陳 浩，郭凱強，卓為頂，劉 釗

(1. 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,南京 210017；2. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 211189；3. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,南京 211167)

矮塔斜拉橋作為一種介于連續(xù)梁橋和一般斜拉橋之間的組合體系橋梁[1]，具有索塔較矮、豎向剛度大、造型美觀等特點，是中等跨徑橋位(100～300 m)的經(jīng)濟(jì)橋型，在城際軌道交通領(lǐng)域已得到越來越多的應(yīng)用。

與一般斜拉橋相比，由于矮塔斜拉橋的塔上索間距較小，會在塔上設(shè)置轉(zhuǎn)向鞍座，拉索連續(xù)貫通索塔的鞍座錨固區(qū)。根據(jù)拉索鋼絞線在索塔錨固區(qū)的布置形式，鞍座錨固構(gòu)造可以分為內(nèi)外管式和分絲管式這兩種類型。內(nèi)外管式鞍座由2層鋼管組成[2]，內(nèi)層鋼管供鋼絞線整體穿過，拉索張拉后灌注高強環(huán)氧砂漿實現(xiàn)抗滑移效果，外層鋼管為預(yù)留孔道。內(nèi)外管式鞍座存在諸多缺點，如鋼管間接觸面積較小導(dǎo)致局部應(yīng)力集中、鋼絞線相互擠壓使索力不均勻分布以及換索較困難等，所以內(nèi)外管式鞍座在早期建造的矮塔斜拉橋中應(yīng)用較多[3-4]。分絲管式鞍座[5]由若干個平行的導(dǎo)向鋼管組焊而成，鋼絞線逐根通過相應(yīng)的導(dǎo)向鋼管，并在鞍座一端設(shè)置抗滑移裝置，具有張拉效率高、受力均勻、抗滑穩(wěn)定以及換索方便等優(yōu)點，近年來在許多矮塔斜拉橋中得到應(yīng)用[6-7]。此外，有不少學(xué)者對矮塔斜拉橋不同的鞍座類型進(jìn)行模型試驗研究[8-10]，探討這兩種錨固形式的受力特點。本文以寧句城際矮塔斜拉橋為工程背景，對軌道交通矮塔斜拉橋的鞍座區(qū)錨固形式及張拉控制進(jìn)行研究。

1 寧句城際矮塔斜拉橋及其拉索錨固體系

1.1 工程概況

寧句城際軌道交通工程線路起于南京東部綜合換乘樞紐馬群站，終點位于南沿江高鐵句容站。其中，矮塔斜拉橋位于南京江寧區(qū)青龍山東側(cè)，跨越S122省道和湯泉西路，跨徑布置為(90+160+90)m，采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)形式。橋面以上塔高為25.8 m，有效塔跨比1/8，主梁截面類型為單箱雙室直腹板變高度箱梁，采用C55混凝土，箱梁頂面寬為12.0 m，底面寬為8.5 m，斜拉索采用箱內(nèi)錨固形式。其設(shè)計速度為120 km/h，設(shè)計荷載為地鐵B型車、6節(jié)編組。主橋結(jié)構(gòu)總體布置如圖1所示。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)總體布置(單位：m)

1.2 拉索錨固體系

該橋采用平行鋼絞線拉索及錨固體系，拉索的張拉端分別設(shè)在中跨、邊跨混凝土箱梁內(nèi)，在塔上穿過分絲管索鞍構(gòu)造。鋼絞線斜拉索規(guī)格有2種：37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm，塔上索鞍區(qū)設(shè)平行導(dǎo)向鋼管束。拉索錨具包含保護(hù)罩、索箍、單根可換式抗滑裝置、減震裝置、防腐材料、防水罩及傳統(tǒng)錨具零部件。保護(hù)罩內(nèi)噴涂油性蠟，密封筒內(nèi)填充油性蠟，拉索自由段防護(hù)采用高密度聚乙烯(HDPE)護(hù)套。矮塔斜拉橋的拉索錨固體系如圖2所示；分絲管鞍座錨固構(gòu)造如圖3所示。由于該拉索體系的限位通過組裝式抗滑裝置，改進(jìn)了以往在套筒口灌漿的做法，為運營后期拆解及更換斜拉索提供便利。

圖2 矮塔斜拉橋的拉索錨固體系

圖3 分絲管鞍座錨固構(gòu)造

1.3 索鞍區(qū)的抗滑錨固裝置

本工程中采用的索鞍抗滑錨固裝置由抗滑鍵、抗滑插片、塔端錨固筒以及抗滑螺母等組成?？够b置安裝在索鞍的邊跨一側(cè)，抗滑鍵設(shè)置在無黏結(jié)鋼絞線護(hù)套內(nèi)，抗滑裝置安裝示意如圖4所示。采用單側(cè)雙向抗滑裝置可滿足各根鋼絞線的可更換性。

抗滑裝置安裝步驟為：①將抗滑插片逐片由上至下插入鋼絞線間隙中，如圖4(a)所示；②將錨固筒往塔端分絲管上推，一直推到靠近鋼墊板，并用螺桿將其與鋼墊板連接、扭緊；③安裝抗滑螺母，將螺母旋入錨固筒中，直至螺母頂?shù)娇够迤?，達(dá)到設(shè)計頂緊力為止。

(a) 抗滑插片插入鋼絞線間隙

2 分絲管索鞍的基本抗滑能力

斜拉索通常在張拉完成后才進(jìn)行抗滑裝置的安裝，發(fā)揮其雙向抗滑功能。然而，在斜拉索的張拉施工過程中，當(dāng)不考慮抗滑鍵時，主塔鞍座斜拉索的抗滑移能力主要由鋼絞線與分絲管之間的摩擦力提供，若索鞍兩側(cè)斜拉索索力差超過二者之間摩擦力，即發(fā)生滑移。索鞍兩側(cè)索力差分析模型如圖5所示，圖中F為平衡索力，ΔF為一側(cè)增加的索力，f為圓弧面上的均布摩擦力。允許索力差計算公式[11]為

圖5 索鞍兩側(cè)索力差分析模型

ΔF=F·(eμα-1)

(1)

式中，μ為摩擦系數(shù)，α為拉索在索塔中的轉(zhuǎn)向角。

由式(1)可知，允許索力差隨索力、摩擦系數(shù)以及拉索轉(zhuǎn)向角的減小而減小。根據(jù)式(1)計算本工程中斜拉索在不考慮抗滑鍵情況下的允許索力差，摩擦系數(shù)取0.06[12]，施工階段索力差匯總?cè)绫?所示。由表1可知，施工階段的實際索力差均小于允許索力差。

表1 施工階段索力差匯總

3 索力張拉均勻性控制

3.1 控制原理

鋼絞線群錨拉索，采用逐根鋼絞線張拉的方式，每根鋼絞線張拉后都會使主梁產(chǎn)生向上的位移，導(dǎo)致前面已張拉鋼絞線應(yīng)力減小，逐根張拉鋼絞線時的索力均勻性控制如圖6所示。

圖6 逐根張拉鋼絞線時的索力均勻性控制

由于塔身為混凝土結(jié)構(gòu)，其體積也較大，矮塔斜拉橋中的斜拉索張拉力與混凝土橋塔的自重相比較小，可認(rèn)為拉索張拉力變化過程中塔身為完全剛性。若每根鋼絞線采用相同的張拉力，由于誤差逐漸累積，會使最終索力低于指定索力。斜拉索變形示意如圖7所示。

圖7 斜拉索變形示意

根據(jù)圖7分析可得，主梁豎向位移與斜拉索變形量之間的關(guān)系為

Δs=Δ·sinθ

(2)

式中，Δ為通過結(jié)構(gòu)分析或現(xiàn)場量測得到的主梁變形值；θ為斜拉索與主梁之間的夾角。

根據(jù)每根斜拉索內(nèi)鋼絞線的根數(shù)為n，索力為F，每根鋼絞線的平均張拉力即為fs=F/n，此時每根鋼絞線的長度為L，假定每根鋼絞線張拉后引起前一根已張拉鋼絞線的二次變形量為

δs=Δs/(n-1)

(3)

對應(yīng)的前一根已張拉鋼絞線的應(yīng)力減小為

σs=Es·δs/L

(4)

式中，Es為鋼絞線彈性模量；L為張拉完成后每根鋼絞線的長度，同時也是斜拉索從索鞍到梁上錨固端的長度。

每根鋼絞線的截面積為As，聯(lián)立式(2)～式(4)可得逐根張拉時每根鋼絞線的實際張拉力為

(5)

3.2 張拉均勻性控制

寧句城際矮塔斜拉橋為雙塔單索面，共28對斜拉索，斜拉索由37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm鋼絞線組成。當(dāng)采用逐根張拉工藝時，根據(jù)3.1節(jié)的分析方法，可以得到各根斜拉索內(nèi)鋼絞線拉力的不均勻程度。計算表明，靠近主塔的、較短的拉索，鋼絞線張拉過程中的相互影響較??；較長的拉索，鋼絞線張拉過程中的相互影響較大，即各根鋼絞線的張拉力不均勻性較大。其中，最短斜拉索C1在進(jìn)行逐根張拉時，第一根鋼絞線的最大應(yīng)力損失為3%；最長斜拉索C7在逐根張拉時，第一根鋼絞線的最大應(yīng)力損失為9%。

因此，建議在索力張拉時，先利用式(5)計算出每根鋼絞線的實際張拉力，再結(jié)合鋼絞線應(yīng)力、變形以及主梁標(biāo)高的實測值進(jìn)行多重控制，達(dá)到拉索受力均勻的目的。

4 結(jié)語

(1) 以寧句城際軌道交通工程線路中的矮塔斜拉橋為工程背景，闡述了矮塔斜拉橋的鞍座錨固構(gòu)造及其發(fā)展，介紹了塔上鞍座區(qū)分絲管錨固構(gòu)造以及單側(cè)雙向抗滑裝置的特點，研究并分析了拉索的可更換性。

(2) 無抗滑鍵情形下，給出由索鞍區(qū)分絲管摩阻引起的索力差計算方法。

(3) 針對采用逐根張拉方式的鋼絞線群錨拉索，以控制各根鋼絞線內(nèi)力均勻性為原則，給出依次張拉各根鋼絞線的索力值計算方法，并建議在施工過程中進(jìn)行索力張拉時，應(yīng)根據(jù)鋼絞線應(yīng)力、變形以及主梁標(biāo)高的實測值進(jìn)行張拉力均勻性控制。