矮塔斜拉橋索塔整體式鋼錨箱受力性能與施工技術研究

韓金豹

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州 510507)

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，它具有斜拉橋的形式，但在塔高、結構尺寸比例、布索和受力性能等方面又與常規斜拉橋有明顯的差別[1]。根據其受力性能，矮塔斜拉橋可分為剛性梁和柔性梁兩類，剛性梁矮塔斜拉橋必須采用較大剛度的主梁，斜拉索僅起到體外預應力的作用；柔性梁矮塔斜拉橋由于主梁剛度較小，必須采用較強的索塔和斜拉索，方可保證其具有足夠的剛度。

索、塔錨固區是將斜拉索索力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要結構，錨固形式的選擇與索塔形式、斜拉索的布置形式、斜拉索數量、索距、索力大小等因素有關[2]。目前工程中常用的索、塔錨固區形式主要有預應力式、鋼錨箱式、鋼錨梁式、交叉錨固式和鞍座式5種[3]。傳統鋼錨箱式是在鋼錨梁式基礎上發展而來的，大多采用沿索塔軸線分節段預制、分節段安裝的非整體式，其索、塔錨固點沿索塔軸向布置，豎向間距較大、布置分散，對于橋面以上索塔高度受限的矮塔斜拉橋，其斜拉索傾角偏小、使用效率較低，且施工工藝復雜，安裝精度較難保證[4]。

整體式鋼錨箱可將斜拉索集中錨固在塔頂，增大斜拉索的豎向傾角，以提高其使用效率；而且鋼錨箱整體受力，其正常使用性能和抗疲勞性更優；同時整體式鋼錨箱可采用整體加工、整體吊裝的施工方案，施工更方便、快捷，施工質量更容易控制，已普遍應用于實際工程中。

1 工程概況

榕江特大橋是廣東省潮州至惠州高速公路的關鍵節點工程。本橋為雙塔雙索面柔性梁矮塔斜拉橋，中跨和次邊跨采用流線型扁平封閉鋼箱梁，邊跨采用預應力混凝土箱梁，鋼混結合點設置在輔助墩墩頂處。全橋采用半漂浮體系，其跨徑組合為60 m+70 m+380 m+70 m+60 m，橋梁全長640 m，橋面寬38.7 m，橋塔采用門式框架索塔。

全橋共96根斜拉索，輻射形布置，在塔頂通過整體式鋼錨箱集中錨固。

2 鋼錨箱方案設計

2.1 方案構思

榕江特大橋靠近榕江出海口，上跨榕江規劃通航萬噸海輪航道，其通航凈空抬高了主梁標高；同時橋址位于揭陽潮汕機場障礙物限制面內，主塔高度受限，橋面以上索塔高為51.1 m。

受此限制，本橋巧妙地采用塔頂整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，見圖1，該錨固方式提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時減小了拉索水平分力，改善主梁受力。

2.2 總體設計

該整體式鋼錨箱高6.0 m，順橋向長4.7 m，橫橋向寬度2.36 m，整個錨室質量約85 t，采用整體一次吊裝；其由腹板、端板、底板、斜拉索錨箱、錨固結構及預埋定位架組成，為全焊接結構，見圖1、圖2；鋼錨箱錨室的數量與尺寸由斜拉索的數量和受力需要確定，其橫橋向分為3個箱室，每個箱室對稱錨固4對斜拉索，3個錨室共錨固12對斜拉索。

圖1 整體鋼錨箱總體設計圖

圖2 整體鋼錨箱立面圖(單位：mm)

鋼錨箱通過在底板張拉預應力鋼螺桿的方式與混凝土塔柱相連，如圖1，錨固螺桿頂部設置鋼盒結構、底部設置鋼錨梁以加強連接；預應力鋼螺桿的配置按正常使用、斷索(或者換索)、地震等工況下保持索塔鋼錨室不傾覆的原則考慮，共設置16根直徑70 mm鋼螺桿，單根張拉力1 600 kN。

斜拉索錨箱由錨墊板、承壓板、傳力腹板及加勁板構成，斜拉索橫向角度通過錨墊板橫向厚度差調節。

2.3 整體式鋼錨箱的特點

1) 鋼錨箱構造復雜、受力集中，且承受荷載較大，是本橋設計的難點之一，設計中須對各構件的受力性能進行研究，并據此確定合理構造。

2) 鋼錨箱底部混凝土密實度和平整度直接影響塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，須根據其受力性能確定合理施工方案，確保施工質量滿足要求。

3) 鋼錨箱為全焊結構，焊縫數量大，焊后整個構件殘余應力大，須采取措施對殘余應力進行調整。

3 鋼錨箱受力性能分析

3.1 計算模型

采用大型空間有限元軟件ANSYS進行分析，計算模型與實際結構相一致，鋼錨箱下方模擬6 m高混凝土塔柱。鋼結構部分采用shell 63單元模擬，混凝土單元使用Solid 45單元模擬，錨箱底板與下部混凝土通過接觸進行模擬。模型共包括158 196個單元，160 411個節點，計算模型見圖3。

圖3 鋼錨箱有限元模型

3.2 荷載工況及計算結果

主要分析以下2個荷載工況。工況一，最大包絡索力工況；工況二，最不利斷索工況(S12斷索)。

3.2.1工況一

最大包絡索力工況下，腹板、鋼盒、錨箱鋼底板，混凝土塔柱頂部的應力云圖如圖4所示。

圖4 局部結構應力云圖(單位：MPa)

1) 鋼錨箱腹板應力。從腹板應力云圖容易看出，錨室腹板的應力水平較低，平均應力為70 MPa，只有在拉索錨箱與腹板連接的局部區域應力較大，該區域應力最大為180 MPa，見圖4a)。因此，宜優化3個箱室的拉索錨箱的布置，以改善腹板受力。

2) 拉索錨箱應力。從拉索錨箱應力云圖可以看出，拉索錨箱承壓板之外部分的應力水平不高，平均應力小于70 MPa，承壓板的應力水平稍大，平均應力為120 MPa，其與傳力腹板的連接區域應力最大，為185 MPa，見圖4b)，鑒于此，設計中可以適當增加承壓板厚度，以降低其應力水平。

3) 鋼錨箱底板應力。從鋼錨箱底板應力云圖容易看出，承壓板的應力水平不高，平均應力小于60 MPa；但承壓板與腹板連接區域的應力較大，最大應力170 MPa，見圖4c)。

4) 混凝土塔柱頂部應力。由圖4d)可見，混凝土塔柱頂大部分區域主拉應力均小于ftk=2.65 MPa，在人洞附近局部區域主拉應力較大，最大應為為5.6 MPa，分布較淺；混凝土塔柱主壓應力最大12.0 MPa，小于fck=32.4 MPa[5]。

5) 鋼錨箱穩定性分析。在最大包絡索力工況下，鋼錨箱一階穩定系數18.036，二階穩定系數19.082，兩階失穩形態接近，最大變形均發生在鋼錨箱邊腹板人洞附近，設計中須引起重視，應對該區域進行加勁處理。

3.2.2工況二

經過分析，在最不利斷索工況(S12斷索)下，鋼錨箱變形、應力、穩定性及混凝土塔柱頂部應力較工況一偏不利，2個工況結果對比見表1。

表1 工況一與工況二計算結果對比表

由以上結果容易得出鋼錨箱的受力特點如下。

1) 鋼錨箱最大變形發生在腹板頂部，一階失穩模態中最大變形發生在邊腹板人洞附近。

2) 鋼錨箱各部件平均應力水平較低，但焊縫、局部承壓部位、角隅和構造突變部位應力水平較高。

3) 混凝土塔柱頂部大部分區域應力水平小于開裂應力，但人洞附近局部區域主拉應力較大，設計和施工中應引起重視。

4 構造優化措施

為確保鋼錨箱受力安全，應根據其受力性能對構造進行調整和局部優化，以改善鋼錨箱結構受力。

4.1 增設預埋定位架

鑒于塔頂受力集中，且局部應力較大，本項目在鋼錨箱底設置預埋定位架，以保證斜拉索索力更均勻地傳遞給塔柱，改善塔頂局部受力。

預埋定位架由頂板、PBL板和連接板組成，見圖1、圖5，其在塔頂混凝土澆筑前進行預埋，定位架頂板頂面與塔柱頂平齊，且與鋼錨箱底板密貼，頂板設置混凝土澆筑孔和出氣孔，方便混凝土澆筑。

圖5 定位架頂板平面示意圖(單位：mm)

此外，增設定位架同時可以輔助鋼錨箱定位，確保其安裝精度。

4.2 優化斜拉索錨頭布置

為改善鋼錨箱腹板與拉索錨箱焊接質量和焊縫應力，防止鋼錨箱腹板局部應力集中，同一箱室錨頭的豎間距調大至1.3～1.5 m，相鄰錨室的斜拉索錨頭在豎向和水平向錯位50 cm布置。

經對比計算，相鄰錨室的斜拉索錨頭在空間錯位布置后，拉索錨箱與鋼錨箱腹板焊接部位局部應力得到明顯改善，最大下降40～50 MPa。

4.3 局部構造優化

1) 根據鋼錨箱變形情況和一階失穩模態，設計中在邊腹板外側設置加勁板肋，在腹板人洞附近增設加勁環板，以防止局部失穩。

2) 鑒于錨箱腹板局部承壓在底板上，兩者連接區域應力水平較高，錨箱腹板底部應磨光頂緊在底板上，并采取措施確保兩者焊縫質量。

5 施工關鍵技術

方案設計的同時應依據上述計算結果改進鋼錨箱施工方案，并采取輔助措施以改善鋼錨箱結構受力。

5.1 塔頂混凝土后壓降施工

鋼錨箱底部混凝土密實度影響到塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，涉及結構安全。塔柱頂部混凝土澆注施工時，在定位架頂板底預留5～10 cm高度的孔隙進行后壓漿施工，以確保該部分混凝土的密實，防止局部應力集中。

施工時，預留空隙一次壓注完成，具體步驟如下：水泥漿準備→打開各出漿孔，用循環清水將預留空隙清洗干凈→開始壓漿，水泥漿的壓力控制在0.4～0.6 MPa→依次打開各出漿孔，檢驗出漿孔漿液，當流出漿液和壓漿液質量相同時，依次關閉出漿孔→壓漿完成后進行穩壓操作→壓漿結束后，覆蓋土工布進行保溫養護。

為確保該方案可行，施工前進行了壓漿模擬試驗，試驗裝置及壓漿效果見圖6；根據試驗結果，后壓漿方案可確保鋼錨箱底混凝土密實度滿足要求。

圖6 壓漿模擬試驗

5.2 焊縫殘余應力調整措施

鋼錨箱采用鋼板較厚，結構焊縫尺寸較大，且焊縫較密集，焊接后整個構件處于較復雜的高殘余應力的狀態；為降低鋼錨箱的焊接殘余應力，提高其抗疲勞性能，本項目先后采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動時效工藝”對鋼錨箱進行后處理。

1) 超聲沖擊工藝。超聲沖擊作為新工藝已開始應用在橋梁鋼結構中，該工藝可有效降低殘余拉應力的峰值，改善應力分布狀態，防止焊縫受力裂紋及疲勞裂紋的萌生，提高構件的疲勞強度及壽命。

本項目主要對鋼錨箱腹板與底板焊縫、腹板與拉索錨箱傳力腹板的焊縫進行超聲沖擊。超聲沖擊時，沖擊針的振蕩頻率不小于20 kHz，沖擊的振蕩幅度不小于50 μm。

2) 整體振動時效工藝。該工藝主要通過振動時效方法降低、均化鋼結構焊縫殘余應力，提高焊縫疲勞壽命。振動時效效果的關鍵是有足夠的動應力使構件在應力峰值區產生蠕變，使造成殘余應力的歪曲晶格一定程度地恢復平衡狀態，該工藝對大噸位、高剛度箱體構件有明顯的工藝效果。

針對本項目大噸位、高剛度鋼錨箱，應采用大激振力、低階亞共振的振動方法，振動時效工藝實施步驟為：振前應力測試→選擇支撐點、拾振點→主振時效共振→分頻共振→振后應力測試→效果評定。

3) 效果評定。根據2種工藝處理前后應力應力測試結果發現：①超聲沖擊可明顯降低殘余拉應力的峰值，改善應力分布狀態，1號鋼錨箱焊縫應力最大降低61.3%；②未進行超聲沖擊的測點，振動時效可明顯降低焊縫應力，1號鋼錨箱焊縫應力最大降低43.2%，應力均化效果較明顯；③經過超聲沖擊的焊縫再經振動時效工藝處理后，應力有少許降低，其降低平均幅值為14%，應力水平更趨于穩定。

6 結論

1) 整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時減小了拉索水平分力，改善了主梁受力。

2) 整體式鋼錨箱各部件平均應力水平較低，局部區域應力較高，應根據受力情況調整和優化局部構造，例如拉索錨頭錯位布置、增設定位架等。

3) 塔柱頂部人洞附近局部區域主拉應力較大，施工中應采取后壓漿等措施保證該部分混凝土密實度和平整度，防止出現應力集中現象，并加強該部位配筋設計，降低混凝土開裂的風險。

4) 采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動時效工藝”對鋼錨箱進行后處理，焊縫應力得到明顯降低和均化，取得良好的效果。

[1] 何新平.矮塔斜拉橋的設計[J]．公路交通科技,2004，21(4)：66-69.

[2] 公路斜拉橋設計細則：JTG/T D65-01-2007[S].北京：人民交通出版社,2007.

[3] 李福鼎.斜拉橋索塔分離式斜置鋼錨箱受力分析[J]．橋梁建設,2016，46(1)：88-93.

[4] 李龍輝.斜拉橋索塔整體式鋼錨箱疲勞性能研究及設計優化[D].西安：長安大學,2016.

[5] 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004.