斜拉橋拉索錨固體系研究現(xiàn)狀與展望

靳衛(wèi)準

華北水利水電大學（450011）

斜拉橋拉索錨固體系研究現(xiàn)狀與展望

靳衛(wèi)準

華北水利水電大學（450011）

斜拉橋因其跨越能力大，橋身外形美觀而得到了越來越廣泛的應用。隨著斜拉橋數(shù)量的增多，其在人們生活中的重要程度也越來越大，因此對斜拉橋的安全性與耐久性的要求也越高，而斜拉橋中拉索的錨固是影響橋的使用壽命與安全的重要因素。從斜拉橋拉索錨固入手，主要介紹了索塔錨固系統(tǒng)和索梁錨固系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、分類以及拉索錨固中亟待解決的問題，以期讓人們對斜拉橋拉索錨固系統(tǒng)有初步的認識。

斜拉橋；索塔錨固；索梁錨固；安全性

0 概述

斜拉橋是一種由索塔、主梁、斜拉索三種基本構(gòu)件組成并共同承受力的結(jié)構(gòu)體系，其中塔主要承受壓彎為主，主梁主要承擔軸向壓力，斜拉索則為典型的受拉構(gòu)件。由于斜拉橋的這種結(jié)構(gòu)體系，使得各個基本構(gòu)件的受力合理，從而能顯著提高跨越能力，比梁式橋的跨越能力大。而且造型各異，外形美觀，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的實際應用。

斜拉索錨固系統(tǒng)由索塔錨固系統(tǒng)和索梁錨固系統(tǒng)兩部分組成,能夠?qū)⒗鞯木植考辛Π踩⒕鶆虻貍鬟f到塔柱和主梁全截面上。由于錨固區(qū)承受了較大的集中力，使得錨固區(qū)具有比較復雜的構(gòu)造形式和受力狀態(tài)，這成為控制設(shè)計中非常關(guān)鍵的部位，因此錨固區(qū)結(jié)構(gòu)是否安全可靠，將直接影響到整個斜拉橋的安全性能。

1 索塔錨固系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

索塔錨固區(qū)能將拉索的局部集中力安全有效、均勻地傳遞到塔柱的整個截面上，由于拉索強大集中力作用的存在，使得錨固區(qū)應力集中現(xiàn)象普遍存在。如何改善索塔錨固結(jié)構(gòu)受力性能，優(yōu)化錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造成為斜拉橋設(shè)計與施工中的關(guān)鍵問題。

早期斜拉橋索塔多采用鋼塔的形式，斜拉索與鋼塔的錨固方式主要有[1]:1）大截面斜索鞍座形式；2）小截面斜索鞍座形式；3）錨固梁形式；4）支承板形式；5）鉸接錨固形式。近年來，新建斜拉橋大多采用了混凝土主塔。這是由于主塔是以受壓為主的壓彎受力構(gòu)件，使用混凝土材料可以充分發(fā)揮出抗壓能力強的優(yōu)點,而且混凝土加工成型簡便靈活，有利于主塔軸線偏差的調(diào)節(jié)修正和施工控制，并且在造價和后期養(yǎng)護方面具有優(yōu)勢。目前，工程中常用的混凝土索塔錨固區(qū)形式主要有預應力式、鋼錨箱式、鋼錨梁式和鞍座式四種錨固形式。

1.1 預應力式錨固形式

20世紀90年代后,斜拉橋的跨徑和斜拉索的噸位都在不斷增加，這期間我國大部分斜拉橋都采用預應力式索塔錨固形式。斜拉索穿過塔壁錨固在混凝土齒塊上,通過齒塊均勻地將荷載傳遞至塔壁；塔壁在受到拉索作用后局部會產(chǎn)生較大的拉應力，甚至可能出現(xiàn)開裂,為減小或者抵消這種效應，沿塔壁四周設(shè)置井字形或U形環(huán)向預應力束。按照預應力束布置方式的不同，預應力式索塔錨固方式分為以下三種:

1）扣合式U形預應力鋼絞線布置方式[2]。這種錨固形式按照U形的開口方向不同可分為順橋向開口式和橫橋向開口式。順橋向開口式是指將斜拉索錨固在橋塔順橋向側(cè),在拉索水平索力的作用下，順橋向倒角處將出現(xiàn)極大的應力集中現(xiàn)象，易于在該處產(chǎn)生初始裂縫；而橫橋向開口式的U形預應力的曲率半徑大于順橋向U形索，使得預應力的布置及張拉變得簡便。

2）雙向井字形直線或曲線布索布置方式[3]。井字形環(huán)向預應力錨固在混凝土塔壁的四個角點上，預應力材料一般采用精軋螺紋粗鋼筋或預應力鋼絞線，如金馬大橋、武漢白沙洲大橋等。

3）混合型布束方式[4]。這種方式是采用直線形與U形束混合搭配布置，但該方式使得空間布置比較復雜，混凝土塔壁厚度增大，如閔浦二橋、楊浦大橋等。

1.2 鋼錨箱式錨固形式

鋼錨箱錨固形式是由鋼索塔及主梁錨固橫梁發(fā)展來的新的錨固構(gòu)造形式，其通過可靠地連接方式將鋼錨箱與橋塔固結(jié)，使鋼錨箱和混凝土塔壁共同受力。鋼錨梁的錨板直接承受斜拉索傳來的巨大荷載，并將荷載擴散至鋼錨箱。斜拉索的水平分量由鋼錨箱和混凝土共同承擔，豎向分量通過連接鍵傳遞給橋塔承擔，這種結(jié)構(gòu)形式的特點非常適用于拉索噸位大、空間雙索面布置的大跨徑斜拉橋，具有優(yōu)秀的承載能力。

典型的鋼錨箱結(jié)構(gòu)[5]是由側(cè)板、端板、橫隔板、錨墊板、承壓板、支承板等焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)。錨墊板和承壓板是用來錨固斜拉索的構(gòu)造，其通過支承板與側(cè)板相連，而端板（或側(cè)板）則通過剪力釘?shù)冗B接鍵與塔壁相連。鋼錨箱中承擔拉索的水平分力的主要是側(cè)板；側(cè)板下部設(shè)有橫隔板，橫隔板既有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又形成一個工作平臺便于張拉施工；另外鋼錨箱通常上下連接，便于準確定位，同時也分擔了部分豎向力。

1.3 鋼錨梁式錨固形式

鋼錨梁式錨固體系主要由鋼錨梁、牛腿和限位裝置構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)是將鋼板焊接成的錨固梁沿順橋向至于混凝土塔壁內(nèi)側(cè)的牛腿上，拉索在鋼錨梁兩端凸起的錨墊板上錨固。一般情況下，鋼錨梁的錨墊板直接承受斜拉索錨頭傳來的索力；斜拉索的豎向分量由鋼錨梁傳遞給牛腿，再由牛腿擴散至塔壁承擔。

鋼錨梁本身是一個獨立且穩(wěn)定的構(gòu)件，鋼錨梁與塔壁牛腿之間一般采用滑動連接[6]。對于采用鋼錨梁與塔壁牛腿滑動連接方式的斜拉橋，其恒載索力的水平分量一般由鋼梁自身承擔，塔壁承擔的水平分量很小,能有效的提高索塔錨固區(qū)的抗裂性能。為了使鋼錨梁更好地與塔壁共同受力，可采用鋼錨梁與塔壁固定連接方式的斜拉橋，共同承擔拉索水平力，此時鋼錨梁能夠與塔壁共同受力，但混凝土塔壁受到的水平力比較高。為此可以采用先滑動后固結(jié)的鏈接方式，即張拉前鋼錨梁一端固定一端滑動，張拉后改為兩端固定，這樣恒載作用下的水平索力主要由鋼錨梁自身承擔，活載的水平分力由鋼錨梁和混凝土塔壁共同承擔，能夠有效地減小混凝土開裂的風險。

1.4 鞍座式錨固形式

鞍座式索塔錨固區(qū)在矮塔斜拉橋中有廣泛的應用，但在常規(guī)斜拉橋中的應用較少[7]。按照錨固區(qū)斜拉索鋼絞線布置形式的不同，可以分為套管式和分絲管式兩種類型。

套管式一般有兩種形式，分別為單套管式和雙套管式。單套管式只有一層鋼套管預埋于混凝土橋塔中，鋼絞線整捆穿過鋼套管，在張拉結(jié)束后對套管灌注環(huán)氧砂漿。這種錨固方式的最大缺點是極難進行斜拉索的更換，其使用量極少。雙套管式鞍座是由兩層套管組成，外層鋼管作為預留孔道，拉索整體或單根穿過內(nèi)層套管后灌注高強環(huán)氧砂漿，同時在鞍孔出口處用高強環(huán)氧砂漿做成抗滑移裝置。雙管式鞍座在早期的矮塔斜拉橋中得到了較多的應用。為了克服套管式鞍座錨固系統(tǒng)的缺點，近年來發(fā)明了分絲管式鞍座錨固系統(tǒng)，并得到廣泛的應用[8]。分絲管由多個平行的導向鋼管焊接在一起，將分絲管焊接成束或采用限位板連接，拉索采用每根鋼絞線通過相應的導向鋼管，形成互不干擾的分離式布置形式，避免了鋼絞線由于張拉順序的不同造成的擠壓。

2 索梁錨固系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力結(jié)構(gòu)很復雜[9]，要求錨固區(qū)不僅要保證結(jié)構(gòu)的安全性，更要便于養(yǎng)護和更換斜拉索。索梁錨固區(qū)設(shè)計遵循的原則有[10]:

1）方便拉索檢查、維護和更換；2）能簡便地將索力傳遞到主梁全截面,避免出現(xiàn)過大的應力集中，使主梁受力盡量明確；3）確保連接可靠，力線傳遞流暢；4）最大限度減少拉索預留構(gòu)造對主梁的削弱及主肋的切斷；5）錨固點設(shè)有橫梁或橫隔板等構(gòu)造以平衡垂直分力；6）錨固點附近的橋面板、底板和腹板等為防止局部破壞，應適當加強。

目前，我國大跨度鋼箱梁斜拉橋中通常的索梁錨固型式主要有四種:錨箱式錨固形式、耳板式錨固形式、錨管式錨固形式、錨拉板式錨固形式[11，12]。

2.1 錨箱式錨固形式

錨箱式錨固形式首先固定錨固梁，主梁外伸出的牛腿也可作為錨固梁，然后將主梁與錨固梁采用焊接或高強螺栓的方式連接，斜拉索與錨固梁錨固在一起，錨固梁多采用錨箱的形式以滿足多個方向的補強。

錨箱式索梁連接的優(yōu)點是各索橫向傾角的差異不會對腹板產(chǎn)生干擾,由于可以使用固定傾角，從而實現(xiàn)了錨箱內(nèi)調(diào)整傾角之差，制造簡便，節(jié)段的標準化生產(chǎn)變得簡單快速；牢固連接在主梁上的內(nèi)置式阻尼器，充分發(fā)揮了阻尼器的作用，使得減振效果大大提高；錨頭安置于風嘴中，景觀效果良好；取材方便容易，對材料性能沒有別的要求[14]。

2.2 耳板式錨固形式

耳板式連接也被稱為銷鉸連接，是指斜拉索通過鉸鏈或鋼管錨固在主梁腹板伸出的耳板上，其索力也直接由耳板傳遞給主梁腹板的錨固形式[15]。

這種新型結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，傳力簡潔明確，易于安裝和日常維護等。缺點是它只適合塔端張拉；而且拉索減振器由于安裝在離橋面很高的位置上，不便于安裝；裸露的錨固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴重影響其觀賞性。

2.3 錨管式錨固形式

錨管式錨固形式是把鋼管安裝在主梁或縱梁腹板上，并在鋼管內(nèi)錨固斜拉索，索力通過鋼管傳給主梁或縱梁腹板。該種結(jié)構(gòu)特點是可以使腹板采用固定傾角；索力與腹板沒有偏心矩，不存在面外彎矩；拉索減振方式能夠選用內(nèi)置式阻尼器，使得阻尼器與主梁可靠連接，因而能夠使阻尼器的作用得到充分地發(fā)揮[16]。

2.4 錨拉板式錨固形式

錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)由承壓板、錨管、錨拉板、加筋板及加強板組成。錨拉板連接中的錨拉板在其上部開有槽口，槽口內(nèi)側(cè)被焊接在錨管的外部，斜拉索通過錨管后用錨具錨在錨管底部；錨板下部與主梁上翼板采用焊接連接；錨拉板中部不僅需要滿足安裝錨具的空間，而且還要連接上下兩個部分。為了增強錨拉板截面的橫向剛度和整體性，以及彌補開槽部位對截面的削弱作用，錨拉板兩側(cè)需焊接加筋板。此外，剛主梁腹板加筋板的增設(shè)以及連接區(qū)域內(nèi)主梁上翼板的加厚能夠保證索力均勻傳遞給主梁，減小連接區(qū)橋面板的應力[17]。

錨拉板式錨固形式的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，傳力途徑簡捷,對材料性能要求相對較低以及制作空間大，易于加工生產(chǎn)且維修方便。缺點是由于重要部位大多是由焊縫連接,因而對焊縫的質(zhì)量要求相對較高，容易出現(xiàn)應力集中過大的現(xiàn)象。

3 當前研究中存在的問題

對于斜拉橋的索塔及索梁錨固結(jié)構(gòu)來說，其構(gòu)造形式多樣，受力機理復雜，關(guān)于索塔及索梁錨固區(qū)受力性能的問題,還有許多方面有待進一步研究:

1）隨著設(shè)計和施工水平的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了一些新型的斜拉索錨固形式，一些錨固形式已在工程上得到成功應用。對于這些特殊的錨固結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計思想、受力特點、適用條件以及應用前景等方面的問題，有待進一步研究。

2）現(xiàn)階段斜拉橋索塔及索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計尚缺乏針對性的規(guī)范指導，一般作為特殊性結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通常需要通過足尺模型試驗來驗證設(shè)計的可靠性，而目前的足尺試驗研究還很有限。

3）現(xiàn)階段部分學者應用通用有限元分析軟件進行模擬仿真研究斜拉橋拉索錨固結(jié)構(gòu)的受力特性，受計算機軟硬件的限制，很難精確模擬實際結(jié)構(gòu)的受力性能，對于索塔及索梁錨固區(qū)合理、有效、可靠的設(shè)計方法的總結(jié)，有待學者進行進一步的研究。

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