韓金豹

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510507)

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，它具有斜拉橋的形式，但在塔高、結(jié)構(gòu)尺寸比例、布索和受力性能等方面又與常規(guī)斜拉橋有明顯的差別[1]。根據(jù)其受力性能，矮塔斜拉橋可分為剛性梁和柔性梁兩類，剛性梁矮塔斜拉橋必須采用較大剛度的主梁，斜拉索僅起到體外預(yù)應(yīng)力的作用；柔性梁矮塔斜拉橋由于主梁剛度較小，必須采用較強的索塔和斜拉索，方可保證其具有足夠的剛度。

索、塔錨固區(qū)是將斜拉索索力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要結(jié)構(gòu)，錨固形式的選擇與索塔形式、斜拉索的布置形式、斜拉索數(shù)量、索距、索力大小等因素有關(guān)[2]。目前工程中常用的索、塔錨固區(qū)形式主要有預(yù)應(yīng)力式、鋼錨箱式、鋼錨梁式、交叉錨固式和鞍座式5種[3]。傳統(tǒng)鋼錨箱式是在鋼錨梁式基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，大多采用沿索塔軸線分節(jié)段預(yù)制、分節(jié)段安裝的非整體式，其索、塔錨固點沿索塔軸向布置，豎向間距較大、布置分散，對于橋面以上索塔高度受限的矮塔斜拉橋，其斜拉索傾角偏小、使用效率較低，且施工工藝復(fù)雜，安裝精度較難保證[4]。

整體式鋼錨箱可將斜拉索集中錨固在塔頂，增大斜拉索的豎向傾角，以提高其使用效率；而且鋼錨箱整體受力，其正常使用性能和抗疲勞性更優(yōu)；同時整體式鋼錨箱可采用整體加工、整體吊裝的施工方案，施工更方便、快捷，施工質(zhì)量更容易控制，已普遍應(yīng)用于實際工程中。

1 工程概況

榕江特大橋是廣東省潮州至惠州高速公路的關(guān)鍵節(jié)點工程。本橋為雙塔雙索面柔性梁矮塔斜拉橋，中跨和次邊跨采用流線型扁平封閉鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，鋼混結(jié)合點設(shè)置在輔助墩墩頂處。全橋采用半漂浮體系，其跨徑組合為60 m+70 m+380 m+70 m+60 m，橋梁全長640 m，橋面寬38.7 m，橋塔采用門式框架索塔。

全橋共96根斜拉索，輻射形布置，在塔頂通過整體式鋼錨箱集中錨固。

2 鋼錨箱方案設(shè)計

2.1 方案構(gòu)思

榕江特大橋靠近榕江出?？?，上跨榕江規(guī)劃通航萬噸海輪航道，其通航凈空抬高了主梁標(biāo)高；同時橋址位于揭陽潮汕機場障礙物限制面內(nèi)，主塔高度受限，橋面以上索塔高為51.1 m。

受此限制，本橋巧妙地采用塔頂整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，見圖1，該錨固方式提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時減小了拉索水平分力，改善主梁受力。

2.2 總體設(shè)計

該整體式鋼錨箱高6.0 m，順橋向長4.7 m，橫橋向?qū)挾?.36 m，整個錨室質(zhì)量約85 t，采用整體一次吊裝；其由腹板、端板、底板、斜拉索錨箱、錨固結(jié)構(gòu)及預(yù)埋定位架組成，為全焊接結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2；鋼錨箱錨室的數(shù)量與尺寸由斜拉索的數(shù)量和受力需要確定，其橫橋向分為3個箱室，每個箱室對稱錨固4對斜拉索，3個錨室共錨固12對斜拉索。

圖1 整體鋼錨箱總體設(shè)計圖

圖2 整體鋼錨箱立面圖(單位：mm)

鋼錨箱通過在底板張拉預(yù)應(yīng)力鋼螺桿的方式與混凝土塔柱相連，如圖1，錨固螺桿頂部設(shè)置鋼盒結(jié)構(gòu)、底部設(shè)置鋼錨梁以加強連接；預(yù)應(yīng)力鋼螺桿的配置按正常使用、斷索(或者換索)、地震等工況下保持索塔鋼錨室不傾覆的原則考慮，共設(shè)置16根直徑70 mm鋼螺桿，單根張拉力1 600 kN。

斜拉索錨箱由錨墊板、承壓板、傳力腹板及加勁板構(gòu)成，斜拉索橫向角度通過錨墊板橫向厚度差調(diào)節(jié)。

2.3 整體式鋼錨箱的特點

1) 鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜、受力集中，且承受荷載較大，是本橋設(shè)計的難點之一，設(shè)計中須對各構(gòu)件的受力性能進行研究，并據(jù)此確定合理構(gòu)造。

2) 鋼錨箱底部混凝土密實度和平整度直接影響塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，須根據(jù)其受力性能確定合理施工方案，確保施工質(zhì)量滿足要求。

3) 鋼錨箱為全焊結(jié)構(gòu)，焊縫數(shù)量大，焊后整個構(gòu)件殘余應(yīng)力大，須采取措施對殘余應(yīng)力進行調(diào)整。

3 鋼錨箱受力性能分析

3.1 計算模型

采用大型空間有限元軟件ANSYS進行分析，計算模型與實際結(jié)構(gòu)相一致，鋼錨箱下方模擬6 m高混凝土塔柱。鋼結(jié)構(gòu)部分采用shell 63單元模擬，混凝土單元使用Solid 45單元模擬，錨箱底板與下部混凝土通過接觸進行模擬。模型共包括158 196個單元，160 411個節(jié)點，計算模型見圖3。

圖3 鋼錨箱有限元模型

3.2 荷載工況及計算結(jié)果

主要分析以下2個荷載工況。工況一，最大包絡(luò)索力工況；工況二，最不利斷索工況(S12斷索)。

3.2.1工況一

最大包絡(luò)索力工況下，腹板、鋼盒、錨箱鋼底板，混凝土塔柱頂部的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

1) 鋼錨箱腹板應(yīng)力。從腹板應(yīng)力云圖容易看出，錨室腹板的應(yīng)力水平較低，平均應(yīng)力為70 MPa，只有在拉索錨箱與腹板連接的局部區(qū)域應(yīng)力較大，該區(qū)域應(yīng)力最大為180 MPa，見圖4a)。因此，宜優(yōu)化3個箱室的拉索錨箱的布置，以改善腹板受力。

2) 拉索錨箱應(yīng)力。從拉索錨箱應(yīng)力云圖可以看出，拉索錨箱承壓板之外部分的應(yīng)力水平不高，平均應(yīng)力小于70 MPa，承壓板的應(yīng)力水平稍大，平均應(yīng)力為120 MPa，其與傳力腹板的連接區(qū)域應(yīng)力最大，為185 MPa，見圖4b)，鑒于此，設(shè)計中可以適當(dāng)增加承壓板厚度，以降低其應(yīng)力水平。

3) 鋼錨箱底板應(yīng)力。從鋼錨箱底板應(yīng)力云圖容易看出，承壓板的應(yīng)力水平不高，平均應(yīng)力小于60 MPa；但承壓板與腹板連接區(qū)域的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力170 MPa，見圖4c)。

4) 混凝土塔柱頂部應(yīng)力。由圖4d)可見，混凝土塔柱頂大部分區(qū)域主拉應(yīng)力均小于ftk=2.65 MPa，在人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，最大應(yīng)為為5.6 MPa，分布較淺；混凝土塔柱主壓應(yīng)力最大12.0 MPa，小于fck=32.4 MPa[5]。

5) 鋼錨箱穩(wěn)定性分析。在最大包絡(luò)索力工況下，鋼錨箱一階穩(wěn)定系數(shù)18.036，二階穩(wěn)定系數(shù)19.082，兩階失穩(wěn)形態(tài)接近，最大變形均發(fā)生在鋼錨箱邊腹板人洞附近，設(shè)計中須引起重視，應(yīng)對該區(qū)域進行加勁處理。

3.2.2工況二

經(jīng)過分析，在最不利斷索工況(S12斷索)下，鋼錨箱變形、應(yīng)力、穩(wěn)定性及混凝土塔柱頂部應(yīng)力較工況一偏不利，2個工況結(jié)果對比見表1。

表1 工況一與工況二計算結(jié)果對比表

由以上結(jié)果容易得出鋼錨箱的受力特點如下。

1) 鋼錨箱最大變形發(fā)生在腹板頂部，一階失穩(wěn)模態(tài)中最大變形發(fā)生在邊腹板人洞附近。

2) 鋼錨箱各部件平均應(yīng)力水平較低，但焊縫、局部承壓部位、角隅和構(gòu)造突變部位應(yīng)力水平較高。

3) 混凝土塔柱頂部大部分區(qū)域應(yīng)力水平小于開裂應(yīng)力，但人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，設(shè)計和施工中應(yīng)引起重視。

4 構(gòu)造優(yōu)化措施

為確保鋼錨箱受力安全，應(yīng)根據(jù)其受力性能對構(gòu)造進行調(diào)整和局部優(yōu)化，以改善鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力。

4.1 增設(shè)預(yù)埋定位架

鑒于塔頂受力集中，且局部應(yīng)力較大，本項目在鋼錨箱底設(shè)置預(yù)埋定位架，以保證斜拉索索力更均勻地傳遞給塔柱，改善塔頂局部受力。

預(yù)埋定位架由頂板、PBL板和連接板組成，見圖1、圖5，其在塔頂混凝土澆筑前進行預(yù)埋，定位架頂板頂面與塔柱頂平齊，且與鋼錨箱底板密貼，頂板設(shè)置混凝土澆筑孔和出氣孔，方便混凝土澆筑。

圖5 定位架頂板平面示意圖(單位：mm)

此外，增設(shè)定位架同時可以輔助鋼錨箱定位，確保其安裝精度。

4.2 優(yōu)化斜拉索錨頭布置

為改善鋼錨箱腹板與拉索錨箱焊接質(zhì)量和焊縫應(yīng)力，防止鋼錨箱腹板局部應(yīng)力集中，同一箱室錨頭的豎間距調(diào)大至1.3～1.5 m，相鄰錨室的斜拉索錨頭在豎向和水平向錯位50 cm布置。

經(jīng)對比計算，相鄰錨室的斜拉索錨頭在空間錯位布置后，拉索錨箱與鋼錨箱腹板焊接部位局部應(yīng)力得到明顯改善，最大下降40～50 MPa。

4.3 局部構(gòu)造優(yōu)化

1) 根據(jù)鋼錨箱變形情況和一階失穩(wěn)模態(tài)，設(shè)計中在邊腹板外側(cè)設(shè)置加勁板肋，在腹板人洞附近增設(shè)加勁環(huán)板，以防止局部失穩(wěn)。

2) 鑒于錨箱腹板局部承壓在底板上，兩者連接區(qū)域應(yīng)力水平較高，錨箱腹板底部應(yīng)磨光頂緊在底板上，并采取措施確保兩者焊縫質(zhì)量。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

方案設(shè)計的同時應(yīng)依據(jù)上述計算結(jié)果改進鋼錨箱施工方案，并采取輔助措施以改善鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力。

5.1 塔頂混凝土后壓降施工

鋼錨箱底部混凝土密實度影響到塔柱頂部和鋼錨箱局部受力，涉及結(jié)構(gòu)安全。塔柱頂部混凝土澆注施工時，在定位架頂板底預(yù)留5～10 cm高度的孔隙進行后壓漿施工，以確保該部分混凝土的密實，防止局部應(yīng)力集中。

施工時，預(yù)留空隙一次壓注完成，具體步驟如下：水泥漿準(zhǔn)備→打開各出漿孔，用循環(huán)清水將預(yù)留空隙清洗干凈→開始壓漿，水泥漿的壓力控制在0.4～0.6 MPa→依次打開各出漿孔，檢驗出漿孔漿液，當(dāng)流出漿液和壓漿液質(zhì)量相同時，依次關(guān)閉出漿孔→壓漿完成后進行穩(wěn)壓操作→壓漿結(jié)束后，覆蓋土工布進行保溫養(yǎng)護。

為確保該方案可行，施工前進行了壓漿模擬試驗，試驗裝置及壓漿效果見圖6；根據(jù)試驗結(jié)果，后壓漿方案可確保鋼錨箱底混凝土密實度滿足要求。

圖6 壓漿模擬試驗

5.2 焊縫殘余應(yīng)力調(diào)整措施

鋼錨箱采用鋼板較厚，結(jié)構(gòu)焊縫尺寸較大，且焊縫較密集，焊接后整個構(gòu)件處于較復(fù)雜的高殘余應(yīng)力的狀態(tài)；為降低鋼錨箱的焊接殘余應(yīng)力，提高其抗疲勞性能，本項目先后采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動時效工藝”對鋼錨箱進行后處理。

1) 超聲沖擊工藝。超聲沖擊作為新工藝已開始應(yīng)用在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，該工藝可有效降低殘余拉應(yīng)力的峰值，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，防止焊縫受力裂紋及疲勞裂紋的萌生，提高構(gòu)件的疲勞強度及壽命。

本項目主要對鋼錨箱腹板與底板焊縫、腹板與拉索錨箱傳力腹板的焊縫進行超聲沖擊。超聲沖擊時，沖擊針的振蕩頻率不小于20 kHz，沖擊的振蕩幅度不小于50 μm。

2) 整體振動時效工藝。該工藝主要通過振動時效方法降低、均化鋼結(jié)構(gòu)焊縫殘余應(yīng)力，提高焊縫疲勞壽命。振動時效效果的關(guān)鍵是有足夠的動應(yīng)力使構(gòu)件在應(yīng)力峰值區(qū)產(chǎn)生蠕變，使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格一定程度地恢復(fù)平衡狀態(tài)，該工藝對大噸位、高剛度箱體構(gòu)件有明顯的工藝效果。

針對本項目大噸位、高剛度鋼錨箱，應(yīng)采用大激振力、低階亞共振的振動方法，振動時效工藝實施步驟為：振前應(yīng)力測試→選擇支撐點、拾振點→主振時效共振→分頻共振→振后應(yīng)力測試→效果評定。

3) 效果評定。根據(jù)2種工藝處理前后應(yīng)力應(yīng)力測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①超聲沖擊可明顯降低殘余拉應(yīng)力的峰值，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，1號鋼錨箱焊縫應(yīng)力最大降低61.3%；②未進行超聲沖擊的測點，振動時效可明顯降低焊縫應(yīng)力，1號鋼錨箱焊縫應(yīng)力最大降低43.2%，應(yīng)力均化效果較明顯；③經(jīng)過超聲沖擊的焊縫再經(jīng)振動時效工藝處理后，應(yīng)力有少許降低，其降低平均幅值為14%，應(yīng)力水平更趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1) 整體式鋼錨箱將斜拉索集中錨固，提高了斜拉索在塔上的錨固高度，增大了斜拉索的豎向傾角，提高了其使用效率，同時減小了拉索水平分力，改善了主梁受力。

2) 整體式鋼錨箱各部件平均應(yīng)力水平較低，局部區(qū)域應(yīng)力較高，應(yīng)根據(jù)受力情況調(diào)整和優(yōu)化局部構(gòu)造，例如拉索錨頭錯位布置、增設(shè)定位架等。

3) 塔柱頂部人洞附近局部區(qū)域主拉應(yīng)力較大，施工中應(yīng)采取后壓漿等措施保證該部分混凝土密實度和平整度，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并加強該部位配筋設(shè)計，降低混凝土開裂的風(fēng)險。

4) 采用“超聲沖擊工藝”和“整體振動時效工藝”對鋼錨箱進行后處理，焊縫應(yīng)力得到明顯降低和均化，取得良好的效果。

[1] 何新平.矮塔斜拉橋的設(shè)計[J]．公路交通科技,2004，21(4)：66-69.

[2] 公路斜拉橋設(shè)計細則：JTG/T D65-01-2007[S].北京：人民交通出版社,2007.

[3] 李福鼎.斜拉橋索塔分離式斜置鋼錨箱受力分析[J]．橋梁建設(shè),2016，46(1)：88-93.

[4] 李龍輝.斜拉橋索塔整體式鋼錨箱疲勞性能研究及設(shè)計優(yōu)化[D].西安：長安大學(xué),2016.

[5] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社,2004.