预应力锚杆结构在人行悬索桥锚固体系中的应用

陈忠辉

(1.福建福大建筑设计有限公司 福建福州 350002;2. 福州大学土木工程学院 福建福州 350108)

0 引言

近年来，随着山区旅游行业蓬勃发展，各地新建了数量可观的人行悬索桥。此类索桥桥面宽度2m～3m，跨度大多在50m～150m之间[1]，不同于其他大跨径桥梁结构使用年限为100年，一般景区人行索桥使用年限一般只有20～25年。如采用车行索桥主索锚固方式-重力式锚锭，不仅提高了桥梁的造价，同时也增加施工的难度。本文探讨一种主索的后锚固方式-框架锚杆的可行性和可靠性。

框架锚杆防护因其锚固段峰值应力小，能够提供更大的锚固力等优势而广泛应用于道路工程中的高堑坡防护，但其锚索受力特性复杂，力学分析困难，使得其基本局限于土体加固、受力简单的情况。基于此，本文对框架锚杆进行力学分析，尝试把此种技术应用于索桥主索锚固中。

1 工程概况

福建某旅游风景区玻璃悬索桥为单跨吊桥，桥梁跨径150m，矢高10m，矢跨比1/15，桥面宽2.75m。设计人群荷载2.5kN/m2, 使用年限为25年, 后锚固系统采用预应力锚杆结构。

该工程如采用重力式锚锭，整个工程建安费约为500万元，其中，两岸锚锭造价建安费为150万元，采用预应力锚索结构后，预应力锚索结构建安费约为75万元，直接节省约75万元，相当于节省约15%的建安费。经对比测算，如此结构应用于跨径50m～150m悬索桥，平均节约20%的成本，经济效益突出。

另外，由于避免了重力式锚锭大开挖工程，临时便道工程极大减少了水土流失、林地砍伐，破坏生态环境。施工完成后进行植被恢复，对景区风景破坏小，环境保护效益突出。因此，该结构在建设人行索桥方面极具有优势。在保证预应力索有效可靠安全的情况下，值得广泛推广，如图1所示。

图1 人行悬索桥立面图(单位：cm)

拟建场地构造位置处于欧亚大陆东南部的陆缘地带，是浙闽粤火山岩带的组成部分。根据地质时代成因将所揭露的地层分4层，分别是①砂土状强风化花岗岩该层为散体状结构，压缩性低，力学强度较高且随深度递增，但具有浸水易软化、强度降低的特性。②碎块状强风化花岗岩碎块大多易击碎，属软。③中风化花岗岩岩面较新鲜，岩质坚硬。④微风化花岗岩，岩石坚硬程度等级为坚硬岩。图2为地质断面及锚索布置图，表1为各土层与验算锚杆受力情况有关的物理力学指标。

表1 各土层的物理力学指标

图2 左岸预应力锚杆布置立面图(单位：m)

2 预应力锚杆的计算分析

根据索桥计算分析可得到单根预应力锚杆所承受的荷载轴力,索桥恒载引起的最大轴力N=214kN,索桥人群荷载引起的最大轴力为N=315kN。从荷载上分析可见恒载与比活载接近1∶1.5。预应力锚杆承受索桥使用阶段将承担较大动荷载，对预应力索的可靠性提出更高的要求。论文[2-5]对动荷载作用下锚杆的力学响应进行了实验研究和有限元模拟对比分析，得出锚杆在动荷载作用下自由端应力最大而锚固远端应力接近于0。这与静力荷载作用下假定应力均匀分布有很大的差异。因此，需对现行锚杆设计规范[6]公式进行调整，以便适应动荷载情况。规范[6]规定预应力锚杆必须满足以下3个方面要求：锚杆体截面满足要求，地层与注浆体间黏结长度以及注浆体与锚杆间黏结长度的规定。

锚杆体截面验算公式：

A——锚杆体的截面积；

K1——预应力钢筋的截面设计时采用的安全系数；

Fptk——锚杆体材料的抗拉强度标准值。

其中K1按规范，锚杆服务年限>2年(永久性锚杆)取2.0系数，但该工程承受动荷载。根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GBT50283-1999)计算按恒载与比活载比例1：1.5，得出K1=2.2，考虑该桥跨径为150m，安全系数1.1，得出K1=2.2×1.1=2.42。

地层与注浆体间黏结长度验算公式：

注浆体与锚杆间黏结长度验算公式：

lr——地层与注浆体间的黏结长度；

lg——注浆体与锚杆体间的黏结长度；

K2——计算地层与注浆体间黏结长度和注浆体与锚杆间黏结长度时采用的安全系数；

dk——锚固段钻孔的直径；

dg——锚杆体材料的直径；

frb——地层与注浆体间的黏结强度的设计值；

fb——注浆体与锚杆体间的黏结强度设计值。

其中K2按规范，锚杆服务年限>2年(永久性锚杆)取2.2系数，同K1情况一致，修正为K1=2.64。

Pd——应分开计算考虑恒载和活载，恒载近似为均匀分布，活载按论文[1-2]三角形分布，

因此，修正Pd=恒载+2×活载。

对规范进行修正后即可进行预应力锚杆的设计与验算。

3 预应力锚杆的设计与监测

该工程采用压力分散型锚索，每根索由3个单元锚索组成,每个单元锚索分别由2根无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成。锚杆直径15cm，注浆材料加入聚丙烯腈纤维(PAN)，掺入量为每方1.8～2.0kg(纤维抗拉强度不小于700MPa)。钢绞线为直径15.24mm、强度1860MPa的高强度低松弛无粘结钢绞线。预应力锚杆如图3所示。

图3 预应力锚杆的构造图

根据各土层的物理参数计算分析，该工程预应力锚杆应进入微风化层2.5m。经计算，此结构预应力锚杆满足该工程索桥正常使用年限30年的持久状况下承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。

预应力锚索结构要在整个索桥使用阶段进行监测，特别关注索桥建成后的前3年。监测分为边坡变形监测和预应力锚索应变监测。变形监测的方法，通过测倾仪安装在锚固框架结构上可以监测倾角变化情况。锚杆结构如发生外拔等破坏整个框架结构倾角将发生变化，因此监测倾角就可保证整个结构的稳定性。另一方面，通过在施工锚杆时，预埋锚杆内应变传感器可以有效监测到锚杆预应力变化情况。监测锚杆应力应变可以有效监控单个锚杆受力情况，为锚杆破坏提供早期预警。因此，对于这种大跨径的人行索桥，为了安全有必要在使用期间对锚固框架和锚杆进行有效监测。

4 锚杆框架的设计

人行索桥锚杆框架有别于高堑坡锚杆系统，因为锚杆框架还要承担主索拉杆和锚杆间传力作用。为了保证主索拉杆和锚杆的有效锚固，锚杆框架采用劲性混凝土结构即双拼40#工字钢外包混凝土结构，如图4～图5所示，其整个传力模式是一股钢丝绳主索通过锚头套筒传给两个主索锚固拉杆(采用40CrNiMO 高强钢棒)，锚固拉杆通过钢垫板和螺栓传力给整个锚杆框架，如图6～图7所示。因此，锚杆框架要有足够的强度和刚度实现有效传递荷载。实践中采用双拼40#工字钢外包混凝土的劲性骨架结构，一方面使得拉杆和锚杆直接锚固在双拼40#工字钢上与锚固在混凝土结构相比大大提高其可靠性；另外，通过外包混凝土，也使得这个锚杆框架刚度大幅度提高，同时钢结构的防腐问题也得到有效解决。

图4 锚杆框架平面布置图

图5 劲性混凝土结构断面图

图6 预应力锚杆与劲性混凝土结构联接断面图

图7 主索锚固拉杆与劲性混凝土结构联接断面图

锚杆框架设计时，还应考虑到边坡本身是否存在滑坡的可能。如果经现场踏勘和边坡稳定性计算存在滑坡可能，锚杆结构应计入边坡锚固荷载，也就是说，锚杆在考虑索桥各种工况下的荷载后，还需叠加上边坡下滑力荷载。

位于锚杆框架上部来水对锚固土体的浸润会造成边坡下滑力大大增加，特别是山区雨水季节上部来水往往迅猛对锚固土体冲刷严重。因此，为了保证锚杆框架的安全，应在锚杆框架斜坡上方设置截水沟，并且通过流量分析保证截水沟满足规范要求。同时，对锚杆框架上部5m、下部2m、左右各2.5m范围内的土体进行平整后铺设草皮以生态护坡。

5 结论

人行悬索桥使用年限较短情况下，采用预应力锚杆结构作为后锚系统，经济效益和环境保护效益突出。

为了保证此类人行索桥锚固体系安全性，本研究通过设计安全系数和研究活载沿着锚固段分布情况，对规范公式进行修正，可以保证设计的安全可靠。

预应力锚杆及锚固框架与主索拉杆联接，也是整个设计的难点，案例工程提出采用劲性混凝土结构结合外围设置截水沟和场地硬化等措施，可以有效解决此问题，但建议使用期间随时监测。