福州淮安闽江大桥索塔锚固区设计与分析（交通）

福州淮安闽江大桥索塔锚固区设计与分析（交通）

                               朱朝阳

           （中国市政工程西北设计研究院有限公司  武汉  430056）

摘要斜拉桥索塔锚固区受力复杂，对全桥结构安全具有重大影响。结合斜拉桥混凝土桥塔工

程实例，介绍了主塔锚固区的设计思路，采用有限元软件建立实体模型研究锚固区应力分布情况和受力特性。结果表明：设置环向预应力对主塔锚固区侧壁受力改善显著，锚固齿块应力集中明显，应适当加大齿块尺寸，加强锚下配筋和横向钢筋配置。

关键词  斜拉桥索塔锚固区  环向预应力  应力分析应力集中

    索塔锚固区是主塔受力设计的关键节点也是是薄弱环节。作为斜拉索、主塔直接连接部位，承受斜拉索传递的巨大荷载，其受力特性复杂，局部应力集中现象明显，运营过程中一旦破坏将难以修复，对整座桥梁的安全具有至关重要的影响。本文结合福州市淮安闽江大桥混凝土主塔工程实例，介绍了主塔锚固区的设计思路，并采用有限元软件建立实体模型对主塔锚固区进行应力分析，研究了锚固区的应力分布情况和受力特性，并提出相应构造措施，为类似斜拉桥混凝土主塔设计提供参考。

1  工程概况

    福州淮安闽江大桥桥梁孔跨布置为45 m+67 m+416 m+67 m+45 m，边跨设一个辅助墩，主桥全长640 m，主桥桥型为双塔双索面钢一混凝土混合梁斜拉桥，主塔采用A形塔，总塔高115 m。上塔柱作为索锚区采用整体箱形截面，两边箱顺桥向长度6.5 m，壁厚为130 cm，横桥向宽度3.6 m，壁厚分别为70，80 cm;中箱为塔柱横向连接构件，壁厚50 cm;斜拉索锚固点纵向间距分别为3.3，3.1，2.5 m，对称于塔柱中心线设置。斜拉索锚固区主塔截面见图1。

2索塔锚固区设计

    根据索塔锚固形式，混凝土主塔索塔锚固可分为交叉式锚固、预应力锚固和钢锚箱、钢锚梁锚固等几种方式。交叉式锚固多用于较小跨径的实心截面混凝土主塔，主塔两侧斜拉索穿过主塔后通过设置凹槽或齿块交叉锚固，受力相对较小，通过加强局部配筋即可满足受力需要；预应力锚固多用于较大跨径的空心截面混凝土主塔，通过在塔壁设置环向预应力钢筋抵抗斜拉索水平分力对纵横向塔壁的拉伸弯曲作用，通常可设置为井字形或U形；钢锚箱和钢锚梁锚固多用于特大跨径混凝土主塔，塔壁内侧通过设置钢锚箱或钢锚梁构造承受斜拉索传递的巨大水平力，混凝土主塔承受竖向分力，解决了混凝土抗拉性能较差的缺陷，但其构造复杂，施工繁琐，后期养护困难，在常规大中跨径斜拉桥主塔中实施较为困难。结合以上各锚固形式特点，淮安闽江大桥主塔为空心箱形截面，横桥塔壁内侧设置齿块供索塔锚固，

索塔锚固区采用“井”字形环向预应力，由于横桥向尺寸较小，预应力损失大，采用锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值较小的墩头锚，预应力采用光面钢丝，单端张拉；顺桥向受主塔外形限制，采用预应力钢绞线、夹片式锚具，单端交错张拉。

3斜拉索锚固区预应力钢束估算

    国内外对索塔锚固区的简化计算方法已有一些研究，将等效高度主塔空间受力简化为平面框架梁分析，与实体模型较为吻合。淮安闽江大桥主塔横桥向塔壁较纵桥向塔壁厚，角点处约束弱，把锚固区的横向侧墙进一步简化为简支梁，取主塔纵向侧墙中心线之间的距离为横向侧墙的长度，梁端铰支，计算斜拉索水平力作用下横桥向塔壁弯矩，横桥向通过设置外侧偏心预应力钢束产生的偏心弯矩抵抗斜拉索索力产生的塔壁弯矩，初步估算在斜拉索索力作用下所需横向预应力索的型号及数量，纵桥向塔壁设置预应力钢束抵抗斜拉索水平分力产生的塔壁拉力。纵桥向塔壁中心距离为2.8 m，横桥向塔壁简化为跨径2.8 m的简支梁，斜拉索水平力作用于跨径中心，塔顶斜拉索最大水平分力为5 402.9 k N，简支梁跨中计算弯矩为3 782 k N．m。拟采用DMA487( Hi)预应力平行钢丝，其锚固端等效力为2 313.7k N，钢束与锚墙中心的偏心距为0.35 m，单根预应力钢束产生偏心弯矩M_单=2 313.7×0.35 -809.8 k N．m，所需预应力根数n=4.7束，按4根布置，主塔纵向塔壁单侧设4根915.2(Z i)钢束。主塔钢束布置见图2。

4计算模型

    选取2.0 m高标准索距的索塔锚固区节段进行分析，采用空间有限元程序Midas FEA建立节段实体模型，为验证用简支梁受力估算横向预应力的合理性，斜拉索索力水平作用于侧墙内侧，并去掉锚块，见图3。为了分析在斜拉索索力作用下锚固区的实际应力状态，排除外界因素对分析的影响，建立实际节段左右对称模型，见图4。

    边界条件：①约束模型底截面竖向位移；②考虑模型为对称结构及结构变形的连续性，约束主塔纵向侧墙对称点横向位移。

    模型中直接模拟预应力钢束，程序根据钢束输入参数自动计算考虑锚具变形、管道摩阻及混凝土弹性压缩等所产生的预应力损失。

5  实体分析结果

5.1  简支梁简化模型验算

    为验证简支梁模型估算横向预应力的合理性，将实体模型分析得到的内外侧应力与简支梁内力推算应力进行对比，实体模型验算结果对比见表1。

由表1可见，在预应力荷载及斜拉索索力作用下，简化简支梁模型与实体模型的计算结果基本一致。因此采用简支梁模型预先估计所需横向预应力索规格及数量，结果可信。

5.2索塔锚固区分析结果

    依据锚固区受力过程，先张拉预应力，然后再作用斜拉索荷载，考虑以下2种工况：①工况1，预应力荷载工况；②工况2，斜拉索索力十预应力荷载工况，对索塔锚固区的应力进行验算。

    (1)主塔横向侧墙应力计算结果见图5。

    除去角点预应力张拉锚固位置（此处通过加强锚下钢筋处理），预应力荷载工况（工况1）作用下，横向侧墙内侧最大拉应力为1. 53 M Pa，出现在上缘，侧墙外侧最大压应力为11. 09 M Pa。预应力十斜拉索索力荷载工况（工况2）作用下，侧墙均为受压状态，内侧最大压应力为4. 28 M Pa，外侧最大压应力为8. 95 M Pa。

(2)主塔纵向侧墙应力计算结果见图6。

    预应力荷载工况（工况1）作用下，纵向侧墙均为受压状态，侧墙内侧最大压应力为8. 85 M Pa，侧墙外侧最大压应力为6.85 M Pa。预应力十斜拉索索力荷载工况（工况2）作用下，纵向侧墙内侧最大拉应力为1. 36 M Pa，最大压应力为4.40 M Pa，纵向侧墙外侧最大拉应力为0. 16 M Pa，最大压应力为5. 91 M Pa。

    (3)锚下局部应力验算。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范> (JTG D62-

2004)第5.7.1，5.7.2条对锚下截面尺寸和局部

    预应力荷载十斜拉索索力荷载工况下锚固区主压应力验算结果见图7。

    锚固区最大主压应力为18.3 M Pa，位于拉索锚固面位置，由于锚固齿块尺寸较小，加之斜拉索穿塔套管孔洞对结构的削弱，主压应力较大值集中在锚固齿块下缘，设计时应适当加大齿块尺寸，并加强锚下钢筋配置。

    (4)锚块抗拉强度验算。预应力荷载工况下由于预应力偏心压力，在锚块外侧产生较大的局部拉应力，其应力分布见图8。

取锚块断面进行验算，横桥平均拉应力为(4. 68+1. 52)／2=3.1 M Pa，断面面积0.138 2

m²，等效拉力为3.1×0.138 2×1 000=428.4 k N．假定截面拉力均由受拉钢筋承受，需16钢筋428.4×1 000／(2. 009 6／10 000×0.75×335×1 000 000) =8.5根，该处配置12根16@10 cm受拉钢筋，抗拉承载力满足要求。将锚块外侧作为轴心受拉钢筋混凝土构件进行裂缝宽度检算，本桥工程环境类别为二类，混凝土构件裂缝限值[w]=0.2 mm。短期效应组合下钢筋应力=196.8 M Pa，裂缝宽度W _{f k}=0.179  mm<0.2mm，满足规范要求。

6结论

    (1)设计初期可将锚固侧墙简化为简支梁模型，估算预应力钢束数量，经对比与实体模型分析结果较为接近，结果可信，有效简化了设计过程。

    (2)结合主塔结构特点，索塔锚固区采用井字形纵横向不同预应力体系配索，能够有效发挥预应力特性，经检算话固区侧壁受力均匀。

    (3)由于锚固齿块尺寸较小加之斜拉索穿塔套管孔洞对结构的削弱，锚固齿块下方整体出现较大的主压应力，设计时应适当加大齿块尺寸，加强锚下钢筋配置。

    (4)在预应力偏心荷载作用下，锚固齿块横桥向表面产生较大水平拉力，此处应加强横向表面配筋，防止锚固齿块横向开裂。