斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计研究

颜俊

摘要：索塔锚固区因为其复杂的受力性能和结构构造，在斜拉桥设计中需考虑钢与混凝土材料的非均匀性、弹塑性、施工工艺等因素对索塔锚固区结构受力、传力机理的影响，这就给现在的桥梁人提出了许多新的横向和纵向课题，因此，要想做好斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计，就需要掌握索塔锚固区的基本情况，在此基础上进行设计与研究。

关键词：斜拉桥 索塔锚固区 钢锚箱设计

中图分类号： S611文献标识码： A

斜拉桥索塔锚固段的受力情况比较复杂，桥梁设计师对这一区域进行钢锚箱设计的时候就需要在认真分析其手里情况的基础上，综合考虑多种影响因素，并根据实际情况做出合理的设计。斜拉桥索塔锚固区是将斜拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱的重要受力构件，由于其局部强大的集中力作用等因素影响会使锚固区构造和受力状态均较为复杂，因此，斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计的研究一直以来受到桥梁界的瞩目。

钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中的应用

1.1内置式钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中的应用

内置式钢锚箱设置在混凝土塔柱的内部，在索塔的外侧不能看到钢锚箱。钢锚箱为箱形结构,由侧面拉板、端部承压板、腹板、锚板、锚垫板、横隔板、连接板、加劲肋等构件组成。索力通过腹板传递至竖向拉板上，腹板两侧焊有加劲肋及连接板；侧面拉板间设置开有人孔的横隔板，可作为张拉斜拉索的施工平台。在斜拉桥索塔锚固区中，拉板承担大部分斜拉索拉力在顺桥方向的分力,其余索力沿索塔高度方向的分力传给混凝土索塔,由混凝土承担。钢锚箱承受了较大的拉力,混凝土承受了较大的压力和较少的拉力,充分发挥了钢材抗拉强度高和混凝土能承受较大压应力的优点,克服了钢材承受较大压应力容易失稳和混凝土承受较大拉应力容易开裂的缺点。内置式钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中得到了很广泛的应用，在苏通大桥的建造中，钢锚箱节段间用高强螺栓连接,钢锚箱与索塔之间侧向接触面用剪力钉连接,最下端支撑锚固在混凝土底座上；香港昂船洲大桥为双塔双索面斜拉桥，圆形混凝土塔壁将钢锚箱包裹在里面,钢锚箱和塔壁外侧的不锈钢都是通过剪力钉与混凝土塔壁连接的；厄勒海峡桥为钢桁梁斜拉桥，斜拉索锚固定在钢锚箱内,两条相对的拉索产生的水平分力由钢锚箱直接承受,而垂直方向的分力则通过抗剪螺栓传到混凝土上。

1.2外露式钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中的应用

外露式钢锚箱把混凝土索塔在锚固区分成了两部分,在索塔的外侧能够看到钢锚箱的一部分。外露式与内置式钢锚箱受力特性上总体相似，其剪力键既要传递索塔和钢锚箱之间沿索塔高度方向的剪力,又要传递索塔和钢锚箱之间沿顺桥向的剪力,受力较复杂,但混凝土塔壁所承受的拉索索力比较小，外露式钢锚箱用水平环向预应力筋将钢锚箱紧夹在混凝土塔柱的两个分肢之间。诺曼底桥为混合梁斜拉桥，内部有21节钢锚箱，钢锚箱外部逐节浇筑塔冠筒壁混凝土,并在环向施加预应力，为了使得锚箱能承受预压应力,并且不产生过大变形,在横板内侧设有交叉斜杆；里翁-安蒂里翁桥为全漂浮体系的四塔五跨斜拉桥，索塔锚固采用类似于诺曼底桥的钢锚箱；香港汀九大桥为三塔四跨连续公路预应力混凝土斜拉桥，索塔锚固区有4个索面,分别锚固于组合式桥面之主梁固定端,而张拉端则位于桥塔顶钢锚箱内,以避免在塔身上预留孔道和浇筑锚块，同时,钢锚箱为斜拉索安装、张拉提供了工作平台。

2.组合结构在斜拉桥中的应用情况

2.1板桁组合结构的优势与特点

板桁组合结构是由桥面板与主桁架组合而成的共同作用受力的结构，它能发挥桥面板与主桁平纵联的共同作用，增强结构的抗弯、抗扭刚度。在斜拉桥设计中应用板桁组合结构，可以优化桥梁设计与性能，板桁组合结构可以增加桥梁的抗挠、抗扭刚度，还可以减小小、减小车振挠度等，与普通的混凝土桥梁相比，应用组合结构的斜拉桥在相同跨度条件下，可以降低建筑高度，具有施工快、对交通影响小等优点，因此在桥梁设计中，板桁组合得到了越来越广泛的应用，应用板桁组合的桥梁设计也越来越受到重视。在斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计中应用板桁组合结构，可以弥补传统钢桁梁桥面一般为与主桁结构分离的纵横梁体系的缺陷，可以在一定程度上提高桥梁的整体性能，还能提高材料的利用效率，我国现在的桥梁设计正在逐步减小主桁杆件，减轻桥梁构架的自重，更有利于施工和安装，对抗震也十分有利。

2.2板桁组合梁在斜拉桥中的应用

2.2.1板桁组合梁中的正交异形钢桥面板研究

板桁组合梁中的正交异形钢桥面板用于钢箱梁结构，在实际应用过程中出现了一些问题。正交异形钢桥面板是一种特殊的结构受力体系，除承受桥面铺装等二期恒载和车辆荷载的重量外，影响其使用寿命的还有桥梁的抗疲劳性能、结构体系的合理性。

2.2.2板桁组合梁计算方法研究

板桁结构静力计算分为平面分析和空间分析两个方面。平面分析是把桥面板视为上弦杆的一部分，计算主桁面内的受力特性，关键是桥面板的有效宽度。空间分析方法在总体上与普通的桁架桥梁的分析方法类似，如果涉及到动力计算，一般按照空间结构进行，跟静力计算的方法的一样。板桁组合梁计算方法可以得到简化，可以把正交异形板简化为一根纵向梁，纵向梁位于桥面板中轴处，令其横截面积、抗弯刚度、抗扭刚度等于正交异形板的相应值，在简化条件下进行计算可以得出：板桁组合梁和桁架梁的自振频率、振动位移时程曲线等都很接近。此外，桥梁设计师还可以针对桥面板和纵横肋的相互作用特点，运用有限元理论，将板桁结构不同受力结构用不同单元进行模拟，把研究的重点放在桥面板与纵、横梁连接的处理上。

3.钢锚梁索塔锚固区的受力机理分析

3.1水平受力机理分析

索塔锚固区主要承担和传递斜拉索索力作用，根据斜拉索的作用方向可分解为竖向分力和水平分力。桥梁设计师在研究钢锚梁索塔锚固区的受力机理时，可以将该区域的构造进行简化，可以将钢锚箱和混凝土塔壁都简化成平面箱型结构,钢锚箱的锚固构和端板简化为钢锚箱端壁，可以视为斜拉索水平力直接作用于钢锚箱端壁上，钢锚箱端壁与混凝土端壁上通过剪力钉连为一体共同承担水平力,两者在其交界面上的水平变形应符合变形协调原则。将这一区域进行模型简化之后，就可以分析其水平方向的受力分配以及变形情况。

3.2竖向受力机理分析

斜拉索直接作用于钢锚箱上，其竖向分力一部分由钢锚箱自身承担并往下节段传递，另一部分则通过剪力钉和钢-混凝土界面摩擦等传递至混凝土塔壁，其中剪力钉是变形协调和传递剪力的传力构件。钢锚箱、混凝土塔壁和剪力钉之间的传力途径为钢锚箱首先在斜拉索竖向分力的作用下发生竖向变形，接着引起剪力钉剪切和弯曲变形,使斜拉索竖向力由剪力钉传递至混凝土塔壁,最终使混凝土塔壁和钢锚箱完成竖向力分配并协同受压。桥梁设计师在分析其竖直方向的受力情况时，可以以含一枚剪力钉的钢-混凝土组合结构为模型进行分析，剪力钉的竖向变形为钢锚箱竖向变形与混凝土塔壁竖向变形的差，这样便可以得到变形协调关系。

结语

随着科学技术的发展，我国桥梁技术也取得了飞速的发展，斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计在不断的优化与改良中逐渐能够适应人们的需求，但是仍旧存在很多的不足。由于斜拉桥索塔锚固区的特殊结构，其理论、设计、施工工艺及耐久性研究还需要进一步完善，需要新一代的桥梁人做出艰苦的努力，相信在未来，斜拉桥索塔锚固区钢锚箱设计能够不断优化，我国桥梁设计建造技术能够达到更高的水平。

参考文献：

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[2] 王莲香,周水兴.马来西亚吉隆坡普特拉贾亚城的斜拉拱组合桥[J].世界桥梁,2004(4):9-12.