大跨度懸索橋主纜錨固體系比較與改進方案探討

【摘 要】大跨度懸索橋主纜截面大，采用已有的主纜錨固體系，將導致需要非常大的錨固空間。本文對既有的大跨懸索橋錨固結構及構造進行了收集和整理，根據(jù)收集到的資料進行了比較分析，并從中提出了可減少錨固空間的改進方案。

【關鍵詞】大跨度；懸索橋；主纜錨固體系；改進方案

0.引言

近年來，大跨徑橋梁日益增多。懸索橋以其受力性能好，跨越能力大，輕型美觀、抗震能力好，而成為跨越大江大河、海峽港灣等交通障礙的首選橋型。作為懸索橋四大部分之一的錨錠，無論在設計、施工、科研等各方面，都顯示出其重要性。對于大跨度懸索橋，尤其是鐵路或公鐵兩用懸索橋，其主纜的截面越來越大，采用預制平行絲股的索股數(shù)也相當多，若采用已有的主纜錨固體系，將導致需要非常大的錨固空間。因此通過對現(xiàn)有的主纜錨固體系進行總結和比較，從而對研究新的可減少錨固空間的錨固系統(tǒng)提供新的指導行意見。

1.懸索橋錨碇錨固系統(tǒng)

懸索橋錨固系統(tǒng)有型鋼錨固系統(tǒng)和預應力錨固系統(tǒng)兩大類型，圖1為主要兩種構造形式。

圖1 型鋼錨固系統(tǒng)構造圖

型鋼錨固系統(tǒng)，由錨頭梁、前后錨固梁、張拉桿和強大的型鋼支架組成。其傳力途徑為：主纜索股→錨頭梁→前錨梁→張拉桿→后錨梁→錨塊→錨碇基礎。這種錨固類型的優(yōu)點是：整體定位，便于調(diào)整誤差；制作加工安全可靠，混凝土灌注方便。缺點是：用鋼量大；拼組時間長[1]。

預應力錨固系統(tǒng)：預應力錨固系統(tǒng)分為預應力鋼絞線和預應力粗鋼筋兩種體系，兩者均通過張拉預應力筋在錨塊內(nèi)部儲備預壓力，雖然受力機理相同，但由于材料不同，兩者在布置、錨具、防腐方面存在一定差異[2]。預應力鋼絞線系統(tǒng)布置靈活，施工方便，應用廣泛。應用預應力鋼絞線錨固系統(tǒng)的橋梁有瑞典霍加庫斯騰橋、丹麥大貝爾特橋、江陰長江大橋、廈門海滄大橋、宜昌長江大橋、潤揚長江大橋、香港青馬大橋、重慶鵝公巖大橋等，國外應用預應力粗鋼筋的橋梁有英國塞文橋、土耳其博斯普魯斯大橋。國內(nèi)預應力粗鋼筋系統(tǒng)由于粗鋼筋材料及制作工藝尚須研究解決，目前國內(nèi)尚無在大型懸索橋中使用的例子[3-4]。

錨固系統(tǒng)主要受力構件為：拉桿、可換式預應力體系、聯(lián)接器：

1.1拉桿組件

拉桿與主纜錨頭的連接由拉桿上的鎖緊螺母、六角螺母及平墊圈來固定，與連接器平板的連接是通過球面墊圈、球面螺母以及鎖緊螺母來固定。

1.2聯(lián)接器

聯(lián)接器包括連接平板及連接筒，既是預應力錨頭下的墊板又起連接拉桿作用，聯(lián)接器采用45號優(yōu)質碳素結構鍛鋼。

1.3可換式預應力體系

預應力體系由預應力鋼絞線、預應錨具、夾片放松裝置、預埋鋼管、防腐油、防護罩、銅墊圈、油面觀察管等組成。

這種類型的優(yōu)點是：用鋼量少；支架簡單，管道架設精度要求不高；可減小錨塊的尺寸。缺點是：錨固系統(tǒng)的安全度取決于預應力錨具的可靠度；預應力錨塊部分的高標號混凝土增加了施工難度。但預應力結構中材料的防腐和耐久性問題一直是備受關注而棘手的問題[5-6]。

2.懸索橋主纜錨固方式

懸索橋主纜錨固方式主要有前錨式和后錨式兩種。世界上已建成懸索橋大部分采用前錨式。后錨式的錨固方式要求牽引主纜索股的錨頭穿過錨塊固定在后錨面上，施工麻煩，同時要求雙向散索，前后錨面的尺寸要求大，僅適用于小跨徑懸索橋的錨固方式。前錨式的錨固方式便于將來進行保養(yǎng)維修，索股錨頭安裝定位容易，錨固系統(tǒng)可以雙向散，單向散，甚至可以雙向均不散，可以縮小錨塊尺寸。為了縮小錨面尺寸，建議采用前錨式錨固方式[7]。

新港橋（The New Tacoma Narrows Bridge）的錨固型式為后錨式：每根主纜的78根股纜展開后，就進入埋在混凝土中的78根套管，其錨頭一直通到后錨面，再隔著墊片壓在厚度為15.2cm后錨板上。新港橋錨固構造如圖2所示。

圖2 新港橋錨固構造圖

3.已建大跨度懸索橋主纜錨固系統(tǒng)比較

本文收集和整理了國內(nèi)外13座已經(jīng)建成的大跨度懸索橋，并對其現(xiàn)有的主纜錨固體系進行了比較，詳見表1。由于本文主要討論可減少錨固空間的錨固系統(tǒng)，因此表中主要對既有的大跨懸索橋錨固系統(tǒng)的構造進行了整理。由于已建成懸索橋大部分采用前錨式，故重點對各懸索橋的前錨面尺寸和錨固單位面積的鋼絲所用的前錨面面積進行了計算，其中新港橋為錨固型式為后錨式，故給出的是后錨面相關數(shù)據(jù)。

表1 懸索橋錨固體系相關數(shù)據(jù)表

單位面積主纜所需前錨面錨固尺寸大小主要受主纜架設方法、錨固系統(tǒng)類型兩個因素影響。根據(jù)表1對同類橋梁的有關數(shù)據(jù)作平均值進行比較，結果如表2：

表2 不同類型錨固體系單位面積主纜所需錨面錨固尺寸表

由第2、3列數(shù)據(jù)比較可知，使用AS法架設主纜所需的前錨面面積比PWS法的小；再由第3、4數(shù)據(jù)比較可知，使用型鋼錨固系統(tǒng)所需前錨面面積比預應力錨固系統(tǒng)的小。

AS法之所以優(yōu)于比PWS法，是因為靴跟集成了多個索股，錨于同一位置，錨面錨固連接件集成索股的能力明顯占優(yōu)。

南京四橋的錨拉桿由焊接鋼板做成，在集成索股的能力上優(yōu)于預應力錨固方式（預應力連接件的標準化制造及小尺寸特點決定）。而通過創(chuàng)新的PBL剪力鍵，保證了力能安全的傳遞到錨塊上去[8-10]。

4.結論

根據(jù)前面的分析可知，影響懸索橋錨固系統(tǒng)錨固空間的有三個根本因素：

（1）錨面處錨固連接件集成索股的能力。

（2）錨固器件（錨桿、錨梁、錨板、預應力鋼鉸線）的整體承載能力。

（3）錨塊混凝土的承載力是否滿足容許值。

因此，為減少大跨懸索橋的主纜錨固空間，可以從以下幾個方面做出努力：

（1）對于型鋼錨固系統(tǒng)，可以在南京四橋基礎上通過優(yōu)化設計更多索股錨固方式；對于預應力系統(tǒng)，可以設計連接多索股的錨固鑄鋼件。

（2）根據(jù)多索股錨固承載力要求，對相關錨固器件材料進行合理設計，可考慮采用碳纖維等新型材料。

（3）學習新港橋做法，在后錨面采用整體集成或部分集成錨桿的連接器件，以平均分散混凝土表面所受荷載。 [科]

【參考文獻】

[1]錢冬生.大跨度懸索橋的設計與施工.成都：西南交通大學出版社，1999.51.

[2]劉明虎.懸索橋重力式錨碇的基本思路.公路，1999，7：18-20.

[3]Ravindra Mathur，Augusto Molina. The New Tacoma Narrows Bridge-Suspension System and Anchorage.ASCE Conf. Proc，171，23（2005）.

[4]徐國平，劉明虎，黃芳瑋，等.懸索橋錨碇可更換無粘結預應力錨固系統(tǒng)試驗研究.橋梁建設.2006，5：13.

[6]Niels J. Gimsing 編.西南交通大學土木工程學院橋梁工程系，中鐵大橋局武漢橋梁科學研究院譯.大貝爾特海峽：東橋.成都：西南交通大學出版社，2008.131.

[7]鐵道部大橋工程局橋梁科學研究所編.懸索橋.北京：科學技術文獻出版社，1996.488

[8]鐘建弛 主編.潤揚長江公路大橋建設（第3冊）懸索橋.北京市：人民交通出版社，2006：57-70.

[9]宋暉，王曉冬.舟山大陸連島工程西堠門大橋總體設計.公路，2009，1：12-15.

[10]潘世建，楊盛福.廈門海滄大橋建設叢書（第4冊）東航道懸索橋.北京市：人民交通出版社，2002：30-33.