自锚式悬索桥主缆锚固区设计分析

周 丹，王苓力

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

自锚式悬索桥不同于传统的地锚式悬索桥，它不需要庞大的锚碇，而是把主缆锚固于主梁梁端，主缆的水平分力由主梁承担，而竖向力由梁端压重平衡或通过锚栓传递到下部墩台[1-2]。这种水平分力通过主缆锚固区逐渐传递到加劲梁全截面，因此，主缆锚固区是自锚式悬索桥的关键传力区域，其构造合理、传力顺畅是设计的基本要求[3-4]。

1 工程背景

东塔跨浑河桥位于沈阳市区东南部，浑河城市段上游，工程北起沈水东路，南至浑南祝科街，全长1460m。主桥为五跨连续钢桁架桥塔自锚式悬索桥，跨径布置为40+90+220+90+40=480m。桥梁中跨为220m，主缆垂跨比为1/5.5，主缆在横桥向的间距为36m。主梁采用整幅钢箱梁。钢箱梁梁高在有索区为3m，配重跨为2.3m，顶板为正交异性板结构。主缆通过焊接在钢梁上的锚板锚固于主梁上，锚固处梁高局部加厚为4.8m。立面图见图1。

图1 主桥立面图

主塔在洪水位以上采用钢桁架结构，以下为钢筋混凝土塔座。桥面以上塔高45.05m，主塔中心横桥向间距为36m，塔座为钢筋混凝土结构。在塔柱桥面位置设置行人观光台，在桥面以下设钢牛腿焊接在塔柱上，塔顶设置装饰造型。

自锚式悬索桥因其轻盈的构造特点，多在市政工程中应用。但是由于自锚式悬索桥的传力途径特点，使得巨大的主缆力经由锚固系统传递至主梁，如何保证锚固系统具有可靠的局部受力性能以及主梁如何将巨大的拉力均匀有效地扩散出去是自锚式悬索桥的关键。

2 锚固区及钢锚箱构造

主梁锚固系统是最先承受拉力构件，如何保证锚下的局部承压，是首先需要考虑的问题。参考国内外自锚式悬索桥构造经验，拟采用铸钢承压体与格构式钢结构组合的结构形式。主缆的索股锚固在梁内垂直于主缆轴线的铸钢承压体上，两块内侧纵腹板上开孔使铸钢承压体穿过。具有足够抗压强度的铸钢承压体可以将拉力经由腹板传递给主梁。

主缆在梁内的锚固构造采用周边与铸钢体熔透焊接。

主梁锚固区域全长20m，包括两侧过渡区段和主缆锚固梁段。两侧过渡区段为主桥钢箱梁标准段向锚固段的过渡段。两侧过渡段长度分别为5m，梁高为3～4.8m。主缆的锚固梁段长10m，梁高为4.8m。主缆锚固区位于边跨和锚跨之间的墩顶附近，与钢主梁有机结合。

主桥钢箱梁标准段顺桥向采用4道纵腹板，分别为内侧腹板与外侧腹板；主桥钢箱梁锚固区梁段顺桥向采用了10道纵腹板，分别为内、外侧腹板、锚固区腹板及外封板；主梁锚固段增加了下层底板，外侧腹板及锚固区腹板逐步加厚。具体构造见主桥钢箱梁横断面图。

图2 横断面图

3 主梁锚固区计算分析

3.1 模型建立

为了保证锚固区板件厚度满足规范要求，现对拟设置的锚固区结构尺寸进行计算。建模范围为主缆锚固区所在梁段26m范围。按照设计锚固区构造用MIDAS板单元模型，进行模型建立。

根据建模区段的实际受力情况，在梁底施加竖向约束和横桥向约束，在右侧截面施加水平方向约束。锚固区模型见图3。在主体模型中提取最不利工况下的主缆拉力，将主缆拉力换算成法向压应力以均布荷载施加在锚垫板上。

图3 锚固区模型

最不利主缆拉力分别考虑以下荷载：

(1)永久作用:自重(包括主缆、吊索、索夹、主缆防护、桥塔、钢箱梁、桥面系等的自重)；基础变位(主塔下基础为-20mm，其余各桥墩基础为-5mm)。

(2)可变作用：温度作用(合龙温度为5～15℃，桥塔钢结构段、钢梁、主缆、吊杆体系升温采用+41℃，体系降温采用-58℃；桥塔混凝土段体系升温采用+29℃，体系降温采用-38℃)；汽车、人群、风荷载作用按规范执行。

3.2 锚固区受力分析

总体计算中考虑了几何非线性和初应力的影响；主缆、吊索的设计除考虑直接应力外，还计算了主缆二次应力，并根据不同的工况进行应力组合；主缆线形计算时，主缆自重考虑为沿缆长方向的均布荷载，索夹、吊索、钢箱梁自重及二期恒载均按吊点集中力考虑。

局部分析结果均已包含以上作用力的影响。

3.2.1主缆单独工况应力情况

为了了解主缆拉力对整个锚固区的影响，分析主缆拉力单独工况作用下影响效应结果。

顶板顺桥向拉应力为12.8MPa(拉)，压应力为28.9MPa；底板顺桥向拉应力为16.0MPa，压应力为33.8MPa。从顶底板受力情况看，主缆拉索锚后区(锚固区无拉索侧为锚后)板件受拉；锚前区域受压，应力传递扩散均匀，板件受力合理。

腹板最大主拉应力为45MPa，最小主压应力为42.6MPa。从图4可以看出，临近锚固区两侧增设的腹板承受了较大的主拉应力，随着离开主缆拉力点距离增大，应力不断向顶底板、外侧腹板扩散。

图4 腹板主拉应力云图

横隔板最大主拉应力98.1MPa，最小主压应力-80.1MPa。从图5可以看出，横隔板拉应力随着横隔板远离锚固区，不断扩大。最大拉应力出现在锚固区上格构板与横隔板相交位置。

图5 横隔板主拉应力云图

从各板件应力结果及应力扩散情况可以看出，主缆力在锚固区各构件间传递路径清晰，且传力过程顺畅。

3.2.2锚固区钢格构基本组合应力情况

锚固区钢格构顺桥向拉应力为19.8MPa，压应力为56.4MPa；横桥向拉应力为13.6MPa，压应力为65.5MPa；

锚固区最大主拉应力为161.9MPa，出现在铸钢承压体主缆拉力受力中心位置；最大主压应力为84.2MPa，出现在钢格构板内侧上缘板件。见图6。

图6 钢格构主拉应力云图

从锚固区局部应力状况可以看出，主缆拉力沿钢格构向周围板件扩散，各钢板应力水平均在规范范围内，板件尺寸合理，安全储备较高。

4 结论

通过对东塔悬索斜拉桥的有限元分析，得出以下结论：

(1)锚固区段梁高局部加厚，增加双层底板，不仅提高了锚固区局部的刚度，亦扩大了主缆拉力的传力路径，减小应力集中。

(2)锚固区梁段腹板由标准段4道腹板，增加至10道纵腹，分别为内、外侧腹板、锚固区腹板及外封板。主缆锚垫板两侧的腹板承担了大部分的主缆拉力，是主要传力构件，设置合理的腹板厚度及合理布置加劲肋保证腹板的强度及稳定性。

(3)主缆在梁内的锚固构造采用铸钢承压体与格构式钢结构组合的结构形式。铸钢承压构件由工厂轧制成型，可以解决锚下的局部承压问题。钢格构的设置即可以加强锚固区受力的整体性，提高锚固区的刚度。

(4)从主缆力单工况应力情况可以得出，主缆力在锚固区各构件间传递路径清晰，且传力过程顺畅。从基本组合应力情况可以看出，各钢板应力水平均在规范范围内，板件尺寸合理，安全储备较高。