廣州從化大橋工程吊桿錨固節點設計研究

粟 洪

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程概況

從化大橋是廣州從化區流溪河上的一座跨河大橋，橋寬40 m，主橋設計為單跨136 m 的下承式無推力空間拱梁組合體系橋，主梁為預應力混凝土魚腹式箱梁，順橋向拱圈為3 根鋼管通過橫撐、斜撐組合而成的倒三角形，拱肋結構造型獨特、新穎美觀，呈現“新月臨江，流溪映月”的建筑美學創意，建成后將成為從化的新名片。

主橋總體布置如圖1 和圖2 所示，主拱肋位于豎直平面內，理論跨徑136 m，理論矢高26.2 m，理論矢跨比f/L=1/5.19，2 根副拱肋為由主拱肋豎直平面分別向兩側旋轉16.8°而成，副拱肋中心線理論跨徑130.138 m，理論矢高31.7 m，理論矢跨比f/L=1/4.105，三根主、副拱肋在拱腳處匯集并集中錨固于主梁[1]。該橋具有明顯的空間受力特性，構造和受力均較為復雜，吊桿與拱肋、吊桿與主梁的節點錨固設計是整個設計方案的關鍵控制點之一。本文結合主橋總體設計，提出各種可能的吊桿錨固方案，并分析評價其優劣性，得到綜合較優的設計方案。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

圖2 主橋橫斷面（單位：m）

2 吊桿錨固設計研究

2.1 吊桿總體布置

根據主橋總體設計方案，吊桿索體采用PES（FD）系列新型低應力防腐拉索，順橋向間距為6 m，主拱肋共設置19 根豎吊桿，副拱肋共設置13 對斜吊桿，形成空間索面，吊桿兩端分別錨固于混凝土主梁和鋼管混凝土拱肋。為了方便吊桿張拉和后期養護，將主梁側設為吊桿張拉端，拱肋側設為吊桿固定端。

2.2 吊桿與拱肋的錨固節點設計

從化大橋主拱肋、副拱肋均采用單圓管截面，管內填筑C50 微膨脹混凝土，設計過程中吊桿與拱肋的錨固連接考慮以下三種方案：

（1）方案一：拱底銷鉸式連接

吊桿并不直接錨固于拱肋鋼管上，而是通過銷軸將焊于拱肋鋼管底端的節點板與吊桿端部的叉耳連接起來，形成鉸接，節點構造如圖3 所示。

圖3 拱底銷鉸式連接

優點：采用該方案，吊桿無需穿過拱肋，對拱肋截面不會產生削弱，拱肋整體受力性能好。

缺點：這種連接方案屬于受拉式連接，連接件受拉，在各種活載作用下連接處的抗疲勞性能相對比較差。拱肋在與節點板和加勁板的連接位置，鋼管受到垂直壁厚方向的較大吊桿集中拉力，產生“扯頭皮“現象，容易導致板材的層狀撕裂，因此，拱肋鋼管一般需要采用Z 向性能優異、造價更高的Z 向鋼板制作才能保證鋼板局部應力滿足設計和規范要求。

（2）方案二：吊桿錨于拱肋內部

在拱肋鋼管內設置一個鋼錨箱，形成上錨窩，用以放置錨頭，再預埋一根管穿過拱肋，吊桿從預埋管中穿過，為了防止吊桿處錨下混凝土局部應力過大，采用錨下螺旋筋加強[2]，節點構造如圖4 所示。

圖4 吊桿錨固于拱肋內部

優點：這種連接方案屬于承壓式連接，拱肋和連接件均受壓，構造簡單，錨頭無外露較美觀。

缺點：將較大的吊桿錨頭置于拱肋內，錨頭對拱肋的外觀不會產生影響，但對拱肋的橫斷面會產生較大的削弱；拱內鋼錨箱的存在也會給拱肋鋼管內吊桿附近的混凝土泵送施工帶來困難，且影響該位置管內混凝土的填充密實度。另外，吊桿錨固于拱肋內部也不利于后期吊桿錨頭的檢查、養護與吊桿的更換。

（3）方案三：吊桿錨于拱肋頂面

吊桿通過預埋管穿過拱肋后錨固于拱肋鋼管頂面，錨墊板與拱頂之間通過設置墊塊調平，外露錨頭設置保護罩防腐，節點構造如圖5 所示。調平墊塊可以采用無縫鋼管并在管內灌填干硬性環氧砂漿形成，需要注意的是由于拱肋的曲率是變化的，因此，每根吊桿處無縫鋼管的尺寸都是不一樣的，為了保證焊接質量，其與拱肋相連的端部位置應采用相貫線切割機加工成型，坡口尺寸應由焊接工藝試驗評定確認。

圖5 吊桿錨固于拱肋頂面

優點：與錨固于拱肋內部一樣，這種連接方案也屬于承壓式連接，拱肋和連接件均受壓，構造簡單。

缺點：吊桿需穿過拱肋，對拱肋的橫斷面同樣會產生一定的削弱，但由于錨頭外露，拱肋截面削弱相對會小很多。美中不足的是錨頭外露會對拱肋的近景效果產生較大的影響。

2.3 吊桿與主梁的錨固節點設計

從化大橋主橋主梁為預應力混凝土魚腹式箱梁，設計過程中吊桿與主梁的錨固連接考慮以下兩種方案：

（1）方案一：錨固于梁底

吊桿錨固區布置在梁底，在錨墊板與梁底之間設置楔形塊調平，外露錨頭設置保護罩防腐，保護罩內注入油脂或其他防護材料進行封錨處理[3]，混凝土主梁內設置錨下螺旋筋加強，節點構造如圖6 所示。

圖6 梁底錨固

優點：這種連接方案屬承壓式連接，混凝土主梁與連接件均受壓，構造簡單。

缺點：錨頭外露對主梁斷面削弱相對較小，但不利于景觀。

（2）方案二：梁頂銷鉸式連接

吊桿錨固區布置在梁頂，但吊桿并不直接錨于梁上，而是通過銷軸將梁頂節點板與吊桿的叉耳連接起來形成鉸接，混凝土主梁與節點板則通過剪力釘或PBL 剪力鍵連接，節點構造如圖7 所示。

圖7 梁頂銷鉸式連接

優點：采用梁頂錨固，對主梁截面無削弱，吊桿可在橋面直接張拉無需搭設支架或橋檢車，后期運營檢查維護也方便。

缺點：這種連接方案屬于受拉式連接，連接件受拉，構造較復雜。由于鋼混結合部結構受力很復雜，因此，在混凝土梁中實際應用很少，多用于鋼梁。

2.4 方案選擇與優化

上述設計方案各有優缺點，本次設計在最終確定吊桿與拱肋、主梁的錨固節點結構方案時，主要考慮以下幾個因素：（1）確保連接牢固可靠；（2）能簡捷地把吊桿力傳遞到全截面；（3）構造簡單，便于施工、檢查和維護；（4）對橋梁景觀的影響。

綜合考慮上述幾個方面并經過仿真分析，從化大橋主橋吊桿與拱肋、主梁的錨固節點方案選擇為：吊桿上端錨固于拱肋鋼管頂面（方案三），下端錨固于主梁梁底（方案一），均設計為承壓式連接，使構造簡單；吊桿兩端錨頭均設計為外露式，使其對拱肋、主梁截面的削弱相對較小。

為了降低錨頭外露對橋梁景觀產生的不利影響，最終設計方案進一步將常規的圓柱形錨具防護罩優化為球冠形，如圖8 所示，通過把外露的錨頭寓意成一顆顆荔枝，賦予其一定的文化內涵，與從化荔枝之鄉的特色相呼應，從而巧妙地解決了橋梁的局部景觀問題。

圖8 外露錨頭保護罩

3 結語

廣州從化大橋主橋設計為空間異形組合拱橋，吊桿與拱肋、吊桿與主梁的節點錨固方案為其關鍵性設計節點，本文從“安全、適用、經濟、美觀”的角度，結合主橋總體設計對該節點方案進行了全面深入的研究，最終得到了一種綜合較優的設計方案，既保證了結構局部受力安全可靠，又滿足了其作為當地地標性建筑的高景觀要求，可以為今后類似工程設計提供參考。