矮塔斜拉桥鞍座锚固及索力张拉关键技术研究

陈 浩，郭凯强，卓为顶，刘 钊

(1. 南京地铁建设有限责任公司,南京 210017；2. 东南大学土木工程学院,南京 211189；3. 南京工程学院建筑工程学院,南京 211167)

矮塔斜拉桥作为一种介于连续梁桥和一般斜拉桥之间的组合体系桥梁[1]，具有索塔较矮、竖向刚度大、造型美观等特点，是中等跨径桥位(100～300 m)的经济桥型，在城际轨道交通领域已得到越来越多的应用。

与一般斜拉桥相比，由于矮塔斜拉桥的塔上索间距较小，会在塔上设置转向鞍座，拉索连续贯通索塔的鞍座锚固区。根据拉索钢绞线在索塔锚固区的布置形式，鞍座锚固构造可以分为内外管式和分丝管式这两种类型。内外管式鞍座由2层钢管组成[2]，内层钢管供钢绞线整体穿过，拉索张拉后灌注高强环氧砂浆实现抗滑移效果，外层钢管为预留孔道。内外管式鞍座存在诸多缺点，如钢管间接触面积较小导致局部应力集中、钢绞线相互挤压使索力不均匀分布以及换索较困难等，所以内外管式鞍座在早期建造的矮塔斜拉桥中应用较多[3-4]。分丝管式鞍座[5]由若干个平行的导向钢管组焊而成，钢绞线逐根通过相应的导向钢管，并在鞍座一端设置抗滑移装置，具有张拉效率高、受力均匀、抗滑稳定以及换索方便等优点，近年来在许多矮塔斜拉桥中得到应用[6-7]。此外，有不少学者对矮塔斜拉桥不同的鞍座类型进行模型试验研究[8-10]，探讨这两种锚固形式的受力特点。本文以宁句城际矮塔斜拉桥为工程背景，对轨道交通矮塔斜拉桥的鞍座区锚固形式及张拉控制进行研究。

1 宁句城际矮塔斜拉桥及其拉索锚固体系

1.1 工程概况

宁句城际轨道交通工程线路起于南京东部综合换乘枢纽马群站，终点位于南沿江高铁句容站。其中，矮塔斜拉桥位于南京江宁区青龙山东侧，跨越S122省道和汤泉西路，跨径布置为(90+160+90)m，采用塔梁固结、墩梁分离的结构形式。桥面以上塔高为25.8 m，有效塔跨比1/8，主梁截面类型为单箱双室直腹板变高度箱梁，采用C55混凝土，箱梁顶面宽为12.0 m，底面宽为8.5 m，斜拉索采用箱内锚固形式。其设计速度为120 km/h，设计荷载为地铁B型车、6节编组。主桥结构总体布置如图1所示。

图1 主桥结构总体布置(单位：m)

1.2 拉索锚固体系

该桥采用平行钢绞线拉索及锚固体系，拉索的张拉端分别设在中跨、边跨混凝土箱梁内，在塔上穿过分丝管索鞍构造。钢绞线斜拉索规格有2种：37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm，塔上索鞍区设平行导向钢管束。拉索锚具包含保护罩、索箍、单根可换式抗滑装置、减震装置、防腐材料、防水罩及传统锚具零部件。保护罩内喷涂油性蜡，密封筒内填充油性蜡，拉索自由段防护采用高密度聚乙烯(HDPE)护套。矮塔斜拉桥的拉索锚固体系如图2所示；分丝管鞍座锚固构造如图3所示。由于该拉索体系的限位通过组装式抗滑装置，改进了以往在套筒口灌浆的做法，为运营后期拆解及更换斜拉索提供便利。

图2 矮塔斜拉桥的拉索锚固体系

图3 分丝管鞍座锚固构造

1.3 索鞍区的抗滑锚固装置

本工程中采用的索鞍抗滑锚固装置由抗滑键、抗滑插片、塔端锚固筒以及抗滑螺母等组成。抗滑装置安装在索鞍的边跨一侧，抗滑键设置在无黏结钢绞线护套内，抗滑装置安装示意如图4所示。采用单侧双向抗滑装置可满足各根钢绞线的可更换性。

抗滑装置安装步骤为：①将抗滑插片逐片由上至下插入钢绞线间隙中，如图4(a)所示；②将锚固筒往塔端分丝管上推，一直推到靠近钢垫板，并用螺杆将其与钢垫板连接、扭紧；③安装抗滑螺母，将螺母旋入锚固筒中，直至螺母顶到抗滑插片，达到设计顶紧力为止。

(a) 抗滑插片插入钢绞线间隙

2 分丝管索鞍的基本抗滑能力

斜拉索通常在张拉完成后才进行抗滑装置的安装，发挥其双向抗滑功能。然而，在斜拉索的张拉施工过程中，当不考虑抗滑键时，主塔鞍座斜拉索的抗滑移能力主要由钢绞线与分丝管之间的摩擦力提供，若索鞍两侧斜拉索索力差超过二者之间摩擦力，即发生滑移。索鞍两侧索力差分析模型如图5所示，图中F为平衡索力，ΔF为一侧增加的索力，f为圆弧面上的均布摩擦力。允许索力差计算公式[11]为

图5 索鞍两侧索力差分析模型

ΔF=F·(eμα-1)

(1)

式中，μ为摩擦系数，α为拉索在索塔中的转向角。

由式(1)可知，允许索力差随索力、摩擦系数以及拉索转向角的减小而减小。根据式(1)计算本工程中斜拉索在不考虑抗滑键情况下的允许索力差，摩擦系数取0.06[12]，施工阶段索力差汇总如表1所示。由表1可知，施工阶段的实际索力差均小于允许索力差。

表1 施工阶段索力差汇总

3 索力张拉均匀性控制

3.1 控制原理

钢绞线群锚拉索，采用逐根钢绞线张拉的方式，每根钢绞线张拉后都会使主梁产生向上的位移，导致前面已张拉钢绞线应力减小，逐根张拉钢绞线时的索力均匀性控制如图6所示。

图6 逐根张拉钢绞线时的索力均匀性控制

由于塔身为混凝土结构，其体积也较大，矮塔斜拉桥中的斜拉索张拉力与混凝土桥塔的自重相比较小，可认为拉索张拉力变化过程中塔身为完全刚性。若每根钢绞线采用相同的张拉力，由于误差逐渐累积，会使最终索力低于指定索力。斜拉索变形示意如图7所示。

图7 斜拉索变形示意

根据图7分析可得，主梁竖向位移与斜拉索变形量之间的关系为

Δs=Δ·sinθ

(2)

式中，Δ为通过结构分析或现场量测得到的主梁变形值；θ为斜拉索与主梁之间的夹角。

根据每根斜拉索内钢绞线的根数为n，索力为F，每根钢绞线的平均张拉力即为fs=F/n，此时每根钢绞线的长度为L，假定每根钢绞线张拉后引起前一根已张拉钢绞线的二次变形量为

δs=Δs/(n-1)

(3)

对应的前一根已张拉钢绞线的应力减小为

σs=Es·δs/L

(4)

式中，Es为钢绞线弹性模量；L为张拉完成后每根钢绞线的长度，同时也是斜拉索从索鞍到梁上锚固端的长度。

每根钢绞线的截面积为As，联立式(2)～式(4)可得逐根张拉时每根钢绞线的实际张拉力为

(5)

3.2 张拉均匀性控制

宁句城际矮塔斜拉桥为双塔单索面，共28对斜拉索，斜拉索由37根Φs15.2 mm和43根Φs15.2 mm钢绞线组成。当采用逐根张拉工艺时，根据3.1节的分析方法，可以得到各根斜拉索内钢绞线拉力的不均匀程度。计算表明，靠近主塔的、较短的拉索，钢绞线张拉过程中的相互影响较小；较长的拉索，钢绞线张拉过程中的相互影响较大，即各根钢绞线的张拉力不均匀性较大。其中，最短斜拉索C1在进行逐根张拉时，第一根钢绞线的最大应力损失为3%；最长斜拉索C7在逐根张拉时，第一根钢绞线的最大应力损失为9%。

因此，建议在索力张拉时，先利用式(5)计算出每根钢绞线的实际张拉力，再结合钢绞线应力、变形以及主梁标高的实测值进行多重控制，达到拉索受力均匀的目的。

4 结语

(1) 以宁句城际轨道交通工程线路中的矮塔斜拉桥为工程背景，阐述了矮塔斜拉桥的鞍座锚固构造及其发展，介绍了塔上鞍座区分丝管锚固构造以及单侧双向抗滑装置的特点，研究并分析了拉索的可更换性。

(2) 无抗滑键情形下，给出由索鞍区分丝管摩阻引起的索力差计算方法。

(3) 针对采用逐根张拉方式的钢绞线群锚拉索，以控制各根钢绞线内力均匀性为原则，给出依次张拉各根钢绞线的索力值计算方法，并建议在施工过程中进行索力张拉时，应根据钢绞线应力、变形以及主梁标高的实测值进行张拉力均匀性控制。