空间索面斜拉桥索塔锚固方案研究

延力强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

本桥为某在建独塔双索面公铁两用斜拉桥，桥跨布置为(35+260+51.5+66.0+62.5)m，桥面宽46 m，公路铁路同桥面布置。桥梁结构采用钢箱－混凝土混合梁，墩-塔-梁固结。主跨采用分离式流线形扁平钢箱梁，分离钢箱之间由密布工字形横梁连接，横梁上设置正交异性桥面板;边跨采用分离式预应力混凝土箱形梁，箱体之间由密布预应力混凝土横梁连接。钢箱梁和混凝土箱梁结合段设在主跨，距主塔中心15 m处。

索塔横桥向采用A字形混凝土塔，桥面以上塔高125 m，桥面以下塔高20.0 m。下塔柱采用实心矩形截面，横向分成双塔柱，单个塔柱宽由2.7 m渐变为4.6 m，纵桥向长度由12.0 m渐变为13.0 m;中塔柱采用空心矩形截面，横向双塔柱，在约离桥面42.0 m高处交汇于一处，交汇处横梁高3.0 m;上塔柱采用空心矩形截面。

斜拉索采用高强低松弛镀锌钢丝，PE挤压护套平行钢丝束，钢丝强度1 670 MPa，斜拉索最大设计索力达到6 500 kN。主跨拉索锚固间距主跨为9.0 m，边跨为6.0 m，主塔上锚固间距为2.0 m。全桥共50对拉索。

2 结构方案比选

斜拉桥索塔的拉索锚固部位，是一个将拉索的局部集中力分散到全截面，并且安全、均匀地传递到锚固区以下塔柱的受力构造，因此索塔锚固区是斜拉桥设计的重点。

为了提高结构的抗风性能，很多大跨径斜拉桥采用空间索面的布置形式，针对这种形式常用的锚固方案有以下3种:(1)异型钢锚梁，将锚固钢锚梁置于混凝土塔壁的钢牛腿上，拉索锚固于锚横梁的两端，如图1～图2所示;(2)钢锚箱，钢锚箱通过连接件与混凝土索塔连接，斜拉索锚固在钢锚箱上，如图3～图4所示;(3)齿块锚固，将斜拉索锚固于混凝土索塔内侧的齿块上，在索塔锚固区的四壁布设环向预应力。

图1 异型钢锚梁立面

钢锚梁方案受力机理比较明确，斜拉索的水平分力由钢锚梁承受，混凝土塔壁所受拉应力较小，但是它对塔柱内部空间有一定的要求，安装和换索都不方便，需要配置少量环向预应力作为安全储备，在施工上要求有足够的吊装能力。

图2 异型钢锚梁平面

图3 钢锚箱立面

图4 钢锚箱平面

钢锚箱方案，斜拉索顺桥方向的水平分力可以被钢锚箱两侧的联系钢板承担相当大的一部分，其余没有承担的水平分力由钢锚箱传到混凝土塔壁上;竖向分力则传给混凝土索塔，由混凝土承担。但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，另外用钢量大，成本高，对吊装能力和安装精度要求较高。

与钢锚梁、钢锚箱相比，齿块锚固具有构造简单、造价低、后期维护工作量小等优点。但也存在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。

本文针对具体工程的特点，综合考虑安全、经济、施工和后期养护等诸多因素，拟采用齿块锚固方案。对于齿块锚固方案，由于斜拉索索力直接作用在塔壁上，索塔前壁外缘形成了较大的拉应力，因此索塔锚固区需要布设预应力束抵抗这一拉应力。塔壁预应力锚固又分为3种形式:U形+短直预应力钢束锚固;精轧螺纹钢筋锚固;短直预应力钢束锚固。主要针对这3种锚固形式进行了分析、研究，以确定索塔锚固区最合理的预应力布置形式。

2.1 U形+短直预应力钢束锚固方案

本方案如图5～图9所示，同一层环向预应力钢束外侧、内侧分别采用15－7φ5、12－7φ5预应力钢绞线，短直预应力钢束采用12－7φ5预应力钢绞线。相同方向环向预应力钢束竖向间距为40 cm，短直预应力钢束竖向间距为63～202 cm。U形预应力钢束、短直预应力钢束采用塑料波纹管，钢束与管道的摩擦系数分别采用0.2、0.17，预应力钢束管道每米局部偏差影响系数为0.001 5。

图5 立面布置

图6 侧面布置

图7 叠加布置示意(一)(单位:cm)

图8 单层布置(单位:cm)

图9 非锚固壁短直束单层布置(单位:cm)

图10 立面布置(二)

图11 侧面布置(二)

图12 钢束叠加布置示意(二)(单位:cm)

图13 立面布置(三)(单位:cm)

2.2 精轧螺纹钢筋锚固方案

本方案如图10～图12所示，本方案采用JL32 mm预应力高强精轧螺纹粗钢筋，fpk=785 MPa，弹性模量Es=2.0×105MPa。索塔的两侧锚固壁各布置3列精轧螺纹钢筋，两侧非锚固壁各布置2列精轧螺纹钢筋，同方向精轧螺纹钢筋间的间距为15 cm。

图14 侧面布置(三)(单位:cm)

图15 钢束叠加布置示意(三)(单位:cm)

2.3 短直预应力钢束方案

本方案如图13～图15所示，本方案预应力钢束均采用15－7φ5预应力钢绞线。索塔的两侧锚固壁各布置3列精轧螺纹钢筋，两侧非锚固壁各布置2列精轧螺纹钢筋，同方向精轧螺纹钢筋间的间距为40 cm。短直预应力钢束采用金属波纹管，钢束与管道的摩擦系数为0.26，预应力钢束管道每米局部偏差影响系数为0.003。

3 索塔空间有限元模型

3.1 模型的建立

本文选取最不利索力所对应塔段的4个节段进行计算分析，计算节段包含4对斜拉索，取顶部的2对索进行分析研究。顶部截面非锚固壁长6.965 m，横向长5.234 m，底部截面非锚固壁长7.527 m，横向长6.308 m，高度13 m。塔的顶部为厚80 cm的实体段，内设150 cm×150 cm的过人孔。塔的锚固壁厚度为150～158.7 cm，非锚固壁厚度为80 cm。

采用Midas FEA软件建立实体单元局部分析模型，斜拉索锚固位置等关心位置单元尺寸为10 cm，其余部位单元尺寸为30 cm，模型共划分258 030个单元，71 011个节点。有限元计算模型如图16所示。

图16 上塔段上部局部分析模型

边界条件:塔段底部固结。

主要考虑荷载工况:工况1 预应力+自重;工况2 预应力+自重+索力。

其中索力是由整体计算模型中主+附加力工况下提取而来。斜拉索编号由下至上主跨侧分别为P23～P26，边跨侧C23～C26。斜拉索情况如表1所示。

表1 斜拉索参数

预应力张拉情况:(1)U形、短直预应力钢束锚下张拉控制应力为1 302 MPa，预应力钢束锚头变形、钢筋回缩、由于混凝土收缩徐变引起的应力损失等均由FEA软件自动计算;(2)考虑到精轧螺纹钢筋应力损失的各方面问题，锚下控制应力采用785×0.5=392.5 MPa。

3.2 U形+短直预应力钢束锚固方案计算结果分析

3.2.1 自重+环向预应力作用下

X方向(非锚固壁)的应力图如图17所示，从图中可以看出，在索塔非锚固壁内侧压应力为3～15.5 MPa;非锚固壁外侧出现2～8.5 MPa压应力，塔顶实体段为0～4 MPa压应力，0～0.8 MPa拉应力。

图17 非锚固壁混凝土应力(一)(单位:MPa)

Y(锚固壁)方向的应力图如图18所示，从图中可以看出在索塔锚固壁的外侧产生了3～17 MPa的压应力，索孔附近产生17～20 MPa的局部压应力;在索塔锚固壁的内侧产生约1.5～10 MPa的压应力，索孔附近产生10～24 MPa的局部压应力，锚垫板下缘及四周产生0～11 MPa的拉应力。

图18 锚固壁混凝土应力(一)(单位:MPa)

3.2.2 自重+环向预应力+索力作用下

X方向(非锚固壁)的应力图如图19所示，从图中可以看出，在索塔非锚固壁内侧压应力为2～11 MPa;非锚固壁外侧出现1.5～7 MPa压应力。

图19 非锚固壁混凝土应力(二)(单位:MPa)

Y(锚固壁)方向的应力图如图20所示，从图中可以看出在索塔锚固壁的外侧产生了2～14 MPa的压应力;顶端实体段出现0～1 MPa的拉应力;在索塔锚固壁的内侧产生约0～16 MPa的压应力，锚垫板四周压应力较大。

图20 锚固壁混凝土应力(二)(单位:MPa)

索塔上部主拉应力大多在2 MPa以下，满足规范中不得超过0.7×3.3=2.31 MPa的要求。超过2 MPa的部分如图21所示，主要分布于预应力钢束锚固位置以及锚垫板四周;主压应力大多在0.7×37=25.9 MPa以下，超过10 MPa的部分如图22所示，主要分布于锚垫板四周。

图21 主拉应力(只显示≥2 MPa应力部分)

图22 主压应力(只显示≤－10 MPa应力部分)

由于篇幅所限，本文仅列出U形+短直预应力钢束锚固方案的详细计算结果。3种锚固方案在自重、预应力及索力共同作用下的结果对比如表2所示。

表2 三种锚固方案应力对比

经过分析研究，推荐采用U形+短直预应力钢束锚固方案，主要原因如下。

(1)精轧螺纹钢筋与短直预应力钢束方案，预应力束长度较短，由回缩及锚具变形引起的应力损失很大，因此预应力筋用量较多。

(2)U形+短直预应力钢束锚固方案，大大减少了预应力筋用量，大幅度减少张拉和灌浆等高空危险作业的工作量。

(3)精轧螺纹钢筋方案计算时，应力损失情况不容易估算准确。

4 结论

(1)针对索塔锚固区3种预应力布置形式，对塔壁应力的影响进行了分析研究，论证了U形预应力钢束+短直预应力钢束锚固方案在本项目中的合理性，环向预应力钢束与短直钢束的布置满足规范要求，使结构处于一定的合理受理状态。

(2)对索塔各部位分别进行了计算，确定U形+短直预应力钢束方案为索塔各段的最佳布置方案。

(3)在斜拉索作用力下，斜拉索锚头周围的局部主拉和主压应力较大。虽然应力较大区域很小，但在索力长期的高应力状态下，锚固区混凝土会出现裂缝，所以应该采取必要的措施。

(4)锚固块、锚固块与箱室交接处会出现较大的应力集中区域，需要注意配置构造钢筋或设置包裹钢板预防裂缝的开展。

(5)在索塔局部分析计算中，未考虑寒潮作用。在寒潮作用下索塔塔壁外侧将产生较大的拉应力，这时索塔须配足够的钢筋，以避免混凝土开裂。

［1］TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.

［2］TB10621—2009，J971—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.

［3］铁建设函［2005］285号 新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定［S］.

［4］TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.

［5］郑健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［6］TB10002.1—2005，J971—2009 铁路桥涵设计基本规范［S］.

［7］张喜刚，刘玉擎.组合索塔锚固结构［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［8］桂业昆，邱式中.桥梁施工专项技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［9］鲁志强，陈松.大跨铁路斜拉桥索塔环向预应力布束方案计算比较研究［J］.铁道标准设计，2012(4):74-79.

［10］君兰，项海帆.大跨度桥梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2000.