大跨斜拉桥混凝土索塔锚固结构形式比较

叶华文，徐 勋，李翠娟，强士中

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

近几十年来大跨斜拉桥蓬勃兴起，其跨径也突破千米。随着跨度增加，斜拉索设计吨位已超千吨级，如杭州湾大桥锚固区最大索力达到1 028 t，苏通大桥为1 490 t，而沪崇苏越江通道长江大桥则达2 252 t。在巨大索力作用下，因索塔截面削弱、混凝土变异及连接构造的误差等因素对锚固区结构内力、变形和应力分布的影响，使其受力难以准确分析，容易开裂或强度破坏。由于索塔锚固区是斜拉桥关键受力部位，现行桥梁规范并无明确的设计规定，因此是斜拉桥设计和施工的关键和难点。斜拉索在塔上通过哪类锚固形式和构造将索力平稳传递到砼塔壁中去，成为核心问题。

大跨斜拉桥中常见的砼索塔锚固区形式主要有两类：①环向预应力，先在锚固区施加环向预应力，然后直接将拉索锚固在混凝土索塔内壁齿块上，如南京长江二桥、军山长江大桥等；②钢混组合结构，斜拉索锚固于钢锚箱上，钢锚箱与混凝土塔壁通过剪力连接件结合到一起。钢与混凝土组合索塔是一种受力较合理的结构，如加拿大Annacie桥、上海南浦大桥等。项贻强、刘钊、陶齐宇等针对多座不同索塔锚固形式进行了理论分析和模型试验研究，结果表明了索力水平分力(垂直于塔轴线的力)是锚固区受力控制因素[1-7]。

环向预应力锚固形式的传力途径为：索力水平分力通过锚固齿板传递给塔壁，再传给环向预应力筋；索力竖向分力则直接由塔壁向塔底传递，如图1。钢混组合结构传力途径为：拉索直接作用于锚固梁上，锚固梁通过两斜腹板将索力传给钢横梁，然后传递给砼索塔，如图2。与环向预应力相比，钢锚固梁均需占用塔柱内一定的空间，因此一般塔柱截面尺寸不宜太小。近年来还出现了应用于横截面较小的主塔的钢锚板式钢混组合锚固体系[8]，以及以环向预应力作为安全储备的钢混组合锚固区索塔，如杭州湾大桥和诺曼底桥。

图1 环向预应力锚固结构 Fig.1 Structure of hoop pre-stressed anchorage zone

图2 钢混组合锚固结构Fig.2 Structure of steel-concrete composite anchorage zone

西南交大土木工程学院2006—2012年承担了宜宾长江大桥、长寿长江大桥和厦门马新大桥等环向预应力索塔锚固区的静载试验项目[9-10]，2007— 2011年承担了浙江金塘大桥钢混组合索塔锚固区(钢锚梁-钢牛腿形式)[11]和重庆嘉悦大桥钢混组合索塔锚固区(钢锚箱形式)模型试验项目[12]。综合以上足尺模型试验研究成果，笔者对混凝土索塔锚固区两类基本构造形式进行分析比较，主要讨论各类形式的传力机理、应力分布、索力荷载分配及受力要点，为大跨斜拉桥桥塔设计提供参考。

1 环向预应力索塔锚固结构

笔者基于斜独塔单索面斜拉桥马新大桥为背景，进行了环向预应力索塔锚固区足尺模型试验[10]。索塔锚固区环向预应力配置采用小半径、大吨位的U形束和直束结合的形式，U形筋开口于横桥向，如图3。

图3 马新大桥预应力锚固区结构布置图(单位：cm)

主塔采用C55混凝土。选取斜塔顶端拉索力最大节段进行足尺模型试验，如图4。试验节段内共设10层(竖向间距37.5 cm)，共20束(6层12束U形Φs15.2-12和4层直线形8束Φs15.2-9)预应力束，标准强度为1 860 MPa，预应力束曲率半径为1.4 m，U形筋横桥向开口。根据实测，预应力管道(塑料波纹管)摩擦系数取μ=0.20，管道偏差系数k=0.001 5，其他损失参照桥梁规范计算。

图4 索塔锚固区试验方案(单位：cm)

静载试验分析结果表明：

1)张拉U形筋后，在其小半径处产生较大应力集中，应加强该处局部构造。

2)横桥向开口的U形筋使得端塔壁和侧塔壁受力更均衡，U形筋主要影响端塔壁，直线筋主要影响侧塔壁。斜拉索水平力主要由预应力筋承担，混凝土塔壁承担的拉索水平力很小，可作为安全储备。预应力筋永存预应力值大小是锚固区安全性的控制因素。

3)索塔锚固区4个角部区域是纵横向预应力筋集中锚固的交汇处，应力分布非常复杂，需增加普通钢筋。同时端塔壁索孔出口面上方出现应力集中，易出现裂缝。

4)锚固区超载情况下仍处于弹性工作状态，其极限承载能力超过1.7倍设计索力荷载，环向预应力锚固区具有足够的抗裂性和安全可靠性。

2 钢混组合索塔锚固结构

目前常见的钢混组合锚固形式主要是钢锚梁和钢锚箱。前者为钢锚固梁支撑于空心塔柱横壁内侧，拉索通过预埋钢管锚固于钢锚梁两端锚块，后者则利用埋设于塔内部的钢锚箱锚固拉索，均可用于混凝土桥塔锚固区，只是因混凝土塔壁连接形式不同而造成索力分配不同。

2.1 钢锚梁形式

白光亮，等[11]以舟山金塘大桥(620 m主跨的双塔双索面倒Y形塔斜拉桥)为工程背景进行足尺模型试验，锚固区设计索力为800 t，材料采用C50混凝土，钢锚梁采用Q345D，如图5。

图5 金塘大桥钢混组合锚固区试验布置图(单位：cm)

在加载工况上，模拟索塔锚固区在斜拉索设计索力、超载(1.7倍设计索力)和断索下的三种受力情况，试验结果表明：

1)钢牛腿与塔壁的PBL剪力键抗剪强度高，滑移量小，两者完全共同工作。索孔出口面上方出现较大拉应力，易开裂。

2)超过70%的索力水平分力由钢锚梁承担，混凝土侧塔壁承担较少。

3)钢锚梁侧板、底板及顶板主要受力，锚梁中部出现拉应力最大值；而直接承受索力作用的锚块结构，支撑板、挡板与锚梁底板的连接焊缝及腹板与锚梁侧板连接的焊缝末端出现应力集中；支撑板和挡板在竖向荷载作用下应力相对较大，并控制结构应力分布。

4)钢牛腿腹板两侧板承担的荷载不平衡，并且腹板与壁板连接焊缝应力较大。

5)锚固区加载至1.7倍设计索力荷载没观测到裂缝，证明是安全的。

2.2 钢锚箱形式

刘德军，等[12]以重庆嘉悦大桥(Y形双索面矮塔斜拉桥)为工程背景，进行内置式钢锚箱梁锚固结构足尺模型试验，采用C60混凝土，最大设计索力为1 052 t，如图6。钢锚箱工厂分段制造，现场施工时焊接在一起，每节段高均为1 618.7 mm。钢锚箱与混凝土索塔的连接采用剪力件与贯穿钢筋。通过足尺模型静载试验和相应有限元分析对其索塔锚固结构的设计合理性进行验证。

图6 嘉悦大桥钢混组合锚固区试验布置Fig.6 Layout of composite cable-pylon anchorage zone of Jiayue Bridge

加载工况按1倍及1.4倍设计索力两种工况进行加载。试验结果表明：

1)索力水平分力主要由承压板、剪力板与纵板的焊缝传递至纵板，因此沿索力方向承压板与纵板焊缝处形成一个拉力带。

2)钢锚箱与混凝土塔壁的相对滑移值均很小，完全共同工作。

3)混凝土端塔壁索孔出口面上部及索孔内表面拉应力较大，容易开裂。

4)索力基本上按刚度比由钢锚箱结构与混凝土塔壁共同承担，分担比例为40%和60%。

钢锚箱侧板和端板完全与塔壁连接，塔壁和钢锚箱共同承担荷载索力，因此传至塔壁的索力竖向分力比较均匀，水平分力产生的塔壁水平拉应力较大，容易开裂。因此须采取措施提高塔壁抗裂性。

钢锚梁只有端板与塔壁连接，只有通过端板传递竖向索力至混凝土塔壁，传力均匀性较差，因剪力件分布密集，连接整体工作性强，共同承担竖向荷载。钢侧板和混凝土塔壁分离导致钢锚箱和塔壁的水平索力分配关系主要根据其刚度比例。砼塔壁因刚度小，其拉应力显著减小，不易开裂，而钢锚梁拉应力明显增大，故锚固梁形式受力明确，被法国诺曼底大桥和苏通大桥采用。

将承载效率定义为最大索力荷载与材料费(材料用量与其市场单价的乘积)的比值(最大索力荷载/材料费)，并作为评价指标，表1对3种不同结构形式的实桥主塔1个标准节段锚固区承载效率进行比较。由表1可见，3种形式承担的索力均超过千吨，均能应用于大跨斜拉桥。钢锚固梁与钢锚箱所用材料费相差不大，但预应力索塔锚固形式所用钢材比两者少很多，而与钢材比，混凝土价格要低得多，说明预应力锚固形式承载效率最高。

表1 不同锚固结构承载效率对比

3 锚固结构形式比较

通过对上述两类基本索塔锚固结构形式的足尺模型试验，可得：

1)两类锚固形式均能满足设计要求。环向预应力锚固的最大应力发生端塔壁索孔出口上方区域和U型筋小半径处；钢锚梁锚固最大应力出现在梁跨中位置；钢锚箱锚固最不利位置在混凝土侧塔壁。设计时对这些地方加以注意，各形式均适用于大跨砼塔斜拉桥。

2)锚固形式构造难易情况。锚梁式构造最复杂，环向预应力构造最简单，锚箱式介于两者之间。钢锚梁由钢横梁、钢牛腿和剪力连接件组成；锚箱式构造由侧拉板、端部侧压板、锚垫板、剪力板、平台、剪力键等组成。

3)传力路径。环预应力锚固的传力路径是通过预应力筋先将水平预压应力施加给塔壁，而索力通过锚固齿块传递给塔壁，实现了水平分力由预应力筋承担，索力竖向分力直接由混凝土塔壁向塔底传递，构造简单；钢混组合锚固形式将索力传递给钢横(箱)梁，然后通过剪力连接件传递给混凝土索塔，构造相对复杂。

4)索力水平分力分配关系。由于存在预压应力，预应力锚固形式混凝土塔壁分担很少，主要是作为安全储备；钢锚梁形式侧塔壁与钢梁之间无联系，混凝土分担一小部分；钢锚箱形式侧塔壁与钢梁之间有剪力键连接，混凝土分担超过一半的水平分力。

5)应力分布。几种锚固形式都在混凝土塔索孔出口面上方的混凝土表面出现拉应力集中。预应力锚固构造中，U预应力筋在小半径处出现应力集中；锚(箱)梁式构造焊缝连接处容易出现应力集中。

6)承载效率。3种锚固形式均适用于大跨斜拉桥，预应力索塔锚固形式承载效率最高，优势明显。

7)针对各种锚固形式受力特点及出现拉应力的位置，设计要点不同。预应力锚固形式中预应力设计是关键，预应力施工及有效预应力值大小至关重要；钢混组合锚固形式中钢结构本身的强度、刚度和剪力键(牛腿)的抗剪能力是传力的关键部位，需要特别关注。剪力连接件是将钢梁与混凝土塔壁组合在一起共同工作的关键连接，其作用是承受混凝土塔壁与钢梁之间的纵向剪力和弯矩。

8)主塔服役期的维护和检查中，针对不同形式受力情况，需对关键构造和部位进行监控。锚固结构形式构造复杂，制造工艺和制造成本会更高，且给运营检查、维修造成困难，如锚箱式和锚梁式。预应力锚固形式由于构造简单，其制造和安装成本相对要低，同时只要保证预应力管道灌浆密实，有效预应力到达规范要求，后期维护成本较低，具有明显的优势。

4 结 论

对大跨混凝土塔斜拉桥索塔锚固结构的两种基本形式——环向预应力和钢混组合结构进行详细比较分析，重点讨论了3种典型锚固形式的传力机制、应力分布、荷载分担情况，得出如下结论：

1)两类结构形式均适用于混凝土索塔锚固区，且各具特色。

2)钢锚梁式板件较多，构造最复杂，而环向预应力构造最简单，钢锚箱式介于两者之间。

3)环向预应力锚固的传力途径是预应力筋先将水平预压应力施加给塔壁，而索力水平力通过锚固齿板传至塔壁；索力竖向力直接由塔壁向塔底传递。钢混组合锚固形式将索力传递给钢横(箱)梁，然后通过剪力连接件传递给混凝土索塔。

4)3种索塔锚固形式中，混凝土塔壁分担索力水平力分配关系不同：钢锚箱形式分担最多，超过1/2；钢锚固梁混凝土分担较少，少于1/2；环向预应力形式混凝土塔壁基本不分担。

5)提出承载效率作为评价指标，预应力索塔锚固形式承载效率最高，优势明显。

6)钢混组合锚固形式构造复杂，制造工艺和制造成本更高，而且给日后使用过程中的检查、维修、更换造成不便。环向预应力锚固形式构造简单、经济性好，具有明显的优势。

7)桥塔设计中应根据现场情况，如材料供给、施工工艺以及后期桥梁维护和修复等，综合考虑可行性、经济性等诸多指标，选取合理的索塔锚固结构形式。

[1] 项贻强,易绍平,杜晓庆.南京长江二桥南汊桥斜拉索塔节段足尺模型的研究[J].土木工程学报,2000,33(1):15-22.

Xiang Yiqiang,Yi Shaoping,Du Xiaoqing.Study on the full scale segmental model of tower of cable-stayed bridge of the second Yangtze river bridge in Nanjing [J].China Civil Engineering Journal,2000, 33(1): 15-22.

[2] 刘钊,孟少平,吕志涛.两座大型斜拉桥索塔锚固区模型试验及对比研究[J].中国工程科学,2003,5(12):48-54.

Liu Zhao,Meng Shaop ing,Lv Zhitao.Model tests and comparative study of the pylon’s anchorage zone of two long-span cable-stayed bridges [J].Engineering Science, 2003, 5(12): 48-54.

[3] 陶齐宇.大跨度斜拉桥预应力混凝土索塔关键问题研究[D].成都:西南交通大学,2012.

Tao Qiyu.Study on Key Issues in the PC Pylon of Long-Span Cable-Stayed Bridge [D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2012.

[4] 钟继卫,黄展军,王波,等.扭背索斜拉桥非对称索塔锚固区足尺模型试验研究[J].世界桥梁,2011(4):45-48.

Zhong Jiwei,Huang Zhanjun,Wang Bo,et al.Study of full scale model test for asymmetric anchor zone in pylon of cable-stayed bridge with twist plane back stays [J].World Bridges, 2011(4):45-48.

[5] 刘世建.#字型预应力体系在索塔锚固区的应用及试验研究[D].重庆:重庆交通大学,2008.

Liu Shijian.Theoretical Calculation and Experimental Analysis of “#” Type Prestressed System the Cable Tower Anchorage Zone of Cable-Stayed Bridge [D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2008.

[6] 陈开利.钢锚箱索塔锚固区受力机理[J].中国铁道科学,2008,29(4):58-64.

Chen Kaili.Mechanical mechanism of the steel anchor housing in the anchorage zones of the cable pylons [J].China Railway Science, 2008, 29(4): 58-64.

[7] 苏庆田,秦飞.组合索塔锚固区水平受力机理的理论与试验[J].同济大学学报:自然科学版,2011,39(8):1120-1125.

Su Qingtian,Qin Fei.Theory and experiment on horizontal mechanical behavior in anchorage zone of composite cable-pylon [J].Journal of Tongji University: Natural Science,2011,39(8):1120-1125.

[8] 狄谨,周绪红,游金兰,等.钢箱梁斜拉桥索塔锚固区的受力性能[J].中国公路学报,2007,20(4):48-52。

Di Jin,Zhou Xuhong,You Jinlan,et al.Mechanical property of cable-pylon anchorage zone of cable-stayed bridge with steel box girder[J].China Journal of Highway and Transport, 2007, 20(4): 48-52.

[9] 刘兆丰,孟鑫,赵人达,等.长寿长江公路大桥索塔节段足尺模型试验研究[J].公路交通科技,2009,26(8):77-83.

Liu Zhaofeng,Meng Xin,Zhao Renda,et al.Full-scale model test for pylon segment of Changshou Yangtse River highway bridge [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2009, 26(8): 77-83.

[10] 叶华文,强士中.厦门马新大桥索塔锚固区受力性能试验研究报告[R].成都:西南交通大学,2012.

Ye Huawen,Qiang Shizhong.Test of Anchorage Zone of Maxin Bridge in Xiamen[R].Chengdu:Southwest Jiaotong Universtiy,2012.

[11] 白光亮.大跨度斜拉桥索塔锚固区结构行为与模型试验研究[D].成都:西南交通大学, 2009.

Bai Guangliang.Study on the Structural Behaviors and Experiments of Anchorage Zone of Cable-Stayed Bridge [D].Chengdu:Southwest Jiaotong Universtiy,2009.

[12] 刘德军,徐亚光,李小珍,等.斜拉桥钢-混凝土组合索塔锚固结构节段模型试验研究[J].钢结构,2009,24(9):14-21.

Liu Dejun,Xu Yaguang,Li Xiaozhen,et al.Segmental model test of studies of composite cable-tower anchor zone of cable-stayed bridge [J].Steel Constructure, 2009, 24(9): 14-21.