.2 mm環形預應力鋼束；預應力鋼束均采用塑料波紋管成孔。其主要構造見圖5。

圖5 索塔錨固區預應力構造圖（單位：cm）

3 索塔錨固區有限元分析

索塔錨固區處于三向受力狀態，受力復雜，需建立精細的空間有限元模型，對其進行受力分析評估。

3.1 有限元模型建立

計算分析中選取橋塔索力最大的5個節段作為研究對象，對應斜拉索S14～S18（大跨側）和S14’～S18’（小跨側）。以節段底面形心為坐標原點，順橋向為X方向，橫橋向為Y方向，豎向為Z方向。有限元計算采用通用有限元程序ABAQUS6.10，建立模型時考慮了塔上錨固齒槽和斜拉索預留孔。有限元網格劃分情況，混凝土采用4節點4面體實體單元C3D4以及8節點6面體實體單元C3D8模擬，預應力鋼束采用埋入式2節點T3D2空間桁架單元模擬，單元數總計為551 754，其中混凝土實體單元數為546 647，預應力鋼束桁架單元數為5 107。有限元模型見圖6。

圖6 索塔錨固區有限元模型

材料特性做了以下簡化：塔壁按各向同性的勻質彈性體考慮，未計入普通鋼筋；C50混凝土彈性模量Ec=3.45×104MPa,泊松比μ=0.2；預應力鋼束采用ΦS15.2高強度低松弛預應力鋼絞線，抗拉強度fpk=1 860 MPa，張拉控制應力σcon=1 350 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，線膨脹系數α=1.2×10-5。

對于該模型，邊界條件作如下考慮：節段底面按固結處理，節段頂部截面受到上部塔體的軸壓力Fz和彎矩Mx、My作用。

3.2 荷載及荷載工況

3.2.1 斜拉索索力

斜拉索索力由有限元計算程序Midas Civil 2015求得，按正常使用極限狀態標準組合值取用，其數值見表2。索力以面力的形式作用在錨墊板扣除索孔面積以外的部分上，其方向與索力實際方向一致。

3.2.2 鋼束預應力

考慮預應力損失20%，故預應力鋼束的實際張拉應力為0.8σcon=1 080 MPa。考慮混凝土與預應力鋼束分開建模，采用降溫法模擬預應力張拉，即將損失后的鋼束內力值以降溫的形式加在T3D2空間桁架單元中，塔身預應力筋應降溫Δt=0.8σcon/αEp=461.54℃。

3.2.3 荷載工況

根據正常使用極限狀態標準組合下，軸壓力Fz、順橋向彎矩Mx、橫橋向彎矩My的不同組合情況，共考慮4種荷載工況：工況一，最大軸壓力工況；工況二，最小軸壓力工況；工況三，順橋向最大彎矩工況；工況四，橫橋向最大彎矩工況。各工況的荷載組合見表3。

表2 節段模型的驗算索力

表3 各工況的荷載組合

3.3 應力分析結果

為了避免節段上下端邊界條件對應力分布產生較大影響，對中間3個節段（S15～S17和S15’～S17’對應節段）進行各荷載工況下的應力分析，重點分析混凝土隔板和非錨固側壁的應力（見圖7）。按照ABAQUS約定，應力值受拉為正，受壓為負，應力單位為MPa。

3.3.1 最大軸壓力工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側壁的最大主拉、主壓應力見表4。

3.3.2 最大軸壓力工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側壁的最大主拉、主壓應力見表5。

圖7 所示應力位置圖

表4 各控制截面最大主拉、主壓應力 MPa

表5 各控制截面最大主拉、主壓應力 MPa

3.3.3 順橋向最大彎矩工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側壁的最大主拉、主壓應力見表6。

表6 各控制截面最大主拉、主壓應力 MPa

3.3.4 橫橋向最大彎矩工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側壁的最大主拉、主壓應力見表7。

表7 各控制截面最大主拉、主壓應力 MPa

3.4 分析結果

基于ABAQUS橋塔節段實體模型，在正常使用極限狀態標準組合下，對橋塔混凝土進行了4個不同荷載工況的應力分析，并主要得到以下結論：

順橋向最大彎矩工況為最不利荷載工況，隔板最大主壓應力為7.8 MPa，非錨固側壁的最大主壓應力為8.3 MPa，均小于C50混凝土抗壓強度設計值23.1 MPa，最大主壓應力方向均沿截面法線方向，應力滿足要求；隔板最大主拉應力為1.46 MPa，非錨固側壁的最大主拉應力為1.74 MPa，均小于C50混凝土抗拉強度設計值1.83 MPa，最大主拉應力方向均與截面平行，因在計算中并未考慮塔柱中普通鋼筋作用，且所取荷載皆為最不利荷載，故認為塔柱所配預應力束能滿足要求。

4 結論

南臺頭閘橋梁主橋為空間雙索面橢圓形橋塔斜拉橋，錨點處空間角度各不相同，由于受道路斷面及拉索豎向間距限制塔內錨固空間較小，拉索錨固區受力復雜；在綜合分析后采用預應力錨固的方式。經過有限元計算分析后，預應力錨固方式可滿足橋梁安全性的要求。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]劉士林,王似舜.斜拉橋設計[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]周孟波,劉自明,王邦楣.斜拉橋手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]Podolny W,Scalzi JB.Construction and Design of cable-stayed bridge[Z].New York:John Wiley,1976.

[5]Gimsing SJ.Cable supported bridges[Z].Second Chichester:John Wiley,1997.

U448.27

B

1009-7716（2017）10-0066-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.019

2017-05-08

吳樸（1978-），女，江蘇南通人，高級工程師，從事橋梁設計工作。