大跨度斜拉桥拉索锚具参数的影响因素分析

林茂

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

大跨度斜拉桥拉索锚具参数的影响因素分析

林茂

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

通过对两个大跨度斜拉桥拉索安装事故问题进行分析，总结了斜拉索下料长度、锚具参数等的影响因素，指出目前设计中存在的不足，为大跨度斜拉桥的设计、施工及监控提供借鉴。

斜拉桥；拉索；错具；参数；影响因素；事故分析

0 引言

大跨度斜拉桥因施工过程主梁变形大、塔顶位移大等原因，使得仅按规范规定计算无应力索长的办法不能完全满足施工要求。设计单位往往根据索具厂家的产品样册选择与斜拉索配套的锚具标准尺寸，而并不加以验算和修正。因此，斜拉索第一次张拉时，经常出现锚圈不能戴到锚杯上，或者斜拉索最后一次张拉时锚杯长度不足的情况。通过临时补救措施可以在一定程度上解决这两类问题，但会增加施工难度，甚至影响桥梁的安全性和耐久性。故大跨度斜拉桥索长和锚具参数需要根据施工过程计算结果加以验算和修正。下面通过分析两个工程事故成因来说明这个问题。

1 无应力索长计算方法

一般情况下，斜拉桥的拉索设计长度由设计单位根据合理成桥状态确定，即采用梁上锚点与塔上锚点之间的距离作为长度基数，再进行弹性伸长及垂度等影响因素的修正，一般在设计图纸中给出，对于冷铸锚斜拉索，下料长度如图1所示。

式中：L为拉索下料长度；L0为每根拉索的长度基数，是该拉索上下两个索孔出口处在拉索张拉完成后锚固面的空间距离；ΔLe为初拉力（成桥索力）作用下拉索弹性伸长的修正值；ΔLf为初拉力（成桥索力）作用下拉索的垂度修正值；ΔLML为张拉端锚具位置修正值，最终位置可设定螺母定位于锚杯的前1/3处；ΔLMD为锚固端锚具位置修正值，最终位置可设螺母定位于锚杯1/2处；LD为锚固板厚度；3d为拉索两端所需的钢丝墩头长度（每一墩头长度为1.5 d），d为钢丝直径。

图1 斜拉索构造示意图

弹性伸长量ΔLe和垂度修正值ΔLf分别按式（2）、式（3）计算：

式中：σ为拉索设计应力；E为拉索弹性模量；T为拉索设计拉力：L0为拉索长度基数；LX为L0的水平投影；W为拉索每单位长度质量；A为拉索截面积。

如工厂下料时的温度和桥梁设计中取定的温度不一致，则在下料时还应加温度修正。如采用应力下料，则要考虑应力下料修正值。

斜拉索型号确定以后，锚具一般选择索具厂家配套的标准锚具。但这些未考虑到施工过程索塔和主梁的变位，并且活载预拱度也会影响索长取值。斜拉索精确下料则必须考虑施工过程并计算各塔上锚点实际成桥时的变位。

2 事故1：斜拉索最后一次张拉锚杯长度不足

某大跨混凝土斜拉桥在悬臂浇筑过程中，随着悬臂长度的增大，斜拉索长度增大，200 m以上长度的斜拉索出现锚杯长度不足的问题，以其中一根斜拉索构造及张拉参数为例，进行说明。表1、表2为某大跨斜拉桥其中一根斜拉索的张拉力一览表及构造参数表。

表1 斜拉索张拉力一览表 kN

表2 斜拉索构造参数表

假定斜拉索第一次张拉时，锚圈最外缘刚好处在锚杯最外端的位置（按照最理想情况考虑）。故，由于主梁抬高、索塔水平变位及斜拉索第一次张拉至第四次张拉引起的锚圈行程之和应小于等于设计锚圈行程：

当索力从T1变到T2时，Ernst及在美国土木工程师协会（ASCE）的暂行规定中，建议采用如下的修正弹性模量：

式中：E1即为有效弹性模量；E为不计拉索垂度影响的弹性模量；W，A，T分别为索单位长度的重量、钢丝索截面的面积，以及索的拉力；Lx为索水平投影的长度。

按上式修正弹性模量后计算得到该索第一次张拉至第四次张拉锚圈行程之和为:

根据施工过程计算结果，新浇梁段斜拉索最后一次张拉也即第四次张拉时，主梁最前端抛高值为23.1 cm，塔向该侧偏5.7 cm，如图2所示。根据图2所示几何关系图可推出结构变形引起的锚杯拔出量为：

ΔL1=δ1sinα=23.1×sin23.6°=9.3（cm）——由于主梁竖向变位引起的锚杯拔出量

ΔL2=δ2cosα=23.1×cos23.6°=5.2（cm）——由于塔顶水平变位引起的锚杯拔出量

图2 索力调整后结构变形图

故，锚圈行程为48.5+9.3+5.2=63（cm），远大于满足设计要求的28.7cm。

而根据设计，斜拉索第一次张拉以后锚圈最大行程为2×H－2×L3＝75（cm）。事实上，该节开始设定的理想状况很难满足，斜拉索第一次张拉后，锚圈最外缘距离锚杯最外缘远一些则会加剧上述不利情况，少一些又会出现斜拉索第一次张拉后锚圈无法定位到锚杯上的情况，下文将讨论这种情况产生的原因。

故，如不考虑施工过程，可能会出现锚圈锚固位置不能满足设计要求的情况，更有甚者会出现在斜拉索张拉到位的时，钢丝被拉出锚杯的情况。施工单位往往采取在锚杯和锚垫板之间垫钢片的方式来解决锚杯长度不足问题。然而这种临时措施必将对桥梁安全性和耐久性带来隐患，给徐变完成以后的调索带来不利影响。故在大跨度斜拉桥施工时，有必要对锚具各部分尺寸进行施工过程分析并修改锚具参数以满足施工和安全要求。

3 事故2：斜拉索第一次张拉锚杯长度不足

背景：某轨道交通斜拉桥，桥塔刚度很大，张拉斜拉索几乎无水平位移（小于1 cm）。采用满堂支架施工主梁，施工工序是首先张拉距离桥塔最远端的一根索，此时，主梁抬高仅为2～3 cm。因此，不考虑由于主梁和主塔变形引起的索套管距离（长度基数L0）的变化。但是，由于该桥处于东北地区，挂索时处于冬季（-15℃），而斜拉索的出厂温度为20℃，温差效应非常明显。根据出厂质量保证书，α=1.2×10-5，E=2.01×105MPa。斜拉索第一次张拉索力为1 650 kN。斜拉索示意图同图2所示，斜拉索构造参数见表3所列。

表3 斜拉索构造参数表

斜拉索第一次张拉时弹性引伸量为：

斜拉索第一次张拉完成后垂度效应为：

温度效应为：ΔLt=Δtαl=35×170.344×1.2× 10-5=0.072（m）

故斜拉索第一次张拉后，锚固端锚圈按照设计要求定位于锚杯的1/2处，当张拉端锚圈定位于锚杯最外缘时，斜拉索固定端、张拉端锚垫板最外缘空间距离为：

长度基数L0为170.344 m，比l'大12.7 cm，故会产生当锚固端放在设计位置时，斜拉索第一次张拉后，张拉端锚圈锚固长度不足的情况。

在实际施工中，重新调整锚固端锚圈位置，将其定位于锚杯最外缘。而在后续的斜拉索第三次张拉时，产生张拉端锚杯长度不足的情况，原因同第二节。此时又重新调整固定端锚圈位置，使其定位于锚杯最内缘，问题才得以解决。

由于设计对斜拉索索长和锚杯尺寸考虑不周全，造成施工反复。使得一端张拉工序变成两端张拉工序，施工难度和张拉次数成倍增加。如若对锚具设计为一端张拉的情况下，则无法通过两端张拉调整，这将造成经济及工期方面的损失。因此，此类问题应引起足够的重视。

4 结 语

大跨度斜拉桥由于施工过程中主梁主塔变形大、斜拉索第一次张拉时垂度效应明显等原因，使得按照规范计算所得无应力下料长度需要进行适当修正。在斜拉索满足受力要求的情况下，与之配套的标准锚具同样也会出现锚杯长度过短的情况，在设计及施工监控过程中，斜拉索的下料长度和锚杯长度、锚固位置等参数，必须考虑主塔主梁变形、斜拉索的张拉次数及张拉力、下料温度和施工温度等因素，并预留一定的富余量，以避免上述两类事故的发生，保证斜拉索的耐久性。

U448.27

B

1009-7716（2017）03-0102-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.028

2017-01-06

林茂（1979-），男，四川南充人，高级工程师，从事桥梁工程设计与管理工作。