索塔锚固区受力性能分析

2021-10-16苏祥亚赵洪蛟管锡琨

山东交通科技 2021年4期

关键词：索塔分力牛腿

苏祥亚，徐召，赵洪蛟，管锡琨

（1.山东鲁桥建设有限公司，山东济南 250031；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250031）

1 概述

齐河黄河公路大桥主桥跨径布置为40 m +175 m +410 m +175 m +40 m，采用双塔钢混组合梁斜拉桥结构形式，索塔为H 型双柱结构，索塔锚固区采用钢锚梁锚固方式。

2 索塔锚固方案

斜拉桥是一种主梁、索塔及斜拉索协作承重受力的桥梁结构，斜拉索通过索塔锚固结构将巨大的拉索索力安全、均匀地传递到塔柱全截面。斜拉索在索塔上的主流锚固方式主要有三种：索塔环向预应力锚固形式、钢锚箱锚固形式、钢锚梁锚固形式。

2.1 环向预应力锚固方案

环向预应力锚固形式后期维护工作量小，但全部工序需要现场高空作业，精度和质量控制较难；且预应力束的弯曲半径较小，预应力损失大，施工质量要求较高。

2.2 钢锚箱锚固方案

钢锚箱锚固构造源于法国的诺曼底大桥，钢锚箱在工厂预制完成，容易控制锚固点的位置和角度；缺点是对吊装能力有一定要求，水平力由塔壁和钢锚箱共同承担，塔壁分担了不小的水平力，足以使混凝土开裂。

2.3 钢锚梁锚固方案

钢锚梁锚固构造源于加拿大的安娜西斯桥，主要优点是受力机理明确，混凝土塔壁拉应力很小。传统钢锚梁的牛腿均采用混凝土结构，牛腿和塔柱混凝土一起浇注，由于混凝土牛腿的存在，内壁不能采用滑模施工，上塔柱施工工效很低，同时混凝土牛腿存在主拉应力大、易开裂等问题。若采用钢牛腿，则用钢量较大，经济性降低。综合考虑结构受力、施工、造价等因素，齐河黄河公路大桥索塔采用钢锚梁锚固方案。

3 钢锚梁锚固方案构造特点及受力特性

3.1 钢锚梁锚固方案构造特点

钢锚梁本身是一个独立且稳定的受力构件，斜拉索锚固在钢锚梁上，钢锚梁支承在钢牛腿上。钢牛腿与塔柱内壁预埋钢板焊接，预埋钢板通过剪力钉与塔柱连接。斜拉索张拉时，钢牛腿与钢锚梁之间的螺栓处于放松状态，可以沿顺桥向有一定位移；斜拉索张拉到位后，拧紧螺栓，将钢牛腿与钢锚梁锁死。

钢锚梁为箱形结构，由锚垫板、支承板、加劲板、侧拉板、顶板、底板、横隔板等组成。

3.2 钢锚梁锚固方案受力特性

斜拉索张拉过程中，钢锚梁的锚垫板直接承受斜拉索锚头传来的索力。斜拉索索力竖向分力作用于钢锚梁锚垫板后，经由侧拉板传递到钢牛腿上，钢牛腿受到的竖向力以剪力的形式直接传递给塔壁钢板，塔壁钢板自身承担一部分竖向力后，将一部分竖向力通过其上的剪力钉作用于混凝土锚固壁上。斜拉索索力水平分力作用于钢锚梁锚垫板后，一部分水平分力为钢锚梁自平衡水平分力，这部分水平分力由钢锚梁侧拉板、顶板及底板共同承担；另一部分水平分力为不平衡水平分力，这部分水平分力通过限位装置和钢牛腿传递给混凝土塔壁钢板。

4 钢锚梁锚固方案设计

4.1 钢锚梁锚固结构形式的选择

钢锚梁是近几年大跨径斜拉桥较为常见的索塔锚固方式，在设计过程中对两种方案钢锚梁锚固形式进行了分析，见图1。

图1 钢锚梁锚固方案设计

有限元数值模拟分析过程中，分别计算同一对斜拉索下的两种钢锚梁锚固方案。有限元模型中，钢锚梁和钢牛腿各个板件的钢板厚度均取值相同，计算见图2。

图2 钢锚梁锚固方案应力云图/Pa

结果表明：（1）两种钢锚梁锚固方案下的各钢构件受力均能满足规范［6］要求；（2）钢锚梁锚固方案1 中，锚垫板及锚下支承板应力较大；（3）钢锚梁锚固方案2 中，斜拉索索力通过锚垫板和锚下支承板能较好地传递给侧拉板。此外，钢锚梁锚固方案2用钢量较小，经济性更好，因此，选定钢锚梁锚固方案2 为最终索塔锚固方案。

4.2 钢锚梁、钢牛腿构造

全桥共有64 对拉索，并锚固于上塔柱内的64个钢锚梁上。钢锚梁长5.5 m，除端头锚索区外，高0.55 m。钢锚梁梁端距塔壁10 cm，并在钢锚梁梁端顶部设有限位钢板，且钢锚梁每端在纵向设有8 mm的自由活动量以适应自身的弹性变形。锚垫板为主要承压构件，其厚度为60 mm。侧拉板是主要承拉构件，其板厚为36 mm 和40 mm。为增加钢锚梁钢板的稳定性，侧拉板外侧焊有厚度为20 ～30 mm 的竖向加劲肋，且在侧拉板中间设置七道横隔板，板厚为20 ～30 mm。

钢牛腿宽为753 ～882 cm，高为70 cm，钢牛腿顶面座板厚30 mm，钢牛腿竖向支承板厚36 mm 和40 mm，钢牛腿加劲肋和横隔板厚20 mm，上设聚四氟乙烯板，钢锚梁支承在聚四氟乙烯板上。

4.3 钢锚梁计算

选取承受最大斜拉索索力的钢锚梁、钢牛腿进行计算分析，采用有限元软件建立局部模型。有限元计算分析结果见图3。

图3 钢锚梁、钢牛腿应力云图/Pa

钢锚梁、钢牛腿有限元分析结果表明：（1）边界条件约束位置以及锚下支承板与侧拉板连接角点位置均出现应力集中现象，但此区域的范围均较小，应力衰减幅度较快，且应力未出现向周围区域扩散的现象，故不予考虑。（2）钢锚梁各板件受力均满足规范［6］要求。锚垫板、锚下支承板以及侧拉板应力水平相对较高。侧拉板中间部分以及钢锚梁顶、底板、横隔板、加劲肋应力水平相对较低。（3）钢牛腿各板件受力均满足规范［6］要求。钢牛腿各板件应力水平相对较低。