斜拉橋拉索錨固體系研究現(xiàn)狀與展望

靳衛(wèi)準(zhǔn)

華北水利水電大學(xué)（450011）

斜拉橋拉索錨固體系研究現(xiàn)狀與展望

靳衛(wèi)準(zhǔn)

華北水利水電大學(xué)（450011）

斜拉橋因其跨越能力大，橋身外形美觀而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著斜拉橋數(shù)量的增多，其在人們生活中的重要程度也越來越大，因此對斜拉橋的安全性與耐久性的要求也越高，而斜拉橋中拉索的錨固是影響橋的使用壽命與安全的重要因素。從斜拉橋拉索錨固入手，主要介紹了索塔錨固系統(tǒng)和索梁錨固系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、分類以及拉索錨固中亟待解決的問題，以期讓人們對斜拉橋拉索錨固系統(tǒng)有初步的認識。

斜拉橋；索塔錨固；索梁錨固；安全性

0 概述

斜拉橋是一種由索塔、主梁、斜拉索三種基本構(gòu)件組成并共同承受力的結(jié)構(gòu)體系，其中塔主要承受壓彎為主，主梁主要承擔(dān)軸向壓力，斜拉索則為典型的受拉構(gòu)件。由于斜拉橋的這種結(jié)構(gòu)體系，使得各個基本構(gòu)件的受力合理，從而能顯著提高跨越能力，比梁式橋的跨越能力大。而且造型各異，外形美觀，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的實際應(yīng)用。

斜拉索錨固系統(tǒng)由索塔錨固系統(tǒng)和索梁錨固系統(tǒng)兩部分組成,能夠?qū)⒗鞯木植考辛Π踩?、均勻地傳遞到塔柱和主梁全截面上。由于錨固區(qū)承受了較大的集中力，使得錨固區(qū)具有比較復(fù)雜的構(gòu)造形式和受力狀態(tài)，這成為控制設(shè)計中非常關(guān)鍵的部位，因此錨固區(qū)結(jié)構(gòu)是否安全可靠，將直接影響到整個斜拉橋的安全性能。

1 索塔錨固系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

索塔錨固區(qū)能將拉索的局部集中力安全有效、均勻地傳遞到塔柱的整個截面上，由于拉索強大集中力作用的存在，使得錨固區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在。如何改善索塔錨固結(jié)構(gòu)受力性能，優(yōu)化錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造成為斜拉橋設(shè)計與施工中的關(guān)鍵問題。

早期斜拉橋索塔多采用鋼塔的形式，斜拉索與鋼塔的錨固方式主要有[1]:1）大截面斜索鞍座形式；2）小截面斜索鞍座形式；3）錨固梁形式；4）支承板形式；5）鉸接錨固形式。近年來，新建斜拉橋大多采用了混凝土主塔。這是由于主塔是以受壓為主的壓彎受力構(gòu)件，使用混凝土材料可以充分發(fā)揮出抗壓能力強的優(yōu)點,而且混凝土加工成型簡便靈活，有利于主塔軸線偏差的調(diào)節(jié)修正和施工控制，并且在造價和后期養(yǎng)護方面具有優(yōu)勢。目前，工程中常用的混凝土索塔錨固區(qū)形式主要有預(yù)應(yīng)力式、鋼錨箱式、鋼錨梁式和鞍座式四種錨固形式。

1.1 預(yù)應(yīng)力式錨固形式

20世紀(jì)90年代后,斜拉橋的跨徑和斜拉索的噸位都在不斷增加，這期間我國大部分斜拉橋都采用預(yù)應(yīng)力式索塔錨固形式。斜拉索穿過塔壁錨固在混凝土齒塊上,通過齒塊均勻地將荷載傳遞至塔壁；塔壁在受到拉索作用后局部會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，甚至可能出現(xiàn)開裂,為減小或者抵消這種效應(yīng)，沿塔壁四周設(shè)置井字形或U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束。按照預(yù)應(yīng)力束布置方式的不同，預(yù)應(yīng)力式索塔錨固方式分為以下三種:

1）扣合式U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置方式[2]。這種錨固形式按照U形的開口方向不同可分為順橋向開口式和橫橋向開口式。順橋向開口式是指將斜拉索錨固在橋塔順橋向側(cè),在拉索水平索力的作用下，順橋向倒角處將出現(xiàn)極大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，易于在該處產(chǎn)生初始裂縫；而橫橋向開口式的U形預(yù)應(yīng)力的曲率半徑大于順橋向U形索，使得預(yù)應(yīng)力的布置及張拉變得簡便。

2）雙向井字形直線或曲線布索布置方式[3]。井字形環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固在混凝土塔壁的四個角點上，預(yù)應(yīng)力材料一般采用精軋螺紋粗鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線，如金馬大橋、武漢白沙洲大橋等。

3）混合型布束方式[4]。這種方式是采用直線形與U形束混合搭配布置，但該方式使得空間布置比較復(fù)雜，混凝土塔壁厚度增大，如閔浦二橋、楊浦大橋等。

1.2 鋼錨箱式錨固形式

鋼錨箱錨固形式是由鋼索塔及主梁錨固橫梁發(fā)展來的新的錨固構(gòu)造形式，其通過可靠地連接方式將鋼錨箱與橋塔固結(jié)，使鋼錨箱和混凝土塔壁共同受力。鋼錨梁的錨板直接承受斜拉索傳來的巨大荷載，并將荷載擴散至鋼錨箱。斜拉索的水平分量由鋼錨箱和混凝土共同承擔(dān)，豎向分量通過連接鍵傳遞給橋塔承擔(dān)，這種結(jié)構(gòu)形式的特點非常適用于拉索噸位大、空間雙索面布置的大跨徑斜拉橋，具有優(yōu)秀的承載能力。

典型的鋼錨箱結(jié)構(gòu)[5]是由側(cè)板、端板、橫隔板、錨墊板、承壓板、支承板等焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)。錨墊板和承壓板是用來錨固斜拉索的構(gòu)造，其通過支承板與側(cè)板相連，而端板（或側(cè)板）則通過剪力釘?shù)冗B接鍵與塔壁相連。鋼錨箱中承擔(dān)拉索的水平分力的主要是側(cè)板；側(cè)板下部設(shè)有橫隔板，橫隔板既有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又形成一個工作平臺便于張拉施工；另外鋼錨箱通常上下連接，便于準(zhǔn)確定位，同時也分擔(dān)了部分豎向力。

1.3 鋼錨梁式錨固形式

鋼錨梁式錨固體系主要由鋼錨梁、牛腿和限位裝置構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)是將鋼板焊接成的錨固梁沿順橋向至于混凝土塔壁內(nèi)側(cè)的牛腿上，拉索在鋼錨梁兩端凸起的錨墊板上錨固。一般情況下，鋼錨梁的錨墊板直接承受斜拉索錨頭傳來的索力；斜拉索的豎向分量由鋼錨梁傳遞給牛腿，再由牛腿擴散至塔壁承擔(dān)。

鋼錨梁本身是一個獨立且穩(wěn)定的構(gòu)件，鋼錨梁與塔壁牛腿之間一般采用滑動連接[6]。對于采用鋼錨梁與塔壁牛腿滑動連接方式的斜拉橋，其恒載索力的水平分量一般由鋼梁自身承擔(dān)，塔壁承擔(dān)的水平分量很小,能有效的提高索塔錨固區(qū)的抗裂性能。為了使鋼錨梁更好地與塔壁共同受力，可采用鋼錨梁與塔壁固定連接方式的斜拉橋，共同承擔(dān)拉索水平力，此時鋼錨梁能夠與塔壁共同受力，但混凝土塔壁受到的水平力比較高。為此可以采用先滑動后固結(jié)的鏈接方式，即張拉前鋼錨梁一端固定一端滑動，張拉后改為兩端固定，這樣恒載作用下的水平索力主要由鋼錨梁自身承擔(dān)，活載的水平分力由鋼錨梁和混凝土塔壁共同承擔(dān)，能夠有效地減小混凝土開裂的風(fēng)險。

1.4 鞍座式錨固形式

鞍座式索塔錨固區(qū)在矮塔斜拉橋中有廣泛的應(yīng)用，但在常規(guī)斜拉橋中的應(yīng)用較少[7]。按照錨固區(qū)斜拉索鋼絞線布置形式的不同，可以分為套管式和分絲管式兩種類型。

套管式一般有兩種形式，分別為單套管式和雙套管式。單套管式只有一層鋼套管預(yù)埋于混凝土橋塔中，鋼絞線整捆穿過鋼套管，在張拉結(jié)束后對套管灌注環(huán)氧砂漿。這種錨固方式的最大缺點是極難進行斜拉索的更換，其使用量極少。雙套管式鞍座是由兩層套管組成，外層鋼管作為預(yù)留孔道，拉索整體或單根穿過內(nèi)層套管后灌注高強環(huán)氧砂漿，同時在鞍孔出口處用高強環(huán)氧砂漿做成抗滑移裝置。雙管式鞍座在早期的矮塔斜拉橋中得到了較多的應(yīng)用。為了克服套管式鞍座錨固系統(tǒng)的缺點，近年來發(fā)明了分絲管式鞍座錨固系統(tǒng)，并得到廣泛的應(yīng)用[8]。分絲管由多個平行的導(dǎo)向鋼管焊接在一起，將分絲管焊接成束或采用限位板連接，拉索采用每根鋼絞線通過相應(yīng)的導(dǎo)向鋼管，形成互不干擾的分離式布置形式，避免了鋼絞線由于張拉順序的不同造成的擠壓。

2 索梁錨固系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力結(jié)構(gòu)很復(fù)雜[9]，要求錨固區(qū)不僅要保證結(jié)構(gòu)的安全性，更要便于養(yǎng)護和更換斜拉索。索梁錨固區(qū)設(shè)計遵循的原則有[10]:

1）方便拉索檢查、維護和更換；2）能簡便地將索力傳遞到主梁全截面,避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，使主梁受力盡量明確；3）確保連接可靠，力線傳遞流暢；4）最大限度減少拉索預(yù)留構(gòu)造對主梁的削弱及主肋的切斷；5）錨固點設(shè)有橫梁或橫隔板等構(gòu)造以平衡垂直分力；6）錨固點附近的橋面板、底板和腹板等為防止局部破壞，應(yīng)適當(dāng)加強。

目前，我國大跨度鋼箱梁斜拉橋中通常的索梁錨固型式主要有四種:錨箱式錨固形式、耳板式錨固形式、錨管式錨固形式、錨拉板式錨固形式[11，12]。

2.1 錨箱式錨固形式

錨箱式錨固形式首先固定錨固梁，主梁外伸出的牛腿也可作為錨固梁，然后將主梁與錨固梁采用焊接或高強螺栓的方式連接，斜拉索與錨固梁錨固在一起，錨固梁多采用錨箱的形式以滿足多個方向的補強。

錨箱式索梁連接的優(yōu)點是各索橫向傾角的差異不會對腹板產(chǎn)生干擾,由于可以使用固定傾角，從而實現(xiàn)了錨箱內(nèi)調(diào)整傾角之差，制造簡便，節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)變得簡單快速；牢固連接在主梁上的內(nèi)置式阻尼器，充分發(fā)揮了阻尼器的作用，使得減振效果大大提高；錨頭安置于風(fēng)嘴中，景觀效果良好；取材方便容易，對材料性能沒有別的要求[14]。

2.2 耳板式錨固形式

耳板式連接也被稱為銷鉸連接，是指斜拉索通過鉸鏈或鋼管錨固在主梁腹板伸出的耳板上，其索力也直接由耳板傳遞給主梁腹板的錨固形式[15]。

這種新型結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，傳力簡潔明確，易于安裝和日常維護等。缺點是它只適合塔端張拉；而且拉索減振器由于安裝在離橋面很高的位置上，不便于安裝；裸露的錨固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響其觀賞性。

2.3 錨管式錨固形式

錨管式錨固形式是把鋼管安裝在主梁或縱梁腹板上，并在鋼管內(nèi)錨固斜拉索，索力通過鋼管傳給主梁或縱梁腹板。該種結(jié)構(gòu)特點是可以使腹板采用固定傾角；索力與腹板沒有偏心矩，不存在面外彎矩；拉索減振方式能夠選用內(nèi)置式阻尼器，使得阻尼器與主梁可靠連接，因而能夠使阻尼器的作用得到充分地發(fā)揮[16]。

2.4 錨拉板式錨固形式

錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)由承壓板、錨管、錨拉板、加筋板及加強板組成。錨拉板連接中的錨拉板在其上部開有槽口，槽口內(nèi)側(cè)被焊接在錨管的外部，斜拉索通過錨管后用錨具錨在錨管底部；錨板下部與主梁上翼板采用焊接連接；錨拉板中部不僅需要滿足安裝錨具的空間，而且還要連接上下兩個部分。為了增強錨拉板截面的橫向剛度和整體性，以及彌補開槽部位對截面的削弱作用，錨拉板兩側(cè)需焊接加筋板。此外，剛主梁腹板加筋板的增設(shè)以及連接區(qū)域內(nèi)主梁上翼板的加厚能夠保證索力均勻傳遞給主梁，減小連接區(qū)橋面板的應(yīng)力[17]。

錨拉板式錨固形式的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，傳力途徑簡捷,對材料性能要求相對較低以及制作空間大，易于加工生產(chǎn)且維修方便。缺點是由于重要部位大多是由焊縫連接,因而對焊縫的質(zhì)量要求相對較高，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中過大的現(xiàn)象。

3 當(dāng)前研究中存在的問題

對于斜拉橋的索塔及索梁錨固結(jié)構(gòu)來說，其構(gòu)造形式多樣，受力機理復(fù)雜，關(guān)于索塔及索梁錨固區(qū)受力性能的問題,還有許多方面有待進一步研究:

1）隨著設(shè)計和施工水平的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了一些新型的斜拉索錨固形式，一些錨固形式已在工程上得到成功應(yīng)用。對于這些特殊的錨固結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計思想、受力特點、適用條件以及應(yīng)用前景等方面的問題，有待進一步研究。

2）現(xiàn)階段斜拉橋索塔及索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計尚缺乏針對性的規(guī)范指導(dǎo)，一般作為特殊性結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通常需要通過足尺模型試驗來驗證設(shè)計的可靠性，而目前的足尺試驗研究還很有限。

3）現(xiàn)階段部分學(xué)者應(yīng)用通用有限元分析軟件進行模擬仿真研究斜拉橋拉索錨固結(jié)構(gòu)的受力特性，受計算機軟硬件的限制，很難精確模擬實際結(jié)構(gòu)的受力性能，對于索塔及索梁錨固區(qū)合理、有效、可靠的設(shè)計方法的總結(jié)，有待學(xué)者進行進一步的研究。

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