联塔分幅混凝土斜拉桥索塔锚固区设计

李邦映

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨径斜拉桥索塔锚固方式目前主要有侧壁锚固、钢锚箱锚固、钢锚梁锚固以及近年来在五河定淮大桥和芜湖长江公路二桥上使用的回转式鞍座锚固等形式[1]，其中，侧壁锚固是直接将斜拉索锚固在混凝土索塔内壁的齿块上，无需额外设置钢锚箱、钢锚梁或鞍座，当斜拉索索力不是很大，经济性要求高或降低运营养护难度且施工进度允许时，具有较大的优势。为抵抗斜拉索索力，克服塔壁拉应力，索塔锚固区需设置强大的环向预应力，在索力和预应力的共同作用下受力复杂，是保证桥梁安全和正常使用的关键部位，也是桥梁设计的重点和难点。

本文以G237蒙城绕城段一级公路改建工程涡河特大桥主桥为例，介绍索塔锚固区环向预应力设计情况，供类似工程参考。

1 工程概况

G237蒙城绕城段一级公路改建工程涡河特大桥主桥采用跨径组合为(165+83+40)m的联塔分幅混凝土独塔不对称斜拉桥，塔梁固结体系。

主梁采用分幅式断面，单幅全宽26.35 m，梁高2.6 m，标准段采用双边箱梁断面，边跨现浇段因配重采用单箱四室断面。

如图1所示，主塔采用简洁的三柱式联体宝鼎形塔，C50混凝土，塔柱竖直，塔柱总高98.824 m，边、中塔肢的上塔柱高分别为77.5 m和78.0 m。锚固区塔柱采用矩形截面，顺桥向宽6.5 m，边、中塔肢壁厚分别为0.7 m和1.0 m；横桥向，边、中塔肢宽分别为5.0 m和6.0 m，壁厚均为1.2 m。锚固区施加环向预应力，环向预应力采用标准强度1 860 MPa、公称直径15.2 mm的低松弛钢绞线。

图1 索塔构造图(单位：cm)

斜拉索横桥向按照四索面扇形布置，单幅主梁边、中跨各19对，沿塔柱中心线的竖向标准间距均为2.0 m，通过混凝土齿块锚固在塔柱内壁上。

2 索塔锚固区设计方法

为抵抗斜拉索的索力，克服塔壁拉应力，侧壁锚固时需要在索塔锚固区内施加较为强大的环向预应力，过去一般采用井字形直线束，多用精轧螺纹钢筋，由于存在较大的预应力损失以及塑料波纹管和真空压浆技术的发展，现多采用大吨位小半径的U形钢绞线束，为受力合理和节约造价可采用直线束和U形束兼而有之的混合布置方式。

索塔锚固区环向预应力如何设计，尚无统一的方法和判断准则，目前主要有以下方法：

(1)空间有限元法。索塔锚固区作为受力复杂区域，利用有限元软件建立局部实体模型[2]，尽可能模拟真实的荷载和边界条件，能够直接获得结构的应力状态，是目前广泛采用并行之有效的数值分析方法，也是规范[1]建议的首选方法，但该方法无法直接指导配筋，且对分析人员的理论和经验要求均较高，目前也没有统一的标准，不同的人可能得出不同的结果。

(2)平面框架法。这是为便于工程师掌握运用而提出的一种简化平面杆系计算方法，取塔高方向一定高度的塔柱标准节段建立平面框架模型[3,4]，从而可以按照常规方法进行配筋和验算，有项目结合具体桥塔特点将塔壁进一步简化为简支梁进行分析[5]。该方法简单易行，但由于索塔锚固区并不符合平截面假定，简化依据目前尚不充分，计算高度等参数选择比较随意，计算结果可靠性存疑，尚未得到规范认可，可作为一个辅助设计手段。

(3)拉压杆模型分析法[6,7]。索塔锚固区作为典型的应力扰动区，可以将斜拉索索力分解为竖向力和水平力采用拉压杆模型分别进行配筋验算。该方法建立在反映混凝土结构内部传力机制的桁架模型基础上的合理简化计算方法，但需要通过荷载路径法、应力迹线法、力流线法等方法构建拉压杆模型，过程较为复杂且有一定困难，对分析人员的理论和经验要求较高，且同样难以反映锚固区的实际应力分布，应用难度较大。

(4)模型试验法[3]。对于索力大的重要大型桥梁，除了采用空间有限元法进行计算外，往往需要委托专业科研机构进行试验验证，花费大、周期长，且难以指导设计配筋，一般项目上采用的可能性比较小。

平面框架法、拉压杆模型分析法由于无法反映锚固区的实际应力分布，通常作为辅助方法对锚固区初步配筋，再建立空间有限元局部模型进行复核和优化。

G237蒙城绕城段一级公路改建工程涡河特大桥主桥索塔锚固区分为边、中塔肢，考虑到受力差异、节约造价和方便设计，按照索力大小将索塔锚固区分为两段进行环向预应力的配置，按照经验初步配筋后，直接采用空间有限元法建立实体模型进行应力分析和设计优化。

3 分析模型

3.1 模型的建立

以最大索力处索塔锚固区为例，为降低边界条件的影响，根据圣维南原理，取塔冠以下4对斜拉索范围的塔柱节段建立有限元模型，节段长度为10.5 m。有限元分析软件采用MIDAS FEA 3.7.0，为利用软件本身独特的植入式钢筋单元，塔柱和齿块采用四节点四面体实体单元、自由网格划分，锚固区混凝土网格适当加密，其余部分网格划分较粗；环向预应力采用二节点植入式钢筋单元模拟；为便于施加索力，建立了锚垫板单元。约束模型底部节点位移形成边界条件。混凝土及钢绞线材料特性取值详见规范[8]，边、中塔肢索塔锚固区有限元模型见图2。

图2 索塔锚固区有限元模型(仅示1/4部分)

3.2 索力和预应力

边、中塔肢塔顶4对斜拉索的计算索力见表1。

表1 斜拉索索力(单位：kN)

环向预应力采用植入式钢筋单元模拟，设计张拉控制应力为1395MPa，U形预应力采用两端张拉，短直束采用单端张拉。由于小半径曲线束的预应力损失目前尚无可靠的计算方法，设计阶段也暂无实测数据，根据相关文献[9,10]的试验及分析结果，U形预应力和短直束预应力损失均按照30%计。

3.3 计算工况

由于先施工塔柱、张拉环向预应力束，再张拉斜拉索，为考察索塔施工过程中的应力状态并评价其安全性，计算中分别考虑了施工阶段张拉环向预应力束和运营阶段斜拉索索力与环向预应力束共同作用两种工况。

以下仅给出运营阶段最大索力时的边、中塔肢索塔锚固区计算结果。

4 计算结果

4.1 边塔肢索塔锚固区

(1)正应力。塔柱侧壁正截面抗裂主要关注模型顺桥向应力，如图3(a)所示，考虑边界影响后，在最大索力作用下，边塔肢塔柱侧壁内侧的最小正应力为-1.00 MPa，侧壁外侧的最小正应力为-1.70 MPa，塔柱侧壁处于受压状态。

塔柱前壁正截面抗裂主要关注模型横桥向应力，如图3(b)所示，考虑边界影响后，在最大索力作用下，塔柱前壁外侧的最小正应力为-2.57 MPa，前壁内侧的最小正应力为-4.46 MPa，塔柱前壁处于受压状态。

边塔肢索塔锚固区正截面抗裂满足设计要求。

图3 边塔肢索塔锚固区正应力云图

(2)主应力。如图4所示，边塔肢索塔锚固区主拉应力超过0.5倍C50混凝土轴心抗拉强度标准值即1.325 MPa的区域主要集中在模型底部边界、环向预应力张拉端以及齿块附近，其中前两处是由于边界约束而导致的应力失真，而齿块附近出现应力集中主要是由于强大索力导致的齿根受拉效应和锚后牵拉效应，普遍出现但范围较小，因此，边塔肢索塔锚固区主拉应力总体上满足抗裂要求，但应加强齿块齿根和锚后塔壁的局部配筋，降低局部开裂的可能性或限制裂缝宽度。

图4 边塔肢索塔锚固区主拉应力云图

4.2 中塔肢索塔锚固区

(1)正应力。如图5(a)所示，考虑边界影响后，在最大索力作用下，中塔肢塔柱侧壁内侧的最小正应力为-0.99 MPa，侧壁外侧的最小正应力为-2.46 MPa，塔柱侧壁处于受压状态；如图5(b)所示，塔柱前壁外侧的最小正应力为-0.63 MPa，前壁内侧的最小正应力为-6.05 MPa，塔柱前壁基本处于受压状态，因此，中塔肢索塔锚固区正截面抗裂满足要求。

图5 中塔肢索塔锚固区正应力云图

(2)主应力。如图6所示，中塔肢索塔锚固区主拉应力超过1.325MPa的分布区域与边塔肢基本一致，数值上略大，因此，中塔肢索塔锚固区主拉应力基本满足抗裂要求，但需加强齿块齿根和锚后塔壁的局部配筋。

图6 中塔肢索塔锚固区主拉应力云图

5 结束语

如前所述，索塔锚固区受力复杂，环向预应力设计目前主要还是利用空间有限元法，平面框架法和拉压杆模型分析法目前通常作为初步配筋的辅助手段。

通过空间有限元法进行局部分析，涡河特大桥索塔锚固区总体能够达到部分预应力构件的要求，环向预应力设计基本合理。需注意，由于设计阶段无实测数据，环向预应力损失为估计值，待施工时获得实测数据后需进行验证分析。