斜拉桥索塔锚固区空间预应力体系模型试验论文

斜拉桥索塔锚固区空间预应力体系模型试验【摘要】通过对金江金沙江斜拉桥索塔锚固区进行试验，研究空间预应力体系设计与施工控制要点，并在施工中结合试验结果完善优化设计，以指导斜拉桥关键受力区域施工，保证结构施工质量和成桥后结构安全。

【关键词】斜拉桥、索塔、锚固区、空间预应力、试验、施工
1 引言
目前国家投入了大量资金进行基础建设，许多跨大江、大河的桥梁工程特别是跨越能力较大的斜拉桥工程得以修建，使我国的桥梁建造水平不断提高，积累了丰富的设计、施工、监控、检测等宝贵经验，也培养了许多优秀的科技人才。

而斜拉桥索塔的拉索锚固区是斜拉桥的重要结构部位, 需将拉索的强大局部集中力安全、均匀地传递到塔柱, 其构造及受力相当复杂, 特别是拉索局部强大集中力及预应力钢束锚固力的作用, 对结构变形和应力的分布影响很大，单纯的力学分析难以全面反映结构的实际工作状态和应力分布。

为此, 最直接、有效的方法是采用足尺模型, 进行模拟力学加载试验验证以指导施工，这也是目前国内大跨度斜拉桥较通行的做法。

2 工程概况
西(昌)—攀(枝花)高速公路金江金沙江大桥为主跨324m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，索塔采用“h”形索塔、空心薄壁箱型截面，索塔分上塔柱、中塔柱、下塔柱及塔墩四个区段，混凝土
设计强度为c50。

上塔柱为斜拉索的锚固区段, 斜拉索通过锚块锚固于其内壁上。

上塔柱截面型式为单箱室，截面尺寸为顺桥向6.2m,横桥向4.0m，壁厚顺桥向为1.0m，横桥向为0.8m。

斜拉索单索锚固区节段长度自低向高由疏渐密，顶部最短至
1.08m左右（25号索），它也是施工期最大索力（约5300 kn）所在节段。

受斜拉索索力的斜向作用，索塔锚固区为空间受力的结构部位，设计在其环向布置有沿长边开口的u形预应力束，以平衡斜拉索的水平分力，环向的最小曲率半径为1.6m。

预应力束筋采用φ
j15.24高强低松弛钢绞线,标准强度1860m pa,锚具采用群锚15-15型，孔道采用塑料波纹管，压浆采用真空吸浆技术以保证压浆密实。

为防止混凝土崩裂, 沿环向钢束径向设置防崩钢筋,间距约20cm。

锚固区侧面图锚固区截面图
3 试验目的及主要工作内容
金江金沙江大桥索塔拉索锚固区有如下特点：
(1). 索塔节段长度较小，仅为1.08m；
(2). 塔柱截面尺寸较小，仅为6.2x4.0m；
(3). u型钢束半径较小，最小半径仅有1.6m。

由于金江金沙江大桥索塔锚固区自身所具有的不同构造和特性，一般无法直接套用其它桥梁试验和分析的结果。

因此，为了研究索塔锚固区应力分布规律和极限承载力, 验证设计安全度, 摸
索大吨位小半径环向预应力束的成孔、穿束、真空吸浆等施工工艺, 以得到相应的预应力束计算参数（如摩阻系数、伸长量等），因此
需要进行索塔拉索锚固区的节段模型试验，这对于确保大桥的施工质量和运营安全有重要意义。

因此，试验研究如下内容：
(1)选取最不利索塔锚固区节段，遵循一致性原则制作索塔节段足尺试验模型；
(2)获得u型预应力束的管道摩阻系数；
(3)获得u型预应力束在张拉吨位下的伸长值资料；
(4)研究u型预应力施工工艺及真空压浆工艺；
4、试验实施
4.1模型选定及制作鉴于试验需要模拟大桥现场的材料、环境和施工工艺，试验拟选择在工地进行。

试验截取斜拉索拉力最大的索塔锚固区节段(25号索节段) , 节段长度1.08m，按1:1的比例制作模型。

按照一致性原则, 模型几何尺寸、荷载、配筋、混凝土配合比、强度和施工工艺尽可能和原型结构一致，仅在锚块加载点处进行局部调整，以利施加斜拉索荷载。

由于节段竖向间距很小，难于施加斜向的斜拉索荷载，根据以往的试验经验，斜拉索拉力按水平荷载施加。

模型构造示意见图1。

图1 索塔锚固区节段模型
4.2加载系统
试验采用从箱内水平施加顶压力来模拟斜拉索对箱壁的压力。

考虑到千斤顶的行程, 专门设计两个钢筋混凝土传力块, 按照设
计标高, 将两个传力块搁置在滑板或滚轴上, 让其在荷载作用下能水平滑动。

传力块之间竖向并列设置2台6000 kn 级的液压千斤顶, 加载传力块按承压12 000 kn 设计。

当启动液压千斤顶时, 千斤顶、传力块与箱体构成自平衡体系, 使塔身承受与斜拉索相似的受力状态。

加载系统示意见图1。

4.3 测试手段测试内容主要包括模型的各工况应力测试，裂缝观测，预应力束张拉端的主动吨位，预应力束非张拉端的被动吨位等。

预应力束的张拉力测试采用穿心式压力传感器，同时与精密油表读数相配合，在预应力束张拉时将每个千斤顶工具锚板后设置3个传感器。

为了测试摩阻系数，在张拉时先单端张拉其中一个千斤顶，并且读出2台千斤顶后部的传感器的读数，待读数完成后将预应力束放松并取下传感器，然后按照预应力束的正常张拉程序进行2台千斤顶两端张拉并完成锚固。

应力测试采用埋设钢弦式钢筋计及粘贴应变片相结合的方法。

考虑到节段模型的对称性及受力特点，应力测点初拟按图2方案布置。

裂缝观测采用读数显微镜读取各工况下有无裂缝展开及裂缝分布、裂缝宽度。

图2 索塔锚固区节段模型测点布置图
4.4 试验实施步骤
整个模型试验的实施步骤如下，其间结合进行成孔、穿束、张拉及真空压浆等施工工艺的试验研究。

(1).立模、绑扎钢筋及敷设波纹管；
(2).预应力束穿束工作（或在模型混凝土浇注后穿束）；该项同
时作为工艺试验的一部分，主要为今后上塔柱穿束积累经验，并摸索出快捷安全的穿束方式。

(3).模型各应力测点处钢弦应变计埋设；
(4).模型混凝土浇注及养护，模型混凝土表面粘贴应变片；
(5).预应力束的张拉锚固试验。

(6). 预应力束孔道的真空吸浆及其工艺试验。

(7). 加载试验：采用2台600t的千斤顶加载以模拟斜拉索的水平荷载，应先进行预载试验,正式加载分为14级施加,各级荷载下,持荷15 min，同步进行应力测试及裂缝宽度观测。

5试验成果
通过金江金沙江大桥索塔锚固区足尺模型的试验研究和理论分析，得出以下几点主要结论与建议：
(1).在斜拉索设计荷载5000kn（水平力）的作用下，金江金沙江大桥索塔锚固区足尺模型工作正常。

(2).在u型束预加力作用下以及斜拉索设计荷载作用下，模型的试验实测值与理论计算值基本吻合。

实测的开裂荷载及开裂部位也与理论预测荷载及部位基本一致，模型的受力以环向框架应力为主，竖直方向的应力为次（但索孔附近区域例外）。

(3).模型所采用的u型束塑料波纹管，建议其预应力损失的摩阻系数按μ=0.21取值，其较规范值为大，孔道偏差系数仍可按规范值 k=0.0015取用。

(4). u型预应力钢束张拉伸长量的实测值与理论值偏差较大，
实测值远大于理论值。

伸长量实际量测的起算初张力建议采用25%-30%的设计张拉吨位。

(5).索塔内壁和倒角设置内衬钢板及索锚垫板是必要的，它可有效改善短边内侧及角隅的应力集中状况，以及推迟索塔长边内侧的开裂时间和承载吨位。

建议内壁钢板形成环向封闭框构，角隅接缝处焊接牢靠，并与塔体内钢筋骨架有效焊连锚固成为一体，从而能与塔体砼共同承力。

(6).索塔短边索孔附近应力分布复杂，建议在短边外壁适当加强分布钢筋构造或设置防裂钢筋网片，以防止或限制裂缝开展。

(7).u型预应力钢束的小半径曲线区段对其内侧砼形成较大崩裂应力，注意沿径向设置的防崩钢筋应定位准确，将曲线波纹管和钢束锚固于索塔外圈钢筋骨架上。

施工中同时确保预埋波纹管定位准确，以及其内侧保护层厚度满足要求。

(8).u型预应力束两端的锚下砼应力集中，尤其在锚板面靠凹角处有较大拉应力，宜增设锚下钢筋网片，以及跨凹角分布钢筋以避免和限制砼开裂。

施工中同时加强砼浇筑振捣的质量管理。

(9).鉴于索塔同时还受到高烈日照温差等因素的不确定影响，建议在索塔外壁设置防裂钢筋网片，以防止裂缝发生或限制裂缝开展，提高索塔结构的耐久性。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。