獨塔斜拉橋索梁錨固系統技術研究

□文 /張友為

1 工程概況

天津團泊新橋主橋采用了世界上獨一無二的“彩針型”獨塔斜拉橋形式，橋塔向河道中心方向傾斜18°，橋塔與墩柱鉸接、主梁與墩柱固結。斜拉橋主跨138 m，前副跨45 m，后副跨2×30 m。主橋斜拉索為不對稱布置形式，主跨側斜拉索布置在中央分割帶，邊跨斜拉索布置在人行道外側，以體現仙鶴奮力振翅的兩翼。主跨布置9根斜拉索，索距 12 m，斜拉索與水平夾角為41.5°～62.9°。邊跨斜拉索錨固于30 m跨徑混凝土梁上，斜拉索索距為3.75 m，斜拉索與水平夾角為55.8°～24.2°。邊跨斜拉索布置為梁上距橋塔近的斜拉索錨點與塔上最高的錨點相對應，依此類推。

2 索梁錨固鋼錨箱受力分析

2.1 計算模型

天津團泊新橋斜拉索與鋼箱梁的錨固采用錨箱式索梁錨固系統，見圖1。即在箱梁的邊腹板外側順斜拉索軸向焊上錨箱，錨箱主要由兩塊承壓板（N1、N2）和一塊底錨板（N3）組成，每塊承壓板的外側各有3塊加勁肋（N5），兩承壓板之間有上下兩塊“凹”字加勁板（N4），其兩側與承壓板外側的加勁肋位置對應。沿錨板（N3）方向，主梁鋼箱邊腹板有一個加勁板（N6），在承壓板（N1、N2）板邊，主梁鋼箱邊腹板有兩個豎向加勁板（N7）。N9為錨墊板，N10為箱梁在錨箱處的橫隔板加勁。承壓板底板上開有與斜拉索直徑配套的圓孔，斜拉索穿過錨箱，錨固在底錨板外側。這種錨固結構，不僅空間結構復雜，而且在斜拉索巨大拉力的直接作用下，錨固區域的應力分布規律也比較復雜，需要進行細致的分析。

圖1 鋼錨箱

建模時，不考慮錨墊板以及索道因素，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加上去，以H4號索為例建立模型，見圖2。

圖2 鋼錨箱有限元模型

2.2 錨箱應力計算結果

2.2.1 恒載下的應力分布

取恒載作用下的拉索索力以及邊界條件，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加，其應力見圖3-圖9。

圖3 鋼錨箱應力

圖4 底錨板N 3應力

圖5 承壓板N 1、N 2應力

圖6 加勁肋N 5應力

圖7 加勁板N 4應力

圖8 加勁板N 6應力

圖9 加勁板N 7應力

2.2.2 組合下的應力分布

取恒載+活載作用下的拉索索力以及邊界條件，索力以錨板范圍均布載荷的形式施加，其應力見圖10-圖16。

圖10 鋼錨箱應力

圖11 底錨板N 3應力

圖12 承壓板N 1、N 2應力

圖13 加勁肋N 5應力

圖14 加勁板N 4應力

圖15 加勁板N 6應力

圖16 加勁板N 7應力

2.2.3 應力分布規律

由以上應力云圖可知，恒載以及恒載+活載作用下，整個錨箱體系除了部分邊界點外，其應力水平比較低。各個板塊總的應力分布可歸納如下：

1）底錨板 N3受力很復雜，在板件 N1、N2、N4、N5及主梁腹板支承下，形成多邊支承的結構體系，恒載下其Mises應力達80.5 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達104.8 MPa；

2）板N1、N2與腹板相交且靠近頂板處出現最大Mises應力，恒載下其Mises應力達87.9 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達107.3 MPa；

3）加勁板N5整體Mises應力水平不高，但在與底錨板N3相交且靠近底錨板外側處出現很大的局部應力，恒載下其Mises應力達211.5 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達264.8 MPa，這些高應力均發生在很小的局部范圍，對整體結構影響很微小，可忽略不計，但在焊接時要注意焊縫的處理，以減少焊接殘余應力；

4）加勁板N4整體Mises應力水平不高，恒載下其Mises應力最高為98.2 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達123.8 MPa；

5）加勁板N6整體Mises應力水平很低，恒載下其Mises應力最高為28.6 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達29.1 MPa，出現在板與腹板相交處；

6）加勁板N7整體Mises應力水平也不高，恒載下其Mises應力最高為74.8 MPa，組合載荷作用下其Mises應力達89.9 MPa，出現在板與腹板相交處。

3 索梁錨固鋼錨箱及索道管施工技術

3.1 鋼錨箱的制作

鋼錨箱的安裝精度是保證能夠順利掛索的重要的一個環節。錨箱鋼板加工完成后即開始組裝，錨箱的組裝在工裝胎上實施。錨箱的安裝是在工廠確定好安裝位置后做好標記，待鋼梁現場安裝完成后重新核對錨箱位置，待確定安裝位置后以索道管中心線為基準再根據α、β角大小確定鋼梁箱體底板開孔位置和尺寸，然后進行切割孔，再將焊接好的鋼錨箱結構安裝到鋼箱梁相應位置調整好α、β角后焊接。α角度范圍為23.837°～62.877°。β角度的范圍為0.504°～18.143°。索道管根據不同的α、β角度進行下料完成后進行索道管的安裝，然后進行索道管與錨箱和箱體的焊接。

3.2 索道管安裝控制

索道管安裝位置的準確才能保證纜索安裝精度要求，否則纜索甚至不能成功安裝。索道管角度就是鋼塔纜索的角度，由于團泊新橋纜索為空間索面結構，每一個索道管角度都是不一樣的空間三位角度，在制作過程中用安裝時的空間角度來控制是幾乎不可能完成的，因為制作位置和安裝位置不是同一個坐標系，而且角度的測量精確度不高，即使誤差在0.5°范圍內，由于鋼管直徑為1.2 m，尺寸誤差為10.5mm，為保證索道管的安裝精度，最后用索道管孔的位置尺寸來控制索道管的角度，這樣大大降低了索道管的角度誤差，保證了纜索安裝一次成功，見圖17和圖18。

圖17 鋼箱梁索道管

圖18 鋼塔索道管

4 結語

天津團泊新橋鋼主梁錨固采用柱式錨箱，錨箱與主梁內側30mm厚腹板焊接。鋼錨箱是由承錨板，承壓板，錨墊板，插板（U形）、承錨板加勁肋以及邊腹板的豎向加勁肋等構件組成的。承錨板厚40mm，焊接在鋼梁最外側斜腹板上并與腹板垂直，是將索力傳遞給腹板的直接傳力構件。承壓板厚40mm，與主梁邊腹板及承錨板焊接，是連接兩塊承錨板并將索力傳給承錨板的構件。錨墊板為楔形鋼板，用以調整斜拉索的橫橋向角度，其不與其他構件焊接，起到將斜拉索錨圈力均勻擴散的作用。承錨板、承壓板均采用熔透角焊縫與邊腹板連接。承錨板加勁肋與承壓板磨光頂緊，錨墊板與承壓板磨光頂緊。在與錨箱40mm厚的承錨板相焊連的腹板內側，通長水平加勁肋的上下兩側各增加同樣截面的水平加勁肋和豎向加勁肋。

塔上錨固斜拉索錨固于主塔橫連上，由于本橋的空間索形式復雜且橋塔也為傾斜布置，造成塔上錨固點的空間定位非常復雜，采用傳統的鋼結構錨固形式勢必會對鋼板的加工和定位造成很大的難度，因此設計采用在橫連鋼管內灌注混凝土，混凝土通過剪力釘與鋼管聯系，這樣布置可以大幅度的降低施工難度，同時降低施工誤差，保證斜拉索安裝正確。

[1]TG/TF 50—2011，公路橋涵施工技術規范[S].

[2]GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].