独塔斜拉桥索梁锚固系统技术研究

□文 /张友为

1 工程概况

天津团泊新桥主桥采用了世界上独一无二的“彩针型”独塔斜拉桥形式，桥塔向河道中心方向倾斜18°，桥塔与墩柱铰接、主梁与墩柱固结。斜拉桥主跨138 m，前副跨45 m，后副跨2×30 m。主桥斜拉索为不对称布置形式，主跨侧斜拉索布置在中央分割带，边跨斜拉索布置在人行道外侧，以体现仙鹤奋力振翅的两翼。主跨布置9根斜拉索，索距 12 m，斜拉索与水平夹角为41.5°～62.9°。边跨斜拉索锚固于30 m跨径混凝土梁上，斜拉索索距为3.75 m，斜拉索与水平夹角为55.8°～24.2°。边跨斜拉索布置为梁上距桥塔近的斜拉索锚点与塔上最高的锚点相对应，依此类推。

2 索梁锚固钢锚箱受力分析

2.1 计算模型

天津团泊新桥斜拉索与钢箱梁的锚固采用锚箱式索梁锚固系统，见图1。即在箱梁的边腹板外侧顺斜拉索轴向焊上锚箱，锚箱主要由两块承压板（N1、N2）和一块底锚板（N3）组成，每块承压板的外侧各有3块加劲肋（N5），两承压板之间有上下两块“凹”字加劲板（N4），其两侧与承压板外侧的加劲肋位置对应。沿锚板（N3）方向，主梁钢箱边腹板有一个加劲板（N6），在承压板（N1、N2）板边，主梁钢箱边腹板有两个竖向加劲板（N7）。N9为锚垫板，N10为箱梁在锚箱处的横隔板加劲。承压板底板上开有与斜拉索直径配套的圆孔，斜拉索穿过锚箱，锚固在底锚板外侧。这种锚固结构，不仅空间结构复杂，而且在斜拉索巨大拉力的直接作用下，锚固区域的应力分布规律也比较复杂，需要进行细致的分析。

图1 钢锚箱

建模时，不考虑锚垫板以及索道因素，索力以锚板范围均布载荷的形式施加上去，以H4号索为例建立模型，见图2。

图2 钢锚箱有限元模型

2.2 锚箱应力计算结果

2.2.1 恒载下的应力分布

取恒载作用下的拉索索力以及边界条件，索力以锚板范围均布载荷的形式施加，其应力见图3-图9。

图3 钢锚箱应力

图4 底锚板N 3应力

图5 承压板N 1、N 2应力

图6 加劲肋N 5应力

图7 加劲板N 4应力

图8 加劲板N 6应力

图9 加劲板N 7应力

2.2.2 组合下的应力分布

取恒载+活载作用下的拉索索力以及边界条件，索力以锚板范围均布载荷的形式施加，其应力见图10-图16。

图10 钢锚箱应力

图11 底锚板N 3应力

图12 承压板N 1、N 2应力

图13 加劲肋N 5应力

图14 加劲板N 4应力

图15 加劲板N 6应力

图16 加劲板N 7应力

2.2.3 应力分布规律

由以上应力云图可知，恒载以及恒载+活载作用下，整个锚箱体系除了部分边界点外，其应力水平比较低。各个板块总的应力分布可归纳如下：

1）底锚板 N3受力很复杂，在板件 N1、N2、N4、N5及主梁腹板支承下，形成多边支承的结构体系，恒载下其Mises应力达80.5 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达104.8 MPa；

2）板N1、N2与腹板相交且靠近顶板处出现最大Mises应力，恒载下其Mises应力达87.9 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达107.3 MPa；

3）加劲板N5整体Mises应力水平不高，但在与底锚板N3相交且靠近底锚板外侧处出现很大的局部应力，恒载下其Mises应力达211.5 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达264.8 MPa，这些高应力均发生在很小的局部范围，对整体结构影响很微小，可忽略不计，但在焊接时要注意焊缝的处理，以减少焊接残余应力；

4）加劲板N4整体Mises应力水平不高，恒载下其Mises应力最高为98.2 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达123.8 MPa；

5）加劲板N6整体Mises应力水平很低，恒载下其Mises应力最高为28.6 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达29.1 MPa，出现在板与腹板相交处；

6）加劲板N7整体Mises应力水平也不高，恒载下其Mises应力最高为74.8 MPa，组合载荷作用下其Mises应力达89.9 MPa，出现在板与腹板相交处。

3 索梁锚固钢锚箱及索道管施工技术

3.1 钢锚箱的制作

钢锚箱的安装精度是保证能够顺利挂索的重要的一个环节。锚箱钢板加工完成后即开始组装，锚箱的组装在工装胎上实施。锚箱的安装是在工厂确定好安装位置后做好标记，待钢梁现场安装完成后重新核对锚箱位置，待确定安装位置后以索道管中心线为基准再根据α、β角大小确定钢梁箱体底板开孔位置和尺寸，然后进行切割孔，再将焊接好的钢锚箱结构安装到钢箱梁相应位置调整好α、β角后焊接。α角度范围为23.837°～62.877°。β角度的范围为0.504°～18.143°。索道管根据不同的α、β角度进行下料完成后进行索道管的安装，然后进行索道管与锚箱和箱体的焊接。

3.2 索道管安装控制

索道管安装位置的准确才能保证缆索安装精度要求，否则缆索甚至不能成功安装。索道管角度就是钢塔缆索的角度，由于团泊新桥缆索为空间索面结构，每一个索道管角度都是不一样的空间三位角度，在制作过程中用安装时的空间角度来控制是几乎不可能完成的，因为制作位置和安装位置不是同一个坐标系，而且角度的测量精确度不高，即使误差在0.5°范围内，由于钢管直径为1.2 m，尺寸误差为10.5mm，为保证索道管的安装精度，最后用索道管孔的位置尺寸来控制索道管的角度，这样大大降低了索道管的角度误差，保证了缆索安装一次成功，见图17和图18。

图17 钢箱梁索道管

图18 钢塔索道管

4 结语

天津团泊新桥钢主梁锚固采用柱式锚箱，锚箱与主梁内侧30mm厚腹板焊接。钢锚箱是由承锚板，承压板，锚垫板，插板（U形）、承锚板加劲肋以及边腹板的竖向加劲肋等构件组成的。承锚板厚40mm，焊接在钢梁最外侧斜腹板上并与腹板垂直，是将索力传递给腹板的直接传力构件。承压板厚40mm，与主梁边腹板及承锚板焊接，是连接两块承锚板并将索力传给承锚板的构件。锚垫板为楔形钢板，用以调整斜拉索的横桥向角度，其不与其他构件焊接，起到将斜拉索锚圈力均匀扩散的作用。承锚板、承压板均采用熔透角焊缝与边腹板连接。承锚板加劲肋与承压板磨光顶紧，锚垫板与承压板磨光顶紧。在与锚箱40mm厚的承锚板相焊连的腹板内侧，通长水平加劲肋的上下两侧各增加同样截面的水平加劲肋和竖向加劲肋。

塔上锚固斜拉索锚固于主塔横连上，由于本桥的空间索形式复杂且桥塔也为倾斜布置，造成塔上锚固点的空间定位非常复杂，采用传统的钢结构锚固形式势必会对钢板的加工和定位造成很大的难度，因此设计采用在横连钢管内灌注混凝土，混凝土通过剪力钉与钢管联系，这样布置可以大幅度的降低施工难度，同时降低施工误差，保证斜拉索安装正确。

[1]TG/TF 50—2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].