矮塔斜拉橋鞍座錨固及索力張拉關鍵技術研究

陳 浩，郭凱強，卓為頂，劉 釗

(1. 南京地鐵建設有限責任公司,南京 210017；2. 東南大學土木工程學院,南京 211189；3. 南京工程學院建筑工程學院,南京 211167)

矮塔斜拉橋作為一種介于連續梁橋和一般斜拉橋之間的組合體系橋梁[1]，具有索塔較矮、豎向剛度大、造型美觀等特點，是中等跨徑橋位(100～300 m)的經濟橋型，在城際軌道交通領域已得到越來越多的應用。

與一般斜拉橋相比，由于矮塔斜拉橋的塔上索間距較小，會在塔上設置轉向鞍座，拉索連續貫通索塔的鞍座錨固區。根據拉索鋼絞線在索塔錨固區的布置形式，鞍座錨固構造可以分為內外管式和分絲管式這兩種類型。內外管式鞍座由2層鋼管組成[2]，內層鋼管供鋼絞線整體穿過，拉索張拉后灌注高強環氧砂漿實現抗滑移效果，外層鋼管為預留孔道。內外管式鞍座存在諸多缺點，如鋼管間接觸面積較小導致局部應力集中、鋼絞線相互擠壓使索力不均勻分布以及換索較困難等，所以內外管式鞍座在早期建造的矮塔斜拉橋中應用較多[3-4]。分絲管式鞍座[5]由若干個平行的導向鋼管組焊而成，鋼絞線逐根通過相應的導向鋼管，并在鞍座一端設置抗滑移裝置，具有張拉效率高、受力均勻、抗滑穩定以及換索方便等優點，近年來在許多矮塔斜拉橋中得到應用[6-7]。此外，有不少學者對矮塔斜拉橋不同的鞍座類型進行模型試驗研究[8-10]，探討這兩種錨固形式的受力特點。本文以寧句城際矮塔斜拉橋為工程背景，對軌道交通矮塔斜拉橋的鞍座區錨固形式及張拉控制進行研究。

1 寧句城際矮塔斜拉橋及其拉索錨固體系

1.1 工程概況

寧句城際軌道交通工程線路起于南京東部綜合換乘樞紐馬群站，終點位于南沿江高鐵句容站。其中，矮塔斜拉橋位于南京江寧區青龍山東側，跨越S122省道和湯泉西路，跨徑布置為(90+160+90)m，采用塔梁固結、墩梁分離的結構形式。橋面以上塔高為25.8 m，有效塔跨比1/8，主梁截面類型為單箱雙室直腹板變高度箱梁，采用C55混凝土，箱梁頂面寬為12.0 m，底面寬為8.5 m，斜拉索采用箱內錨固形式。其設計速度為120 km/h，設計荷載為地鐵B型車、6節編組。主橋結構總體布置如圖1所示。

圖1 主橋結構總體布置(單位：m)

1.2 拉索錨固體系

該橋采用平行鋼絞線拉索及錨固體系，拉索的張拉端分別設在中跨、邊跨混凝土箱梁內，在塔上穿過分絲管索鞍構造。鋼絞線斜拉索規格有2種：37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm，塔上索鞍區設平行導向鋼管束。拉索錨具包含保護罩、索箍、單根可換式抗滑裝置、減震裝置、防腐材料、防水罩及傳統錨具零部件。保護罩內噴涂油性蠟，密封筒內填充油性蠟，拉索自由段防護采用高密度聚乙烯(HDPE)護套。矮塔斜拉橋的拉索錨固體系如圖2所示；分絲管鞍座錨固構造如圖3所示。由于該拉索體系的限位通過組裝式抗滑裝置，改進了以往在套筒口灌漿的做法，為運營后期拆解及更換斜拉索提供便利。

圖2 矮塔斜拉橋的拉索錨固體系

圖3 分絲管鞍座錨固構造

1.3 索鞍區的抗滑錨固裝置

本工程中采用的索鞍抗滑錨固裝置由抗滑鍵、抗滑插片、塔端錨固筒以及抗滑螺母等組成。抗滑裝置安裝在索鞍的邊跨一側，抗滑鍵設置在無黏結鋼絞線護套內，抗滑裝置安裝示意如圖4所示。采用單側雙向抗滑裝置可滿足各根鋼絞線的可更換性。

抗滑裝置安裝步驟為：①將抗滑插片逐片由上至下插入鋼絞線間隙中，如圖4(a)所示；②將錨固筒往塔端分絲管上推，一直推到靠近鋼墊板，并用螺桿將其與鋼墊板連接、扭緊；③安裝抗滑螺母，將螺母旋入錨固筒中，直至螺母頂到抗滑插片，達到設計頂緊力為止。

(a) 抗滑插片插入鋼絞線間隙

2 分絲管索鞍的基本抗滑能力

斜拉索通常在張拉完成后才進行抗滑裝置的安裝，發揮其雙向抗滑功能。然而，在斜拉索的張拉施工過程中，當不考慮抗滑鍵時，主塔鞍座斜拉索的抗滑移能力主要由鋼絞線與分絲管之間的摩擦力提供，若索鞍兩側斜拉索索力差超過二者之間摩擦力，即發生滑移。索鞍兩側索力差分析模型如圖5所示，圖中F為平衡索力，ΔF為一側增加的索力，f為圓弧面上的均布摩擦力。允許索力差計算公式[11]為

圖5 索鞍兩側索力差分析模型

ΔF=F·(eμα-1)

(1)

式中，μ為摩擦系數，α為拉索在索塔中的轉向角。

由式(1)可知，允許索力差隨索力、摩擦系數以及拉索轉向角的減小而減小。根據式(1)計算本工程中斜拉索在不考慮抗滑鍵情況下的允許索力差，摩擦系數取0.06[12]，施工階段索力差匯總如表1所示。由表1可知，施工階段的實際索力差均小于允許索力差。

表1 施工階段索力差匯總

3 索力張拉均勻性控制

3.1 控制原理

鋼絞線群錨拉索，采用逐根鋼絞線張拉的方式，每根鋼絞線張拉后都會使主梁產生向上的位移，導致前面已張拉鋼絞線應力減小，逐根張拉鋼絞線時的索力均勻性控制如圖6所示。

圖6 逐根張拉鋼絞線時的索力均勻性控制

由于塔身為混凝土結構，其體積也較大，矮塔斜拉橋中的斜拉索張拉力與混凝土橋塔的自重相比較小，可認為拉索張拉力變化過程中塔身為完全剛性。若每根鋼絞線采用相同的張拉力，由于誤差逐漸累積，會使最終索力低于指定索力。斜拉索變形示意如圖7所示。

圖7 斜拉索變形示意

根據圖7分析可得，主梁豎向位移與斜拉索變形量之間的關系為

Δs=Δ·sinθ

(2)

式中，Δ為通過結構分析或現場量測得到的主梁變形值；θ為斜拉索與主梁之間的夾角。

根據每根斜拉索內鋼絞線的根數為n，索力為F，每根鋼絞線的平均張拉力即為fs=F/n，此時每根鋼絞線的長度為L，假定每根鋼絞線張拉后引起前一根已張拉鋼絞線的二次變形量為

δs=Δs/(n-1)

(3)

對應的前一根已張拉鋼絞線的應力減小為

σs=Es·δs/L

(4)

式中，Es為鋼絞線彈性模量；L為張拉完成后每根鋼絞線的長度，同時也是斜拉索從索鞍到梁上錨固端的長度。

每根鋼絞線的截面積為As，聯立式(2)～式(4)可得逐根張拉時每根鋼絞線的實際張拉力為

(5)

3.2 張拉均勻性控制

寧句城際矮塔斜拉橋為雙塔單索面，共28對斜拉索，斜拉索由37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm鋼絞線組成。當采用逐根張拉工藝時，根據3.1節的分析方法，可以得到各根斜拉索內鋼絞線拉力的不均勻程度。計算表明，靠近主塔的、較短的拉索，鋼絞線張拉過程中的相互影響較小；較長的拉索，鋼絞線張拉過程中的相互影響較大，即各根鋼絞線的張拉力不均勻性較大。其中，最短斜拉索C1在進行逐根張拉時，第一根鋼絞線的最大應力損失為3%；最長斜拉索C7在逐根張拉時，第一根鋼絞線的最大應力損失為9%。

因此，建議在索力張拉時，先利用式(5)計算出每根鋼絞線的實際張拉力，再結合鋼絞線應力、變形以及主梁標高的實測值進行多重控制，達到拉索受力均勻的目的。

4 結語

(1) 以寧句城際軌道交通工程線路中的矮塔斜拉橋為工程背景，闡述了矮塔斜拉橋的鞍座錨固構造及其發展，介紹了塔上鞍座區分絲管錨固構造以及單側雙向抗滑裝置的特點，研究并分析了拉索的可更換性。

(2) 無抗滑鍵情形下，給出由索鞍區分絲管摩阻引起的索力差計算方法。

(3) 針對采用逐根張拉方式的鋼絞線群錨拉索，以控制各根鋼絞線內力均勻性為原則，給出依次張拉各根鋼絞線的索力值計算方法，并建議在施工過程中進行索力張拉時，應根據鋼絞線應力、變形以及主梁標高的實測值進行張拉力均勻性控制。