斜拉桥拉索锚固体系研究现状与展望

时间：2024-08-31

靳卫准

华北水利水电大学（450011）

斜拉桥拉索锚固体系研究现状与展望

靳卫准

华北水利水电大学（450011）

斜拉桥因其跨越能力大，桥身外形美观而得到了越来越广泛的应用。随着斜拉桥数量的增多，其在人们生活中的重要程度也越来越大，因此对斜拉桥的安全性与耐久性的要求也越高，而斜拉桥中拉索的锚固是影响桥的使用寿命与安全的重要因素。从斜拉桥拉索锚固入手，主要介绍了索塔锚固系统和索梁锚固系统的研究现状、分类以及拉索锚固中亟待解决的问题，以期让人们对斜拉桥拉索锚固系统有初步的认识。

斜拉桥；索塔锚固；索梁锚固；安全性

0 概述

斜拉桥是一种由索塔、主梁、斜拉索三种基本构件组成并共同承受力的结构体系，其中塔主要承受压弯为主，主梁主要承担轴向压力，斜拉索则为典型的受拉构件。由于斜拉桥的这种结构体系，使得各个基本构件的受力合理，从而能显著提高跨越能力，比梁式桥的跨越能力大。而且造型各异，外形美观，在现实生活中得到了越来越广泛的实际应用。

斜拉索锚固系统由索塔锚固系统和索梁锚固系统两部分组成,能够将拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱和主梁全截面上。由于锚固区承受了较大的集中力，使得锚固区具有比较复杂的构造形式和受力状态，这成为控制设计中非常关键的部位，因此锚固区结构是否安全可靠，将直接影响到整个斜拉桥的安全性能。

1 索塔锚固系统研究现状

索塔锚固区能将拉索的局部集中力安全有效、均匀地传递到塔柱的整个截面上，由于拉索强大集中力作用的存在，使得锚固区应力集中现象普遍存在。如何改善索塔锚固结构受力性能，优化锚固结构构造成为斜拉桥设计与施工中的关键问题。

早期斜拉桥索塔多采用钢塔的形式，斜拉索与钢塔的锚固方式主要有[1]:1）大截面斜索鞍座形式；2）小截面斜索鞍座形式；3）锚固梁形式；4）支承板形式；5）铰接锚固形式。近年来，新建斜拉桥大多采用了混凝土主塔。这是由于主塔是以受压为主的压弯受力构件，使用混凝土材料可以充分发挥出抗压能力强的优点,而且混凝土加工成型简便灵活，有利于主塔轴线偏差的调节修正和施工控制，并且在造价和后期养护方面具有优势。目前，工程中常用的混凝土索塔锚固区形式主要有预应力式、钢锚箱式、钢锚梁式和鞍座式四种锚固形式。

1.1 预应力式锚固形式

20世纪90年代后,斜拉桥的跨径和斜拉索的吨位都在不断增加，这期间我国大部分斜拉桥都采用预应力式索塔锚固形式。斜拉索穿过塔壁锚固在混凝土齿块上,通过齿块均匀地将荷载传递至塔壁；塔壁在受到拉索作用后局部会产生较大的拉应力，甚至可能出现开裂,为减小或者抵消这种效应，沿塔壁四周设置井字形或U形环向预应力束。按照预应力束布置方式的不同，预应力式索塔锚固方式分为以下三种:

1）扣合式U形预应力钢绞线布置方式[2]。这种锚固形式按照U形的开口方向不同可分为顺桥向开口式和横桥向开口式。顺桥向开口式是指将斜拉索锚固在桥塔顺桥向侧,在拉索水平索力的作用下，顺桥向倒角处将出现极大的应力集中现象，易于在该处产生初始裂缝；而横桥向开口式的U形预应力的曲率半径大于顺桥向U形索，使得预应力的布置及张拉变得简便。

2）双向井字形直线或曲线布索布置方式[3]。井字形环向预应力锚固在混凝土塔壁的四个角点上，预应力材料一般采用精轧螺纹粗钢筋或预应力钢绞线，如金马大桥、武汉白沙洲大桥等。

3）混合型布束方式[4]。这种方式是采用直线形与U形束混合搭配布置，但该方式使得空间布置比较复杂，混凝土塔壁厚度增大，如闵浦二桥、杨浦大桥等。

1.2 钢锚箱式锚固形式

钢锚箱锚固形式是由钢索塔及主梁锚固横梁发展来的新的锚固构造形式，其通过可靠地连接方式将钢锚箱与桥塔固结，使钢锚箱和混凝土塔壁共同受力。钢锚梁的锚板直接承受斜拉索传来的巨大荷载，并将荷载扩散至钢锚箱。斜拉索的水平分量由钢锚箱和混凝土共同承担，竖向分量通过连接键传递给桥塔承担，这种结构形式的特点非常适用于拉索吨位大、空间双索面布置的大跨径斜拉桥，具有优秀的承载能力。

典型的钢锚箱结构[5]是由侧板、端板、横隔板、锚垫板、承压板、支承板等焊接而成的箱型结构。锚垫板和承压板是用来锚固斜拉索的构造，其通过支承板与侧板相连，而端板（或侧板）则通过剪力钉等连接键与塔壁相连。钢锚箱中承担拉索的水平分力的主要是侧板；侧板下部设有横隔板，横隔板既有利于结构的稳定性，又形成一个工作平台便于张拉施工；另外钢锚箱通常上下连接，便于准确定位，同时也分担了部分竖向力。

1.3 钢锚梁式锚固形式

钢锚梁式锚固体系主要由钢锚梁、牛腿和限位装置构成。该结构是将钢板焊接成的锚固梁沿顺桥向至于混凝土塔壁内侧的牛腿上，拉索在钢锚梁两端凸起的锚垫板上锚固。一般情况下，钢锚梁的锚垫板直接承受斜拉索锚头传来的索力；斜拉索的竖向分量由钢锚梁传递给牛腿，再由牛腿扩散至塔壁承担。

钢锚梁本身是一个独立且稳定的构件，钢锚梁与塔壁牛腿之间一般采用滑动连接[6]。对于采用钢锚梁与塔壁牛腿滑动连接方式的斜拉桥，其恒载索力的水平分量一般由钢梁自身承担，塔壁承担的水平分量很小,能有效的提高索塔锚固区的抗裂性能。为了使钢锚梁更好地与塔壁共同受力，可采用钢锚梁与塔壁固定连接方式的斜拉桥，共同承担拉索水平力，此时钢锚梁能够与塔壁共同受力，但混凝土塔壁受到的水平力比较高。为此可以采用先滑动后固结的链接方式，即张拉前钢锚梁一端固定一端滑动，张拉后改为两端固定，这样恒载作用下的水平索力主要由钢锚梁自身承担，活载的水平分力由钢锚梁和混凝土塔壁共同承担，能够有效地减小混凝土开裂的风险。

1.4 鞍座式锚固形式

鞍座式索塔锚固区在矮塔斜拉桥中有广泛的应用，但在常规斜拉桥中的应用较少[7]。按照锚固区斜拉索钢绞线布置形式的不同，可以分为套管式和分丝管式两种类型。

套管式一般有两种形式，分别为单套管式和双套管式。单套管式只有一层钢套管预埋于混凝土桥塔中，钢绞线整捆穿过钢套管，在张拉结束后对套管灌注环氧砂浆。这种锚固方式的最大缺点是极难进行斜拉索的更换，其使用量极少。双套管式鞍座是由两层套管组成，外层钢管作为预留孔道，拉索整体或单根穿过内层套管后灌注高强环氧砂浆，同时在鞍孔出口处用高强环氧砂浆做成抗滑移装置。双管式鞍座在早期的矮塔斜拉桥中得到了较多的应用。为了克服套管式鞍座锚固系统的缺点，近年来发明了分丝管式鞍座锚固系统，并得到广泛的应用[8]。分丝管由多个平行的导向钢管焊接在一起，将分丝管焊接成束或采用限位板连接，拉索采用每根钢绞线通过相应的导向钢管，形成互不干扰的分离式布置形式，避免了钢绞线由于张拉顺序的不同造成的挤压。

2 索梁锚固系统研究现状

斜拉桥索梁锚固结构传力结构很复杂[9]，要求锚固区不仅要保证结构的安全性，更要便于养护和更换斜拉索。索梁锚固区设计遵循的原则有[10]:

1）方便拉索检查、维护和更换；2）能简便地将索力传递到主梁全截面,避免出现过大的应力集中，使主梁受力尽量明确；3）确保连接可靠，力线传递流畅；4）最大限度减少拉索预留构造对主梁的削弱及主肋的切断；5）锚固点设有横梁或横隔板等构造以平衡垂直分力；6）锚固点附近的桥面板、底板和腹板等为防止局部破坏，应适当加强。

目前，我国大跨度钢箱梁斜拉桥中通常的索梁锚固型式主要有四种:锚箱式锚固形式、耳板式锚固形式、锚管式锚固形式、锚拉板式锚固形式[11，12]。

2.1 锚箱式锚固形式

锚箱式锚固形式首先固定锚固梁，主梁外伸出的牛腿也可作为锚固梁，然后将主梁与锚固梁采用焊接或高强螺栓的方式连接，斜拉索与锚固梁锚固在一起，锚固梁多采用锚箱的形式以满足多个方向的补强。

锚箱式索梁连接的优点是各索横向倾角的差异不会对腹板产生干扰,由于可以使用固定倾角，从而实现了锚箱内调整倾角之差，制造简便，节段的标准化生产变得简单快速；牢固连接在主梁上的内置式阻尼器，充分发挥了阻尼器的作用，使得减振效果大大提高；锚头安置于风嘴中，景观效果良好；取材方便容易，对材料性能没有别的要求[14]。

2.2 耳板式锚固形式

耳板式连接也被称为销铰连接，是指斜拉索通过铰链或钢管锚固在主梁腹板伸出的耳板上，其索力也直接由耳板传递给主梁腹板的锚固形式[15]。

这种新型结构具有的优点是结构简单，传力简洁明确，易于安装和日常维护等。缺点是它只适合塔端张拉；而且拉索减振器由于安装在离桥面很高的位置上，不便于安装；裸露的锚固系统结构严重影响其观赏性。

2.3 锚管式锚固形式

锚管式锚固形式是把钢管安装在主梁或纵梁腹板上，并在钢管内锚固斜拉索，索力通过钢管传给主梁或纵梁腹板。该种结构特点是可以使腹板采用固定倾角；索力与腹板没有偏心矩，不存在面外弯矩；拉索减振方式能够选用内置式阻尼器，使得阻尼器与主梁可靠连接，因而能够使阻尼器的作用得到充分地发挥[16]。

2.4 锚拉板式锚固形式

锚拉板式锚固结构由承压板、锚管、锚拉板、加筋板及加强板组成。锚拉板连接中的锚拉板在其上部开有槽口，槽口内侧被焊接在锚管的外部，斜拉索通过锚管后用锚具锚在锚管底部；锚板下部与主梁上翼板采用焊接连接；锚拉板中部不仅需要满足安装锚具的空间，而且还要连接上下两个部分。为了增强锚拉板截面的横向刚度和整体性，以及弥补开槽部位对截面的削弱作用，锚拉板两侧需焊接加筋板。此外，刚主梁腹板加筋板的增设以及连接区域内主梁上翼板的加厚能够保证索力均匀传递给主梁，减小连接区桥面板的应力[17]。

锚拉板式锚固形式的优点结构简单，传力途径简捷,对材料性能要求相对较低以及制作空间大，易于加工生产且维修方便。缺点是由于重要部位大多是由焊缝连接,因而对焊缝的质量要求相对较高，容易出现应力集中过大的现象。