（市政工程专业论文）拱塔斜拉桥预应力索塔锚固区应力分析.pdf

塔斜拉桥预应力索塔锚固区应力分析 摘要 斜拉桥是由索塔、主梁和斜拉索三大构件组成的，它是种桥面体系受压， 支承体系受拉的组合体系桥梁。斜拉桥以其受力性能好、跨越能力大、结构新 颖、抗震能力强且施工工艺日趋成熟等特点，在桥梁工程中得到了越来越多的 应用。索塔上的拉索锚固系统位于锚固区节段范围内，是斜拉桥中的关键构件， 它的主要作用是将对应位置处的拉索索力比较安全而均匀的传递到塔柱上。由 于索塔锚固区受力及构造的复杂性，使得该区域成为斜拉桥设计和施工的难点 和关键，因此，一直以来对于该位置处的力学性能分析的探讨受到桥梁界高度 重视。 斜拉桥在索塔内的锚固系统形式有多种，如环向预应力、井字形精轧螺纹 钢筋、锚固钢横梁和钢锚箱等。预应力锚固方式比较简单，而且用钢量比较少， 经济性好；钢锚箱形式构造复杂、施工安装不便、且需要大型的吊装设备，经 济性不好，但是其锚固牢靠，有效解决了塔上混凝土的开裂，且受力明确、传 力清晰、力学性能有保证；钢锚固横梁介于两者之间，受力明确、加工较方便、 安装自由，适合混凝土塔柱平面布置斜拉索的斜拉桥。在具体工程设计、施工 中应根据工程预算、现有装备以及施工能力等具体情况，选择合理的锚固方式。 索塔以受压为主，同时由于拉索索力及风载等水平力引起较大弯矩，故其受力 形式常常是压弯组合。它可以充分利用混凝土材料抗压承载能力大的优点，而 且混混凝土的维修养护费用比较少。因此，现代斜拉桥的索塔越来越趋向于采 用混凝土材料，我国的斜拉桥索塔材料绝大多数使用混凝土。其索塔锚固方式 多采用预应力锚固。 结合在建的马鞍山长江大桥右汉主桥一拱塔斜拉桥，对其预应力混凝土索 塔锚固区进行详尽的理论研究和仿真分析。运用大型有限元分析软件a n s y s ， 选取中塔索力最大的塔顶部三个锚固区节段，建立了索塔锚固区空间分析模型； 分多个荷载工况，研究精轧螺纹钢预应力粗钢筋及索力的各自作用及相互作用； 总结了预应力索塔锚固区的受力性能，并分析了锚固区预应力的合理布置；研 究了锚固区在拉索及预应力作用下应力沿索塔高度方向衰减情况，为锚固区合 理布束及其优化布置提供了依据；总结了锚固区设计的一般方法，并分析比较 了各国规范对预应力混凝土锚固区的设计方法的规定。 关键词：索塔锚固区锚固方式精轧螺纹钢预应力粗钢筋受力性能锚固 区设计方法 s t r e s sa n a l y s i so ft h ep r e - - s t r e s s e dc a b l e - - p y l o n a n c h o r a g ez o n e so fa na r c h - t o w e rc a b l e - s t a y e d b r i d g e a b s t r a c t t h ec a b l e s t a y e db r i d g e ，w h i c hi sac o m p o s i t ea r c h i t e c t u r e ，c o n s i s t so ft h e c a b l e p y l o n ，m a i ng i r d e ra n dc a b l e i t sf l o o rs y s t e mi sc o m p r e s s e da n ds u p p o r t i n g s y s t e m i si n t e n s i o n c a b l e s t a y e db r i d g e i s a p p l i e dt o t h em o d e r nb r i d g e e n g i n e e r i n gm o r ea n dm o r ef o ri t sg o o dm e c h a n i c a lb e h a v i o r , l a r g es p a nc a p a c i t y , n o v e ls t r u c t u r e ，g o o ds e i s m i cb e h a v i o ra n dr i p ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yd a ya n d d a y t h ea n c h o r i n gs y s t e m so fc a b l e - p y l o na n c h o r a g ea r et h es i g n i f i c a n tp o i n t so fa c a b l e s t a y e db r i d g e ，w h o s em a i nc o m p o s i t i o ni sm a k i n gc o r r e s p o n d e n c ep o s i t i o n s c a b l ef o r c et r a n s f e r r i n gt ot h ep y l o n s a f e l ya n du n i f o r m l y b e c a u s eo ft h ef o r c ea n d s t r u c t u r ec o n d i t i o na tc a b l e p y l o na n c h o r a g es e g m e n ta r ec o m p l i c a t e d ，a n a l y s i so f s t r e n g t hp e r f o r m a n c eo ft h e s ep o s i t i o n sh a v eb e e np a i dh i g ha t t e n t i o ni nt h eb r i d g e e n g i n e e r i n ga l lt h et i m e ，w h i l ea n c h o r a g ez o n eo fp y l o ni sa l s ot h ed i f f i c u l ta n d i m p o r t a n tp a r ti nd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n go fc a b l e s t a y e db r i d g e t h ea n c h o r a g es y s t e mi nc a b l e p y l o na n c h o r a g ez o n e si si n f i n i t eb r a n c h v a r i e t y ，s u c ha sr i n gp r e s t r e s s ，s q u a r e - f o r m e df i n i s hr o l l e dt h r e a d e dr e i n f o r c i n gb a r ， a n c h o r i n gs t e e lb e a m ，s t e e la n c h o rb o x ，e t c p r e s t r e s s e da n c h o r a g eh a sa d v a n t a g e s o fs i m p l ea n c h o r i n gm e t h o d ，l e s sa m o u n to fs t e e la n dc h e a pi np r i c e ；a n c h o r i n g s t e e lb e a mh a sc o m p l e xs t r u c t u r e ，a n dw h o s es t e e lc o n s u m p t i o ni s b i g g e rl e a d i n gt o h i g hc o s t ，b u ti th a st h ef e a t u r e so fs t r e s s i n gd e f i n i t e ，c l e a rf o r c et r a n s f e r r i n ga n d g u a r a n t e e dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ；s t e e la n c h o rb o x sc h a r a c t e r i s t i c sl i eb e t w e e n t h eo t h e rt w o ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rc a b l e s t a y e db r i d g ew i t hc a b l ei np l a n tl a y o u t i np r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h es e l e c t i o no fr e a s o n a b l ea n c h o r i n gm e t h o di s a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gb u d g e t ，c a p a c i t yo fc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e ，a n ds o o n t h ec a b l e p y l o ni sc o m p r e s s i o n - b e n d i n gm e m b e rw h i c hm a i n l yi nc o m p r e s s i o n ， b r i n g i n gc o n c r e t em a t e r i a li n t of u l lp l a yo ft h es t r o n gc o m p r e s s i o nr e s i s t a n c e c a p a c i t y a n dc o n c r e t em a t e r i a l sm a i n t e n a n c ec o s ti sl o w s ot h ec a b l e p y l o nt e n d s t oa p p l yc o n c r e t em a t e r i a l ，a n dm o s to fc a b l e - s t a y e db r i d g e su s ec o n c r e t em a t e r i a l i no u rc o u n t r y ，w h o s ea n c h o r i n gm e t h o di sm o s t l yp r e s t r e s s e da n c h o r a g e b a s e do nt h eu n d e rc o n s t r u c t e dr i g h tb r a n c hm a i nb r i d g eo fm aa n s h a n c h a n g ji a n gr i v e rb r i d g e ，t h et h e o r ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h r e ec a b l e p y l o n a n c h o r a g ez o n e sw h e r ec o n c e n t r a t e df o r c e so fc a b l e sa r eb ig g e ro nt h et o po fp y lo n w e r ec a r r i e do u ti nd e t a i l w i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e - a n sy s ，s p a t i a l a n a l y s i sm o d e lo fc a b l e p y l o na n c h o r a g ez o n e s i se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r ；r e s e a r c h o nt h e i rr e s p e c t i v ef u n c t i o n sa n di n t e r a c t i o no ff i n i s hr o l l e dt h r e a d e dr e i n f o r c i n gb a r s a n dc a b l e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si sc a r r i e do u t ；t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f p r e - s t r e s s e d c a b l e - p y l o na n c h o r a g e z o n e si ss u m m a r i z e da n dr e a s o n a b l e a r r a n g e m e n to fp r e s t r e s s e ds t e e lw i t h i nt h ec a b l e - - p y l o na n c h o r a g ez o n e si s a l s o a n a l y z e d ；a t t e n u a t i o no fs t r e s si n d u c e db yc a b l et e n s i o no rp r e s t r e s s e da l o n gt h e p y l o nh e i g h ti s s t u d i e do n ，t h ec o n c l u s i o nw i l lp r o v i d ee v i d e n c ef o rr e a s o n a b l e a r r a n g e m e n ta n do p t i m a ll a y o u to fp r e s t r e s s e ds t e e l ；g e n e r a ld e s i g nm e t h o do ft h e c a b l e - p y l o na n c h o r a g ez o n e si sc o n c l u d e d ，t h e ni ta n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ed e s i g n m e t h o do ft h ec a b l e p y l o na n c h o r a g ez o n e si nc o u n t r i e ss t a n d a r d k e y w o r d s ：c a b l e - p y l o na n c h o r a g ez o n e s ；a n c h o r i n gm e t h o d ；f i n i s hr o l l e d t h r e a d e dr e i n f o r c i n gb a r ；m e c h a n i c a lb e h a v i o r ；d e s i g nm e t h o do fa n c h o r a g ez o n e s 插图清单 图1 1 索塔结构形式2 图1 2 改进的索塔结构形式3 图1 3 索塔锚固区( 箱型截面) 常见预应力柬布置图4 图1 4 锚固钢横梁示意图5 图1 5 钢锚箱节段连接构造示意图6 图1 6 钢锚箱构造示意图6 图2 1a n s y s 结构分析模块基本组成及其流程一1 3 图2 2 混凝土的非线性弹性模型一1 7 图2 3 主应力空间中应力状态的几何表示一1 9 图2 4 主应力轴在偏平面内的投影1 9 图2 5 圆弧形预应力筋的等效荷载计算2 3 图3 1 总体布置图2 7 图3 2 全桥计算模型2 7 图3 3 索塔示意图2 8 图3 - 4 塔柱截面尺寸图2 8 图3 5 精扎螺纹粗钢筋布置图( 图中粗线表示) 一2 8 图3 - 6 节段模型模型图一2 9 图3 7 基准节段锚固区z 向应力分布3 2 图3 - 8 基准节段锚固区x 向应力分布3 2 图3 - 9 基准节段锚固区y 向应力分布3 3 图3 10 基准节段锚固区主拉应力( s 1 ) 分布3 3 图3 1 1 基准节段锚固区主压应力( s 3 ) 分布3 4 图3 1 2 中塔计算模型图3 5 图3 1 3 中塔1 4 计算模型图3 5 图3 1 4 中塔锚固区计算模型3 5 图3 1 5 中塔锚固区精扎螺纹钢筋计算模型3 5 图3 1 6c 1 9 和c 2 0 索锚固区应力曲线路径3 6 图3 1 7 二次调索阶段c 2 0 锚固区p a t h 1 路径的应力曲线3 7 图3 1 8 二次调索阶段c 1 9 锚固区p a t h 1 路径的应力曲线3 7 图3 1 9 短期荷载效应下c 2 0 锚固区p a t h 1 路径x 方向应力曲线3 8 表3 2c 2 0 锚固区各向拉应力最大值( m p a ) 3 8 图4 1 仅拉索索力作用下应力云图4 3 图4 2 仅精轧螺纹钢预应力粗钢筋作用下应力云图4 4 图4 3 锚固墙外侧应力图( 工况1 ) 4 4 图4 4 锚固墙外侧应力图( 工况2 ) 4 4 图4 5 锚固墙内侧应力图( 工况1 ) 4 5 图4 6 锚固墙内侧应力图( 工况2 ) 4 5 图4 7 侧墙外侧应力图( 工况1 ) 4 5 图4 8 侧墙外侧应力图( 工况2 ) 4 6 图4 9 侧墙内侧应力图( 工况1 ) 4 6 图4 10 侧墙内侧应力图( 工况2 ) 4 6 图5 1 局部承压区示意图5 3 图5 2 典型锚固区拉一压杆模型5 4 图5 3 中间锚示意图5 4 表格清单 表2 1 非线性问题的分类及基本特点1 5 表2 2 几种材料非线性问题1 6 表3 。l 验算索力( 单位：k n ) 3 0 表3 2c 2 0 锚固区各向拉应力最大值( m p a ) 3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：帮弩签字日期：必r 阵午月习日 ii f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 辄邓羊 工作单位：安徽省交通规划设计研究院 通讯地址：安徽省合肥市高新区香樟大道1 8 0 号 电话：0 5 5 1 5 3 7 1 5 0 5 ( 5 3 7 1 5 0 6 ) 邮编：2 3 0 0 8 8 致谢 两年多的硕士研究生的学习和生活就要随着这篇论文的答辩而结束了。在 合肥工大的七年里，让我对这片天空有着特殊的感情，有很多的不舍，更多的 是感动与感恩。 本文是在我尊敬的导师王建国教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学 态度、渊博的学识、宽广坦荡的胸怀、诲人不倦的作风将令作者终生受益。两 年多来，导师在学习上给予了谆谆指教，在生活上给予了极大的关心与照顾。 在此学生谨向老师致以衷心的感谢和崇高的敬意! 并祝愿恩师身体永远健康! 生活愉快! 工作顺利! 阖家幸福安康! 在我读研期间还得到汪莲教授、胡成教授和王静峰教授的悉心帮助和教导， 在此向他们表示最诚挚的谢意! 尤其是可敬可亲可爱的汪莲老师，教会了我很 多做事以及做人的道理，使我一生受益，愿您工作顺利! 身体康健! 幸福快乐! 谢谢您! 感谢张鸣祥博士、逢焕平博士、汪权博士、李雪峰博士以及众多工程力学 3 0 1 实验室的师兄师弟师姐师妹们在学习和生活上给予的支持和帮助。尤其是 张鸣祥博士，从本科的毕业设计到实验室的日子，无论是学习上还是生活上都 给我很多帮助，让我有更快、更多的进步，谢谢你! 真心祝愿你万事如意，早 日实现自己的梦想! 感谢同届沈丹、陶双龙、丁浪、陈海波、司易德、胡凯、 周小伍、梁厚兵、徐康等对作者的关怀和照顾。感谢土木与水利工程学院道路 与桥梁研究所的老师和同学。感谢曹新垒同学在生活和学习上对我的帮助和照 顾，有你的陪伴我很安心。祝愿所有的人在自己的人生道路上越走越宽，越走 越顺! 谢谢你们! 父母和奶奶二十多年来对女儿的支持和鼓励以及为女儿所做的牺牲是作者 战胜一切困难的力量源泉；父母质朴、勤劳、节俭的品格是作者永远学习的榜 样。苦闷时候陪伴我最多的是作者的弟弟，他长久以来对我的支持让本人感到 欣慰与感动。愿你们身体健康，万事顺心! 愿我最爱的奶奶在天堂里面过得好， 我会很乖很乖的继续未来的日子，回报您对我的殷切期望。 将来，无论我会成为高大的乔木还是低矮的灌丛，我都会用生命的绿色向 他们致敬! 郝翠 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 斜拉桥索塔构造概述 1 1 1 索塔的结构形式及其构造要求 斜拉桥1 1 - 8 是由索塔、主梁和斜拉索三大构件组成的，它是一种桥面体系受 压，支承体系受拉的组合体系桥梁。斜拉桥以其受力性能好、跨越能力大、结 构新颖、抗震性能好且施工工艺日趋成熟等特点，在桥梁工程中得到了越来越 多的应用。 索塔的荷载主要是由塔柱、斜拉索、主梁及桥面系所承载的恒载和活载。 索塔结构一般是钢结构或者钢筋( 预应力) 混凝土结构等，其结构形式、高度、 截面尺寸、塔梁连接方式应根据桥址处的地质、环境条件、斜拉桥的跨径、桥 面宽度、拉索布置形式以及建筑造型等因素来确定。索塔的外形是反映桥梁美 观以及与桥位处的人文、自然环境完美结合的重要方面。索塔以受压为主，同 时由于拉索索力及风载等水平力引起较大弯矩，故其受力形式常常是压弯组合。 它可以充分利用混凝土材料抗压承载能力大的优点，而且混混凝土的维修养护 费用比较少。因此，现代斜拉桥的索塔越来越趋向于采用混凝土材料，我国的 斜拉桥索塔材料绝大多数使用混凝土。 索塔造型( 如图1 1 图卜2 所示) ，要考虑到诸如拉索布置( 布置形式、 拉索数目及拉索间距) 、桥梁跨径、桥面宽度等因素定。从顺桥向看，常用的索 塔形式有单柱式、a 字型和倒y 型等。单柱式主塔因为其构造简单，而被广泛 采用；a 型和倒y 型塔顺桥向刚度大，对承受塔柱两侧不平衡索力、风荷载等 引起的弯曲应力比较有利，还能减少塔顶的纵向位移、降低主梁的竖向变位。 实际工程结构设计中，一般选择双壁墩与其配合使用。从横桥向看，有柱式( 单 柱和双柱式两种) 、门式、a 型、h 型及钻石型等。单柱式构造简单，但承受横 向水平力的能力比较差，仅用于单索面布斜拉桥。当塔柱顶部产生横桥向位移 时，将会引起一定的拉索伸长值，能够让塔顶回到初始位置，对塔的稳定较为 有利。门式塔是两根塔柱组成的门形框架，构造较单柱式塔柱复杂，但横向刚 度较大，能够抵抗横向不平衡外力的作用。双柱及门式塔一般适用于桥面宽度 不大的双索面斜拉桥。a 型、h 型、钻石型塔结构横向刚度大，但构造、受力 比较复杂，施工难度较高。对于抗风、抗震要求较高的大跨径斜拉桥及漂浮体 系斜拉桥，常采用这类塔型。a 型、钻石型索塔则可用于单索面或双索面布置。 斜拉桥塔柱有实心和空心塔柱两种，其截面形式通常是矩形，当尺寸较大 时，可以采用i 型或箱型截面。般情况下，截面的长边与桥梁轴线( 顺桥向) 平行，短边则与塔轴线( 横桥向) 平行。采用不同的塔柱截面形式，将会影响 拉索在索塔上的锚固形式的选择。实心塔柱适用于中、小跨径的斜拉桥，较小 跨度时可用等截面，中等跨度时可采用变截面且常变化长边尺寸，短边尺寸保 持不变；空心箱型塔柱适用于大跨径斜拉桥，常为变截面，较多情况下是只改 变长边尺寸。 混凝土索塔构造【9 】要求般有以下几个方面： 1 、拉索在索塔上的布置应避免索塔受扭。 2 、拉索可在索塔截面的两侧锚固，对矩形与h 形截面可采用交叉锚固： 箱形截面可分别锚固于横梁上，或直接锚固在箱壁一侧。 3 、索塔锚固拉索的间距，除应满足计算高度外，还须保证张拉、调索的空 间，满足孔洞、管道及千斤顶行程与移动需要的富裕高度，并应加厚锚固垫板， 加强配筋及预埋螺旋钢筋。 4 、索塔可配置型钢作为骨架，该型钢可作为受力钢筋的一部分。 5 、索塔受力钢筋和普通箍筋应符合下列条件：竖向受力钢筋的直径不宜小 于2 0 m m ；竖向受力钢筋的截面积不应小于混凝土截面积的l ：箍筋直径不应 小于1 2 m m ，间距不大于竖向受力钢筋直径的1 0 倍，并不大于2 0 r a m ；索塔底 部的箍筋直径宜适当增大，间距可适当减小；混凝土索塔的非预应力部位以及 门洞部位宜增设防裂钢筋网。 6 、索塔应设置养护及检修用的爬梯与简易停歇台等。索塔采用空心塔柱时， 爬梯、停歇台宜在塔柱内部设置，并配有照明及良好的通风设备。 7 、索塔顶部应设置能覆盖全桥的避雷安全设施。接地线可利用塔内纵向钢 筋，但需上下焊通并应不少于二根。接地线电阻与防雷覆盖范围的计算，应符 合现行建筑防雷设计规范的有关规定。 8 、根据航空管理的要求，必要时可考虑设置航空障碍标志灯。 、类型 单柱塔 双柱塔 门型或斜门型单柱塔倒v 型或者倒y 型 支承、 厂人i 塔墩固结 一 l h 。| ! ! l 。! 上 塔墩铰接 八 f， i 塔梁固结 1 = = = ，、t = ；i = ；) 。 图1 1 索塔结构形式 2 ( a ) 改进的a 型框架 ( b ) 宝石型 ( c ) 改进的三角形 圈i 2 改进的索塔结构形式 1 1 2 拉索锚固区节段的组成 拉索锚固区节段是斜拉桥索塔的核心组成部分，主要由以下几种构件构成： ( 1 ) 节段墙身。主要由拉素锚固的锚固墙和侧墙组成，可以是铺筋( 预应 力钢筋) 棍凝土墙体，亦可为钢结构或者钢涡结构。 ( 2 ) 拉索锚周。目前用的较多的拉素锚固方式有预应力锚固、锚同钢横粱 及钢锚箱等。 ( 3 ) 锚具。目前常用的有热铸锚、墩头锚、冷铸墩头锚和夹片式群锚前 三种锚具都可以事先安装在拉素上，称为拉锚式锚具；装配夹片式群锚的拉索， 张拉时千斤顶直接拉住斜拉索，张拉结束后锚具发挥作用，所以夹片式群错又 称为拉丝式锚具。拉索锚具应便于拉索张拉及换索，宜先考虑采用j 敦头锚和冷 铸墩头锚。随着钢绞线斜拉索的发展，夹片式群锚也将成为首选锚具。 1 1 3 拉囊锚圃方式及构造 主塔拉索锚固的主要作用就是将对应位置处的拉索索力比较安全而均匀的 传递到塔柱上。拉索锚固位置处的构造一般受拉索所在的位置、根数及纵横向 布置，索塔的结构形式、构造，斜拉索的牵引方式和张拉工艺等多种因素影响， 因此应该从设计、蘸工、养护维修及拉索的更换等方面来综台考虑拉索锚周段 的合理构造。 泡凝土索塔常用的拉索锚固形式，有铰接鞍座、拉索交叉锚固形式、对称 锚固等。对称锚圆，主要有预应力锚固、锚固钢横粱以及钢锚箱三种锚固形式， 为拉素在锚圃区断开( 相对于鞍座型锚固结构) 非交错式锚固结构。 1 、铰接鞍座 早期的斜拉桥拉索根数少，素力较大，往往采用断面很大的拉索，拉索在 塔顶的鞋座上连续通过。为了减小塔的弯矩，通常将鞍座下端设为铰接，并可 使拉索在顺桥向发生少量位移。随着现代斜拉桥跨径的增加，鞍座体积越来越 大，其制造、加工、安装的难度都很大，在塔内的施工操作也十分困难。现代 斜拉桥多采用密索布置，较少采用这种锚固形式。 2 、拉索交叉锚固 早期的中、小跨度斜拉桥较多采用这种锚固形式。该布置是塔两侧拉索交 叉通过主塔塔柱轴线，然后锚固在塔柱的实心段上，利用塔壁实体上的锯齿凹 槽或锯齿凸槽牛腿来锚固拉索。拉索可以在塔上进行张拉，亦可在梁上张拉， 锚头间距要保证操作、张拉及换索的空间。为了保证塔柱不产生扭转作用，拉 索的合力通过塔柱的形心，每个索面实际上由两个并列的索面组成，使截面处 于受剪切状态，要注意其抗剪设计及验算。交叉锚固形式适用于矩形、i 型截 面索塔。随着大吨位拉索、锚固体系、千斤顶的应用，这种锚固形式逐渐退出 历史舞台。 3 、预应力锚固结构 预应力锚固形式有两种基本形式，一种是塔柱平面预应力钢束锚固布置， 多为在顺桥向和横桥向布置预应力粗钢筋( 如图1 3 ( a ) ) ；第二种就是布置环向 预应力，或称为u 型预应力( 如图1 3 ( b 、c ) ) ，也可以是这两种方式的组合形 式( 如图1 3 ( d ) ) 等。早期用的较多时预应力粗钢筋，随着钢绞线技术的发展， 特别是塑料波纹管的采用，解决了小半径弯曲的问题以及真空吸浆工艺的成熟 和运用，现在多采用预应力钢绞线，能够更加便利，而且预应力效果也能得到 较好保证。 预应力锚固将斜拉索直接锚固在混凝土索塔内壁的齿板上。强大的拉索索 力由齿板传递给塔壁，其竖向分力由塔壁自上向下进行传递；水平分力的作用 使得混凝土索塔截面形成一两侧受拉的闭合框架，锚固墙( 顺桥向) 主要承受 索力的巨大水平分量，侧墙( 横桥向) 除了承受索力产生的弯矩以外，还将承 受由于不平衡水平力导致的塔壁外侧拉应力，不过经实践证明，沿横桥向的水 平分力不是很大。采用此种锚固形式时，锚固区受力复杂，呈现明显的空间分 布，而且斜拉索以及预应力对相邻节段锚固区的影响也比较复杂，若采用平面 框架模型对其进行有限元分析，只能反映整体的受力趋势，很难得到局部受力 情况，因此在实际设计计算中，通常采用空间有限元软件，建立三维实体模型 对其进行分析研究。 ( a ) 井字形布束( b ) 横桥向开口u 形束( c ) 顺桥向开口u 形束( d ) 混合型布柬 图1 - 3 索塔锚固区( 箱型截面) 常见预应力束布置图 4 采用此结构形式的斜拉桥有：索塔截面内布置双向直线或曲线预应力束的 芜湖长江大桥【1 0 l 、湖南岳阳洞庭湖大桥【i l l 、杭州文晖路立交桥1 2 l 、荆州长江公 路大桥【13 1 、沈阳市富民桥【14 1 、景洪澜沧江大桥【15 1 等；索塔截面内布置横桥向 开e l 的u 形预应力筋，如润扬长江公路大桥北汊斜拉桥【1 6 l 、鄂黄长江公路大桥 1 7 1 、安庆长江公路大桥【1 引、长沙市洪山庙浏阳河大桥【19 1 、衡阳市湘江三桥【2 0 1 、 宜宾中坝金沙江大桥【2 、淮安市五河口斜拉桥1 2 纠、跨金华江斜拉桥【2 3 】等；索 塔截面内布置顺桥向开口的u 形预应力束，如南京长江二桥南汉斜拉桥【2 4 j 等； 索塔截面内布置为混合型布束的如武汉军山长江公路大桥 2 5 1 、湖北巴东长江大 桥 2 6 j 等。 4 、锚固钢横梁结构 斜拉索锚固在钢横梁两端的斜腹板( 即图中的斜线表示的部分) 上，锚固 钢横梁( 如图1 4 所示) 则沿顺桥向搁置在混凝土索塔内壁的牛腿上。钢横梁 承受拉索的水平拉力、竖向力以及偏心弯矩的作用。拉索的竖向分力通过钢横 梁的竖向支承传至牛腿，而水平分力则由横粱支承的摩阻力或顺桥向两端的限 位挡块传至塔壁的牛腿，这样直接由塔壁承受的水平分力大大减小，由不平衡 水平分力产生的弯矩也将随之减小。采用钢横梁锚固时，要考虑到实际的吊装 能力以及对塔内空间的要求。 由于锚下结构直接承受巨大的拉索索力，故应合理选用钢横梁的钢板厚度 以及加劲形式，以保证其具有足够的强度及刚度，使索力能够顺畅地向塔壁进 行传递。钢横梁自重以及由拉索索力通过支承传来的竖向和水平向索力分量最 后都是通过牛腿传至塔壁的，因此在设计中，应着重考虑牛腿的承载能力。当 拉索索力不平衡水平分力较大时，将由混凝土塔壁承受，产生横桥向拉应力。 此时可以通过设置预应力的形式来平衡拉应力，以保证索塔塔壁的抗裂性。 一一 ， ： 後 钢横梁 念 l 。 一 ， dl 口 八 l j 图1 4 锚固钢横梁示意图 采用此种结构形式的斜拉桥有1 9 8 6 年底建成的加拿大a n n a c i s 桥、1 9 9 1 年建成的上海南浦大桥和杨浦大桥【2 7j 等。 5 、钢锚箱锚固 钢锚箱是从钢索塔及主梁锚固横梁上发展而来的种新型锚固构造。钢锚 箱放置在索塔的塔壁内，与混凝土之间通过剪力钉建立联系，而拉索则锚固在 钢横梁上，钢横梁与钢锚箱焊接在一起。其节段连接构造及钢锚箱构造见图 卜5 图卜6 所示。拉索的竖向分力由塔壁自上而下进行传递；索力的水平分量 则可认为作用在由混凝土塔壁和钢锚箱叠合而成的框架结构上，从而可以十分 有效的限制塔壁的变形及其拉应力的产生。同样地，当不平衡水平分力很大的 情况下，为了避免混凝土塔壁产生较大的横向拉应力，同时确保钢锚箱与塔壁 之间能够更好的共同作用，通常可以在锚固区范围内设置一定数量的预应力。 预应力的布置应根据叠合框架的变形来设置。 一划掣8 2 8 白气8 1 警” 圈1 5 钢锚箱节段连接构造示意图 黼撮 芷! 兰f ： 霾 图1 6 钢锚箱构造示意图 凰 tliii瞻 巨 m 震 口 锚下结构直接承受拉索的巨大索力作用，而且顺桥向钢锚箱侧壁直接承受 锚下横梁的剪力作用，因此需要合理选用钢锚箱和横梁钢板厚度和加劲形式， 以保证钢锚箱结构自身的强度和刚度能满足要求，使得索力能够顺畅地向四周 进行传递。钢锚箱与混凝土塔壁之间通过剪力钉连接在一起，在设计时应充分 考虑其受力情况，保证其安全工作，且能充分发挥抗剪作用。混凝土塔壁受力 非常复杂，呈现明显的空间应力分布，故应建立三维模型的空间有限元分析， 且应注意局部应力集中现象。 采用此种结构形式的斜拉桥有：法国诺曼底大桥、杭州湾大桥【2 引、南京长 江三桥、苏通长江公路大桥等。 综合比较上述几种常见的锚固方式，可以知道：预应力锚固方式比较简单， 而且用钢量比较少，经济性好；钢锚箱形式构造复杂、施工安装不便、且需要 大型的吊装设备，经济性不好，但是其锚固牢靠，有效解决了塔上混凝土的开 裂，且受力明确、传力清晰、力学性能有保证；钢锚固横梁介于两者之间，受 力明确、加工较方便、安装自由，适合混凝土塔柱平面布置斜拉索的斜拉桥。 在具体工程设计、施工中应根据工程预算、现有装备以及施工能力等具体情况， 选择合理的锚固方式。 1 2 预应力技术在索塔锚固区的应用 现代预应力混凝土是用高强度钢材和高性能混凝土经过先进的生产工艺制 造的、用现代设计理念和设计方法设计的高效预应力混凝土，其具有改善使用 阶段性能，提高抗剪承载力、充分利用高强度材料，减轻结构自重、优化结构 内力以及耐久性好等一系列优点。近年来，随着我国在预应力材料、张拉锚固 体系、设备、工艺和计算理论以及工程应用等方面的不断发展和进步，现代预 应力混凝上的应用已不再局限于简单地代替钢材和钢筋混凝土，而是成为解决 建造大( 大跨度、大空间建筑) 、高( 高层建筑、高耸结构) 、重( 重荷载、重型结 构、转换层结构) 、特( 特种结构) 等结构不可或缺的重要结构材料和技术。当前， 继续探索新型的结构形式和结构体系，进一步扩大其应用领域和范围以及深入 研究现代预应力混凝土结构的基本理论和计算方法是预应力混凝土结构发展的 重要课题。 我国斜拉桥的数量、跨径和建造技术，都已进入国际先进行列。斜拉桥结 构多种多样，有钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、钢混叠合梁斜拉桥、钢梁与混凝土 混合式斜拉桥等。主塔一般采用混凝土结构，同时考虑到索面美观、方便施工 以及换索，其断面一般采用空心箱形结构。当塔柱采用混凝土空心断面时，为 抵抗强大斜拉索索力对索塔的的作用，保证锚固区有足够的抗裂安全度及极限 承载力，索塔锚固区构造，通常采用前述的几种典型的索塔锚固构造。由预应 力来平衡索力作用的方法与拉索锚固钢横梁方法相比，避免了锚固的钢横梁占 用较大空间要加大主塔体积，而且横梁钢结构加工要求高，造价和养护维修工 作量大，存在空间索面布置困难、构造复杂、安装困难等缺点，因而预应力索 塔得到了广泛的应用。由前述索塔锚固介绍也可以看出，运用预应力锚固的桥 梁数目很多。 井字形预应力平行钢丝束这种锚固构造在1 9 8 4 年建成的美国巴顿大桥上 首次被采用，1 9 9 1 年落成的挪威s k a m s u n d e t 桥相继采用。我国从九十年代开始 使用这种锚固形式。1 9 9 4 年，郧阳汉江大桥和上海杨浦大桥相继建成，1 9 9 5 年铜陵长江大桥建成，它们均采用了该种锚固形式。此后国内多座斜拉桥如广 东的番禺大桥、珠海淇澳大桥、黄山太平湖大桥、金沙江大桥、岳阳洞庭湖大 桥、衡阳湘江大桥、湘潭湘江三桥等也采用了这种锚固形式。井字形精轧螺纹 钢筋强度低、较脆，每根的长度通常是3 - - 一8 m ，短柬效应非常明显，预应力损 失很大，而且锚具用量也比较多，同时还存在应力盲区的现象，故近年来工程 中广泛采用u 型高强度、低松弛预应力钢绞线，每柬长度大于l o m ，如南京长 江二桥、江西鄱阳湖大桥( 湖口大桥) 、武汉白沙洲长江大桥、武汉军山长江大 桥等均采用这种锚固形式。不过u 型钢柬布置的弯曲半径很小，导致应力摩阻 损失过大，从未浪费预应力材料。而且为了防止环向预应力的径向力导致的混 凝土崩裂，需配置大量的防崩钢筋，伎混凝土浇筑困难，影响施工质量。实际 工程中，锚固区井字形或u 型预应力筋布置的选择需根据经济条件、施工便利 及维修加固等综合进行考虑。 1 3 预应力混凝土索塔锚固区的研究现状及本文的研究意义 李兴华【1 0 】等人结合芜湖长江公路大桥的工程实际，对其无中间横梁的预应 力混凝土空心索塔锚固区进行了足尺模型试验及有限元分析。沿高度方向截取 一个索距进行试验，计算结果表明实测结果与有限元所体现出来的分布规律是 一致的，说明了有限元分析的有效性。 韩富庆【1 8 等人对安庆长江公路大桥的索塔节段进行了空间有限元分析。本 桥位于长江安庆段，是万里长江上第3 5 座变天堑为通途的桥梁。大桥全线按双 向四车道、高速公路标准设计，设计时速1 0 0 公里d 时，桥宽3 1 2 m 。初设方 案的主桥为5 l o m 的双塔双索面的钢箱粱斜拉桥，主梁形式为整体式闭口钢箱 粱断面。采用倒y 形索塔，塔高17 9 12 6 m ，上塔柱锚索区为l1 2 mx9 8 m 单箱 双室整体十边形断面，壁厚1 2 m 。每个塔柱有3 2 对斜拉索锚固，属空间密索 体系。塔上索距1 5 m 4 o m ，梁上索距为1 5 m 。锚固墙上设有斜拉索锚固齿块， 在每根拉索两侧各布1 组环向预应力束。建立的有限元分析模型截取了2 个索 距的1 4 结构，沿塔高方向的长度为4 m ，以避免边界条件对节段应力分布的影 响：考虑了齿块的影响范围及预应力束的布置情况；模型中计入了拉索锚固齿 块以及斜拉索预留孔道，其尺寸均与实际结构相同；拉索索力作用在锚垫板上， 8 方向垂直于锚垫板，与实际情况一致。对材料特性进行了合理的简化处理，进 行线弹性有限元分析。计算结果表明：进行空间有限元分析时的计算模型应截 取包含至少2 个拉索锚固的节段进行研究，一方面可以减小边界条件的影响， 另外还可以对相邻拉索锚固区之间的应力传递做进一步的了解和探索：索塔锚 固区内采用分段圆弧预应力束和直线预应力束结合的布束方式能较好的满足设 计要求，使索塔锚固区整体处于较合理的压力状态，消除了拉索作用下的拉应 力和局部压应力；对于控制应力的选取，除个别位置外，正应力和主应力的变 化趋于一致。 梁柱、叶贵如【2 3 j 进行了跨金华江斜拉桥索塔锚固区应力仿真分析。主桥为 双塔双索面三跨预应力混凝土斜拉桥，跨径为9 5 5 m + 2 2 2 m + 9 5 5 m 。主梁采用 预应力混凝土边双实心主梁截面，桥面宽4 5 m ，梁高2 5 2 m ，宽1 5 m 。主塔采 用c 5 0 混凝土桥塔，h 形结构，每个塔上有1 8 对拉索，全桥共有7 2 对拉索。 拉索锚固区塔柱截面为6 0 0 c m 3 0 0 c m ，横桥向为13 0 c m 。锚固区配置u 形预 应力钢束。选