大跨径斜拉桥索塔锚固方式介绍

2013-06-29熊军

城市道桥与防洪 2013年2期

熊军

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 前言

现代斜拉桥工程发展迅速，跨径不断增大，同时斜拉索的设计吨位也不断提高，已达“千吨”级的水平。斜拉桥索塔是以受压为主的压弯构件，索塔锚固区通常设计为混凝土空心薄壁结构，能充分发挥混凝土材料抗压强度高的特点。强大的斜拉索力通过锚固区安全、均匀地传递到塔柱中，由于索力较大，锚固点相对集中，该区域受力状态十分复杂，是控制设计的关键部位。

众所周知，混凝土的抗拉性能较差，斜拉索的水平分力作用在混凝土塔柱内壁时会产生很大的局部弯矩和剪力，甚至会在塔柱的各个面上产生竖向裂缝，严重损伤斜拉桥的安全度和耐久性。近年来，实际工程中应用较多且行之有效的索塔锚固方式有环向预应力、钢锚梁和钢锚箱三大类。本文将对三类锚固方式的构造形式、工作机理和优缺点进行详细介绍，为大跨径斜拉桥的设计工作提供借鉴和参考。

1 环向预应力

环向预应力锚固方式已在南京长江二桥、润扬长江公路大桥和军山长江大桥等多座大跨径斜拉桥中得到应用，本锚固方式中斜拉索直接锚固在空心塔壁上，在强大的水平分力作用下，索塔侧壁将产生很大的拉应力，锚固面上会有弯曲应力，受力状态十分复杂。为保证塔柱的承载能力和抗裂安全性，需要在锚固区设置环向平面预应力以平衡塔壁上的拉应力。索塔锚固区环向预应力可按井字形或环形布置，其中井字形布置一般采用预应力高强钢筋，环形布置则采用预应力钢绞线，构造形式见图1。

图1 环向预应力

早期的环向预应力多采用井字形布置，使用预应力高强钢筋。但塔柱尺寸较小，预应力束的长度较短，由回缩和锚具变形引起的预应力损失很大，因而预应力筋用量较多。通常情况下该区域拉索导管布置较密，使得构造钢筋配置较多，客观上增加了施工难度。

近年来，塑料波纹管和真空压浆技术得到了很大的发展，给大吨位小半径U形预应力束的应用提供了有利条件。与“井”形直线预应力束相比，“U”形环向预应力较为经济合理，因为它长度较长，锚下回缩损失相对较小，不仅可大大减少预应力筋的用量，提高材料利用率，同时可减少张拉和灌浆等高空作业的工作量，因此近年来得到了较为广泛的应用。据相关研究，U型索开口在截面长边方向比开口在短边方向的预应力效果高8%～14%[1]，所以实际工程中多选择U型索锚固在截面长边方向。当然，“U”形环向预应力也有其自身的缺点，由于弯道和钢铰线之间的相互嵌挤等因素，每束钢铰线中的单根钢铰线伸长量和受力并不均匀，实际工程中应控制每束钢绞线的根数并适当降低其张拉控制应力，这是保证环向预应力质量的一个难点。

与钢锚梁、钢锚箱相比，环向预应力具有构造简单造价低，后期维护工作量小等优点。但也有施工质量和精度很难控制的缺点，主要是因为环向预应力锚固方式的全部工序需要现场高空作业，锚垫板的角度及预应力管道定位控制较难，还需要多次张拉预应力，高空浇筑混凝土锚固构造也有一定难度，并且施工完成后不可检查和更换。

2 钢锚梁

钢锚梁锚固方式源于加拿大的安娜西斯（Annacis）桥，也被我国的南浦大桥、灌河大桥、金塘大桥等多座桥梁采用，见图2。钢锚梁是独立的拉索锚固构件，支撑于塔柱内侧牛腿上，由钢锚梁自身平衡两侧拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通过钢锚梁支座摩阻力和水平限位装置传递至塔壁，拉索的竖向分力由塔柱内侧牛腿传至塔柱。由于钢锚梁平衡了拉索水平分力，使得塔壁混凝土没有拉应力，混凝土塔壁不会开裂，因而塔柱受力比环向预应力好。

图2 钢锚梁

钢锚梁通常用于平面索面布置，由于拉索完全位于同一平面内，无横向分力，钢锚梁不会侧倾，不用横向限位装置。另外，传统钢锚梁的牛腿均采用混凝土结构，和塔柱混凝土一起浇注，工程实践中存在上塔柱施工效率低、钢锚梁吊装困难、混凝土牛腿易开裂等问题。针对传统钢锚梁的上述局限性，我国桥梁设计人员大胆创新，在金塘大桥中设计出了能够锚固空间索面斜拉索的钢锚梁，并首次使用钢牛腿来传递钢锚梁的受力，见图3。

图3 金塘大桥钢锚梁和钢牛腿

金塘大桥采用钻石形塔，拉索为空间索面，常规的钢锚梁已不适用，因而提出了能够锚固空间索面斜拉索的钢锚梁和钢牛腿结构。每对斜拉索面内的平衡水平分力由钢锚梁承受，部分不平衡水平分力通过梁端限位装置传递到预埋钢板，由索塔承受；竖向分力通过牛腿传到塔身后，全部由索塔承受；空间索在面外的水平分力由钢锚梁自身平衡。钢牛腿取代混凝土牛腿后，与塔柱相连的钢壁板可作为混凝土施工时的模板，所以上塔柱内壁可以方便地利用滑模施工，施工速度得以大幅度地提高。另外，钢锚梁和钢牛腿施工时通常是采用整体吊装，因此牛腿顶面的高程精度、平面精度也比混凝土牛腿更容易控制[2]。目前，钢牛腿方案已在荆岳长江公路大桥和九江大桥上得到了推广使用。

钢锚梁锚固构造受力机理明确，混凝土塔壁拉应力小。与环向预应力相比，钢锚梁在工厂预制，现场安装，可以精确定位锚垫板位置和角度，并且可以定期检查、维修、养护和更换。和钢锚箱比较，钢锚梁用钢量低，对起吊设备的要求不高，后期养护难度也小，因而比较经济。钢锚梁的主要缺点是对塔柱内部空间有一定要求，安装和换索都不方便，并且一般不用于空间索面斜拉桥。

3 钢锚箱

钢锚箱是一种新型索塔锚固结构，最早应用于法国的诺曼底大桥。由于具有受力方式明确、锚固点定位准确、施工方便等优点，目前已在大跨度斜拉桥中广泛使用，苏通大桥、昂船洲大桥和杭州湾跨海大桥等均采用这种索塔锚固方式。钢锚箱有内置式和外露式两种，见图4、图5。

图4 内置式钢锚箱

图5 外露式钢锚箱

钢锚箱的工作机理很明确，斜拉索的拉力首先传到钢锚箱上，顺桥方向的水平分力可以被钢侧板承担相当大的一部分，其余没有被钢侧板承担的水平分力由钢锚箱传到混凝土塔壁上；斜拉索力的竖向分力传给混凝土索塔，由混凝土承担。钢锚箱中钢材承受了较大的拉力，混凝土承受了较大的压力和较少的拉力，充分发挥了钢材抗拉强度高和混凝土能承受较大压应力的优点，克服了钢材承受较大压应力容易失稳和混凝土承受较大拉应力容易开裂的缺点。

内置式钢锚箱中，斜拉索的竖向分力由焊接在锚箱两端竖向钢板的剪力钉承受，与钢锚箱相连的混凝土索塔内壁直接承受钢锚箱传来的斜拉索部分水平分力。塔壁中可设置普通钢筋控制强度及裂缝宽度，或施加预应力限制开裂。外露式钢锚箱中，焊接在锚箱侧板上的剪力钉既要传递索塔和钢锚箱之间沿索塔高度方向的剪力，还要传递索塔和钢锚箱之间沿顺桥向的剪力。为保证外露式钢锚箱侧板和混凝土塔壁的抗剪效果及抵抗索塔的拉应力，还必须在塔壁施加预应力。预应力成为结构成立不可缺少的主要因素，而且预应力度要求比较高[3]。

锚固区的承载力通常是足够的，即使混凝土塔柱不参与受力，钢锚箱自身也可以承受斜拉索的全部水平分力。但无论是内置式或外露式的钢锚箱，由于塔壁分担了不小的水平力，混凝土应力较大，很容易开裂，会影响到结构的耐久性，需要采取一定的措施进行改善。

钢锚箱采用工厂化制造，质量有保证，容易控制锚固点的位置和角度，施工方便，受力较为可靠。此外，还有易于检测维护、便于换索等优点，具有广泛的应用前景。但也有用钢量大、成本高、对吊装能力和安装精度要求较高的缺点，并且锚固区混凝土易开裂，应用于海洋环境等对结构耐久性要求高的地区时有一定的局限性。