索塔錨固區(qū)受力性能分析

蘇祥亞，徐 召，趙洪蛟，管錫琨

（1.山東魯橋建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

1 概述

齊河黃河公路大橋主橋跨徑布置為40 m +175 m +410 m +175 m +40 m，采用雙塔鋼混組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，索塔為H 型雙柱結(jié)構(gòu)，索塔錨固區(qū)采用鋼錨梁錨固方式。

2 索塔錨固方案

斜拉橋是一種主梁、索塔及斜拉索協(xié)作承重受力的橋梁結(jié)構(gòu)，斜拉索通過(guò)索塔錨固結(jié)構(gòu)將巨大的拉索索力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面。斜拉索在索塔上的主流錨固方式主要有三種：索塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式、鋼錨箱錨固形式、鋼錨梁錨固形式。

2.1 環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方案

環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式后期維護(hù)工作量小，但全部工序需要現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)，精度和質(zhì)量控制較難；且預(yù)應(yīng)力束的彎曲半徑較小，預(yù)應(yīng)力損失大，施工質(zhì)量要求較高。

2.2 鋼錨箱錨固方案

鋼錨箱錨固構(gòu)造源于法國(guó)的諾曼底大橋，鋼錨箱在工廠預(yù)制完成，容易控制錨固點(diǎn)的位置和角度；缺點(diǎn)是對(duì)吊裝能力有一定要求，水平力由塔壁和鋼錨箱共同承擔(dān)，塔壁分擔(dān)了不小的水平力，足以使混凝土開(kāi)裂。

2.3 鋼錨梁錨固方案

鋼錨梁錨固構(gòu)造源于加拿大的安娜西斯橋，主要優(yōu)點(diǎn)是受力機(jī)理明確，混凝土塔壁拉應(yīng)力很小。傳統(tǒng)鋼錨梁的牛腿均采用混凝土結(jié)構(gòu)，牛腿和塔柱混凝土一起澆注，由于混凝土牛腿的存在，內(nèi)壁不能采用滑模施工，上塔柱施工工效很低，同時(shí)混凝土牛腿存在主拉應(yīng)力大、易開(kāi)裂等問(wèn)題。若采用鋼牛腿，則用鋼量較大，經(jīng)濟(jì)性降低。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工、造價(jià)等因素，齊河黃河公路大橋索塔采用鋼錨梁錨固方案。

3 鋼錨梁錨固方案構(gòu)造特點(diǎn)及受力特性

3.1 鋼錨梁錨固方案構(gòu)造特點(diǎn)

鋼錨梁本身是一個(gè)獨(dú)立且穩(wěn)定的受力構(gòu)件，斜拉索錨固在鋼錨梁上，鋼錨梁支承在鋼牛腿上。鋼牛腿與塔柱內(nèi)壁預(yù)埋鋼板焊接，預(yù)埋鋼板通過(guò)剪力釘與塔柱連接。斜拉索張拉時(shí)，鋼牛腿與鋼錨梁之間的螺栓處于放松狀態(tài)，可以沿順橋向有一定位移；斜拉索張拉到位后，擰緊螺栓，將鋼牛腿與鋼錨梁鎖死。

鋼錨梁為箱形結(jié)構(gòu)，由錨墊板、支承板、加勁板、側(cè)拉板、頂板、底板、橫隔板等組成。

3.2 鋼錨梁錨固方案受力特性

斜拉索張拉過(guò)程中，鋼錨梁的錨墊板直接承受斜拉索錨頭傳來(lái)的索力。斜拉索索力豎向分力作用于鋼錨梁錨墊板后，經(jīng)由側(cè)拉板傳遞到鋼牛腿上，鋼牛腿受到的豎向力以剪力的形式直接傳遞給塔壁鋼板，塔壁鋼板自身承擔(dān)一部分豎向力后，將一部分豎向力通過(guò)其上的剪力釘作用于混凝土錨固壁上。斜拉索索力水平分力作用于鋼錨梁錨墊板后，一部分水平分力為鋼錨梁自平衡水平分力，這部分水平分力由鋼錨梁側(cè)拉板、頂板及底板共同承擔(dān)；另一部分水平分力為不平衡水平分力，這部分水平分力通過(guò)限位裝置和鋼牛腿傳遞給混凝土塔壁鋼板。

4 鋼錨梁錨固方案設(shè)計(jì)

4.1 鋼錨梁錨固結(jié)構(gòu)形式的選擇

鋼錨梁是近幾年大跨徑斜拉橋較為常見(jiàn)的索塔錨固方式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)兩種方案鋼錨梁錨固形式進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖1。

圖1 鋼錨梁錨固方案設(shè)計(jì)

有限元數(shù)值模擬分析過(guò)程中，分別計(jì)算同一對(duì)斜拉索下的兩種鋼錨梁錨固方案。有限元模型中，鋼錨梁和鋼牛腿各個(gè)板件的鋼板厚度均取值相同，計(jì)算見(jiàn)圖2。

圖2 鋼錨梁錨固方案應(yīng)力云圖/Pa

結(jié)果表明：（1）兩種鋼錨梁錨固方案下的各鋼構(gòu)件受力均能滿足規(guī)范［6］要求；（2）鋼錨梁錨固方案1 中，錨墊板及錨下支承板應(yīng)力較大；（3）鋼錨梁錨固方案2 中，斜拉索索力通過(guò)錨墊板和錨下支承板能較好地傳遞給側(cè)拉板。此外，鋼錨梁錨固方案2用鋼量較小，經(jīng)濟(jì)性更好，因此，選定鋼錨梁錨固方案2 為最終索塔錨固方案。

4.2 鋼錨梁、鋼牛腿構(gòu)造

全橋共有64 對(duì)拉索，并錨固于上塔柱內(nèi)的64個(gè)鋼錨梁上。鋼錨梁長(zhǎng)5.5 m，除端頭錨索區(qū)外，高0.55 m。鋼錨梁梁端距塔壁10 cm，并在鋼錨梁梁端頂部設(shè)有限位鋼板，且鋼錨梁每端在縱向設(shè)有8 mm的自由活動(dòng)量以適應(yīng)自身的彈性變形。錨墊板為主要承壓構(gòu)件，其厚度為60 mm。側(cè)拉板是主要承拉構(gòu)件，其板厚為36 mm 和40 mm。為增加鋼錨梁鋼板的穩(wěn)定性，側(cè)拉板外側(cè)焊有厚度為20 ～30 mm 的豎向加勁肋，且在側(cè)拉板中間設(shè)置七道橫隔板，板厚為20 ～30 mm。

鋼牛腿寬為753 ～882 cm，高為70 cm，鋼牛腿頂面座板厚30 mm，鋼牛腿豎向支承板厚36 mm 和40 mm，鋼牛腿加勁肋和橫隔板厚20 mm，上設(shè)聚四氟乙烯板，鋼錨梁支承在聚四氟乙烯板上。

4.3 鋼錨梁計(jì)算

選取承受最大斜拉索索力的鋼錨梁、鋼牛腿進(jìn)行計(jì)算分析，采用有限元軟件建立局部模型。有限元計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 鋼錨梁、鋼牛腿應(yīng)力云圖/Pa

鋼錨梁、鋼牛腿有限元分析結(jié)果表明：（1）邊界條件約束位置以及錨下支承板與側(cè)拉板連接角點(diǎn)位置均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但此區(qū)域的范圍均較小，應(yīng)力衰減幅度較快，且應(yīng)力未出現(xiàn)向周圍區(qū)域擴(kuò)散的現(xiàn)象，故不予考慮。（2）鋼錨梁各板件受力均滿足規(guī)范［6］要求。錨墊板、錨下支承板以及側(cè)拉板應(yīng)力水平相對(duì)較高。側(cè)拉板中間部分以及鋼錨梁頂、底板、橫隔板、加勁肋應(yīng)力水平相對(duì)較低。（3）鋼牛腿各板件受力均滿足規(guī)范［6］要求。鋼牛腿各板件應(yīng)力水平相對(duì)較低。

5 結(jié)語(yǔ)

齊河黃河公路大橋斜拉索在塔端采用鋼錨梁錨固型式，設(shè)計(jì)中通過(guò)計(jì)算分析比選，確定了窄距鋼錨梁方案，既降低了錨下應(yīng)力，又提高了鋼錨梁的經(jīng)濟(jì)性。