矮塔斜拉桥索塔整体式钢锚箱受力性能与施工技术研究

韩金豹

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州 510507)

矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥，它具有斜拉桥的形式，但在塔高、结构尺寸比例、布索和受力性能等方面又与常规斜拉桥有明显的差别[1]。根据其受力性能，矮塔斜拉桥可分为刚性梁和柔性梁两类，刚性梁矮塔斜拉桥必须采用较大刚度的主梁，斜拉索仅起到体外预应力的作用；柔性梁矮塔斜拉桥由于主梁刚度较小，必须采用较强的索塔和斜拉索，方可保证其具有足够的刚度。

索、塔锚固区是将斜拉索索力安全、均匀地传递到塔柱的重要结构，锚固形式的选择与索塔形式、斜拉索的布置形式、斜拉索数量、索距、索力大小等因素有关[2]。目前工程中常用的索、塔锚固区形式主要有预应力式、钢锚箱式、钢锚梁式、交叉锚固式和鞍座式5种[3]。传统钢锚箱式是在钢锚梁式基础上发展而来的，大多采用沿索塔轴线分节段预制、分节段安装的非整体式，其索、塔锚固点沿索塔轴向布置，竖向间距较大、布置分散，对于桥面以上索塔高度受限的矮塔斜拉桥，其斜拉索倾角偏小、使用效率较低，且施工工艺复杂，安装精度较难保证[4]。

整体式钢锚箱可将斜拉索集中锚固在塔顶，增大斜拉索的竖向倾角，以提高其使用效率；而且钢锚箱整体受力，其正常使用性能和抗疲劳性更优；同时整体式钢锚箱可采用整体加工、整体吊装的施工方案，施工更方便、快捷，施工质量更容易控制，已普遍应用于实际工程中。

1 工程概况

榕江特大桥是广东省潮州至惠州高速公路的关键节点工程。本桥为双塔双索面柔性梁矮塔斜拉桥，中跨和次边跨采用流线型扁平封闭钢箱梁，边跨采用预应力混凝土箱梁，钢混结合点设置在辅助墩墩顶处。全桥采用半漂浮体系，其跨径组合为60 m+70 m+380 m+70 m+60 m，桥梁全长640 m，桥面宽38.7 m，桥塔采用门式框架索塔。

全桥共96根斜拉索，辐射形布置，在塔顶通过整体式钢锚箱集中锚固。

2 钢锚箱方案设计

2.1 方案构思

榕江特大桥靠近榕江出海口，上跨榕江规划通航万吨海轮航道，其通航净空抬高了主梁标高；同时桥址位于揭阳潮汕机场障碍物限制面内，主塔高度受限，桥面以上索塔高为51.1 m。

受此限制，本桥巧妙地采用塔顶整体式钢锚箱将斜拉索集中锚固，见图1，该锚固方式提高了斜拉索在塔上的锚固高度，增大了斜拉索的竖向倾角，提高了其使用效率，同时减小了拉索水平分力，改善主梁受力。

2.2 总体设计

该整体式钢锚箱高6.0 m，顺桥向长4.7 m，横桥向宽度2.36 m，整个锚室质量约85 t，采用整体一次吊装；其由腹板、端板、底板、斜拉索锚箱、锚固结构及预埋定位架组成，为全焊接结构，见图1、图2；钢锚箱锚室的数量与尺寸由斜拉索的数量和受力需要确定，其横桥向分为3个箱室，每个箱室对称锚固4对斜拉索，3个锚室共锚固12对斜拉索。

图1 整体钢锚箱总体设计图

图2 整体钢锚箱立面图(单位：mm)

钢锚箱通过在底板张拉预应力钢螺杆的方式与混凝土塔柱相连，如图1，锚固螺杆顶部设置钢盒结构、底部设置钢锚梁以加强连接；预应力钢螺杆的配置按正常使用、断索(或者换索)、地震等工况下保持索塔钢锚室不倾覆的原则考虑，共设置16根直径70 mm钢螺杆，单根张拉力1 600 kN。

斜拉索锚箱由锚垫板、承压板、传力腹板及加劲板构成，斜拉索横向角度通过锚垫板横向厚度差调节。

2.3 整体式钢锚箱的特点

1) 钢锚箱构造复杂、受力集中，且承受荷载较大，是本桥设计的难点之一，设计中须对各构件的受力性能进行研究，并据此确定合理构造。

2) 钢锚箱底部混凝土密实度和平整度直接影响塔柱顶部和钢锚箱局部受力，须根据其受力性能确定合理施工方案，确保施工质量满足要求。

3) 钢锚箱为全焊结构，焊缝数量大，焊后整个构件残余应力大，须采取措施对残余应力进行调整。

3 钢锚箱受力性能分析

3.1 计算模型

采用大型空间有限元软件ANSYS进行分析，计算模型与实际结构相一致，钢锚箱下方模拟6 m高混凝土塔柱。钢结构部分采用shell 63单元模拟，混凝土单元使用Solid 45单元模拟，锚箱底板与下部混凝土通过接触进行模拟。模型共包括158 196个单元，160 411个节点，计算模型见图3。

图3 钢锚箱有限元模型

3.2 荷载工况及计算结果

主要分析以下2个荷载工况。工况一，最大包络索力工况；工况二，最不利断索工况(S12断索)。

3.2.1工况一

最大包络索力工况下，腹板、钢盒、锚箱钢底板，混凝土塔柱顶部的应力云图如图4所示。

图4 局部结构应力云图(单位：MPa)

1) 钢锚箱腹板应力。从腹板应力云图容易看出，锚室腹板的应力水平较低，平均应力为70 MPa，只有在拉索锚箱与腹板连接的局部区域应力较大，该区域应力最大为180 MPa，见图4a)。因此，宜优化3个箱室的拉索锚箱的布置，以改善腹板受力。

2) 拉索锚箱应力。从拉索锚箱应力云图可以看出，拉索锚箱承压板之外部分的应力水平不高，平均应力小于70 MPa，承压板的应力水平稍大，平均应力为120 MPa，其与传力腹板的连接区域应力最大，为185 MPa，见图4b)，鉴于此，设计中可以适当增加承压板厚度，以降低其应力水平。

3) 钢锚箱底板应力。从钢锚箱底板应力云图容易看出，承压板的应力水平不高，平均应力小于60 MPa；但承压板与腹板连接区域的应力较大，最大应力170 MPa，见图4c)。

4) 混凝土塔柱顶部应力。由图4d)可见，混凝土塔柱顶大部分区域主拉应力均小于ftk=2.65 MPa，在人洞附近局部区域主拉应力较大，最大应为为5.6 MPa，分布较浅；混凝土塔柱主压应力最大12.0 MPa，小于fck=32.4 MPa[5]。

5) 钢锚箱稳定性分析。在最大包络索力工况下，钢锚箱一阶稳定系数18.036，二阶稳定系数19.082，两阶失稳形态接近，最大变形均发生在钢锚箱边腹板人洞附近，设计中须引起重视，应对该区域进行加劲处理。

3.2.2工况二

经过分析，在最不利断索工况(S12断索)下，钢锚箱变形、应力、稳定性及混凝土塔柱顶部应力较工况一偏不利，2个工况结果对比见表1。

表1 工况一与工况二计算结果对比表

由以上结果容易得出钢锚箱的受力特点如下。

1) 钢锚箱最大变形发生在腹板顶部，一阶失稳模态中最大变形发生在边腹板人洞附近。

2) 钢锚箱各部件平均应力水平较低，但焊缝、局部承压部位、角隅和构造突变部位应力水平较高。

3) 混凝土塔柱顶部大部分区域应力水平小于开裂应力，但人洞附近局部区域主拉应力较大，设计和施工中应引起重视。

4 构造优化措施

为确保钢锚箱受力安全，应根据其受力性能对构造进行调整和局部优化，以改善钢锚箱结构受力。

4.1 增设预埋定位架

鉴于塔顶受力集中，且局部应力较大，本项目在钢锚箱底设置预埋定位架，以保证斜拉索索力更均匀地传递给塔柱，改善塔顶局部受力。

预埋定位架由顶板、PBL板和连接板组成，见图1、图5，其在塔顶混凝土浇筑前进行预埋，定位架顶板顶面与塔柱顶平齐，且与钢锚箱底板密贴，顶板设置混凝土浇筑孔和出气孔，方便混凝土浇筑。

图5 定位架顶板平面示意图(单位：mm)

此外，增设定位架同时可以辅助钢锚箱定位，确保其安装精度。

4.2 优化斜拉索锚头布置

为改善钢锚箱腹板与拉索锚箱焊接质量和焊缝应力，防止钢锚箱腹板局部应力集中，同一箱室锚头的竖间距调大至1.3～1.5 m，相邻锚室的斜拉索锚头在竖向和水平向错位50 cm布置。

经对比计算，相邻锚室的斜拉索锚头在空间错位布置后，拉索锚箱与钢锚箱腹板焊接部位局部应力得到明显改善，最大下降40～50 MPa。

4.3 局部构造优化

1) 根据钢锚箱变形情况和一阶失稳模态，设计中在边腹板外侧设置加劲板肋，在腹板人洞附近增设加劲环板，以防止局部失稳。

2) 鉴于锚箱腹板局部承压在底板上，两者连接区域应力水平较高，锚箱腹板底部应磨光顶紧在底板上，并采取措施确保两者焊缝质量。

5 施工关键技术

方案设计的同时应依据上述计算结果改进钢锚箱施工方案，并采取辅助措施以改善钢锚箱结构受力。

5.1 塔顶混凝土后压降施工

钢锚箱底部混凝土密实度影响到塔柱顶部和钢锚箱局部受力，涉及结构安全。塔柱顶部混凝土浇注施工时，在定位架顶板底预留5～10 cm高度的孔隙进行后压浆施工，以确保该部分混凝土的密实，防止局部应力集中。

施工时，预留空隙一次压注完成，具体步骤如下：水泥浆准备→打开各出浆孔，用循环清水将预留空隙清洗干净→开始压浆，水泥浆的压力控制在0.4～0.6 MPa→依次打开各出浆孔，检验出浆孔浆液，当流出浆液和压浆液质量相同时，依次关闭出浆孔→压浆完成后进行稳压操作→压浆结束后，覆盖土工布进行保温养护。

为确保该方案可行，施工前进行了压浆模拟试验，试验装置及压浆效果见图6；根据试验结果，后压浆方案可确保钢锚箱底混凝土密实度满足要求。

图6 压浆模拟试验

5.2 焊缝残余应力调整措施

钢锚箱采用钢板较厚，结构焊缝尺寸较大，且焊缝较密集，焊接后整个构件处于较复杂的高残余应力的状态；为降低钢锚箱的焊接残余应力，提高其抗疲劳性能，本项目先后采用“超声冲击工艺”和“整体振动时效工艺”对钢锚箱进行后处理。

1) 超声冲击工艺。超声冲击作为新工艺已开始应用在桥梁钢结构中，该工艺可有效降低残余拉应力的峰值，改善应力分布状态，防止焊缝受力裂纹及疲劳裂纹的萌生，提高构件的疲劳强度及寿命。

本项目主要对钢锚箱腹板与底板焊缝、腹板与拉索锚箱传力腹板的焊缝进行超声冲击。超声冲击时，冲击针的振荡频率不小于20 kHz，冲击的振荡幅度不小于50 μm。

2) 整体振动时效工艺。该工艺主要通过振动时效方法降低、均化钢结构焊缝残余应力，提高焊缝疲劳寿命。振动时效效果的关键是有足够的动应力使构件在应力峰值区产生蠕变，使造成残余应力的歪曲晶格一定程度地恢复平衡状态，该工艺对大吨位、高刚度箱体构件有明显的工艺效果。

针对本项目大吨位、高刚度钢锚箱，应采用大激振力、低阶亚共振的振动方法，振动时效工艺实施步骤为：振前应力测试→选择支撑点、拾振点→主振时效共振→分频共振→振后应力测试→效果评定。

3) 效果评定。根据2种工艺处理前后应力应力测试结果发现：①超声冲击可明显降低残余拉应力的峰值，改善应力分布状态，1号钢锚箱焊缝应力最大降低61.3%；②未进行超声冲击的测点，振动时效可明显降低焊缝应力，1号钢锚箱焊缝应力最大降低43.2%，应力均化效果较明显；③经过超声冲击的焊缝再经振动时效工艺处理后，应力有少许降低，其降低平均幅值为14%，应力水平更趋于稳定。

6 结论

1) 整体式钢锚箱将斜拉索集中锚固，提高了斜拉索在塔上的锚固高度，增大了斜拉索的竖向倾角，提高了其使用效率，同时减小了拉索水平分力，改善了主梁受力。

2) 整体式钢锚箱各部件平均应力水平较低，局部区域应力较高，应根据受力情况调整和优化局部构造，例如拉索锚头错位布置、增设定位架等。

3) 塔柱顶部人洞附近局部区域主拉应力较大，施工中应采取后压浆等措施保证该部分混凝土密实度和平整度，防止出现应力集中现象，并加强该部位配筋设计，降低混凝土开裂的风险。

4) 采用“超声冲击工艺”和“整体振动时效工艺”对钢锚箱进行后处理，焊缝应力得到明显降低和均化，取得良好的效果。

[1] 何新平.矮塔斜拉桥的设计[J]．公路交通科技,2004，21(4)：66-69.

[2] 公路斜拉桥设计细则：JTG/T D65-01-2007[S].北京：人民交通出版社,2007.

[3] 李福鼎.斜拉桥索塔分离式斜置钢锚箱受力分析[J]．桥梁建设,2016，46(1)：88-93.

[4] 李龙辉.斜拉桥索塔整体式钢锚箱疲劳性能研究及设计优化[D].西安：长安大学,2016.

[5] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004.