大型斜拉桥索塔锚固体系设计研究

沈宜萍 ，余竹 （安徽省交控建设管理有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程概况

某特大跨径斜拉桥全长1448m，主跨828m，采用桥跨布置为（3×48+96+828+280+100）m 非对称混合梁斜拉桥。全桥共采用216根斜拉索。主梁为混合梁，斜拉索采用钢绞线斜拉索。斜拉桥主塔设计为花瓶形钢筋混凝土结构，主塔结构由下、中、上塔柱及上、下横梁组成。Z4号北主塔高237m，与Z5号南主塔中、上塔柱及上、下横梁部分均相同，Z5主塔下塔柱比Z4高6m，其中塔柱为钢筋混凝土结构，上横梁为钢结构，下横梁为预应力混凝土结构。

图1 主塔立面图(单位:cm)

2 锚固方案设计

2.1 索塔锚固方式比选

结合桥梁主通航孔桥的桥型结构，对比斜拉索锚固在塔柱内的预应力锚固、钢锚梁、钢锚箱以及塔柱外钢横梁锚固形式，总结得到塔柱外钢横梁锚固有以下几点优势。

①受力机理：塔柱两侧拉索的水平分力通过钢横梁承受，竖直分力传递至塔壁柱混凝土中。

②塔柱受力影响：塔柱不受拉力，仅传递剪力。

③安装精度：钢横梁在工厂预制完成，容易控制锚固点的位置和角度，现场仅需控制塔柱混凝土基座标高。

④施工要求：对吊装能力有一定要求，钢横梁分块制造，在浇筑上塔柱前采用栓接拼装，施工较为方便。

综上，采用塔柱外钢横梁的锚固方式，可有效避免主塔局部受拉。同时，可采用工厂预制化加工，整体吊装，施工便捷，景观上也与主塔外形相匹配。因此，采用塔柱外钢横梁锚固的形式是较为适合的。

2.2 索塔及钢横梁受力分析

2.2.1 计算模型

主塔计算采用SCDS2011平面杆系程序，分析结构的内力情况。由总体计算可知，Z4#主塔结构索力较大，塔端斜拉索边跨侧竖向角度较小，索力对主塔内力影响较大，因此取Z4#主塔建立模型进行计算。计算模型共划分节点199个，20 4个单元。下横梁混凝土梁单元编号1～16，上横梁共6道钢横梁，由上至下，分别为钢横梁1～钢横梁6,每道钢横梁划分10个单元。左、右每塔柱共划分58个单元。6道钢横梁与塔柱采用刚臂连接。

2.2.2 计算荷载

①主塔自重

主塔按构件实际截面计入，C50混凝土容重γ=26.25kN/m3。钢横梁按实际截面计入，采用Q370qE。

②斜拉索索力

图2 成桥索力表

通过总体计算，斜拉索索力主要分为成桥索力、活载索力、成桥+活载+附加力索力，分别如图2。斜拉索NSC1～NSC27为边跨侧拉索编号，NMC1～NMC27为中跨侧拉索编号，拉索编号顺序由内向外，靠近主塔处为小号编号拉索。

③下横梁支座反力

通过总体计算，下横梁支座反力主要分为成桥反力、活载反力、成桥+活载+附加力反力。分别如表1所示。

下横梁支座反力表 表1

④荷载组合

组合I：恒载（裸塔，结构塔本身自重）；

组合II：恒载＋成桥索力＋成桥反力；

组合III：恒载＋（成桥＋活载）索力+（成桥+活载）反力；

组合IV：恒载＋（成桥+活载+附加力）索力＋（成桥+活载+附加力）反力；组合Ⅴ：恒载＋（成桥+活载+附加力）索力＋（成桥+活载+附加力）反力+风荷载+温度荷载；

组合VI：活载索力＋活载反力

注：风荷载、温度荷载及收缩徐变按相关要求及规范选取

2.3 计算结果及分析

2.3.1 主塔钢横梁检算

表2给出了钢横梁1～6在5种荷载组合下的内力最值。

组合Ⅵ：活载索力＋活载反力——钢横梁活载应力幅

钢横梁活载应力幅仅考虑活载作用，为最大索力与最小索力情况下的应力差值。经计算分析，钢横梁最大应力幅仅为6MPa，应力幅很小，满足设计要求。

2.3.2 主塔下横梁检算

主塔下横梁为预应力混凝土构件，按全预应力设计，在荷载组合下，下横梁全截面均受压，最大压应力12.1MPa，最小压应力2.8MPa，没有拉应力，结构检算满足要求。

2.3.3 主塔塔柱检算

主塔塔柱为钢筋混凝土构件，计算结果如下。

组合Ⅲ：恒载＋（成桥＋活载）索力+（成桥+活载）反力；组合Ⅴ：恒载＋（成桥+活载+附加力）索力＋（成桥+活载+附加力）反力+风荷载+温度荷载

塔柱截面在组合Ⅲ主力工况下，全截面受压，没有拉应力。在组合Ⅴ主力+附加力+风荷载+温度荷载工况下，除塔底及下横梁与塔柱交接截面处出现拉应力外，其余截面均为压应力，塔底截面最大拉应力-3.2MPa，下横梁与塔柱交接截面最大拉应力-2.9MPa。塔柱按钢筋混凝土构件检算，截面布置直径32mm，间距15cm的两层主钢筋，强度、裂缝检算满足规范要求。

受力计算结果表 表2

2.4 塔柱与横梁同步施工时钢横梁受力分析

考虑主塔与主梁同步施工，即主塔施工完锚固斜拉索的钢横梁时，具备架设主梁、斜拉索的条件，同时施工主塔、主梁架设及斜拉索张拉。

塔梁同步施工阶段，最大应力57MPa为钢横梁6，小于成桥阶段恒载+活载+附加力工况下的最大应力99MPa。通过分析结果表明，上横梁6道钢横梁，最大应力为99MPa，最大应力幅6MPa，结构检算满足要求。下横梁按预应力混凝土构件检算，均为压应力，结构检算满足要求。塔柱按钢筋混凝土构件检算，强度及裂缝满足要求。因此，桥塔结构受力安全。

3 结语

本文通过对比多种索塔锚固形式，分析索塔及钢横梁受力及塔梁同步施工时钢横梁的受力情况，验证了此方案是可行的，对同类型桥梁的索塔锚固设计具有一定的参考价值。