自锚式悬索桥锚碇的设计与研究

杜涛

0 引言

自锚式悬索桥因其自锚体系的独特优势而越来越受到社会的认同和青睐。但也由于其结构的特殊性，使得锚碇在各个部件中受力最为复杂也最为重要。它不但要承受通常意义上的主缆的锚固作用力，还要承受引桥的部分恒载力以及担负着将主缆水平力传递给加劲梁这么一个“导体”的角色。所以自锚式悬索桥的设计通常要对锚碇的受力情况仔细考虑，并采用合理的结构保证其无论在施工还是在成桥状态均满足应力和稳定的要求。

1 工程背景

义乌江自锚式悬索桥坐落在金华市金东新区，地处金华城市上风向的义乌江两岸，紧挨着城市中心街道。

义乌江桥主桥采用跨径为(36+100+36)m，计算跨径为(33+100+33)m，全长172 m三跨自锚式悬索桥，桥梁全宽31.5 m，设计双向四车道。缆索呈抛物线型，主跨矢跨比为1/7.519，矢高13.3 m，边跨矢高1.448m，主缆横向间距24 m，主缆采用19根平行钢丝成品索(不带PE护套)编制排列而成，用冷铸锚锚固体系锚固在加劲梁两端。吊杆采用平行钢丝成品索，冷铸锚锚固体系。吊杆间距5.0 m，与钢横梁一一对应。主梁采用钢—混凝土叠合梁，标准梁高2.35 m，其中钢结构在桥梁中心处高度为2.1 m，钢筋混凝土桥面板厚0.25 m。主塔为钢筋混凝土结构，塔高为31.278 m，采用线形流畅的半弓形主塔，造型新颖、别致。主塔在桥面以上高度约为16 m，桥面以下(包括桥面和主梁)高度为15.0 m。主梁纵向为全漂浮体系，塔梁分离。

锚碇部分采用混凝土锚箱结构，与钢箱梁采用剪力丁连接，锚箱端部设置牛腿，将引桥梁体放置其上(见图1，图2)。

设计人员将锚碇完全设置于桥面以下，这样做可以保证桥面的人行道处平坦无障碍，但是却使得锚碇形心与加劲梁形心偏心过大，主缆传递给锚碇的水平力在靠近锚碇处加劲梁产生负弯矩。

另外，引桥的梁体部分重量直接作用到了梁端锚碇上，而设计人员并没有采取相应的措施，诸如设置锚固跨，让边墩来承受引桥恒载;或是在锚碇另一侧加设平衡重，以此来抵消引桥恒载引起的负弯矩。

2 与同类桥型的比较

位于大连金石滩景区的一座混凝土自锚式悬索桥——金湾桥采用了如下方法来处理锚碇的问题:

将锚碇压重靠近主桥一侧，而桥墩靠近引桥一侧。用锚碇的压重来平衡引桥直接作用在锚碇牛腿上所产生的加劲梁负弯矩。将主缆的锚固点上移，尽量使该点与加劲梁形心点偏差减小，同时为了保证锚固处应力合理，将部分锚碇浇筑于桥面以上(见图3)。

抚顺天湖大桥采用如下方法解决锚碇问题:

该桥锚碇比较庞大，所以设置跨径为15 m的锚固跨，这样做既可以保证锚碇的稳定，又可以让引桥的重量由锚固跨的边墩来承担，使加劲梁不承受引桥产生的负弯矩。锚固构造中使用通长主缆，通过转索鞍传递主缆拉力，这在加劲梁采用钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥中是首次使用。这种构造可以减小锚块的尺寸，使锚碇处钢结构在洪水位以上;同时提高了锚碇形心高度，减小了加劲梁的偏心负弯矩(见图4)。

3 本桥锚碇处的改进措施

鉴于义乌江大桥锚碇设计出现的问题，相关人员提出了多种改进的设想，诸如，钢箱加劲梁内加压重、钢箱加劲梁内浇筑微膨胀混凝土等等。但是由于工期和施工条件的限制，最后决定的方案为:将钢箱梁变截面段加长加厚(见图5)。

这样做的目的有两个:1)使负弯矩较大处得到加强，保证其下缘应力不至于因为过大而使加劲梁底板屈曲;2)使加劲梁的形心位置从接近锚碇处沿着变截面平缓过渡到标准截面，这样就可以减小加固段钢箱梁由于偏心压力而产生的负弯矩。

改进后的变截面形心高度最大下降了0.776 m，惯性矩最大增加到了标准截面惯性矩的3.2倍。经过计算加劲梁端弯矩由原先的最大负弯矩－30 888 kN·m变为正弯矩4 534 kN·m，梁底压应力由原先的179.7 MPa变为52.8 MPa，可见改进设计后梁端应力得到了较大改善。

4 结语

通过对义乌江大桥锚碇设计与改进措施的分析，我们得到如下结论:1)引桥直接作用在锚碇时，可以考虑加设边墩承担其荷载(类似于“天湖大桥”，见图4)或让桥墩向引桥方向偏移靠锚碇压重平衡其荷载(类似于“金湾桥”，见图3);2)可以考虑建立锚固跨，并使用通长主缆减小锚碇体积，借此提高锚碇形心高度，减小锚碇形心与加劲梁形心的偏心距(类似于“天湖大桥”，见图4);3)可以考虑让锚固点上移，将部分锚碇体设置于桥面以上(类似于“金湾桥”，见图3)。显而易见的是，当锚碇形心与加劲梁形心没有偏心的情况发生时是不会在梁端产生负弯矩的，我们通常建立的模型也仅仅是将加劲梁和锚碇在一条直线或是多位线上表示，而没有考虑实际模型的偏心影响。但是，从原设计模型计算结果中我们看出，锚碇与加劲梁偏心所带来的应力问题不但存在而且影响非常大，严重者可能导致整个工程的失败，所以自锚式悬索桥锚碇处的受力问题必须引起设计人员高度的重视。

［1］ 钟新谷.钢箱—混凝土组合梁正截面承载力的初步研究［J］.土木工程学报，2002，35(6)：73-78.

［2］ 窦 鹏.混凝土自锚式悬索桥设计计算及箱形加劲梁的受力研究［D］.硕士学位论文，2003：3.

［3］ 吴恒立.悬索与吊桥及薄壁杆件理论［M］.重庆：重庆大学出版社，1992.

［4］ 徐君兰，项海帆.大跨度桥梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2002：8.

［5］ 杜 涛.自锚式吊桥的施工控制［D］.大连：大连理工大学硕士学位论文，2004：4.

［6］ 金华跨义乌江大桥施工图设计［Z］.