混凝土桥塔拉索锚固系统设计

戴世宏

（东南大学建筑设计研究院有限公司 南京市 210096）

斜拉桥桥塔的拉索锚固区是其重要的受力部位，通常拉索锚固区斜拉索锚固点都相对集中，而且索力一般都很大，该区域的受力状况十分复杂，因此桥塔的拉索锚固区是斜拉桥桥塔设计以及施工的重点与难点。

目前在工程实际运用中，常见的混凝土桥塔拉索锚固方式有：环向预应力锚固、钢锚箱锚固和钢锚梁锚固这三种方式。环向预应力锚固是指对塔壁施加环形预应力以平衡索力在塔壁上产生的拉应力，常见的环向预应力布置方式有U字形和井字形两种，目前U字形布置方式使用较多，环向预应力锚固构造简单，制造、安装成本低，后期养护工作量小，但存在施工难度较大、预应力损失大、预应力压浆不易密实等问题。钢锚箱锚固和钢锚梁锚固大体相同，两者差异在于，钢锚箱完全固接于混凝土塔壁，塔壁与钢锚箱共同分担索力，且塔壁承担的水平分力不小，容易使塔壁混凝土开裂，因此需对塔壁施加足够的预应力来防止塔壁开裂。而钢锚梁锚固则是将钢锚梁支撑于塔壁的牛腿上，斜拉索的大部分水平力由钢锚梁平衡，少部分未平衡水平力则通过钢锚梁与牛腿间的摩擦等方式传递给塔壁，因此塔壁受力较小，无需配置预应力来防止塔壁开裂。

1 项目概况

以某斜拉桥为背景，该桥为单塔双索面双层钢桁梁斜拉桥，半漂浮体系，桥跨布置为（90+128）m。主跨及边跨各设置9对空间斜拉索，边跨主梁拉索间距为9m，主跨主梁拉索间距为12m，塔上拉索间距为2m，纵桥向索面呈扇形布置。桥梁总体布置如图1所示。

桥塔采用宝塔形，索塔总高87.0m，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下横梁，采用C50混凝土。拉索锚固区为单箱单室空心箱形断面，尺寸由4.4m×5m，塔壁厚度在斜拉索前侧为1.0m，侧面为0.7m。

2 拉索钢锚梁设计

经过前期分析比较，本桥桥塔斜拉索采用钢锚梁+钢牛腿的锚固方式，一套锚固系统包括一道钢锚箱、四个钢锚梁以及两个钢牛腿，其三维构造如图3所示。钢锚箱焊接于钢锚梁两侧，一道钢锚梁连接两对斜拉索，由于本桥采用空间索面，斜拉索与桥塔交角随高度变化，因此需通过调整钢锚箱与钢锚梁的夹角来适应空间索面。斜拉索面内水平分力主要由钢锚梁承担，剩余不平衡水平分力则通过钢牛腿传递至混凝土塔壁，而斜拉索面外水平力则让钢锚梁自己来平衡。钢锚梁架设在钢锚梁牛腿上，钢锚梁一端通过高强螺栓固定于钢牛腿上，另一端为设有四氟乙烯板的滑动端，在施工期间处于可滑动状态，待索力调整完毕后将螺栓锁死，使钢锚梁在成桥及运营阶段处于两端固定状态。钢牛腿壁板内表面设置剪力钉，与塔柱浇注为一体，钢牛腿顶板与竖板都通过剖口角焊缝与壁板连接。

3 受力分析

3.1 计算模型

为分析桥塔锚固区的受力情况，以简化的杆系模型为基础，建立桥塔实体有限元模型来进行计算。模型中塔柱、钢锚梁、钢牛腿均采用实体单元，并在塔体中保留了斜拉索管道，以便于准确反应开孔对混凝土截面的削弱。桥塔锚固区局部模型如图4所示。

各材料根据设计规范中规定的材料属性进行模拟，具体数值在表1中列出。

表1 有限元模型材料属性表

3.2 应力分析

图5所示为典型拉索锚固断面处桥塔塔壁主拉应力云图，从图中可以看出主拉应力主要集中在塔壁与钢牛腿顶板相对应区域，最大主拉应力约为4MPa。此处出现应力集中主要是由作用于钢牛腿上的斜拉索竖向分力引起的。主拉应力向塔壁外侧迅速衰减，除局部应力集中区域外，塔壁其余位置主拉应力分布较为均匀，且主拉应力值维持在较小的数值，基本小于1MPa。说明塔壁承受的水平荷载较小，设计时仅配置普通钢筋即可满足受力需要，而无需配置预应力。由于塔壁与钢牛腿顶板对应位置主拉应力较大，设计时应注意钢牛腿壁板与塔壁的连接处理，施工时也应特别注意，确保此处混凝土振捣密实。

如图6所示，在正常使用状况下，钢锚梁侧板、顶板及底板应力较为均匀，均处于受拉状态，可充分发挥钢材抗拉性能好的特点，不存在受压失稳的问题。钢锚梁各板件，除底板圆弧倒角处应力集中外，其余位置均小于100MPa。钢锚箱直接承受索力的锚垫板处应力较大，钢锚箱顶底板及侧板与钢锚梁焊接处出现应力集中。

如图7所示，钢牛腿竖板应力相对较大，最大应力值为80MPa，其余位置应力较小，整体处于较低的应力水平。作用于牛腿的大部分荷载由竖板传递至壁板，设计时应注意验算竖板与壁板的焊缝，以及进行竖板的压弯稳定验算。钢牛腿壁板应力最大值出现在壁板与顶板衔接处，并以此为中心向上下衰减，壁板在弯矩作用下有向外的变形，此处壁板与混凝土塔壁的连接设计予以加强。

3.3 水平力分配比例

钢锚梁与混凝土塔壁各自承担水平力的比例与钢锚梁和钢牛腿的连接方式有关。钢锚梁和钢牛腿常见的连接方式有三种：

（1）滑动连接，即钢锚梁与牛腿处于相对滑动状态，斜拉索的不平衡水平力由设置于钢锚梁与塔壁之间的挡块进行传递；

（2）固定连接，即将钢锚梁通过高强螺栓或焊接等方式固定于钢牛腿之上，钢锚梁与钢牛腿间的水平力分配与它们之间的变形协调有关；

（3）一端滑动一端固定，即钢锚梁一端与钢牛腿固定连接，另一端则处于可滑动状态。本桥采用一端固定另一端先滑动后固定的连接方式，采用这种连接方式水平力的分配不仅和钢锚梁与塔壁的变形协调有关，还和固定端的位置以及滑动端锁死时机有关。本桥固定端设于主跨侧，滑动端在斜拉索索力调整完毕后锁死。

本桥桥塔上共设9道钢锚梁，自上而下编号为M1～M9，在最不利荷载工况下，各钢锚梁轴力与塔壁分配水平力如表2所示。从表中数据可以看出，钢锚梁分担约80%的斜拉索水平分力，剩余约20%的索力传递至塔壁，这是塔壁混凝土保持较低应力水平的重要原因。

表2 水平力分配表

4 结语

本桥采用桥塔斜拉索钢锚梁+钢牛腿的锚固方式，钢锚梁一端固定另一端先滑动后固定。验算结果表明，斜拉索80%的水平分力由钢锚梁承担，桥塔壁承担了约20%的水平力，使得桥塔混凝土保持在一个较低的拉应力水平，避免了复杂的环向预应力的配置，达到了设计预期。