斜拉橋索塔錨區鋼錨梁設計及分析

陳作銀

（北京國道通公路設計研究院有限公司，北京 100161 ）

引言

主塔拉索錨固是將一個斜拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要受力構造。拉索錨部分的構造與拉索的布置、拉索的根數、形狀、塔形和構造等多種因素有關，應用較多的主要有環向預應力、鋼錨箱和鋼錨梁。

環向預應力在國內應用較多，但存在預應力鋼束彎曲半徑較小，摩阻損失較難確定，計算與實際受力較為失真，施工質量難保證，橋塔混凝土易于開裂等問題，需進行橋梁的足尺模型試驗來驗證摩阻損失；且環向預應力徑向力較大，需設置較多防崩鋼筋，造成混凝土施工困難，影響施工質量。

鋼錨箱錨固系統是由鋼索塔和鋼錨梁延伸出來的一種全新斜拉索錨形式，雖然錨固牢靠，受力較好，但存在構造異常復雜，施工安裝不便及需要大型吊裝設備，經濟性較差等缺點，一般適用于較大跨徑斜拉橋。鋼錨梁為一個獨立的構件，支撐于空心塔柱的內塔壁牛腿上，在順橋向和橫橋向均設置了限位裝置。鋼錨梁構件承受拉索的水平分力和垂直分力及偏心彎矩，并通過鋼錨梁端部支撐傳至橋塔內壁牛腿上，兩側拉索的平衡力由鋼錨梁本身承擔，不平衡力則通過內塔壁牛腿傳至塔壁上，由塔壁承擔。這種構造設置形式可有效降低橋塔內壁的受力，確保主塔的長期使用性能；且鋼錨梁采用工廠化整體制作，現場吊裝，施工質量易于保證，同時橋塔鋼筋設置簡單，橋塔混凝土施工質量較高。在國內已建橋梁中（如灌河特大橋、赤石大橋、廈漳跨海大橋北汊主橋等）廣泛采用，國外關于斜拉橋索塔錨固區可供參考的文獻研究資料相對較少。

1 項目概況

某特大橋主跨為320 m，跨徑布置為37 m+103 m+320 m+103 m+37 m 雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，主梁為雙邊箱主梁，主橋結構體系為塔梁分離的半漂浮體系，塔梁之間通過支座進行銜接，斜拉橋橋型見圖1。

圖1 橋型/cm

索塔采用雙柱式變截面“H”形索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及橫梁組成，塔高為107.5 m。塔柱采用空心薄壁截面。上塔柱為斜拉索錨固區，索塔斜拉索錨固采用鋼錨梁，共設有19 對斜拉索，18 對鋼錨梁，其中第1對斜拉索直接錨固在混凝土底座上，第2 ～19 對斜拉索錨固在鋼錨梁上。同時在上塔柱錨區設置U 形預應力束對塔壁進行加強，以平衡兩側索力不平衡時作用在索塔上的水平力及增強塔壁混凝土的耐久性，錨固區域內預應力束型號為15-12，間距為60 cm。

2 鋼錨梁支撐體系分析

鋼錨梁作為斜拉索主要錨固和受力結構, 設置在上塔柱。結合以往實際工程，鋼錨梁的邊界條件根據與塔柱的結合方案，一般有三種邊界支撐方案。（1）方案一：鋼錨梁兩端滑動，鋼錨梁底板通過滑板支座與塔壁牛腿進行結合，同時在鋼錨梁兩端與塔壁間留有微小縫隙，鋼錨梁在不平衡索力作用下可發生微小位移,使不平衡索力傳遞至橋塔。該邊界方案，鋼錨梁承受全部斜拉索力水平分力，橋塔承受鋼錨梁通過牛腿傳遞的豎向力和不平衡索力。（2）方案二：鋼錨梁兩端在安裝時均與橋塔壁固結，該邊界方案，鋼錨梁與橋塔共同承受斜拉索索力。（3）方案三：鋼錨梁采用先一端固結，一端滑動，后兩端均進行固結，即鋼錨梁安裝時一端與橋塔壁固結，一端采取措施，與橋塔壁牛腿之間進行滑動，待成橋后，再對滑動端進行固結，該邊界方案，鋼錨梁先承受成橋前的斜拉索索力，成橋后，鋼錨梁與橋塔共同受力。

為驗證鋼錨梁的受力狀態，針對方案一和方案二建立簡單的有限元分析模型。（1）建立單獨的鋼錨梁模型，對鋼錨梁底板直接采用一端固定，一端滑動，斜拉索索力直接加載在錨板位置。（2）建立一段橋塔，鋼錨梁設置于塔柱內，鋼錨梁與塔柱固結，在塔柱底部進行固結。模型見圖2。兩種方案斜拉索索力加載方案一致，索力加載工況見表1，各工況下計算結果見表2。

由表2可知，鋼錨梁在兩種支撐體系方案作用下，各板件的等效應力水平較為接近，其中腹板、頂板、底板及錨下加勁板最大應力方案二略小于方案一，約為方案一的97%，最大等效應力位置均相同，位于腹板與錨墊板連接位置。

圖2 鋼錨梁計算模型

表1 索力加載工況

表2 鋼錨梁主要構件在各加載工況下應力

計算分析表明，方案一鋼錨梁承擔全部斜拉索索力，橋塔僅承擔斜拉索豎直向分力,但該方案在斜拉索施工過程中,鋼錨梁容易產生滑移,不易定位,且存在一定的施工安全風險；方案二為鋼錨梁和橋塔共同承擔斜拉索索力，鋼錨梁承擔較大部分索力水平分力，同時橋塔也承擔一部分索力水平分力。

結合方案一和方案二的特點，為最大限度發揮鋼錨梁的作用，降低橋塔應力水平，使索塔錨固區的受力更為合理,同時能有效降低施工時安全風險，對鋼錨梁支撐體系進行優化，得出了方案三。雖然該方案工序相對較為復雜，但鋼錨梁能較好地平衡斜拉索的水平分力，降低橋塔受力,且施工較為安全。

3 鋼錨梁設計與分析

3.1 方案設計

結合本項目橋梁結構的特點，鋼錨梁與橋塔的結合方式采用方案三。鋼錨梁作為斜拉索錨固結構，設置在上塔柱中。鋼錨梁兩側各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構造組成。每對斜拉索面內的平衡水平力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端底座傳遞到預埋鋼板，由塔壁承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受。鋼錨梁與牛腿的接觸面之間采用不銹鋼進行焊接，安裝斜拉索時，鋼錨梁邊跨側一端先與牛腿焊接錨固，且利用鋼墊塊將該處鋼錨梁梁端與塔壁之間填實，以防施工過程中索力偏差過大，另一端鋼錨梁發生翹起。待主梁中跨合龍，且中跨斜拉索張拉完成后再將鋼錨梁中跨側一端與牛腿進行焊接固結。鋼錨梁布置見圖3。

圖3 鋼錨梁布置/cm

3.2 邊界模擬

根據鋼錨梁與橋塔的結合特點，利用非線性及細部分析軟件Midas FEA 建立空間分析模型，其中塔柱混凝土采用實體單元，鋼錨梁鋼板采用板單元。為精確模擬兩個構件的結合特點，鋼錨梁與橋塔塔壁牛腿之間采用接觸單元，鋼錨梁固定端接觸單元靜態摩擦系數取一個較大值1 000 來模擬；滑動端牛腿預埋鋼板與鋼錨梁底板之間通過靜態摩擦系數取0.04 來模擬。

3.3 結果分析

由圖4 ～圖6 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應力為206.1 MPa，發生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應力為163.2 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應力效應整體較小，其主拉應力頂板為53.2 MPa，底板為15.9 MPa，側板下緣17.1 MPa，側板上緣52 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.11 mm,水平向0.67 mm。

圖4 工況一鋼錨梁von Mises 應力云圖/MPa

圖5 工況一鋼錨梁最大主拉應力云圖/MPa

圖6 工況一鋼錨梁最大主壓應力云圖/MPa

由圖7 ～圖9 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應力為229 MPa，發生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應力為181.4 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應力效應整體較小，其主拉應力頂板為59.2 MPa，底板為18.1 MPa，側板下緣19.6 MPa，側板上緣57.7 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.14 mm,水平向0.70 mm。

圖7 工況二鋼錨梁von Mises 應力云圖/MPa

圖8 工況二鋼錨梁最大主拉應力云圖/MPa

圖9 工況二鋼錨梁最大主壓應力云圖/MPa

由圖10 ～圖12 可以看出，鋼錨梁最大Mises 應力為246 MPa，發生在縱向腹板上緣與錨墊板銜接部位，錨后側板及加勁肋以受壓為主，錨后最大主壓應力為194.5 MPa。鋼錨梁跨中縱向腹板、頂板、底板全斷面受拉，但應力效應整體較小，其主拉應力頂板為60.7 MPa，底板為18.4 MPa，側板下緣20.1 MPa，側板上緣59.3 MPa。鋼錨梁跨中位移豎向0.155 mm,水平向1.70 mm。

圖10 工況三鋼錨梁von Mises 應力云圖/MPa

圖11 工況三鋼錨梁 最大主拉應力云圖/MPa

圖12 工況三鋼錨梁最大主壓應力云圖/MPa

由計算結果分析可以看出，鋼錨梁邊界體系采用方案三計算出的鋼錨梁有效應力值介于方案一和方案二之間，較為接近于方案二的值，且總體相差值均較小，說明鋼錨梁滑動端與橋塔壁牛腿界面摩擦接觸系數起到一定的作用。因此，在實際施工操作過程中，可采用在鋼錨梁承壓底板與橋塔壁牛腿界面涂抹硅脂等潤滑措施，降低鋼錨梁滑動端與橋塔壁牛腿界面摩擦系數，更好地發揮鋼錨梁的斜拉索索力平衡作用。

4 結語

鋼錨梁作為索塔錨固區斜拉索主要受力平衡構件，承擔了絕大部分索力水平分力。鋼錨梁采用一端固定、一端臨時滑動，有效降低了橋塔本身的應力水平，僅通過設置較少的預應力，即可使橋塔錨固區全斷面處于受壓狀態，較好地解決了傳統預應力結構橋塔開裂問題。同時由于鋼錨梁采用工廠整體制作，既保證了施工質量，又便于安裝及施工控制，也可有效降低橋塔的施工周期。對于中等跨徑斜拉橋，索塔錨固區采用鋼錨梁作為主要受力構件相對傳統預應力混凝土結構是一個較好的選擇。