大跨徑斜拉橋索塔錨固方式介紹

熊 軍

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 前言

現代斜拉橋工程發展迅速，跨徑不斷增大，同時斜拉索的設計噸位也不斷提高，已達“千噸”級的水平。斜拉橋索塔是以受壓為主的壓彎構件，索塔錨固區通常設計為混凝土空心薄壁結構，能充分發揮混凝土材料抗壓強度高的特點。強大的斜拉索力通過錨固區安全、均勻地傳遞到塔柱中，由于索力較大，錨固點相對集中，該區域受力狀態十分復雜，是控制設計的關鍵部位。

眾所周知，混凝土的抗拉性能較差，斜拉索的水平分力作用在混凝土塔柱內壁時會產生很大的局部彎矩和剪力，甚至會在塔柱的各個面上產生豎向裂縫，嚴重損傷斜拉橋的安全度和耐久性。近年來，實際工程中應用較多且行之有效的索塔錨固方式有環向預應力、鋼錨梁和鋼錨箱三大類。本文將對三類錨固方式的構造形式、工作機理和優缺點進行詳細介紹，為大跨徑斜拉橋的設計工作提供借鑒和參考。

1 環向預應力

環向預應力錨固方式已在南京長江二橋、潤揚長江公路大橋和軍山長江大橋等多座大跨徑斜拉橋中得到應用，本錨固方式中斜拉索直接錨固在空心塔壁上，在強大的水平分力作用下，索塔側壁將產生很大的拉應力，錨固面上會有彎曲應力，受力狀態十分復雜。為保證塔柱的承載能力和抗裂安全性，需要在錨固區設置環向平面預應力以平衡塔壁上的拉應力。索塔錨固區環向預應力可按井字形或環形布置，其中井字形布置一般采用預應力高強鋼筋，環形布置則采用預應力鋼絞線，構造形式見圖1。

圖1 環向預應力

早期的環向預應力多采用井字形布置，使用預應力高強鋼筋。但塔柱尺寸較小，預應力束的長度較短，由回縮和錨具變形引起的預應力損失很大，因而預應力筋用量較多。通常情況下該區域拉索導管布置較密，使得構造鋼筋配置較多，客觀上增加了施工難度。

近年來，塑料波紋管和真空壓漿技術得到了很大的發展，給大噸位小半徑U形預應力束的應用提供了有利條件。與“井”形直線預應力束相比，“U”形環向預應力較為經濟合理，因為它長度較長，錨下回縮損失相對較小，不僅可大大減少預應力筋的用量，提高材料利用率，同時可減少張拉和灌漿等高空作業的工作量，因此近年來得到了較為廣泛的應用。據相關研究，U型索開口在截面長邊方向比開口在短邊方向的預應力效果高8%～14%[1]，所以實際工程中多選擇U型索錨固在截面長邊方向。當然，“U”形環向預應力也有其自身的缺點，由于彎道和鋼鉸線之間的相互嵌擠等因素，每束鋼鉸線中的單根鋼鉸線伸長量和受力并不均勻，實際工程中應控制每束鋼絞線的根數并適當降低其張拉控制應力，這是保證環向預應力質量的一個難點。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，環向預應力具有構造簡單造價低，后期維護工作量小等優點。但也有施工質量和精度很難控制的缺點，主要是因為環向預應力錨固方式的全部工序需要現場高空作業，錨墊板的角度及預應力管道定位控制較難，還需要多次張拉預應力，高空澆筑混凝土錨固構造也有一定難度，并且施工完成后不可檢查和更換。

2 鋼錨梁

鋼錨梁錨固方式源于加拿大的安娜西斯（Annacis）橋，也被我國的南浦大橋、灌河大橋、金塘大橋等多座橋梁采用，見圖2。鋼錨梁是獨立的拉索錨固構件，支撐于塔柱內側牛腿上，由鋼錨梁自身平衡兩側拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通過鋼錨梁支座摩阻力和水平限位裝置傳遞至塔壁，拉索的豎向分力由塔柱內側牛腿傳至塔柱。由于鋼錨梁平衡了拉索水平分力，使得塔壁混凝土沒有拉應力，混凝土塔壁不會開裂，因而塔柱受力比環向預應力好。

圖2 鋼錨梁

鋼錨梁通常用于平面索面布置，由于拉索完全位于同一平面內，無橫向分力，鋼錨梁不會側傾，不用橫向限位裝置。另外，傳統鋼錨梁的牛腿均采用混凝土結構，和塔柱混凝土一起澆注，工程實踐中存在上塔柱施工效率低、鋼錨梁吊裝困難、混凝土牛腿易開裂等問題。針對傳統鋼錨梁的上述局限性，我國橋梁設計人員大膽創新，在金塘大橋中設計出了能夠錨固空間索面斜拉索的鋼錨梁，并首次使用鋼牛腿來傳遞鋼錨梁的受力，見圖3。

圖3 金塘大橋鋼錨梁和鋼牛腿

金塘大橋采用鉆石形塔，拉索為空間索面，常規的鋼錨梁已不適用，因而提出了能夠錨固空間索面斜拉索的鋼錨梁和鋼牛腿結構。每對斜拉索面內的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端限位裝置傳遞到預埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡。鋼牛腿取代混凝土牛腿后，與塔柱相連的鋼壁板可作為混凝土施工時的模板，所以上塔柱內壁可以方便地利用滑模施工，施工速度得以大幅度地提高。另外，鋼錨梁和鋼牛腿施工時通常是采用整體吊裝，因此牛腿頂面的高程精度、平面精度也比混凝土牛腿更容易控制[2]。目前，鋼牛腿方案已在荊岳長江公路大橋和九江大橋上得到了推廣使用。

鋼錨梁錨固構造受力機理明確，混凝土塔壁拉應力小。與環向預應力相比，鋼錨梁在工廠預制，現場安裝，可以精確定位錨墊板位置和角度，并且可以定期檢查、維修、養護和更換。和鋼錨箱比較，鋼錨梁用鋼量低，對起吊設備的要求不高，后期養護難度也小，因而比較經濟。鋼錨梁的主要缺點是對塔柱內部空間有一定要求，安裝和換索都不方便，并且一般不用于空間索面斜拉橋。

3 鋼錨箱

鋼錨箱是一種新型索塔錨固結構，最早應用于法國的諾曼底大橋。由于具有受力方式明確、錨固點定位準確、施工方便等優點，目前已在大跨度斜拉橋中廣泛使用，蘇通大橋、昂船洲大橋和杭州灣跨海大橋等均采用這種索塔錨固方式。鋼錨箱有內置式和外露式兩種，見圖4、圖5。

圖4 內置式鋼錨箱

圖5 外露式鋼錨箱

鋼錨箱的工作機理很明確，斜拉索的拉力首先傳到鋼錨箱上，順橋方向的水平分力可以被鋼側板承擔相當大的一部分，其余沒有被鋼側板承擔的水平分力由鋼錨箱傳到混凝土塔壁上；斜拉索力的豎向分力傳給混凝土索塔，由混凝土承擔。鋼錨箱中鋼材承受了較大的拉力，混凝土承受了較大的壓力和較少的拉力，充分發揮了鋼材抗拉強度高和混凝土能承受較大壓應力的優點，克服了鋼材承受較大壓應力容易失穩和混凝土承受較大拉應力容易開裂的缺點。

內置式鋼錨箱中，斜拉索的豎向分力由焊接在錨箱兩端豎向鋼板的剪力釘承受，與鋼錨箱相連的混凝土索塔內壁直接承受鋼錨箱傳來的斜拉索部分水平分力。塔壁中可設置普通鋼筋控制強度及裂縫寬度，或施加預應力限制開裂。外露式鋼錨箱中，焊接在錨箱側板上的剪力釘既要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿索塔高度方向的剪力，還要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿順橋向的剪力。為保證外露式鋼錨箱側板和混凝土塔壁的抗剪效果及抵抗索塔的拉應力，還必須在塔壁施加預應力。預應力成為結構成立不可缺少的主要因素，而且預應力度要求比較高[3]。

錨固區的承載力通常是足夠的，即使混凝土塔柱不參與受力，鋼錨箱自身也可以承受斜拉索的全部水平分力。但無論是內置式或外露式的鋼錨箱，由于塔壁分擔了不小的水平力，混凝土應力較大，很容易開裂，會影響到結構的耐久性，需要采取一定的措施進行改善。

鋼錨箱采用工廠化制造，質量有保證，容易控制錨固點的位置和角度，施工方便，受力較為可靠。此外，還有易于檢測維護、便于換索等優點，具有廣泛的應用前景。但也有用鋼量大、成本高、對吊裝能力和安裝精度要求較高的缺點，并且錨固區混凝土易開裂，應用于海洋環境等對結構耐久性要求高的地區時有一定的局限性。

4 結語

環向預應力、鋼錨梁和鋼錨箱三種錨固方式的構造形式和工作機理各不相同，都有其明顯的優缺點和適用范圍。斜拉橋索塔錨固區是一個重要的受力構造，選擇何種方式錨固與拉索的布置、塔形和構造等方面密切相關。橋梁設計時，應針對具體工程的特點，綜合考慮安全、經濟、施工和后期養護等諸多因素確定。

[1]王德華,朱宏平,劉春杰.大噸位小半徑環向預應力設計和施工技術分析[J].華中科技大學學報,2002(3):24-27.

[2]陳向陽,王昌將,史方華.大跨徑斜拉橋鋼錨梁的創新設計[J].公路,2009(1):130-133.

[3]馬旭濤.上海長江大橋索塔錨固區模型試驗與分析研究[D].同濟大學工學碩士學位論文,2007.

[4]史方華,陳向陽,白雨東.金塘大橋索塔鋼錨梁和鋼牛腿組合結構設計[A].中國公路學會橋梁和結構工程分會2008年全國橋梁學術會議論文集[C].2008,49-52.

[5]魏奇芬.鋼錨箱在斜拉橋索塔錨固區中的應用[J].世界橋梁,2008(2):27-30.