蕪湖長江公路二橋新型錨索系統(tǒng)方案研究★

竇 巍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 蕪湖長江公路二橋概況

蕪湖長江公路二橋跨江主引橋長13.982 km，其中主橋方案為(100+308+806+308+100)m五跨柱式塔分離鋼箱梁四索面斜拉橋，全漂浮體系，塔高262.48 m，主橋長1 622 m。

2 斜拉橋錨索系統(tǒng)

斜拉索通過錨索系統(tǒng)將主梁傳遞過來的索力作用于橋塔部分，其中，索力的水平分力傳遞給橋塔錨固段，豎向分離通過塔身傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)。因此，橋塔上的拉索錨固系統(tǒng)是斜拉橋各構(gòu)件之間傳力的關(guān)鍵構(gòu)造。

針對不同的跨徑規(guī)模及結(jié)構(gòu)形式，目前常用的橋塔錨索系統(tǒng)主要包括以下幾種構(gòu)造：

1)齒塊+環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

此類錨索系統(tǒng)一般在塔身內(nèi)側(cè)空心段設(shè)有混凝土齒塊，類似于梁橋的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，通過齒塊將斜拉索索力傳遞給塔身部分。在傳力過程中，索力的水平分力將直接作用于塔身，在塔身中產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。因此，配套在塔身部分中配有環(huán)向設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼束，用以平衡索力的水平分力部分。

2)鋼錨梁。

鋼錨梁錨索系統(tǒng)由鋼錨梁、牛腿等構(gòu)件構(gòu)成。其本身是一個自平衡構(gòu)件。其中鋼錨梁中的錨板用來承受拉索傳遞的索力，索力中大部分的水平分力由錨梁承擔(dān)，少部分不平衡的水平分力由鋼錨梁通過限位裝置傳遞給塔身；而豎向分力由鋼錨梁通過牛腿，傳遞給塔身至下部結(jié)構(gòu)。

3)鋼錨箱。

鋼錨箱錨索系統(tǒng)與鋼錨梁類似，只是錨箱與橋塔一般是固結(jié)的。拉索的水平分力由鋼錨箱和混凝土共同承擔(dān)，豎向分力通過連接構(gòu)造傳遞給橋塔和下部結(jié)構(gòu)。

4)鞍座。

鞍座式索塔錨固區(qū)的構(gòu)造一般可分為套管式、分絲管式兩類。其中套管式將鋼套管埋置于混凝土塔身中，鋼絞線穿過鋼套管錨固；分絲管式則將特殊的分絲管構(gòu)件埋置于塔身中，鋼絞線斜拉索分股張拉和錨固。

3 蕪湖二橋主橋錨索系統(tǒng)設(shè)計

蕪湖二橋錨索系統(tǒng)首次采用了同向回轉(zhuǎn)鞍座錨索系統(tǒng)，即每對斜拉索錨固于主梁一側(cè)錨拉板，向上進入主塔，在塔壁中繞過塔身后再向下錨固于主梁另一側(cè)錨拉板，組成一組完整的斜拉索。拉索在進入塔壁繞過塔身的過程中，索力以徑向壓力的形式作用于塔身，見圖1，圖2。

錨索系統(tǒng)中的核心組成部分——錨體位于圓弧段，構(gòu)造上由外側(cè)鋼板、內(nèi)部分絲管、限位橫隔板、內(nèi)填充材料等組成。錨體內(nèi)部平行設(shè)置的雨滴形截面不銹鋼分絲管通過摩擦力對拉索進行塔上錨固。錨體內(nèi)部分絲管之間以特殊材料組成的填充料灌填，用以將拉索通過分絲管傳遞來的摩擦力轉(zhuǎn)化為徑向分力作用于塔身。

4 方案比選范圍及內(nèi)容

通過對當(dāng)前各類橋塔錨索系統(tǒng)進行分析，對蕪湖長江公路二橋主橋這類特大跨徑斜拉橋來說，一般都采用鋼錨梁錨索系統(tǒng)。而根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)受力特點，結(jié)合鞍座式錨索系統(tǒng)最新研究成果，增加了同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)在蕪湖長江公路二橋主橋上的應(yīng)用。因此，研究主要包含兩類橋塔錨索系統(tǒng)，即同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)與鋼錨梁式錨索系統(tǒng)。

研究針對兩類橋塔錨索系統(tǒng)的技術(shù)安全及經(jīng)濟性進行比較。其中技術(shù)安全性比較中，主要針對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、錨索系統(tǒng)及橋塔的安全性能、結(jié)構(gòu)耐久性等；經(jīng)濟性比較根據(jù)錨索系統(tǒng)的不同對橋塔造價產(chǎn)生的影響，綜合考慮不同錨索系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標(biāo)。

5 技術(shù)安全性比選

利用大型通用有限元軟件分別對同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)及鋼錨梁錨索系統(tǒng)進行分析。結(jié)果表明采用同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)的橋塔錨索區(qū)在拉索及自重荷載作用下基本處于受壓狀態(tài)，只有在鞍座與橋塔接觸的局部角隅位置存在小范圍的拉應(yīng)力，但均在混凝土內(nèi)部，不影響結(jié)構(gòu)耐久性。

而采用鋼錨梁式錨索系統(tǒng)時，混凝土塔壁有受拉的趨勢，為了抵消這種受拉趨勢在混凝土塔柱中設(shè)置了預(yù)應(yīng)力。但隨著混凝土預(yù)應(yīng)力的損失，在混凝土塔壁外側(cè)也可能會出現(xiàn)少許拉應(yīng)力，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利的影響，見圖3，圖4。

在斷索工況下，如果采用同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)，則斷索只會對混凝土橋塔的總體受力性能產(chǎn)生影響。而對混凝土其他錨固區(qū)的局部沒有明顯的影響，在索塔鞍座錨固位置斷索鞍座在該區(qū)域無荷載效應(yīng)。其對面鞍座錨固區(qū)范圍的應(yīng)力無明顯增加。

而采用鋼錨梁式錨索系統(tǒng)則在斷索后對面拉索的水平力均由

混凝土塔壁承擔(dān)，在混凝土塔壁中會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，影響混凝土橋塔的耐久性。

6 經(jīng)濟性比選

采用同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)時，由于空間布置要求較大，因此橋塔混凝土用量也要相對提高，同時基礎(chǔ)工程量也有所變化。因此，對錨索系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較，應(yīng)當(dāng)是全塔的綜合經(jīng)濟性比較。同向回轉(zhuǎn)鞍座錨索系統(tǒng)與鋼錨梁錨索系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟比較如表1所示。

分類鞍座/萬元鋼錨梁/萬元索塔混凝土3 864.14 129.0索塔鋼筋5 432.66 340.2索塔預(yù)應(yīng)力109.4147.4鞍座/鋼錨梁1 958.82 611.7勁性骨架1 167.41 090.8施工輔助設(shè)施3 207.63 278.0索塔合計15 740.017 597.0

經(jīng)綜合經(jīng)濟性比較，采用同向回轉(zhuǎn)鞍座錨索系統(tǒng)，橋塔綜合建安費比采用鋼錨梁節(jié)約1 857.0萬元，相對鋼錨梁方案節(jié)省約10.6%。

7 結(jié)語

研究通過對斜拉橋各類錨索系統(tǒng)進行調(diào)研，結(jié)合蕪湖長江公路二橋的實際情況，選取可行的錨索方式，并進行綜合的技術(shù)安全性與經(jīng)濟性比選，確定合理的錨索系統(tǒng)，為設(shè)計人員在大跨徑斜拉橋總體設(shè)計及錨索系統(tǒng)的選型提供了依據(jù)，也為今后同類斜拉橋的設(shè)計提供了新的思路。