預應力錨桿結構在人行懸索橋錨固體系中的應用

陳忠輝

(1.福建福大建筑設計有限公司 福建福州 350002;2. 福州大學土木工程學院 福建福州 350108)

0 引言

近年來，隨著山區旅游行業蓬勃發展，各地新建了數量可觀的人行懸索橋。此類索橋橋面寬度2m～3m，跨度大多在50m～150m之間[1]，不同于其他大跨徑橋梁結構使用年限為100年，一般景區人行索橋使用年限一般只有20～25年。如采用車行索橋主索錨固方式-重力式錨錠，不僅提高了橋梁的造價，同時也增加施工的難度。本文探討一種主索的后錨固方式-框架錨桿的可行性和可靠性。

框架錨桿防護因其錨固段峰值應力小，能夠提供更大的錨固力等優勢而廣泛應用于道路工程中的高塹坡防護，但其錨索受力特性復雜，力學分析困難，使得其基本局限于土體加固、受力簡單的情況。基于此，本文對框架錨桿進行力學分析，嘗試把此種技術應用于索橋主索錨固中。

1 工程概況

福建某旅游風景區玻璃懸索橋為單跨吊橋，橋梁跨徑150m，矢高10m，矢跨比1/15，橋面寬2.75m。設計人群荷載2.5kN/m2, 使用年限為25年, 后錨固系統采用預應力錨桿結構。

該工程如采用重力式錨錠，整個工程建安費約為500萬元，其中，兩岸錨錠造價建安費為150萬元，采用預應力錨索結構后，預應力錨索結構建安費約為75萬元，直接節省約75萬元，相當于節省約15%的建安費。經對比測算，如此結構應用于跨徑50m～150m懸索橋，平均節約20%的成本，經濟效益突出。

另外，由于避免了重力式錨錠大開挖工程，臨時便道工程極大減少了水土流失、林地砍伐，破壞生態環境。施工完成后進行植被恢復，對景區風景破壞小，環境保護效益突出。因此，該結構在建設人行索橋方面極具有優勢。在保證預應力索有效可靠安全的情況下，值得廣泛推廣，如圖1所示。

圖1 人行懸索橋立面圖(單位：cm)

擬建場地構造位置處于歐亞大陸東南部的陸緣地帶，是浙閩粵火山巖帶的組成部分。根據地質時代成因將所揭露的地層分4層，分別是①砂土狀強風化花崗巖該層為散體狀結構，壓縮性低，力學強度較高且隨深度遞增，但具有浸水易軟化、強度降低的特性。②碎塊狀強風化花崗巖碎塊大多易擊碎，屬軟。③中風化花崗巖巖面較新鮮，巖質堅硬。④微風化花崗巖，巖石堅硬程度等級為堅硬巖。圖2為地質斷面及錨索布置圖，表1為各土層與驗算錨桿受力情況有關的物理力學指標。

表1 各土層的物理力學指標

圖2 左岸預應力錨桿布置立面圖(單位：m)

2 預應力錨桿的計算分析

根據索橋計算分析可得到單根預應力錨桿所承受的荷載軸力,索橋恒載引起的最大軸力N=214kN,索橋人群荷載引起的最大軸力為N=315kN。從荷載上分析可見恒載與比活載接近1∶1.5。預應力錨桿承受索橋使用階段將承擔較大動荷載，對預應力索的可靠性提出更高的要求。論文[2-5]對動荷載作用下錨桿的力學響應進行了實驗研究和有限元模擬對比分析，得出錨桿在動荷載作用下自由端應力最大而錨固遠端應力接近于0。這與靜力荷載作用下假定應力均勻分布有很大的差異。因此，需對現行錨桿設計規范[6]公式進行調整，以便適應動荷載情況。規范[6]規定預應力錨桿必須滿足以下3個方面要求：錨桿體截面滿足要求，地層與注漿體間黏結長度以及注漿體與錨桿間黏結長度的規定。

錨桿體截面驗算公式：

A——錨桿體的截面積；

K1——預應力鋼筋的截面設計時采用的安全系數；

Fptk——錨桿體材料的抗拉強度標準值。

其中K1按規范，錨桿服務年限>2年(永久性錨桿)取2.0系數，但該工程承受動荷載。根據《公路工程結構可靠度設計統一標準》(GBT50283-1999)計算按恒載與比活載比例1：1.5，得出K1=2.2，考慮該橋跨徑為150m，安全系數1.1，得出K1=2.2×1.1=2.42。

地層與注漿體間黏結長度驗算公式：

注漿體與錨桿間黏結長度驗算公式：

lr——地層與注漿體間的黏結長度；

lg——注漿體與錨桿體間的黏結長度；

K2——計算地層與注漿體間黏結長度和注漿體與錨桿間黏結長度時采用的安全系數；

dk——錨固段鉆孔的直徑；

dg——錨桿體材料的直徑；

frb——地層與注漿體間的黏結強度的設計值；

fb——注漿體與錨桿體間的黏結強度設計值。

其中K2按規范，錨桿服務年限>2年(永久性錨桿)取2.2系數，同K1情況一致，修正為K1=2.64。

Pd——應分開計算考慮恒載和活載，恒載近似為均勻分布，活載按論文[1-2]三角形分布，

因此，修正Pd=恒載+2×活載。

對規范進行修正后即可進行預應力錨桿的設計與驗算。

3 預應力錨桿的設計與監測

該工程采用壓力分散型錨索，每根索由3個單元錨索組成,每個單元錨索分別由2根無粘結鋼絞線內錨于鋼質承載體組成。錨桿直徑15cm，注漿材料加入聚丙烯腈纖維(PAN)，摻入量為每方1.8～2.0kg(纖維抗拉強度不小于700MPa)。鋼絞線為直徑15.24mm、強度1860MPa的高強度低松弛無粘結鋼絞線。預應力錨桿如圖3所示。

圖3 預應力錨桿的構造圖

根據各土層的物理參數計算分析，該工程預應力錨桿應進入微風化層2.5m。經計算，此結構預應力錨桿滿足該工程索橋正常使用年限30年的持久狀況下承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。

預應力錨索結構要在整個索橋使用階段進行監測，特別關注索橋建成后的前3年。監測分為邊坡變形監測和預應力錨索應變監測。變形監測的方法，通過測傾儀安裝在錨固框架結構上可以監測傾角變化情況。錨桿結構如發生外拔等破壞整個框架結構傾角將發生變化，因此監測傾角就可保證整個結構的穩定性。另一方面，通過在施工錨桿時，預埋錨桿內應變傳感器可以有效監測到錨桿預應力變化情況。監測錨桿應力應變可以有效監控單個錨桿受力情況，為錨桿破壞提供早期預警。因此，對于這種大跨徑的人行索橋，為了安全有必要在使用期間對錨固框架和錨桿進行有效監測。

4 錨桿框架的設計

人行索橋錨桿框架有別于高塹坡錨桿系統，因為錨桿框架還要承擔主索拉桿和錨桿間傳力作用。為了保證主索拉桿和錨桿的有效錨固，錨桿框架采用勁性混凝土結構即雙拼40#工字鋼外包混凝土結構，如圖4～圖5所示，其整個傳力模式是一股鋼絲繩主索通過錨頭套筒傳給兩個主索錨固拉桿(采用40CrNiMO 高強鋼棒)，錨固拉桿通過鋼墊板和螺栓傳力給整個錨桿框架，如圖6～圖7所示。因此，錨桿框架要有足夠的強度和剛度實現有效傳遞荷載。實踐中采用雙拼40#工字鋼外包混凝土的勁性骨架結構，一方面使得拉桿和錨桿直接錨固在雙拼40#工字鋼上與錨固在混凝土結構相比大大提高其可靠性；另外，通過外包混凝土，也使得這個錨桿框架剛度大幅度提高，同時鋼結構的防腐問題也得到有效解決。

圖4 錨桿框架平面布置圖

圖5 勁性混凝土結構斷面圖

圖6 預應力錨桿與勁性混凝土結構聯接斷面圖

圖7 主索錨固拉桿與勁性混凝土結構聯接斷面圖

錨桿框架設計時，還應考慮到邊坡本身是否存在滑坡的可能。如果經現場踏勘和邊坡穩定性計算存在滑坡可能，錨桿結構應計入邊坡錨固荷載，也就是說，錨桿在考慮索橋各種工況下的荷載后，還需疊加上邊坡下滑力荷載。

位于錨桿框架上部來水對錨固土體的浸潤會造成邊坡下滑力大大增加，特別是山區雨水季節上部來水往往迅猛對錨固土體沖刷嚴重。因此，為了保證錨桿框架的安全，應在錨桿框架斜坡上方設置截水溝，并且通過流量分析保證截水溝滿足規范要求。同時，對錨桿框架上部5m、下部2m、左右各2.5m范圍內的土體進行平整后鋪設草皮以生態護坡。

5 結論

人行懸索橋使用年限較短情況下，采用預應力錨桿結構作為后錨系統，經濟效益和環境保護效益突出。

為了保證此類人行索橋錨固體系安全性，本研究通過設計安全系數和研究活載沿著錨固段分布情況，對規范公式進行修正，可以保證設計的安全可靠。

預應力錨桿及錨固框架與主索拉桿聯接，也是整個設計的難點，案例工程提出采用勁性混凝土結構結合外圍設置截水溝和場地硬化等措施，可以有效解決此問題，但建議使用期間隨時監測。