0 引 言
斜拉桥由于其跨径适应性强、造型景观优美，成为近年来我国大跨度桥梁中应用最普遍的桥型。拉索在塔端的锚固结构是将拉索的索力将巨大的集中力合理安全的传递至桥塔全断面的重要结构。由于拉索强大的集中力作用，故在锚固区会存在较为明显的应力集中现象[1]。索塔锚固构造与拉索的布置、拉索索面的角度和索面布置形状、索塔的型式与构造、拉索索力变化等多种因素有关，因此索塔锚固区的设计需要综合考虑桥梁设计、施工、养护维修及拉索的更换等方面的要求。拉索在索塔上的锚固区构造应综合考虑结构受力、锚固构造要求、施工工艺要求等确定。索塔锚固结构设计必须达到传力可靠、安全耐久、造型美观、易于维护的基本要求[2]。
现代大跨径斜拉桥随着桥跨径增大拉索的数量不断增加发展为密索体系斜拉桥，且塔柱承载能力要求高，因此塔柱多采用空心截面。拉索对索塔锚固区的空间要求高，拉索的锚固形式也逐渐发展为适应于空心断面的锚固形式[3]。目前最常见的大跨径斜拉桥的索塔锚固形式主要分为预应力加混凝土齿块式锚固，钢锚梁加钢牛腿或混凝土牛腿式锚固形式，以及钢锚箱形式锚固结构形式。预应力式锚固结构在控制不佳时锚固区易开裂引起耐久性问题；钢锚箱式锚固的承载能力相对较高，但用钢量过大，经济性较差。钢锚梁式锚固结构是一种组合式锚固形式，能够发挥钢结构受拉能力强的同时，具有良好的经济性，因此钢锚梁式锚固结构是一种较为合理的索塔锚固结构形式[4~5]。
但是传统的钢锚梁锚固结构多用在平行索面斜拉桥中，拉索与钢锚梁处于同一竖直平面，钢锚梁只需要承载拉索的纵桥向水平拉力即可，而无需承载横桥向水平力。对于空间索面布置的斜拉桥如果采用钢锚梁式锚固，在钢锚梁在承载纵桥向水平力的同时需要具有承担横桥向水平力的能力，其构造与受力均更加复杂，且相关研究较少。为了探索钢锚梁结构在承载空间索面索力下的承载特点，本文以某空间索面斜拉桥为依托对钢锚梁的受力特性及构造特点进行了研究。
1 工程概况
1.1 总体概况
本项目的依托工程为某跨海湾大桥，项目全长大桥全长 3 270 m，包括北侧引桥（38×30 m+19×40 m+37 m 连续箱梁）、主桥（88 m+200 m+88 m 双塔双索面混凝土斜拉桥）、南侧引桥（37 m+23×40 m连续箱梁）。
主桥为双索面混凝土梁斜拉桥，主梁采用扁平流行型混凝土箱梁结构，边中跨采用相同断面形式，桥梁边中跨比为 0.44。桥塔为 A 型桥塔，桥塔的基础采用整体式基础，下塔住向外分开，在桥面下方设置下横梁作为主梁支撑。在下横梁处桥塔横向设置折点，塔柱像内侧变化，至塔顶位置合拢形成 A 型造型。
拉索在梁上锚固于主梁两侧。
1.2 钢锚梁结构特点
依托工程索塔造型为钻石型桥塔，单根塔柱内设置 12 个钢锚梁。钢锚梁共分为 A 型钢锚梁和B 型 钢 锚 梁 两 类 ， 其 中 A 型 钢 锚 梁 适 用 于SM3-SM12 号钢锚梁，B 型钢锚梁适用于 SM1-SM2号钢锚梁，两种类型的钢锚梁构造略有不同。由于拉索为空间索面，索塔为 A 型桥塔，故拉索传递至钢锚梁的索力与纵桥向及横桥向均呈现一定的角度。
钢锚梁的构造特点见图 1，钢锚梁两侧由两块与拉索角度平行的侧拉板作为主要承载构件，侧拉板长度为 4.6 m。在侧拉板顶部和底部分别设置钢锚梁顶板与底板，侧拉板顶部采用凸起型的锚固区域，锚固区域位于顶板以上。在侧拉板锚固端部与锚头垫板相焊接，并在锚垫板下方与内外侧侧拉板之间设置锚固支撑板，在锚固支撑板上方设置支撑板加劲。侧拉板与底板在支撑于牛腿上，在支座处设置支座加劲板以提高局部刚度与承载能力。为了提高侧拉板与顶板的整体性在靠近侧拉板老虎口位置设置两道横隔板。在钢锚梁纵桥向端部设置端部挡板与混凝土塔壁内预埋挡块相对应，实现对钢锚梁的纵桥向限位。在横桥向牛腿顶面通过预埋钢板设置横桥向的侧向限位挡块，限制钢锚梁在拉索横桥向水平分离作用下的侧向位移。
图 1 钢锚梁构造示意图（单位：cm）
2 有限元模型
由于本桥的钢锚梁所受到的斜拉索索力为空间索力，其受力特性极为复杂。故需单独建立钢锚梁模型分析其在强大的拉索作用下的受力特性及其安全情况。本桥靠近顶部最上方 SM12 号钢锚梁对应的横向斜交角度及应力均大于其他钢锚梁，其受力状态为本桥钢锚梁中受力最不利的钢锚梁结构，故在本次钢锚梁结构受力分析时选取最顶部 SM12 号钢锚梁进行建模分析。
建模中钢锚梁各板件的尺寸均与实桥的尺寸相同，计算模型见图 2。模型中锚梁的结构包括锚垫板、锚垫板下方的支撑板及加劲、侧拉板、顶底、地板及加劲与横隔板结构。为了清楚地了解钢锚梁的各个板件在斜拉索强大的水平力作用下的受力性能，研究其运营状态下的安全性，在钢锚梁的分析过程中，除考虑其自重荷载外，还对其施加了最大的设计索力，施加按照 M12 号锚梁的设计索力进行加载，边跨侧索力值为 4 997 kN，中跨侧索力值为 4 512 kN。荷载施加在锚垫板与斜拉索锚头位置相接触的环形范围内，以面荷载的形式施加与对应位置。
图 2 钢锚梁有限元模型示意图
在计算中对锚梁的位移边界条件施加中分别考虑三个方向的约束。竖向按照实际与塔柱牛腿的接触面的大小施加竖向面约束；横桥向，按照实桥的止推装置的位置施加横桥向约束；顺桥向，在实桥中钢锚梁与混凝土塔壁相连接的止退装置处单侧施加顺桥向的刚性约束，即不考虑混凝土桥塔在顺桥向上对钢锚梁的约束，认为斜拉索的顺桥向的平衡索力由钢锚梁自行承担。
塔柱计算时按照钢锚梁与塔柱及牛腿接触的位置将钢锚梁计算得到各支撑位置的反力方向施加于塔柱节段上，并在塔柱底部设置固结支撑。塔柱的有限元模型见图 3，选取牛腿顶面 2 m 和牛腿顶面以下 6 m 范围进行建模。在网格划分时对于牛腿及拉索孔洞位置进行网格加密处理，对于塔壁常规区段增加略增大网格尺寸，以提高计算效率。
图 3 桥塔节段有限元模型示意图
3 钢锚梁受力性能分析
由于 SM12 号钢锚梁斜拉索的水平分量很大，故内拉侧拉板的应力均较大。由于锚板直接承受斜拉索传来的巨大荷载，故锚头局部的应力水平较高。钢锚梁的总体 mises 应力的分布状态见图 4。
图 4 钢锚梁 mises 应力（单位：Pa）
斜拉索的竖向荷载较小，故底板及 N3、N4 加劲板的应力水平均较低。竖向索力主要由钢锚梁两端的构件传递给牛腿顶面，水平索力主要靠钢锚梁自身承担，锚板的最大应力为 270 MPa，内外侧拉板的最大拉应力为 268 MPa，支撑板的最大应力为 258 MPa。混凝土节段的主应力的平均应力水平较小，均在 1 MPa 以下，但牛腿处的应力值较大。最大应力出现在牛腿与塔壁相接处，该处的应力最大可以达到 6.8 MPa 左右。
在最大索力作用下锚固区混凝土的主拉应力分布情况见图 5，塔壁基本属于受压状态，在塔壁牛腿下方位置由于受到牛腿传递的面外效应，会出现 0.2 MPa 左右的拉应力。在索力纵桥向水平拉力较大一侧塔壁内侧有一定的拉应力，该位置由于受到钢锚梁纵向止腿装置的水平作用，而出现小范围应力集中。此外混凝土牛腿需要直接承担钢锚梁传递而来的强大的竖向荷载，并将其传递给混凝土塔壁，故混凝土牛腿及与混凝土牛腿相接的混凝土塔壁的应力水平较高。该区域的拉应力约为 3~4 MPa。在拉索预埋套筒周边也存在一定的应力集中状态，集中点的最大应力约为 5 MPa。
此外，在单侧索力作用下混凝土节段的边跨侧牛腿及边跨侧塔壁由于直接承受了巨大索力的水平分力和竖直分力的作用，故边跨侧混凝土塔壁及边跨侧塔壁相接的内、外侧塔壁的住拉应力均较大，该区域需要加强钢筋配置以提高其抗裂性与承载能力以应对在断索工况下对混凝土塔壁受力的要求。
图 5 钢锚梁 mises 应力（单位：Pa）
4 结 语
本文以某大跨径斜拉桥为依托对空间索面斜拉桥索塔锚固区钢锚梁结构的受力特点进行了分析与研究，得到以下主要结论：
（1）空间索面作用下钢锚梁会承担横桥向的水平力作用，可通过设置横向限位挡块提供横向约束，对锚梁的作用效应相对较小。
（2）侧拉板在老虎口位置具有一定的应力集中现象，在设计中需要主要对该区域构造的圆弧半径设计不应过小，避免应力集中影响过大。
（3）依托工程用钢锚梁的构造较为合理，受力可满足要求，在锚板位置的应力最大，最大值为270 MPa。
（4）塔壁设计时应考虑在断索状态下单侧索力均由桥塔承担的工程，并针对该工况作为塔壁配筋设计的控制因素，加强水平钢筋配置以提高承载能力。
摘自：城市道桥与防洪