赤石特大桥索塔锚固区钢锚梁设计分析

文/黄胜

1 前言

汝郴高速郴州赤石特大桥为四塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主桥全长1470m，采用桥跨布置为165m+3×380m+165m 四塔双索面预应力混凝土斜拉桥方案，边塔支承、中塔塔梁墩固结体系。它是世界建桥史上工程规模大、建设标准高、技术复杂、科技含量高的现代特大型桥梁之一。

2 钢锚梁基本要求分析

索塔拉索锚固区施工前，施工单位须对各拉索锚固点的位置（坐标）进行认真复核，如实际情况与设计文件不符，须及时与设计单位联系。为了确保施工准确，一定要保证塔身混凝土强度达到标准设计强度后再进行预应力的张拉工作，以此方能允许张拉斜拉索。每次对拉索张拉时，应控制水平分力差值不超过50t，并且应先张拉郴州侧斜拉索[1]。

钢锚梁及其牛腿钢板均采用Q345qC 钢种，所有钢材性能均应符合《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2015）的要求。设计图中所标注的钢结构尺寸，均为20℃基准温度下的尺寸，未计入焊缝的收缩和拉索张拉时的钢锚梁伸长量。

3 钢锚梁结构设计分析

3.1 钢锚梁腹板构造模式

通常情况下，钢锚梁-钢牛腿锚固体系主要包括支承锚梁、传播斜拉索纵向分力的钢牛腿、均衡斜拉索水平分力的钢锚梁。具体而言，钢锚梁主要包含锚下加劲板、底板、腹板、锚板、纵向加劲板、承压板、锚板等几个部分，1 根钢锚梁和一对钢牛腿顶板相对。钢牛腿主要包括锚固连接键、腹板加劲板、顶板、塔壁预埋钢板、腹板等部分。本案中斜拉索立面角度较大，运用钢锚梁锚固的斜拉索最高角度为63.1°，索力最高数值达到10440kN。钢锚梁架构所受的力量比较繁杂，对耐久性有很高的要求，因此设计过程中还应当考虑斜拉索塔端张拉程度，深入探析钢锚梁腹板架构。另外，将传统钢锚梁架构作为参考，施工单位打造了三种钢锚梁腹板结构模式以供选择。

第一种方案，传统钢锚梁腹板结构。工作人员采取等高的方法设计腹板，跨中高程大致是0.6m，腹板下端在相同水平上，两边由于要契合锚箱设计标准所以有所提升，锚点以及牛腿上端的高程相对较小；而锚箱在很大程度上处于锚梁腹板中，考虑到穿索上的需要，此时要在牛腿顶板上设置若干孔[2]。

第二种方案，高腹板结构。为了避免在牛腿上端开设孔洞，此时要相应地提升传统钢锚梁腹板架构的锚点，同时还要求相应地提升锚梁腹板端，保证腹板下端维持在相同水平面上，且腹板跨中的高度要保持稳定。

第三种方案，变高腹板结构。牛腿顶面高程维持不变，基于常规钢锚梁腹板架构，把钢锚梁总体向上移动，牛腿顶板范畴内以增高钢锚梁腹板的方式将钢锚梁和牛腿连在一起，也就是增高钢锚梁腹板端侧，跨中不进行改变，平面结构方面和哑铃的形状近似。

以斜拉索立面倾斜角度最大、钢锚梁端部高度最大的S7-M7 钢锚梁尺寸为例(钢锚梁长6.52m、高0.6m、宽1.5m；钢牛腿伸出长度为0.9m，牛腿顶面宽2.16m、高1.2m)，三种钢锚梁腹板构造方案见图1。值得注意的是，施工要水平安置钢锚梁，且每处钢锚梁锚固一个拉索。由此，施工人员可以采取如下图1中的第三种方案将钢锚梁稳固在钢牛腿之上。两侧加固，两端保持可动状态。根据大量的实践表明，一侧稳固、一侧移动，图1 中的三种方案都采取两端固结，也就是施工张拉时期钢锚梁和牛腿保持稳固，然后另一侧就保持移动，各个斜拉索面中的平衡水平分力一般交由钢锚梁担负，而不均衡的地方则交由固定端传送到桥塔之上。一旦作业结束后，针对钢锚梁的滑动一端，要求采取高强度螺栓搭载，然后转化成为固定端，成桥状态提升索力的水平分力，并由钢锚梁和桥塔依据刚度比重来予以担负。

根据图1 不难看出，牛腿上端至锚点的高程，第一种方案最小，而其他两种方案一样。和第二种方案比较，第三种方案腹板中心区域向上移动，能够留出更充足的斜拉索张拉空间。因此，第一种方案和第三种方案比第二种方案理想。

图1 三种方案设计（单位：mm）

3.2 计算分析

钢锚梁腹板应力：运用有限元系统ABAQUS 构建索塔锚固模型，深入剖析三种钢锚梁腹板结构方案中的钢牛腿以及钢锚梁受力状况。相关的施工人员应该谨慎留意传力焊缝的应力变动态势。根据下图2，不难看出，不考量承压板尾端和腹板交合地点应力集聚的作用，第一种方案腹板最高水平的Mises 应力大概在150MPa 的水平，其他两种方案的应力最高数值大概在200MPa。应力最高数值分布地区都在承压板和腹板交合范畴，这大多是由于承压板将斜拉索负载转移到腹板方位，此时腹板就很难负荷起斜拉索横向负载，同时还要担负较高的斜拉索纵向负载。另外，由应力分布状况可以知道，第三种方案在这个区域的应力传输途径较为清晰，第一种与第二种方案的应力传输途径不够明晰。

图2 锚梁腹板Mises 应力等值线（单位：Mpa）

3.3 方案比较剖析

3.3.1 第一种方案腹板应力水平相对最低，同时应力较为均衡布局。这常常是由于该方案腹板横向规模和矩形具有统一性，而且锚点高度相对很小，钢锚梁用来担负斜拉索所存在的横向分力，一般轴向受拉，而实际上钢锚梁端一端常常要被用来负荷斜拉索纵向分力产生的强压，不过由于锚梁端部腹板高程很小，所以一些方位的焊缝规模较大，此时应力分散力度不够，如此一来，就不可避免地造成截面刚度减小，顶板整体应力水平很高，架构细节不合理。

3.3.2 第二种方案腹板应力呈现为明显的集中状态，传输的力量不够匀称。由于锚点升高，钢锚梁端侧周边弯矩变大，所受的力量主要是拉弯，并且钢牛腿顶板应力处于较高水平，会负面作用于塔柱中的混凝土受力结构。

3.3.3 第三种方案腹板应力布局较为匀称，所负荷斜拉索横向分力的性能相较于第一种方案比较明显。由于腹板是朝上转移，腹板端部上升，较之于第二个方案，其部增添弯矩大幅度减少。同时钢牛腿顶板并不要求在短时间内做空，如此一来，就有利于提升塔柱混凝土承受重力。

由上述剖析结果可知，这个桥的钢锚梁结构运用的是第三种方案，也就是变高腹板结构。

4 结语

对于索塔桥梁来说，钢锚梁是非常重要的组成部分。本研究将汝郴高速郴州赤石特大桥作为案例对钢锚梁设计的有关要素进行剖析。事实表明，钢锚梁和钢牛腿的滑动端连接面间运用内嵌型的滑动摩擦，能够尽可能使钢锚梁均衡斜拉索横向索力的功能得到全面发挥，另外不对滑动端转变成固定端之后的耐久性产生显著影响，进一步促成我国桥梁可持续性发展。