斜拉橋空間索面拉索錨點定位及索塔錨固區受力分析

何靜科

摘要：斜拉橋拉索空間索面較平面索面，增加了多維度上的旋扭，在豎向垂度的疊加影響下，拉索線型更加復雜，拉索錨固點的精確定位往往十分困難，錨固區的受力模式也變得更加復雜。本文結合工程實踐，針對空間索面斜拉橋錨點定位及索塔錨固區受力進行了分析研究，給出了一種錨點精確定位的求解思路，并結合幾種常見的索塔錨固區形式進行了實體建模分析，對相關構造提出了合理化的建議。

關鍵詞：空間索面;錨點定位;受力分析

1 引言

隨著近年來國民經濟的飛速發展，交通基礎設施大規模建設，國內已建成多座大跨度的跨海、跨長江、跨黃河的特大橋。斜拉橋因其跨越能力和優美造型的優勢，成為近年來在中等跨度橋梁中應用最普遍的橋型。其中空間索面斜拉橋由于在景觀方面的突出優勢受到了諸多設計者的青睞。但是由于空間索面斜拉橋相較于平面索面，增加了多維度上的旋扭，在豎向垂度的疊加影響下，拉索線型更加復雜多變。索塔錨固區的構造、受力與拉索線型緊密相關。

索塔錨固區作為拉索與橋塔的連接的重要部位，負責將拉索所承擔的拉力安全、均勻地傳遞到塔柱，是關系到整個橋梁結構安全性的關鍵區域。出于受力方面的考慮，拉索往往與錨固區呈垂直角度，空間索面使得錨固區構造和受力模式更加復雜多變。錨點的精確定位以及索塔錨固區的受力分析是整個設計過程中的重點和難點。本文以山西某項目，跨丹河特大橋工程為依托，主要針對以下內容進行了研究。

1.通過工程案例，分析了空間索面斜拉橋在錨點定位遇到的困難，并提出了一種基于迭代原理的精確定位求解方式。

2.分析了幾種常見的索塔錨固區結構形式，結合有限元模擬分析的結果，優化了錨固區構造，對結構形式的選擇提出了合理化的建議，對相關的工程實踐具有一定的參考價值。

2 簡介

2.1 工程概況

主橋跨徑布置為（130+130）m，全長260m，為獨塔雙索面組合梁斜拉橋。結構體系為半漂浮體系，采用支架拼裝施工。橋塔全高94.5m，塔身采用混凝土結構，索塔采用“水滴”型造型，美觀大方，與周圍環境融為一體。全橋設置44根斜拉索，斜拉索采用環氧噴涂平行鋼絲索體。

2.2 錨固區構造

本橋塔柱為空心箱型斷面，橫橋向尺寸為3.5m，順橋向尺寸為6m，壁厚80～200cm，索與主塔的錨固采用混凝土牛腿結構形式，拉索錨固在混凝土索塔內壁的齒板上。

斜拉索在鋼梁上的錨固采用了錨拉板結構形式。錨拉板焊接于邊主梁上翼緣板頂面，并與邊主梁腹板對應。錨管嵌于錨拉板上部的中間，錨管兩側通過焊縫與錨拉板互相連接，下部直接焊在橋面板上，中部除了要開孔安裝錨具外，尚需連接上下兩部分。為了補償開孔部分對錨拉板截面的削弱，以及增強其橫向的剛度和保證錨拉板橫向傾角的準確，在錨拉板的兩側焊接加勁板并和橋面板焊連。同時在加勁板對應位置，邊主梁腹板設置豎向加勁肋。

3 錨固點定位

3.1 錨固點定義

首先明確如下兩個定義：

（1）名義錨固點：如圖3.1所示，名義錨固點用于初步描述拉索的錨固位置，可以通過簡單的幾何標注來進行描述。

（2）實際錨固點：拉索的實際錨固位置。由于根據錨固系統具有一定的構造，如牛腿、鋼錨箱、錨拉板等，拉索端部的實際固定位置并非名義錨固點。而是由名義錨固點與實際錨固點的物理關系，以及拉索的空間角度計算得到。

如圖3.2-a所示，由于規定了拉索與牛腿的角度以及實際錨固點與塔壁的距離，當拉索的角度確定后便可以根據名義錨固點求出實際錨固點。

同理如圖3.2-b所示，由于規定了名義錨固點到實際錨固點的距離L，當拉索的角度確定后便可以根據名義錨固點求出實際錨固點。

需要注意的是，空間體系的每條拉索在三個方向的（x、y、z）的角度均在變化，且角度又受到垂度、索力等因素的影響，每個拉索的實際錨固點需要單獨計算。

3.2 斜拉索的垂度效應

斜拉橋的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下會產生一定的垂度，因此實際的索形為一條懸鏈線。拉索坐標計算以及鋼導管安裝時，必須考慮垂度引起的索兩端傾角的變化量β，否則將造成軸線偏位。

一般情況下，可按拋物線計算，即：

當索的水平投影長度很長時（L>300m），按拋物線計算會帶來一定的誤差，因而應采用更精確的懸鏈線方程求解。

3.3 實際錨固點坐標求解

由前面分析可知，求解實際錨固點坐標，應先求出拉索的空間角度，且應考慮垂度修正，但垂度修正計算又要以拉索的錨固點已知為條件，陷入死循環無法求解。為此，本文提出以下解決思路：

一、利用名義錨固點虛擬張拉拉索，以進行角度求解及垂度修正。

二、利用上一步得到的修正后的角度，結合名義錨固點與實際錨固點的物理關系，求得實際錨固點的坐標。

這樣得到的實際錨固點必然存在一定誤差，誤差產生的根源在于求解用到的索形為名義錨固點連接得到的虛擬索形，而非實際索形。對于索長較短，垂度影響不明顯的工程，忽略該誤差一般不會引起太大問題。但精確解對于提高工程控制精度，確保拉索體系的安全耐久還是十分必要的。為得到精確解，本文借鑒了數值分析中的迭代法。

三、利用第二步得到的實際錨固點坐標重新進行角度求解及垂度修正。

四、利用上一步得到的修正后的角度，重新結合名義錨固點與實際錨固點的物理關系，求得實際錨固點的坐標。

五、重復以上步驟，不斷迭代直到兩次迭代得到的實際錨固點的差值（或者是兩次迭代得到的角度差值）可以忽略不計，這樣就得到了最終的拉索角度和最終的實際錨固點坐標。

經在丹河特大橋項目中驗證，該迭代方法收斂性良好，可作為一種有效的實際錨固點坐標求解方式。

4 索塔錨固區受力分析

索塔錨固區作為大跨度斜拉橋的重要受力構件，由于其受到預應力筋的錨固力、索導管孔洞削弱作用以及斜拉索的集中拉力的共同作用，使得錨固區的應力分布十分復雜。在保證恒載、活載作用下錨固區本身合理受力的情況下，構造上還要滿足施工的要求，同時考慮方便養護和斜拉索的后期更換。

因此如何清楚認識索塔錨固區的受力性能，并合理地簡化設計，一直是一個值得研究的課題。采用空間有限元建模分析是較為常用且有效的分析手段。丹河特大橋在設計過程中先后研究了以下幾種方案，并利用Midas fea進行建模分析。

4.1 鋼錨箱

在鋼錨箱索塔錨固結構中，拉索錨固在錨固梁上，后者又焊接在鋼錨箱內，鋼錨箱通過剪力釘與混凝土索塔連接。索力通過錨固點傳遞給鋼錨箱四壁，再通過剪力釘與混凝土索塔共同作用。索力的豎向分力完全由混凝土索塔承擔，而其水平分力則可以認為作用于鋼混疊合框架結構上。為提供順橋向塔壁在水平索力下產生的拉應力，抵抗混凝土框架變形產生的應力，同時使得混凝土塔壁與鋼錨箱更好地共同作用。

可以看到，在錨固區端板這一側的錨管出塔點位置出現了較大的拉應力。側墻與承壓板附件也有輕微的應力集中。

如圖4.2所示，為減小錨管處的應力水平，取消了錨固區端板的端板。兩側斜拉索的水平分力僅由錨箱的側面拉板承受。由應力結果可以看到，端墻的應力水平降低十分明顯，但是加劇了錨箱與橋塔的結合部位尤其在承壓板附近應力集中現象。

如圖4.3所示，為解決橋塔側墻應力集中，端墻應力水平較大的問題，將鋼錨箱的側板與橋塔脫離，同時在塔壁內時間環向預應力。由應力云圖可知，前述問題得到了較好的解決。

4.2 混凝土齒塊

鋼錨箱錨固形式受力明確、傳力清晰、可以充分利用鋼材與的料性能，安全度較高，但是鋼錨箱形式構造復雜、用鋼多、造價貴，安裝需要較大的橋塔內部空間，因此在大跨度、超大跨度空間索面斜拉橋中應用較多。而對于中小跨徑常規斜拉橋，傳統的混凝土齒塊錨固形式，可滿足使用需求，且具有構造簡單、用鋼量少、造價便宜的優點。此種結構型式的斜拉索的索塔錨固端直接錨固于混凝土索塔內壁的齒板上，索力直接通過齒板傳遞給混凝土索塔。為了抵抗塔壁受到的彎矩和拉力，需要混凝塔壁中施加環向預應力，因此也被稱為環向預應力錨固。

本文選取丹河特大橋最不利位置，利用Midas fea建立局部分析模型。分析結果圖4.3～4.4所示。

可以看到，施加預應力后塔壁橫橋向，順橋向均出現了1-2Mpa的壓應力儲備，受力狀態良好。

4.3 本章小節

通過以上比較研究可知，鋼錨箱錨固形式受力明確、傳力清晰、可以充分利用鋼材與的料性能，承載能力大，可滿足大跨度、超大跨度斜拉橋的使用需求。但是鋼錨箱形式構造復雜、鋼混結合部位容易出現應力集中，應從構造上加以優化考慮。另外鋼錨箱造價高，且安裝需要較大的橋塔內部空間。環向預應力錨固方式構造簡單、用鋼量少、造價便宜，但承載能力有限。在具體工程設計時應根據橋梁跨度、工程預算、施工養護能力等具體情況，選擇合理的索塔錨固方式。

5 結論

本文以山西晉城丹河特大橋工程為依托，針對空間索面斜拉橋錨點定位及索塔錨固區受力進行了分析研究。提出的基于迭代原理的錨固點精確坐標求解方式是方便且有效的，可應用于多數工程設計實踐。針對橋塔錨固區的受力分析，借助有限元分析軟件進行了多方位的優化比較，對于相關工程在錨固形式的選擇、錨固區構造方面具有一定的參考價值。