葉華文，徐 勛，李翠娟，強(qiáng)士中

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

近幾十年來(lái)大跨斜拉橋蓬勃興起，其跨徑也突破千米。隨著跨度增加，斜拉索設(shè)計(jì)噸位已超千噸級(jí)，如杭州灣大橋錨固區(qū)最大索力達(dá)到1 028 t，蘇通大橋?yàn)? 490 t，而滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋則達(dá)2 252 t。在巨大索力作用下，因索塔截面削弱、混凝土變異及連接構(gòu)造的誤差等因素對(duì)錨固區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和應(yīng)力分布的影響，使其受力難以準(zhǔn)確分析，容易開(kāi)裂或強(qiáng)度破壞。由于索塔錨固區(qū)是斜拉橋關(guān)鍵受力部位，現(xiàn)行橋梁規(guī)范并無(wú)明確的設(shè)計(jì)規(guī)定，因此是斜拉橋設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。斜拉索在塔上通過(guò)哪類(lèi)錨固形式和構(gòu)造將索力平穩(wěn)傳遞到砼塔壁中去，成為核心問(wèn)題。

大跨斜拉橋中常見(jiàn)的砼索塔錨固區(qū)形式主要有兩類(lèi)：①環(huán)向預(yù)應(yīng)力，先在錨固區(qū)施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，然后直接將拉索錨固在混凝土索塔內(nèi)壁齒塊上，如南京長(zhǎng)江二橋、軍山長(zhǎng)江大橋等；②鋼混組合結(jié)構(gòu)，斜拉索錨固于鋼錨箱上，鋼錨箱與混凝土塔壁通過(guò)剪力連接件結(jié)合到一起。鋼與混凝土組合索塔是一種受力較合理的結(jié)構(gòu)，如加拿大Annacie橋、上海南浦大橋等。項(xiàng)貽強(qiáng)、劉釗、陶齊宇等針對(duì)多座不同索塔錨固形式進(jìn)行了理論分析和模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明了索力水平分力(垂直于塔軸線(xiàn)的力)是錨固區(qū)受力控制因素[1-7]。

環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式的傳力途徑為：索力水平分力通過(guò)錨固齒板傳遞給塔壁，再傳給環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋；索力豎向分力則直接由塔壁向塔底傳遞，如圖1。鋼混組合結(jié)構(gòu)傳力途徑為：拉索直接作用于錨固梁上，錨固梁通過(guò)兩斜腹板將索力傳給鋼橫梁，然后傳遞給砼索塔，如圖2。與環(huán)向預(yù)應(yīng)力相比，鋼錨固梁均需占用塔柱內(nèi)一定的空間，因此一般塔柱截面尺寸不宜太小。近年來(lái)還出現(xiàn)了應(yīng)用于橫截面較小的主塔的鋼錨板式鋼混組合錨固體系[8]，以及以環(huán)向預(yù)應(yīng)力作為安全儲(chǔ)備的鋼混組合錨固區(qū)索塔，如杭州灣大橋和諾曼底橋。

圖1 環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of hoop pre-stressed anchorage zone

圖2 鋼混組合錨固結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of steel-concrete composite anchorage zone

西南交大土木工程學(xué)院2006—2012年承擔(dān)了宜賓長(zhǎng)江大橋、長(zhǎng)壽長(zhǎng)江大橋和廈門(mén)馬新大橋等環(huán)向預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)的靜載試驗(yàn)項(xiàng)目[9-10]，2007— 2011年承擔(dān)了浙江金塘大橋鋼混組合索塔錨固區(qū)(鋼錨梁-鋼牛腿形式)[11]和重慶嘉悅大橋鋼混組合索塔錨固區(qū)(鋼錨箱形式)模型試驗(yàn)項(xiàng)目[12]。綜合以上足尺模型試驗(yàn)研究成果，筆者對(duì)混凝土索塔錨固區(qū)兩類(lèi)基本構(gòu)造形式進(jìn)行分析比較，主要討論各類(lèi)形式的傳力機(jī)理、應(yīng)力分布、索力荷載分配及受力要點(diǎn)，為大跨斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)向預(yù)應(yīng)力索塔錨固結(jié)構(gòu)

筆者基于斜獨(dú)塔單索面斜拉橋馬新大橋?yàn)楸尘?，進(jìn)行了環(huán)向預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)[10]。索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力配置采用小半徑、大噸位的U形束和直束結(jié)合的形式，U形筋開(kāi)口于橫橋向，如圖3。

圖3 馬新大橋預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)結(jié)構(gòu)布置圖(單位：cm)

主塔采用C55混凝土。選取斜塔頂端拉索力最大節(jié)段進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，如圖4。試驗(yàn)節(jié)段內(nèi)共設(shè)10層(豎向間距37.5 cm)，共20束(6層12束U形Φs15.2-12和4層直線(xiàn)形8束Φs15.2-9)預(yù)應(yīng)力束，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，預(yù)應(yīng)力束曲率半徑為1.4 m，U形筋橫橋向開(kāi)口。根據(jù)實(shí)測(cè)，預(yù)應(yīng)力管道(塑料波紋管)摩擦系數(shù)取μ=0.20，管道偏差系數(shù)k=0.001 5，其他損失參照橋梁規(guī)范計(jì)算。

圖4 索塔錨固區(qū)試驗(yàn)方案(單位：cm)

靜載試驗(yàn)分析結(jié)果表明：

1)張拉U形筋后，在其小半徑處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，應(yīng)加強(qiáng)該處局部構(gòu)造。

2)橫橋向開(kāi)口的U形筋使得端塔壁和側(cè)塔壁受力更均衡，U形筋主要影響端塔壁，直線(xiàn)筋主要影響側(cè)塔壁。斜拉索水平力主要由預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)，混凝土塔壁承擔(dān)的拉索水平力很小，可作為安全儲(chǔ)備。預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)應(yīng)力值大小是錨固區(qū)安全性的控制因素。

3)索塔錨固區(qū)4個(gè)角部區(qū)域是縱橫向預(yù)應(yīng)力筋集中錨固的交匯處，應(yīng)力分布非常復(fù)雜，需增加普通鋼筋。同時(shí)端塔壁索孔出口面上方出現(xiàn)應(yīng)力集中，易出現(xiàn)裂縫。

4)錨固區(qū)超載情況下仍處于彈性工作狀態(tài)，其極限承載能力超過(guò)1.7倍設(shè)計(jì)索力荷載，環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)具有足夠的抗裂性和安全可靠性。

2 鋼混組合索塔錨固結(jié)構(gòu)

目前常見(jiàn)的鋼混組合錨固形式主要是鋼錨梁和鋼錨箱。前者為鋼錨固梁支撐于空心塔柱橫壁內(nèi)側(cè)，拉索通過(guò)預(yù)埋鋼管錨固于鋼錨梁兩端錨塊，后者則利用埋設(shè)于塔內(nèi)部的鋼錨箱錨固拉索，均可用于混凝土橋塔錨固區(qū)，只是因混凝土塔壁連接形式不同而造成索力分配不同。

2.1 鋼錨梁形式

白光亮，等[11]以舟山金塘大橋(620 m主跨的雙塔雙索面倒Y形塔斜拉橋)為工程背景進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，錨固區(qū)設(shè)計(jì)索力為800 t，材料采用C50混凝土，鋼錨梁采用Q345D，如圖5。

圖5 金塘大橋鋼混組合錨固區(qū)試驗(yàn)布置圖(單位：cm)

在加載工況上，模擬索塔錨固區(qū)在斜拉索設(shè)計(jì)索力、超載(1.7倍設(shè)計(jì)索力)和斷索下的三種受力情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)鋼牛腿與塔壁的PBL剪力鍵抗剪強(qiáng)度高，滑移量小，兩者完全共同工作。索孔出口面上方出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，易開(kāi)裂。

2)超過(guò)70%的索力水平分力由鋼錨梁承擔(dān)，混凝土側(cè)塔壁承擔(dān)較少。

3)鋼錨梁側(cè)板、底板及頂板主要受力，錨梁中部出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值；而直接承受索力作用的錨塊結(jié)構(gòu)，支撐板、擋板與錨梁底板的連接焊縫及腹板與錨梁側(cè)板連接的焊縫末端出現(xiàn)應(yīng)力集中；支撐板和擋板在豎向荷載作用下應(yīng)力相對(duì)較大，并控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。

4)鋼牛腿腹板兩側(cè)板承擔(dān)的荷載不平衡，并且腹板與壁板連接焊縫應(yīng)力較大。

5)錨固區(qū)加載至1.7倍設(shè)計(jì)索力荷載沒(méi)觀測(cè)到裂縫，證明是安全的。

2.2 鋼錨箱形式

劉德軍，等[12]以重慶嘉悅大橋(Y形雙索面矮塔斜拉橋)為工程背景，進(jìn)行內(nèi)置式鋼錨箱梁錨固結(jié)構(gòu)足尺模型試驗(yàn)，采用C60混凝土，最大設(shè)計(jì)索力為1 052 t，如圖6。鋼錨箱工廠分段制造，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)焊接在一起，每節(jié)段高均為1 618.7 mm。鋼錨箱與混凝土索塔的連接采用剪力件與貫穿鋼筋。通過(guò)足尺模型靜載試驗(yàn)和相應(yīng)有限元分析對(duì)其索塔錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 嘉悅大橋鋼混組合錨固區(qū)試驗(yàn)布置Fig.6 Layout of composite cable-pylon anchorage zone of Jiayue Bridge

加載工況按1倍及1.4倍設(shè)計(jì)索力兩種工況進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)索力水平分力主要由承壓板、剪力板與縱板的焊縫傳遞至縱板，因此沿索力方向承壓板與縱板焊縫處形成一個(gè)拉力帶。

2)鋼錨箱與混凝土塔壁的相對(duì)滑移值均很小，完全共同工作。

3)混凝土端塔壁索孔出口面上部及索孔內(nèi)表面拉應(yīng)力較大，容易開(kāi)裂。

4)索力基本上按剛度比由鋼錨箱結(jié)構(gòu)與混凝土塔壁共同承擔(dān)，分擔(dān)比例為40%和60%。

鋼錨箱側(cè)板和端板完全與塔壁連接，塔壁和鋼錨箱共同承擔(dān)荷載索力，因此傳至塔壁的索力豎向分力比較均勻，水平分力產(chǎn)生的塔壁水平拉應(yīng)力較大，容易開(kāi)裂。因此須采取措施提高塔壁抗裂性。

鋼錨梁只有端板與塔壁連接，只有通過(guò)端板傳遞豎向索力至混凝土塔壁，傳力均勻性較差，因剪力件分布密集，連接整體工作性強(qiáng)，共同承擔(dān)豎向荷載。鋼側(cè)板和混凝土塔壁分離導(dǎo)致鋼錨箱和塔壁的水平索力分配關(guān)系主要根據(jù)其剛度比例。砼塔壁因剛度小，其拉應(yīng)力顯著減小，不易開(kāi)裂，而鋼錨梁拉應(yīng)力明顯增大，故錨固梁形式受力明確，被法國(guó)諾曼底大橋和蘇通大橋采用。

將承載效率定義為最大索力荷載與材料費(fèi)(材料用量與其市場(chǎng)單價(jià)的乘積)的比值(最大索力荷載/材料費(fèi))，并作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，表1對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)形式的實(shí)橋主塔1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段錨固區(qū)承載效率進(jìn)行比較。由表1可見(jiàn)，3種形式承擔(dān)的索力均超過(guò)千噸，均能應(yīng)用于大跨斜拉橋。鋼錨固梁與鋼錨箱所用材料費(fèi)相差不大，但預(yù)應(yīng)力索塔錨固形式所用鋼材比兩者少很多，而與鋼材比，混凝土價(jià)格要低得多，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨固形式承載效率最高。

表1 不同錨固結(jié)構(gòu)承載效率對(duì)比

3 錨固結(jié)構(gòu)形式比較

通過(guò)對(duì)上述兩類(lèi)基本索塔錨固結(jié)構(gòu)形式的足尺模型試驗(yàn)，可得：

1)兩類(lèi)錨固形式均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固的最大應(yīng)力發(fā)生端塔壁索孔出口上方區(qū)域和U型筋小半徑處；鋼錨梁錨固最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁跨中位置；鋼錨箱錨固最不利位置在混凝土側(cè)塔壁。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些地方加以注意，各形式均適用于大跨砼塔斜拉橋。

2)錨固形式構(gòu)造難易情況。錨梁式構(gòu)造最復(fù)雜，環(huán)向預(yù)應(yīng)力構(gòu)造最簡(jiǎn)單，錨箱式介于兩者之間。鋼錨梁由鋼橫梁、鋼牛腿和剪力連接件組成；錨箱式構(gòu)造由側(cè)拉板、端部側(cè)壓板、錨墊板、剪力板、平臺(tái)、剪力鍵等組成。

3)傳力路徑。環(huán)預(yù)應(yīng)力錨固的傳力路徑是通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋先將水平預(yù)壓應(yīng)力施加給塔壁，而索力通過(guò)錨固齒塊傳遞給塔壁，實(shí)現(xiàn)了水平分力由預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)，索力豎向分力直接由混凝土塔壁向塔底傳遞，構(gòu)造簡(jiǎn)單；鋼混組合錨固形式將索力傳遞給鋼橫(箱)梁，然后通過(guò)剪力連接件傳遞給混凝土索塔，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。

4)索力水平分力分配關(guān)系。由于存在預(yù)壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力錨固形式混凝土塔壁分擔(dān)很少，主要是作為安全儲(chǔ)備；鋼錨梁形式側(cè)塔壁與鋼梁之間無(wú)聯(lián)系，混凝土分擔(dān)一小部分；鋼錨箱形式側(cè)塔壁與鋼梁之間有剪力鍵連接，混凝土分擔(dān)超過(guò)一半的水平分力。

5)應(yīng)力分布。幾種錨固形式都在混凝土塔索孔出口面上方的混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造中，U預(yù)應(yīng)力筋在小半徑處出現(xiàn)應(yīng)力集中；錨(箱)梁式構(gòu)造焊縫連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

6)承載效率。3種錨固形式均適用于大跨斜拉橋，預(yù)應(yīng)力索塔錨固形式承載效率最高，優(yōu)勢(shì)明顯。

7)針對(duì)各種錨固形式受力特點(diǎn)及出現(xiàn)拉應(yīng)力的位置，設(shè)計(jì)要點(diǎn)不同。預(yù)應(yīng)力錨固形式中預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，預(yù)應(yīng)力施工及有效預(yù)應(yīng)力值大小至關(guān)重要；鋼混組合錨固形式中鋼結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度和剪力鍵(牛腿)的抗剪能力是傳力的關(guān)鍵部位，需要特別關(guān)注。剪力連接件是將鋼梁與混凝土塔壁組合在一起共同工作的關(guān)鍵連接，其作用是承受混凝土塔壁與鋼梁之間的縱向剪力和彎矩。

8)主塔服役期的維護(hù)和檢查中，針對(duì)不同形式受力情況，需對(duì)關(guān)鍵構(gòu)造和部位進(jìn)行監(jiān)控。錨固結(jié)構(gòu)形式構(gòu)造復(fù)雜，制造工藝和制造成本會(huì)更高，且給運(yùn)營(yíng)檢查、維修造成困難，如錨箱式和錨梁式。預(yù)應(yīng)力錨固形式由于構(gòu)造簡(jiǎn)單，其制造和安裝成本相對(duì)要低，同時(shí)只要保證預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)，有效預(yù)應(yīng)力到達(dá)規(guī)范要求，后期維護(hù)成本較低，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

對(duì)大跨混凝土塔斜拉橋索塔錨固結(jié)構(gòu)的兩種基本形式——環(huán)向預(yù)應(yīng)力和鋼混組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)比較分析，重點(diǎn)討論了3種典型錨固形式的傳力機(jī)制、應(yīng)力分布、荷載分擔(dān)情況，得出如下結(jié)論：

1)兩類(lèi)結(jié)構(gòu)形式均適用于混凝土索塔錨固區(qū)，且各具特色。

2)鋼錨梁式板件較多，構(gòu)造最復(fù)雜，而環(huán)向預(yù)應(yīng)力構(gòu)造最簡(jiǎn)單，鋼錨箱式介于兩者之間。

3)環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固的傳力途徑是預(yù)應(yīng)力筋先將水平預(yù)壓應(yīng)力施加給塔壁，而索力水平力通過(guò)錨固齒板傳至塔壁；索力豎向力直接由塔壁向塔底傳遞。鋼混組合錨固形式將索力傳遞給鋼橫(箱)梁，然后通過(guò)剪力連接件傳遞給混凝土索塔。

4)3種索塔錨固形式中，混凝土塔壁分擔(dān)索力水平力分配關(guān)系不同：鋼錨箱形式分擔(dān)最多，超過(guò)1/2；鋼錨固梁混凝土分擔(dān)較少，少于1/2；環(huán)向預(yù)應(yīng)力形式混凝土塔壁基本不分擔(dān)。

5)提出承載效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，預(yù)應(yīng)力索塔錨固形式承載效率最高，優(yōu)勢(shì)明顯。

6)鋼混組合錨固形式構(gòu)造復(fù)雜，制造工藝和制造成本更高，而且給日后使用過(guò)程中的檢查、維修、更換造成不便。環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

7)橋塔設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，如材料供給、施工工藝以及后期橋梁維護(hù)和修復(fù)等，綜合考慮可行性、經(jīng)濟(jì)性等諸多指標(biāo)，選取合理的索塔錨固結(jié)構(gòu)形式。

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