大型斜拉橋索塔鋼錨梁-鋼牛腿制造相關問題探討

呂建鋒

（中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

索塔錨固結構是斜拉橋主要傳力結構，索力通過錨固結構傳遞至塔柱，受力狀態較為復雜。常用的錨固形式有鋼錨板組合結構、鋼錨箱組合結構、鋼錨梁-鋼牛腿組合結構等。其中鋼錨板組合結構構造較為簡單、受力明確，主要適用于中小跨徑斜拉橋；鋼錨箱組合結構承載力大，結構復雜，適用于大跨度、超大跨度空間索面斜拉橋[1，2]；鋼錨梁-鋼牛腿組合結構可避免混凝土牛腿根部開裂，壁板沿索塔通長設置也有利于索塔滑模施工[3]，是近年來運用較多的錨固方式。本文以青海海黃大橋為例，對鋼錨梁-鋼牛腿這種錨固結構在制造過程中存在的問題進行了探討。

1 結構簡介

海黃大橋采用主跨560 m的雙塔雙索面組合梁斜拉橋，索塔錨固采用鋼錨梁-鋼牛腿組合結構（見圖1）。單個索塔設置44對斜拉索，上下游各22對，每對斜拉索對應一套錨固系統。鋼牛腿壁板與索塔內壁采用剪力釘及PBL剪力鍵連接，豎向分力通過鋼牛腿傳遞至混凝土塔壁。水平分力通過鋼錨梁與鋼牛腿之間的摩擦力傳遞給牛腿壁板，再由壁板傳遞給塔壁[4]。鋼錨梁與鋼牛腿采用鋼-鋼機加工面密貼接觸，設計要求接觸面摩擦系數不大于0.05，其中邊跨側鋼錨梁底板與鋼牛腿采用焊接固定，主跨側鋼錨梁與鋼牛腿采用高強螺栓臨時固結。

圖1 索塔錨固結構簡圖

鋼錨梁采用箱形結構，主要由上蓋板、下蓋板、豎板、腹板、錨箱單元、底座板、加勁板及連接板等部分組成，見圖2。錨梁腹板與下蓋板、錨箱單元、連接板采用熔透焊接，與上蓋板、豎板、加勁板等采用坡口角焊縫。

圖2 鋼錨梁結構簡圖

鋼牛腿由壁板、上承板、托架腹板、索導管、加勁板、剪力釘及PBL件等部分組成，見圖3。上承板與壁板、托架腹板、加勁板，托架腹板與壁板采用熔透焊接。

圖3 鋼牛腿結構簡圖

2 結構特點及制造難點

鋼錨梁-鋼牛腿結構復雜、受力大、熔透焊縫多、質量要求高，存在多項難點：

（1）加工精度要求高。由于鋼錨梁及鋼牛腿的連接精度要求高，錨墊板、承壓板、錨梁下蓋板（兩端頭）及牛腿上承板接觸面均需要機加工，其中錨梁下蓋板（兩端頭）及牛腿上承板接觸面加工精度要求高，表面粗糙度不大于6.3 μm。

（2）鋼牛腿與鋼錨梁接觸面平面精度不易保證。由于鋼錨梁與鋼牛腿連接面較大，需保證整體密貼。牛腿托架上承板與壁板焊接后無法整體機加工，只能采用托架單元焊后機加工，之后，再與壁板采用熔透焊接。因焊接變形大，與鋼錨梁密貼接觸的牛腿上承板頂面平面度難以控制[5]。

（3）接縫處錨孔需勻順過渡，相關板件拼接質量要求高。斜拉索經過區域各板件均設有錨孔。錨孔的斜面加工質量及各板件組拼精度須嚴格控制，否則影響錨頭安裝。

（4）錨箱部位板件密集，熔透焊縫、坡口焊縫多，導致焊接變形不易控制。

3 制造過程中注意事項、質量保證措施及有關建議

針對鋼錨梁-鋼牛腿的結構特點、制造難點及制造過程中經常遇到的一些問題，研究并提出了必要的應對措施，以保證其制造質量。

3.1 鋼錨梁、鋼牛腿上的錨孔精度控制及建議

鋼錨梁承壓板、底板單元（或鋼錨梁豎板）及牛腿上承板、牛腿壁板上的錨索孔中心要求在一條直線上，若錨索孔位置精度及同心度偏差較大，會影響錨管組裝及現場斜拉索的安裝，需采取切實可行的措施予以保證：

（1）加強錨索孔加工精度控制。隨著斜拉索角度變化，錨孔在板厚方向上的斜度及加工寬度也在變化。當錨孔軸線與板面夾角大于60°時可采用仿形切割；當錨孔軸線與板面夾角小于60°時需采用數控銑床加工，加工前先采用數控精密切割出索孔兩側相交區域，然后進行斜坡面加工。

（2）應適當加大錨孔直徑。核查錨孔與錨頭直徑的匹配關系，在不影響板件組焊的情況下，宜加大錨孔直徑，建議比錨頭直徑大20 mm以上，保證單側至少有10 mm間隙，以方便橋位安裝。

（3）建議調整索導管與壁板連接方式。鑒于索導管主要起拉索導向作用，不參與斜拉索受力，可將索導管在壁板外側斷開（見圖4），牛腿壁板上錨孔直徑與索導管內徑相同，周邊采用角焊縫焊接，這樣可以克服錨孔加工精度、索導管圓度偏差的影響，有利于導索管組裝。

圖4 索導管連接方式建議

（4）鋼錨梁及鋼牛腿組裝時錨孔位置精度控制措施。鋼錨梁上的錨箱單元在組裝時，要保證其承壓板上錨孔與下蓋板或豎板上錨孔的空間關系；鋼錨梁與鋼牛腿連接時，要保證牛腿壁板上錨孔與錨梁下蓋板或豎板上錨孔的對應關系。另外，當斜拉索存在多個方向角度時，還要注意各方向角度疊加和斜拉索下撓的影響，并加強組裝精度控制。

3.2 鋼牛腿制作及焊接變形控制措施

3.2.1 鋼牛腿托架單元上承板機加工注意事項

（1）根據傳力需要，托架上承板頂面粗糙度要求6.3 μm，加工時要嚴格控制切削量及加工速度，確保精度要求。

（2）由于設計對托架上承板頂面平面度要求高，上承板需預留合理的加工裕量。根據經驗，預留4～6 mm加工裕量較為合適。

（3）托架單元機加工后距鋼錨梁-鋼牛腿整體組拼時間間隔較長，加工后可采用硅脂進行臨時防護，避免加工面受損。

3.2.2 牛腿托架單元焊接變形控制措施

鋼牛腿托架單元上承板與腹板之間采用T形熔透焊縫，焊接變形較大，采取分兩步組焊方案：首先，將牛腿上承板與腹板組裝成整體（腹板之間加勁板暫不組裝，形成π形），焊接完畢后對平面度進行矯正，將上承板平面度控制在2 mm以內。之后，組裝其余加勁板。焊接時先焊加勁板與腹板角焊縫，再焊接加勁板與上承板角焊縫，最后對上承板焊接變形進行矯正，使上承板平面度不大于3 mm，以滿足機加工要求，見圖5。

圖5 托架單元分步組裝示意圖

3.2.3 鋼牛腿整體組焊技術

托架上承板及腹板與牛腿壁板采用熔透焊接，焊接變形大會導致上承板四角不平度超差而影響傳力。因此，擬從組裝、焊接及變形控制等環節采取控制措施：組裝時在壁板上設置經過機加工的高精度定位靠檔，將組裝精度控制在0.5 mm之內；焊接時采用設置預變形、對稱施焊及多層多道焊、焊接變形約束等措施將控制變形在1 mm之內，以減少后續矯正量，見圖6。

3.3 鋼錨梁焊接變形控制措施

鋼錨梁下蓋板中間區域設置較大的長圓孔槽（620 mm×3 300 mm），該部位腹板到板邊距離只有120 mm，且腹板與下蓋板設計為熔透焊縫，焊接變形大，甚至會形成較大“鼓包”，并難以矯正。根據鋼錨梁結構特點，應采取一定的工藝對策及優化措施：

（1）調整鋼錨梁腹板與下蓋板坡口形式，組裝時大坡口朝向內側，小坡口朝向外側（見圖7），且采用小線能量的CO2氣體保護焊焊接以減小焊接變形。

圖7 鋼錨梁單元腹板組焊制示意圖

（2）鋼錨梁腹板單元制作時，在下蓋板和腹板之間增設加勁板以約束焊接變形。

（3）調整鋼錨梁下蓋板上的槽口尺寸。該槽口主要在斜拉索施工時作業人員進入箱內作業時使用，應適當減小以滿足作業需要。

（4）對于鋼錨梁下蓋板上的槽口，采用整體后切或預留部分區域后切為宜。

3.4 焊縫優化建議

（1）鋼錨梁錨箱單元的兩塊錨腹板間距較小，一般在400 mm左右，若與其承壓板采用熔透焊縫，施工操作空間狹小、焊接難度大，焊縫返修也比較困難。考慮到錨箱為受壓件，建議錨腹板與承壓板采用頂緊焊接方案，即對錨腹板端面進行機加工，采用K10雙面角焊縫或坡口角焊縫（見圖8），這樣有利于焊接操作，質量可檢，也可減少焊接變形和應力集中。

圖8 錨箱單元設計焊縫建議（單位：mm）

（2）錨箱單元豎板位于鋼錨梁兩端頭，形成半封閉空間，導致豎板與鋼錨梁腹板和下蓋板無法實現雙面焊接。若采用單面坡口熔透焊接，則會影響錨梁腹板及底板平面度，并增大該部位的應力集中。建議將豎板與鋼錨梁腹板及下蓋板的熔透焊縫調整為坡口角焊縫或K12的單面角焊縫（見圖8）。

（3）鋼牛腿托架上承板平面度要求高，一般通過機加工來保證平面度。如果加勁板與上承板、腹板焊縫設計為深坡口焊縫或者熔透角焊縫，過大的填充量引起的焊接變形將導致托架上承板平面度難以保證，影響鋼牛腿整體安裝精度。結合制造實際，宜在滿足結構受力的前提下，可將托架加勁板與頂板、腹板焊縫設計成角焊縫或者焊接量較小的坡口焊縫（見圖9）。

圖9 托架勁板與上承板、腹板焊縫建議

4 結語

對于索塔采用鋼錨梁-鋼牛腿形式的錨固結構，錨梁下蓋板與牛腿上承板結合面組拼間隙及錨索孔精度控制一直是工廠質量控制的難點。制造中采用仿形切割、錨孔直徑和連接方式優化、相關件組裝精度控制等措施提高了錨索孔精度；采用托架單元整體機加工、坡口優化及焊接變形控制等措施保證了錨固結構連接面接觸率。相比傳統工藝不僅能提高整體精度，也降低了制造難度，在成本控制方面發揮了重要作用，為類似結構制造提供參考。