韓金豹

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，它具有斜拉橋的形式，但在塔高、結(jié)構(gòu)尺寸比例、布索和受力性能等方面又與常規(guī)斜拉橋有明顯的差別[1]。根據(jù)其受力性能，矮塔斜拉橋可分為剛性梁和柔性梁兩類，剛性梁矮塔斜拉橋必須采用較大剛度的主梁，斜拉索僅起到體外預(yù)應(yīng)力的作用；柔性梁矮塔斜拉橋由于主梁剛度較小，必須采用較強(qiáng)的索塔和斜拉索，方可保證其具有足夠的剛度。

索、塔錨固區(qū)是將斜拉索索力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要結(jié)構(gòu)，錨固形式的選擇與索塔形式、斜拉索的布置形式、斜拉索數(shù)量、索距、索力大小等因素有關(guān)[2]。目前工程中常用的索、塔錨固區(qū)形式主要有預(yù)應(yīng)力式、鋼錨箱式、鋼錨梁式、交叉錨固式和鞍座式5種[3]。傳統(tǒng)鋼錨箱式是在鋼錨梁式基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，大多采用沿索塔軸線分節(jié)段預(yù)制、分節(jié)段安裝的非整體式，其索、塔錨固點(diǎn)沿索塔軸向布置，豎向間距較大、布置分散，對(duì)于橋面以上索塔高度受限的矮塔斜拉橋，其斜拉索傾角偏小、使用效率較低，且施工工藝復(fù)雜，安裝精度較難保證[4]。

整體式鋼錨箱可將斜拉索集中錨固在塔頂，增大斜拉索的豎向傾角，以提高其使用效率；而且鋼錨箱整體受力，其正常使用性能和抗疲勞性更優(yōu)；同時(shí)整體式鋼錨箱可采用整體加工、整體吊裝的施工方案，施工更方便、快捷，施工質(zhì)量更容易控制，已普遍應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 工程概況

榕江特大橋是廣東省潮州至惠州高速公路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程。本橋?yàn)殡p塔雙索面柔性梁矮塔斜拉橋，中跨和次邊跨采用流線型扁平封閉鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，鋼混結(jié)合點(diǎn)設(shè)置在輔助墩墩頂處。全橋采用半漂浮體系，其跨徑組合為60 m+70 m+380 m+70 m+60 m，橋梁全長(zhǎng)640 m，橋面寬38.7 m，橋塔采用門式框架索塔。

全橋共96根斜拉索，輻射形布置，在塔頂通過整體式鋼錨箱集中錨固。

2 鋼錨箱方案設(shè)計(jì)

2.1 方案構(gòu)思

榕江特大橋靠近榕江出?？冢峡玳沤?guī)劃通航萬噸海輪航道，其通航凈空抬高了主梁標(biāo)高；同時(shí)橋址位于揭陽潮汕機(jī)場(chǎng)障礙物限制面內(nèi)，主塔高度受限，橋面以上索塔高為51.1 m。

受此限制，本橋巧妙地采用塔頂整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，見圖1，該錨固方式提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時(shí)減小了拉索水平分力，改善主梁受力。

2.2 總體設(shè)計(jì)

該整體式鋼錨箱高6.0 m，順橋向長(zhǎng)4.7 m，橫橋向?qū)挾?.36 m，整個(gè)錨室質(zhì)量約85 t，采用整體一次吊裝；其由腹板、端板、底板、斜拉索錨箱、錨固結(jié)構(gòu)及預(yù)埋定位架組成，為全焊接結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2；鋼錨箱錨室的數(shù)量與尺寸由斜拉索的數(shù)量和受力需要確定，其橫橋向分為3個(gè)箱室，每個(gè)箱室對(duì)稱錨固4對(duì)斜拉索，3個(gè)錨室共錨固12對(duì)斜拉索。

圖1 整體鋼錨箱總體設(shè)計(jì)圖

圖2 整體鋼錨箱立面圖(單位：mm)

鋼錨箱通過在底板張拉預(yù)應(yīng)力鋼螺桿的方式與混凝土塔柱相連，如圖1，錨固螺桿頂部設(shè)置鋼盒結(jié)構(gòu)、底部設(shè)置鋼錨梁以加強(qiáng)連接；預(yù)應(yīng)力鋼螺桿的配置按正常使用、斷索(或者換索)、地震等工況下保持索塔鋼錨室不傾覆的原則考慮，共設(shè)置16根直徑70 mm鋼螺桿，單根張拉力1 600 kN。

斜拉索錨箱由錨墊板、承壓板、傳力腹板及加勁板構(gòu)成，斜拉索橫向角度通過錨墊板橫向厚度差調(diào)節(jié)。

2.3 整體式鋼錨箱的特點(diǎn)

1) 鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜、受力集中，且承受荷載較大，是本橋設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)中須對(duì)各構(gòu)件的受力性能進(jìn)行研究，并據(jù)此確定合理構(gòu)造。

2) 鋼錨箱底部混凝土密實(shí)度和平整度直接影響塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，須根據(jù)其受力性能確定合理施工方案，確保施工質(zhì)量滿足要求。

3) 鋼錨箱為全焊結(jié)構(gòu)，焊縫數(shù)量大，焊后整個(gè)構(gòu)件殘余應(yīng)力大，須采取措施對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。

3 鋼錨箱受力性能分析

3.1 計(jì)算模型

采用大型空間有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析，計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致，鋼錨箱下方模擬6 m高混凝土塔柱。鋼結(jié)構(gòu)部分采用shell 63單元模擬，混凝土單元使用Solid 45單元模擬，錨箱底板與下部混凝土通過接觸進(jìn)行模擬。模型共包括158 196個(gè)單元，160 411個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型見圖3。

圖3 鋼錨箱有限元模型

3.2 荷載工況及計(jì)算結(jié)果

主要分析以下2個(gè)荷載工況。工況一，最大包絡(luò)索力工況；工況二，最不利斷索工況(S12斷索)。

3.2.1工況一

最大包絡(luò)索力工況下，腹板、鋼盒、錨箱鋼底板，混凝土塔柱頂部的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

1) 鋼錨箱腹板應(yīng)力。從腹板應(yīng)力云圖容易看出，錨室腹板的應(yīng)力水平較低，平均應(yīng)力為70 MPa，只有在拉索錨箱與腹板連接的局部區(qū)域應(yīng)力較大，該區(qū)域應(yīng)力最大為180 MPa，見圖4a)。因此，宜優(yōu)化3個(gè)箱室的拉索錨箱的布置，以改善腹板受力。

2) 拉索錨箱應(yīng)力。從拉索錨箱應(yīng)力云圖可以看出，拉索錨箱承壓板之外部分的應(yīng)力水平不高，平均應(yīng)力小于70 MPa，承壓板的應(yīng)力水平稍大，平均應(yīng)力為120 MPa，其與傳力腹板的連接區(qū)域應(yīng)力最大，為185 MPa，見圖4b)，鑒于此，設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)增加承壓板厚度，以降低其應(yīng)力水平。

3) 鋼錨箱底板應(yīng)力。從鋼錨箱底板應(yīng)力云圖容易看出，承壓板的應(yīng)力水平不高，平均應(yīng)力小于60 MPa；但承壓板與腹板連接區(qū)域的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力170 MPa，見圖4c)。

4) 混凝土塔柱頂部應(yīng)力。由圖4d)可見，混凝土塔柱頂大部分區(qū)域主拉應(yīng)力均小于ftk=2.65 MPa，在人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，最大應(yīng)為為5.6 MPa，分布較淺；混凝土塔柱主壓應(yīng)力最大12.0 MPa，小于fck=32.4 MPa[5]。

5) 鋼錨箱穩(wěn)定性分析。在最大包絡(luò)索力工況下，鋼錨箱一階穩(wěn)定系數(shù)18.036，二階穩(wěn)定系數(shù)19.082，兩階失穩(wěn)形態(tài)接近，最大變形均發(fā)生在鋼錨箱邊腹板人洞附近，設(shè)計(jì)中須引起重視，應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加勁處理。

3.2.2工況二

經(jīng)過分析，在最不利斷索工況(S12斷索)下，鋼錨箱變形、應(yīng)力、穩(wěn)定性及混凝土塔柱頂部應(yīng)力較工況一偏不利，2個(gè)工況結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 工況一與工況二計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由以上結(jié)果容易得出鋼錨箱的受力特點(diǎn)如下。

1) 鋼錨箱最大變形發(fā)生在腹板頂部，一階失穩(wěn)模態(tài)中最大變形發(fā)生在邊腹板人洞附近。

2) 鋼錨箱各部件平均應(yīng)力水平較低，但焊縫、局部承壓部位、角隅和構(gòu)造突變部位應(yīng)力水平較高。

3) 混凝土塔柱頂部大部分區(qū)域應(yīng)力水平小于開裂應(yīng)力，但人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)引起重視。

4 構(gòu)造優(yōu)化措施

為確保鋼錨箱受力安全，應(yīng)根據(jù)其受力性能對(duì)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)整和局部?jī)?yōu)化，以改善鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力。

4.1 增設(shè)預(yù)埋定位架

鑒于塔頂受力集中，且局部應(yīng)力較大，本項(xiàng)目在鋼錨箱底設(shè)置預(yù)埋定位架，以保證斜拉索索力更均勻地傳遞給塔柱，改善塔頂局部受力。

預(yù)埋定位架由頂板、PBL板和連接板組成，見圖1、圖5，其在塔頂混凝土澆筑前進(jìn)行預(yù)埋，定位架頂板頂面與塔柱頂平齊，且與鋼錨箱底板密貼，頂板設(shè)置混凝土澆筑孔和出氣孔，方便混凝土澆筑。

圖5 定位架頂板平面示意圖(單位：mm)

此外，增設(shè)定位架同時(shí)可以輔助鋼錨箱定位，確保其安裝精度。

4.2 優(yōu)化斜拉索錨頭布置

為改善鋼錨箱腹板與拉索錨箱焊接質(zhì)量和焊縫應(yīng)力，防止鋼錨箱腹板局部應(yīng)力集中，同一箱室錨頭的豎間距調(diào)大至1.3～1.5 m，相鄰錨室的斜拉索錨頭在豎向和水平向錯(cuò)位50 cm布置。

經(jīng)對(duì)比計(jì)算，相鄰錨室的斜拉索錨頭在空間錯(cuò)位布置后，拉索錨箱與鋼錨箱腹板焊接部位局部應(yīng)力得到明顯改善，最大下降40～50 MPa。

4.3 局部構(gòu)造優(yōu)化

1) 根據(jù)鋼錨箱變形情況和一階失穩(wěn)模態(tài)，設(shè)計(jì)中在邊腹板外側(cè)設(shè)置加勁板肋，在腹板人洞附近增設(shè)加勁環(huán)板，以防止局部失穩(wěn)。

2) 鑒于錨箱腹板局部承壓在底板上，兩者連接區(qū)域應(yīng)力水平較高，錨箱腹板底部應(yīng)磨光頂緊在底板上，并采取措施確保兩者焊縫質(zhì)量。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

方案設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果改進(jìn)鋼錨箱施工方案，并采取輔助措施以改善鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力。

5.1 塔頂混凝土后壓降施工

鋼錨箱底部混凝土密實(shí)度影響到塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，涉及結(jié)構(gòu)安全。塔柱頂部混凝土澆注施工時(shí)，在定位架頂板底預(yù)留5～10 cm高度的孔隙進(jìn)行后壓漿施工，以確保該部分混凝土的密實(shí)，防止局部應(yīng)力集中。

施工時(shí)，預(yù)留空隙一次壓注完成，具體步驟如下：水泥漿準(zhǔn)備→打開各出漿孔，用循環(huán)清水將預(yù)留空隙清洗干凈→開始?jí)簼{，水泥漿的壓力控制在0.4～0.6 MPa→依次打開各出漿孔，檢驗(yàn)出漿孔漿液，當(dāng)流出漿液和壓漿液質(zhì)量相同時(shí)，依次關(guān)閉出漿孔→壓漿完成后進(jìn)行穩(wěn)壓操作→壓漿結(jié)束后，覆蓋土工布進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

為確保該方案可行，施工前進(jìn)行了壓漿模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及壓漿效果見圖6；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，后壓漿方案可確保鋼錨箱底混凝土密實(shí)度滿足要求。

圖6 壓漿模擬試驗(yàn)

5.2 焊縫殘余應(yīng)力調(diào)整措施

鋼錨箱采用鋼板較厚，結(jié)構(gòu)焊縫尺寸較大，且焊縫較密集，焊接后整個(gè)構(gòu)件處于較復(fù)雜的高殘余應(yīng)力的狀態(tài)；為降低鋼錨箱的焊接殘余應(yīng)力，提高其抗疲勞性能，本項(xiàng)目先后采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動(dòng)時(shí)效工藝”對(duì)鋼錨箱進(jìn)行后處理。

1) 超聲沖擊工藝。超聲沖擊作為新工藝已開始應(yīng)用在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，該工藝可有效降低殘余拉應(yīng)力的峰值，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，防止焊縫受力裂紋及疲勞裂紋的萌生，提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度及壽命。

本項(xiàng)目主要對(duì)鋼錨箱腹板與底板焊縫、腹板與拉索錨箱傳力腹板的焊縫進(jìn)行超聲沖擊。超聲沖擊時(shí)，沖擊針的振蕩頻率不小于20 kHz，沖擊的振蕩幅度不小于50 μm。

2) 整體振動(dòng)時(shí)效工藝。該工藝主要通過振動(dòng)時(shí)效方法降低、均化鋼結(jié)構(gòu)焊縫殘余應(yīng)力，提高焊縫疲勞壽命。振動(dòng)時(shí)效效果的關(guān)鍵是有足夠的動(dòng)應(yīng)力使構(gòu)件在應(yīng)力峰值區(qū)產(chǎn)生蠕變，使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格一定程度地恢復(fù)平衡狀態(tài)，該工藝對(duì)大噸位、高剛度箱體構(gòu)件有明顯的工藝效果。

針對(duì)本項(xiàng)目大噸位、高剛度鋼錨箱，應(yīng)采用大激振力、低階亞共振的振動(dòng)方法，振動(dòng)時(shí)效工藝實(shí)施步驟為：振前應(yīng)力測(cè)試→選擇支撐點(diǎn)、拾振點(diǎn)→主振時(shí)效共振→分頻共振→振后應(yīng)力測(cè)試→效果評(píng)定。

3) 效果評(píng)定。根據(jù)2種工藝處理前后應(yīng)力應(yīng)力測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①超聲沖擊可明顯降低殘余拉應(yīng)力的峰值，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，1號(hào)鋼錨箱焊縫應(yīng)力最大降低61.3%；②未進(jìn)行超聲沖擊的測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)時(shí)效可明顯降低焊縫應(yīng)力，1號(hào)鋼錨箱焊縫應(yīng)力最大降低43.2%，應(yīng)力均化效果較明顯；③經(jīng)過超聲沖擊的焊縫再經(jīng)振動(dòng)時(shí)效工藝處理后，應(yīng)力有少許降低，其降低平均幅值為14%，應(yīng)力水平更趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1) 整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時(shí)減小了拉索水平分力，改善了主梁受力。

2) 整體式鋼錨箱各部件平均應(yīng)力水平較低，局部區(qū)域應(yīng)力較高，應(yīng)根據(jù)受力情況調(diào)整和優(yōu)化局部構(gòu)造，例如拉索錨頭錯(cuò)位布置、增設(shè)定位架等。

3) 塔柱頂部人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，施工中應(yīng)采取后壓漿等措施保證該部分混凝土密實(shí)度和平整度，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并加強(qiáng)該部位配筋設(shè)計(jì)，降低混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動(dòng)時(shí)效工藝”對(duì)鋼錨箱進(jìn)行后處理，焊縫應(yīng)力得到明顯降低和均化，取得良好的效果。

[1] 何新平.矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)[J]．公路交通科技,2004，21(4)：66-69.

[2] 公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/T D65-01-2007[S].北京：人民交通出版社,2007.

[3] 李福鼎.斜拉橋索塔分離式斜置鋼錨箱受力分析[J]．橋梁建設(shè),2016，46(1)：88-93.

[4] 李龍輝.斜拉橋索塔整體式鋼錨箱疲勞性能研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2016.

[5] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004.