熊 軍

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 前言

現(xiàn)代斜拉橋工程發(fā)展迅速，跨徑不斷增大，同時(shí)斜拉索的設(shè)計(jì)噸位也不斷提高，已達(dá)“千噸”級(jí)的水平。斜拉橋索塔是以受壓為主的壓彎構(gòu)件，索塔錨固區(qū)通常設(shè)計(jì)為混凝土空心薄壁結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮混凝土材料抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)。強(qiáng)大的斜拉索力通過錨固區(qū)安全、均勻地傳遞到塔柱中，由于索力較大，錨固點(diǎn)相對(duì)集中，該區(qū)域受力狀態(tài)十分復(fù)雜，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。

眾所周知，混凝土的抗拉性能較差，斜拉索的水平分力作用在混凝土塔柱內(nèi)壁時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的局部彎矩和剪力，甚至?xí)谒母鱾€(gè)面上產(chǎn)生豎向裂縫，嚴(yán)重?fù)p傷斜拉橋的安全度和耐久性。近年來，實(shí)際工程中應(yīng)用較多且行之有效的索塔錨固方式有環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨梁和鋼錨箱三大類。本文將對(duì)三類錨固方式的構(gòu)造形式、工作機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，為大跨徑斜拉橋的設(shè)計(jì)工作提供借鑒和參考。

1 環(huán)向預(yù)應(yīng)力

環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式已在南京長(zhǎng)江二橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋和軍山長(zhǎng)江大橋等多座大跨徑斜拉橋中得到應(yīng)用，本錨固方式中斜拉索直接錨固在空心塔壁上，在強(qiáng)大的水平分力作用下，索塔側(cè)壁將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，錨固面上會(huì)有彎曲應(yīng)力，受力狀態(tài)十分復(fù)雜。為保證塔柱的承載能力和抗裂安全性，需要在錨固區(qū)設(shè)置環(huán)向平面預(yù)應(yīng)力以平衡塔壁上的拉應(yīng)力。索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力可按井字形或環(huán)形布置，其中井字形布置一般采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋，環(huán)形布置則采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，構(gòu)造形式見圖1。

圖1 環(huán)向預(yù)應(yīng)力

早期的環(huán)向預(yù)應(yīng)力多采用井字形布置，使用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋。但塔柱尺寸較小，預(yù)應(yīng)力束的長(zhǎng)度較短，由回縮和錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失很大，因而預(yù)應(yīng)力筋用量較多。通常情況下該區(qū)域拉索導(dǎo)管布置較密，使得構(gòu)造鋼筋配置較多，客觀上增加了施工難度。

近年來，塑料波紋管和真空壓漿技術(shù)得到了很大的發(fā)展，給大噸位小半徑U形預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)用提供了有利條件。與“井”形直線預(yù)應(yīng)力束相比，“U”形環(huán)向預(yù)應(yīng)力較為經(jīng)濟(jì)合理，因?yàn)樗L(zhǎng)度較長(zhǎng)，錨下回縮損失相對(duì)較小，不僅可大大減少預(yù)應(yīng)力筋的用量，提高材料利用率，同時(shí)可減少張拉和灌漿等高空作業(yè)的工作量，因此近年來得到了較為廣泛的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)研究，U型索開口在截面長(zhǎng)邊方向比開口在短邊方向的預(yù)應(yīng)力效果高8%～14%[1]，所以實(shí)際工程中多選擇U型索錨固在截面長(zhǎng)邊方向。當(dāng)然，“U”形環(huán)向預(yù)應(yīng)力也有其自身的缺點(diǎn)，由于彎道和鋼鉸線之間的相互嵌擠等因素，每束鋼鉸線中的單根鋼鉸線伸長(zhǎng)量和受力并不均勻，實(shí)際工程中應(yīng)控制每束鋼絞線的根數(shù)并適當(dāng)降低其張拉控制應(yīng)力，這是保證環(huán)向預(yù)應(yīng)力質(zhì)量的一個(gè)難點(diǎn)。

與鋼錨梁、鋼錨箱相比，環(huán)向預(yù)應(yīng)力具有構(gòu)造簡(jiǎn)單造價(jià)低，后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。但也有施工質(zhì)量和精度很難控制的缺點(diǎn)，主要是因?yàn)榄h(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式的全部工序需要現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)，錨墊板的角度及預(yù)應(yīng)力管道定位控制較難，還需要多次張拉預(yù)應(yīng)力，高空澆筑混凝土錨固構(gòu)造也有一定難度，并且施工完成后不可檢查和更換。

2 鋼錨梁

鋼錨梁錨固方式源于加拿大的安娜西斯（Annacis）橋，也被我國(guó)的南浦大橋、灌河大橋、金塘大橋等多座橋梁采用，見圖2。鋼錨梁是獨(dú)立的拉索錨固構(gòu)件，支撐于塔柱內(nèi)側(cè)牛腿上，由鋼錨梁自身平衡兩側(cè)拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通過鋼錨梁支座摩阻力和水平限位裝置傳遞至塔壁，拉索的豎向分力由塔柱內(nèi)側(cè)牛腿傳至塔柱。由于鋼錨梁平衡了拉索水平分力，使得塔壁混凝土沒有拉應(yīng)力，混凝土塔壁不會(huì)開裂，因而塔柱受力比環(huán)向預(yù)應(yīng)力好。

圖2 鋼錨梁

鋼錨梁通常用于平面索面布置，由于拉索完全位于同一平面內(nèi)，無橫向分力，鋼錨梁不會(huì)側(cè)傾，不用橫向限位裝置。另外，傳統(tǒng)鋼錨梁的牛腿均采用混凝土結(jié)構(gòu)，和塔柱混凝土一起澆注，工程實(shí)踐中存在上塔柱施工效率低、鋼錨梁吊裝困難、混凝土牛腿易開裂等問題。針對(duì)傳統(tǒng)鋼錨梁的上述局限性，我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)人員大膽創(chuàng)新，在金塘大橋中設(shè)計(jì)出了能夠錨固空間索面斜拉索的鋼錨梁，并首次使用鋼牛腿來傳遞鋼錨梁的受力，見圖3。

圖3 金塘大橋鋼錨梁和鋼牛腿

金塘大橋采用鉆石形塔，拉索為空間索面，常規(guī)的鋼錨梁已不適用，因而提出了能夠錨固空間索面斜拉索的鋼錨梁和鋼牛腿結(jié)構(gòu)。每對(duì)斜拉索面內(nèi)的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端限位裝置傳遞到預(yù)埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡。鋼牛腿取代混凝土牛腿后，與塔柱相連的鋼壁板可作為混凝土施工時(shí)的模板，所以上塔柱內(nèi)壁可以方便地利用滑模施工，施工速度得以大幅度地提高。另外，鋼錨梁和鋼牛腿施工時(shí)通常是采用整體吊裝，因此牛腿頂面的高程精度、平面精度也比混凝土牛腿更容易控制[2]。目前，鋼牛腿方案已在荊岳長(zhǎng)江公路大橋和九江大橋上得到了推廣使用。

鋼錨梁錨固構(gòu)造受力機(jī)理明確，混凝土塔壁拉應(yīng)力小。與環(huán)向預(yù)應(yīng)力相比，鋼錨梁在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，可以精確定位錨墊板位置和角度，并且可以定期檢查、維修、養(yǎng)護(hù)和更換。和鋼錨箱比較，鋼錨梁用鋼量低，對(duì)起吊設(shè)備的要求不高，后期養(yǎng)護(hù)難度也小，因而比較經(jīng)濟(jì)。鋼錨梁的主要缺點(diǎn)是對(duì)塔柱內(nèi)部空間有一定要求，安裝和換索都不方便，并且一般不用于空間索面斜拉橋。

3 鋼錨箱

鋼錨箱是一種新型索塔錨固結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用于法國(guó)的諾曼底大橋。由于具有受力方式明確、錨固點(diǎn)定位準(zhǔn)確、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已在大跨度斜拉橋中廣泛使用，蘇通大橋、昂船洲大橋和杭州灣跨海大橋等均采用這種索塔錨固方式。鋼錨箱有內(nèi)置式和外露式兩種，見圖4、圖5。

圖4 內(nèi)置式鋼錨箱

圖5 外露式鋼錨箱

鋼錨箱的工作機(jī)理很明確，斜拉索的拉力首先傳到鋼錨箱上，順橋方向的水平分力可以被鋼側(cè)板承擔(dān)相當(dāng)大的一部分，其余沒有被鋼側(cè)板承擔(dān)的水平分力由鋼錨箱傳到混凝土塔壁上；斜拉索力的豎向分力傳給混凝土索塔，由混凝土承擔(dān)。鋼錨箱中鋼材承受了較大的拉力，混凝土承受了較大的壓力和較少的拉力，充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度高和混凝土能承受較大壓應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，克服了鋼材承受較大壓應(yīng)力容易失穩(wěn)和混凝土承受較大拉應(yīng)力容易開裂的缺點(diǎn)。

內(nèi)置式鋼錨箱中，斜拉索的豎向分力由焊接在錨箱兩端豎向鋼板的剪力釘承受，與鋼錨箱相連的混凝土索塔內(nèi)壁直接承受鋼錨箱傳來的斜拉索部分水平分力。塔壁中可設(shè)置普通鋼筋控制強(qiáng)度及裂縫寬度，或施加預(yù)應(yīng)力限制開裂。外露式鋼錨箱中，焊接在錨箱側(cè)板上的剪力釘既要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿索塔高度方向的剪力，還要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿順橋向的剪力。為保證外露式鋼錨箱側(cè)板和混凝土塔壁的抗剪效果及抵抗索塔的拉應(yīng)力，還必須在塔壁施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)成立不可缺少的主要因素，而且預(yù)應(yīng)力度要求比較高[3]。

錨固區(qū)的承載力通常是足夠的，即使混凝土塔柱不參與受力，鋼錨箱自身也可以承受斜拉索的全部水平分力。但無論是內(nèi)置式或外露式的鋼錨箱，由于塔壁分擔(dān)了不小的水平力，混凝土應(yīng)力較大，很容易開裂，會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的耐久性，需要采取一定的措施進(jìn)行改善。

鋼錨箱采用工廠化制造，質(zhì)量有保證，容易控制錨固點(diǎn)的位置和角度，施工方便，受力較為可靠。此外，還有易于檢測(cè)維護(hù)、便于換索等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但也有用鋼量大、成本高、對(duì)吊裝能力和安裝精度要求較高的缺點(diǎn)，并且錨固區(qū)混凝土易開裂，應(yīng)用于海洋環(huán)境等對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求高的地區(qū)時(shí)有一定的局限性。

4 結(jié)語

環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨梁和鋼錨箱三種錨固方式的構(gòu)造形式和工作機(jī)理各不相同，都有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。斜拉橋索塔錨固區(qū)是一個(gè)重要的受力構(gòu)造，選擇何種方式錨固與拉索的布置、塔形和構(gòu)造等方面密切相關(guān)。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體工程的特點(diǎn)，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工和后期養(yǎng)護(hù)等諸多因素確定。

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[2]陳向陽,王昌將,史方華.大跨徑斜拉橋鋼錨梁的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].公路,2009(1):130-133.

[3]馬旭濤.上海長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)模型試驗(yàn)與分析研究[D].同濟(jì)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

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