聯塔分幅混凝土斜拉橋索塔錨固區設計

李邦映

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨徑斜拉橋索塔錨固方式目前主要有側壁錨固、鋼錨箱錨固、鋼錨梁錨固以及近年來在五河定淮大橋和蕪湖長江公路二橋上使用的回轉式鞍座錨固等形式[1]，其中，側壁錨固是直接將斜拉索錨固在混凝土索塔內壁的齒塊上，無需額外設置鋼錨箱、鋼錨梁或鞍座，當斜拉索索力不是很大，經濟性要求高或降低運營養護難度且施工進度允許時，具有較大的優勢。為抵抗斜拉索索力，克服塔壁拉應力，索塔錨固區需設置強大的環向預應力，在索力和預應力的共同作用下受力復雜，是保證橋梁安全和正常使用的關鍵部位，也是橋梁設計的重點和難點。

本文以G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋為例，介紹索塔錨固區環向預應力設計情況，供類似工程參考。

1 工程概況

G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋采用跨徑組合為(165+83+40)m的聯塔分幅混凝土獨塔不對稱斜拉橋，塔梁固結體系。

主梁采用分幅式斷面，單幅全寬26.35 m，梁高2.6 m，標準段采用雙邊箱梁斷面，邊跨現澆段因配重采用單箱四室斷面。

如圖1所示，主塔采用簡潔的三柱式聯體寶鼎形塔，C50混凝土，塔柱豎直，塔柱總高98.824 m，邊、中塔肢的上塔柱高分別為77.5 m和78.0 m。錨固區塔柱采用矩形截面，順橋向寬6.5 m，邊、中塔肢壁厚分別為0.7 m和1.0 m；橫橋向，邊、中塔肢寬分別為5.0 m和6.0 m，壁厚均為1.2 m。錨固區施加環向預應力，環向預應力采用標準強度1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm的低松弛鋼絞線。

圖1 索塔構造圖(單位：cm)

斜拉索橫橋向按照四索面扇形布置，單幅主梁邊、中跨各19對，沿塔柱中心線的豎向標準間距均為2.0 m，通過混凝土齒塊錨固在塔柱內壁上。

2 索塔錨固區設計方法

為抵抗斜拉索的索力，克服塔壁拉應力，側壁錨固時需要在索塔錨固區內施加較為強大的環向預應力，過去一般采用井字形直線束，多用精軋螺紋鋼筋，由于存在較大的預應力損失以及塑料波紋管和真空壓漿技術的發展，現多采用大噸位小半徑的U形鋼絞線束，為受力合理和節約造價可采用直線束和U形束兼而有之的混合布置方式。

索塔錨固區環向預應力如何設計，尚無統一的方法和判斷準則，目前主要有以下方法：

(1)空間有限元法。索塔錨固區作為受力復雜區域，利用有限元軟件建立局部實體模型[2]，盡可能模擬真實的荷載和邊界條件，能夠直接獲得結構的應力狀態，是目前廣泛采用并行之有效的數值分析方法，也是規范[1]建議的首選方法，但該方法無法直接指導配筋，且對分析人員的理論和經驗要求均較高，目前也沒有統一的標準，不同的人可能得出不同的結果。

(2)平面框架法。這是為便于工程師掌握運用而提出的一種簡化平面桿系計算方法，取塔高方向一定高度的塔柱標準節段建立平面框架模型[3,4]，從而可以按照常規方法進行配筋和驗算，有項目結合具體橋塔特點將塔壁進一步簡化為簡支梁進行分析[5]。該方法簡單易行，但由于索塔錨固區并不符合平截面假定，簡化依據目前尚不充分，計算高度等參數選擇比較隨意，計算結果可靠性存疑，尚未得到規范認可，可作為一個輔助設計手段。

(3)拉壓桿模型分析法[6,7]。索塔錨固區作為典型的應力擾動區，可以將斜拉索索力分解為豎向力和水平力采用拉壓桿模型分別進行配筋驗算。該方法建立在反映混凝土結構內部傳力機制的桁架模型基礎上的合理簡化計算方法，但需要通過荷載路徑法、應力跡線法、力流線法等方法構建拉壓桿模型，過程較為復雜且有一定困難，對分析人員的理論和經驗要求較高，且同樣難以反映錨固區的實際應力分布，應用難度較大。

(4)模型試驗法[3]。對于索力大的重要大型橋梁，除了采用空間有限元法進行計算外，往往需要委托專業科研機構進行試驗驗證，花費大、周期長，且難以指導設計配筋，一般項目上采用的可能性比較小。

平面框架法、拉壓桿模型分析法由于無法反映錨固區的實際應力分布，通常作為輔助方法對錨固區初步配筋，再建立空間有限元局部模型進行復核和優化。

G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋索塔錨固區分為邊、中塔肢，考慮到受力差異、節約造價和方便設計，按照索力大小將索塔錨固區分為兩段進行環向預應力的配置，按照經驗初步配筋后，直接采用空間有限元法建立實體模型進行應力分析和設計優化。

3 分析模型

3.1 模型的建立

以最大索力處索塔錨固區為例，為降低邊界條件的影響，根據圣維南原理，取塔冠以下4對斜拉索范圍的塔柱節段建立有限元模型，節段長度為10.5 m。有限元分析軟件采用MIDAS FEA 3.7.0，為利用軟件本身獨特的植入式鋼筋單元，塔柱和齒塊采用四節點四面體實體單元、自由網格劃分，錨固區混凝土網格適當加密，其余部分網格劃分較粗；環向預應力采用二節點植入式鋼筋單元模擬；為便于施加索力，建立了錨墊板單元。約束模型底部節點位移形成邊界條件。混凝土及鋼絞線材料特性取值詳見規范[8]，邊、中塔肢索塔錨固區有限元模型見圖2。

圖2 索塔錨固區有限元模型(僅示1/4部分)

3.2 索力和預應力

邊、中塔肢塔頂4對斜拉索的計算索力見表1。

表1 斜拉索索力(單位：kN)

環向預應力采用植入式鋼筋單元模擬，設計張拉控制應力為1395MPa，U形預應力采用兩端張拉，短直束采用單端張拉。由于小半徑曲線束的預應力損失目前尚無可靠的計算方法，設計階段也暫無實測數據，根據相關文獻[9,10]的試驗及分析結果，U形預應力和短直束預應力損失均按照30%計。

3.3 計算工況

由于先施工塔柱、張拉環向預應力束，再張拉斜拉索，為考察索塔施工過程中的應力狀態并評價其安全性，計算中分別考慮了施工階段張拉環向預應力束和運營階段斜拉索索力與環向預應力束共同作用兩種工況。

以下僅給出運營階段最大索力時的邊、中塔肢索塔錨固區計算結果。

4 計算結果

4.1 邊塔肢索塔錨固區

(1)正應力。塔柱側壁正截面抗裂主要關注模型順橋向應力，如圖3(a)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，邊塔肢塔柱側壁內側的最小正應力為-1.00 MPa，側壁外側的最小正應力為-1.70 MPa，塔柱側壁處于受壓狀態。

塔柱前壁正截面抗裂主要關注模型橫橋向應力，如圖3(b)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，塔柱前壁外側的最小正應力為-2.57 MPa，前壁內側的最小正應力為-4.46 MPa，塔柱前壁處于受壓狀態。

邊塔肢索塔錨固區正截面抗裂滿足設計要求。

圖3 邊塔肢索塔錨固區正應力云圖

(2)主應力。如圖4所示，邊塔肢索塔錨固區主拉應力超過0.5倍C50混凝土軸心抗拉強度標準值即1.325 MPa的區域主要集中在模型底部邊界、環向預應力張拉端以及齒塊附近，其中前兩處是由于邊界約束而導致的應力失真，而齒塊附近出現應力集中主要是由于強大索力導致的齒根受拉效應和錨后牽拉效應，普遍出現但范圍較小，因此，邊塔肢索塔錨固區主拉應力總體上滿足抗裂要求，但應加強齒塊齒根和錨后塔壁的局部配筋，降低局部開裂的可能性或限制裂縫寬度。

圖4 邊塔肢索塔錨固區主拉應力云圖

4.2 中塔肢索塔錨固區

(1)正應力。如圖5(a)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，中塔肢塔柱側壁內側的最小正應力為-0.99 MPa，側壁外側的最小正應力為-2.46 MPa，塔柱側壁處于受壓狀態；如圖5(b)所示，塔柱前壁外側的最小正應力為-0.63 MPa，前壁內側的最小正應力為-6.05 MPa，塔柱前壁基本處于受壓狀態，因此，中塔肢索塔錨固區正截面抗裂滿足要求。

圖5 中塔肢索塔錨固區正應力云圖

(2)主應力。如圖6所示，中塔肢索塔錨固區主拉應力超過1.325MPa的分布區域與邊塔肢基本一致，數值上略大，因此，中塔肢索塔錨固區主拉應力基本滿足抗裂要求，但需加強齒塊齒根和錨后塔壁的局部配筋。

圖6 中塔肢索塔錨固區主拉應力云圖

5 結束語

如前所述，索塔錨固區受力復雜，環向預應力設計目前主要還是利用空間有限元法，平面框架法和拉壓桿模型分析法目前通常作為初步配筋的輔助手段。

通過空間有限元法進行局部分析，渦河特大橋索塔錨固區總體能夠達到部分預應力構件的要求，環向預應力設計基本合理。需注意，由于設計階段無實測數據，環向預應力損失為估計值，待施工時獲得實測數據后需進行驗證分析。