赤石特大橋索塔錨固區鋼錨梁設計分析

文/黃勝

1 前言

汝郴高速郴州赤石特大橋為四塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，主橋全長1470m，采用橋跨布置為165m+3×380m+165m 四塔雙索面預應力混凝土斜拉橋方案，邊塔支承、中塔塔梁墩固結體系。它是世界建橋史上工程規模大、建設標準高、技術復雜、科技含量高的現代特大型橋梁之一。

2 鋼錨梁基本要求分析

索塔拉索錨固區施工前，施工單位須對各拉索錨固點的位置（坐標）進行認真復核，如實際情況與設計文件不符，須及時與設計單位聯系。為了確保施工準確，一定要保證塔身混凝土強度達到標準設計強度后再進行預應力的張拉工作，以此方能允許張拉斜拉索。每次對拉索張拉時，應控制水平分力差值不超過50t，并且應先張拉郴州側斜拉索[1]。

鋼錨梁及其牛腿鋼板均采用Q345qC 鋼種，所有鋼材性能均應符合《橋梁用結構鋼》（GB/T 714-2015）的要求。設計圖中所標注的鋼結構尺寸，均為20℃基準溫度下的尺寸，未計入焊縫的收縮和拉索張拉時的鋼錨梁伸長量。

3 鋼錨梁結構設計分析

3.1 鋼錨梁腹板構造模式

通常情況下，鋼錨梁-鋼牛腿錨固體系主要包括支承錨梁、傳播斜拉索縱向分力的鋼牛腿、均衡斜拉索水平分力的鋼錨梁。具體而言，鋼錨梁主要包含錨下加勁板、底板、腹板、錨板、縱向加勁板、承壓板、錨板等幾個部分，1 根鋼錨梁和一對鋼牛腿頂板相對。鋼牛腿主要包括錨固連接鍵、腹板加勁板、頂板、塔壁預埋鋼板、腹板等部分。本案中斜拉索立面角度較大，運用鋼錨梁錨固的斜拉索最高角度為63.1°，索力最高數值達到10440kN。鋼錨梁架構所受的力量比較繁雜，對耐久性有很高的要求，因此設計過程中還應當考慮斜拉索塔端張拉程度，深入探析鋼錨梁腹板架構。另外，將傳統鋼錨梁架構作為參考，施工單位打造了三種鋼錨梁腹板結構模式以供選擇。

第一種方案，傳統鋼錨梁腹板結構。工作人員采取等高的方法設計腹板，跨中高程大致是0.6m，腹板下端在相同水平上，兩邊由于要契合錨箱設計標準所以有所提升，錨點以及牛腿上端的高程相對較小；而錨箱在很大程度上處于錨梁腹板中，考慮到穿索上的需要，此時要在牛腿頂板上設置若干孔[2]。

第二種方案，高腹板結構。為了避免在牛腿上端開設孔洞，此時要相應地提升傳統鋼錨梁腹板架構的錨點，同時還要求相應地提升錨梁腹板端，保證腹板下端維持在相同水平面上，且腹板跨中的高度要保持穩定。

第三種方案，變高腹板結構。牛腿頂面高程維持不變，基于常規鋼錨梁腹板架構，把鋼錨梁總體向上移動，牛腿頂板范疇內以增高鋼錨梁腹板的方式將鋼錨梁和牛腿連在一起，也就是增高鋼錨梁腹板端側，跨中不進行改變，平面結構方面和啞鈴的形狀近似。

以斜拉索立面傾斜角度最大、鋼錨梁端部高度最大的S7-M7 鋼錨梁尺寸為例(鋼錨梁長6.52m、高0.6m、寬1.5m；鋼牛腿伸出長度為0.9m，牛腿頂面寬2.16m、高1.2m)，三種鋼錨梁腹板構造方案見圖1。值得注意的是，施工要水平安置鋼錨梁，且每處鋼錨梁錨固一個拉索。由此，施工人員可以采取如下圖1中的第三種方案將鋼錨梁穩固在鋼牛腿之上。兩側加固，兩端保持可動狀態。根據大量的實踐表明，一側穩固、一側移動，圖1 中的三種方案都采取兩端固結，也就是施工張拉時期鋼錨梁和牛腿保持穩固，然后另一側就保持移動，各個斜拉索面中的平衡水平分力一般交由鋼錨梁擔負，而不均衡的地方則交由固定端傳送到橋塔之上。一旦作業結束后，針對鋼錨梁的滑動一端，要求采取高強度螺栓搭載，然后轉化成為固定端，成橋狀態提升索力的水平分力，并由鋼錨梁和橋塔依據剛度比重來予以擔負。

根據圖1 不難看出，牛腿上端至錨點的高程，第一種方案最小，而其他兩種方案一樣。和第二種方案比較，第三種方案腹板中心區域向上移動，能夠留出更充足的斜拉索張拉空間。因此，第一種方案和第三種方案比第二種方案理想。

圖1 三種方案設計（單位：mm）

3.2 計算分析

鋼錨梁腹板應力：運用有限元系統ABAQUS 構建索塔錨固模型，深入剖析三種鋼錨梁腹板結構方案中的鋼牛腿以及鋼錨梁受力狀況。相關的施工人員應該謹慎留意傳力焊縫的應力變動態勢。根據下圖2，不難看出，不考量承壓板尾端和腹板交合地點應力集聚的作用，第一種方案腹板最高水平的Mises 應力大概在150MPa 的水平，其他兩種方案的應力最高數值大概在200MPa。應力最高數值分布地區都在承壓板和腹板交合范疇，這大多是由于承壓板將斜拉索負載轉移到腹板方位，此時腹板就很難負荷起斜拉索橫向負載，同時還要擔負較高的斜拉索縱向負載。另外，由應力分布狀況可以知道，第三種方案在這個區域的應力傳輸途徑較為清晰，第一種與第二種方案的應力傳輸途徑不夠明晰。

圖2 錨梁腹板Mises 應力等值線（單位：Mpa）

3.3 方案比較剖析

3.3.1 第一種方案腹板應力水平相對最低，同時應力較為均衡布局。這常常是由于該方案腹板橫向規模和矩形具有統一性，而且錨點高度相對很小，鋼錨梁用來擔負斜拉索所存在的橫向分力，一般軸向受拉，而實際上鋼錨梁端一端常常要被用來負荷斜拉索縱向分力產生的強壓，不過由于錨梁端部腹板高程很小，所以一些方位的焊縫規模較大，此時應力分散力度不夠，如此一來，就不可避免地造成截面剛度減小，頂板整體應力水平很高，架構細節不合理。

3.3.2 第二種方案腹板應力呈現為明顯的集中狀態，傳輸的力量不夠勻稱。由于錨點升高，鋼錨梁端側周邊彎矩變大，所受的力量主要是拉彎，并且鋼牛腿頂板應力處于較高水平，會負面作用于塔柱中的混凝土受力結構。

3.3.3 第三種方案腹板應力布局較為勻稱，所負荷斜拉索橫向分力的性能相較于第一種方案比較明顯。由于腹板是朝上轉移，腹板端部上升，較之于第二個方案，其部增添彎矩大幅度減少。同時鋼牛腿頂板并不要求在短時間內做空，如此一來，就有利于提升塔柱混凝土承受重力。

由上述剖析結果可知，這個橋的鋼錨梁結構運用的是第三種方案，也就是變高腹板結構。

4 結語

對于索塔橋梁來說，鋼錨梁是非常重要的組成部分。本研究將汝郴高速郴州赤石特大橋作為案例對鋼錨梁設計的有關要素進行剖析。事實表明，鋼錨梁和鋼牛腿的滑動端連接面間運用內嵌型的滑動摩擦，能夠盡可能使鋼錨梁均衡斜拉索橫向索力的功能得到全面發揮，另外不對滑動端轉變成固定端之后的耐久性產生顯著影響，進一步促成我國橋梁可持續性發展。