钢锚梁式索梁锚固区的设计与结构性能分析

102总425期2017年第11期（4月 中）

0 引言索梁锚固是保证斜拉桥主梁荷载向索塔传力的重要局部构造，对于保证拉索的长期受力安全，以及确保拉索对主梁提供长期的弹性支撑作用，具有突出意义。斜拉索在钢主梁上的锚固具有多种方式，例如耳板式、锚管式、锚箱式和锚拉板式等，这些锚固形式具有各自的优缺点，也适用于不同的跨径和主梁体系中[1,2]。锚箱式索梁锚固区是大跨径钢箱梁应用最为普遍的锚固构造形式，具有连接性好，锚箱应力扩散好、构造简单、养护维护方便等优点。然而，目前对于这一索梁锚固结构形式，尚没有相关的设计方法，大多数的设计都是借鉴已有的工程实践，进行局部的加工改造，以适应新斜拉桥结构体系下的索梁锚固要求。本文将根据某一斜拉桥索梁锚固的设计，通过分析索梁锚固构造的力学要求和受力特点，提出进行索梁锚固设计的基本要求和设计要点，并结合实际工程分析钢锚梁作为索梁锚固构造的设计要点和方法，同时对该锚固区进行有限元分析，验证设计方案的可行性与安全性。1 索梁锚固区的构造要求和受力特点1.1 索梁锚固区的构造要求斜拉桥的索梁锚固结构传力结构很复杂，不仅要求锚固区具有足够的安全性以实现荷载的顺利传递，还要求锚固构造具有可维护性，以便于后期的斜拉索更换、养护检测等工作[3]。因此，开展索梁锚固的设计，需要遵循以下的基本构造要求：（1）可维护性。索梁锚固区是锚固斜拉索的重要构造成分，由于斜拉索的使用寿命短于桥梁结构，因此在桥梁的使用寿命期内需要进行拉索的更换，因此锚固区应该具有足够的工作空间进行拉索松张和锚固等。（2）传力安全性。锚固区将主梁荷载传递到拉索中，由于拉索与主梁的连接存在显著的刚度过渡，因此锚固区不仅应该确保连接可靠，还需使得力线传递流畅，将索力简单地扩散到主梁区域，避免出现较大的应力集中问题，同时使主梁的受力更加明确。（3）斜拉索在主梁上的锚固必然对主梁形成一定的削弱效应，设计中应该尽可能减少拉索预留构造对主梁的削弱及主肋的切断，目的是不干扰主梁原有的传力构造。（4）斜拉索锚固在主梁上不仅有显著的纵向力分量，由于其与主梁呈现空间角，斜拉索的横向力分量也是非常显著的，因此斜拉索锚固区必须配合构造横梁或者横隔板，以平衡拉索的横向力分量。（5）索梁锚固区受力非常突出，因此在该区域内的主梁顶板、腹板和底板等，均受到一定程度的影响，为了确保受力平顺、安全，需要视情况进行加固，防止发生局部破坏。1.2 索梁锚固区的受力特点

索梁锚固区是斜拉桥的关键传力部位，其基本功能是将索力均匀、安全地传递到主梁。主梁锚固区不但承受着较大的集中力作用，而且空间小、构造特殊、应力分布及传力途径复杂，在设计计算中，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。同时，由于孔洞削弱、施工工艺误差等一系列因素的影响，锚固区应力分布更加复杂，局部应力集中现象突出。如果应力集中过大，将导致结构局部开裂，影响结构的使用寿命，如果裂缝进一步扩散，将影响到结构的安全[4]。为确保结构的安全可靠，需要保证主梁锚固区的安全性。

2 索梁锚固区的设计与构造以某斜拉桥的钢锚梁式索梁锚固区设计为例，如图1所示，钢锚箱由支撑板（N3）、垫板（N10）、承压板（N1，N2）、承压板加劲肋（N4，N5）、伸入主梁的撑板（N6，N7）以及主梁腹板与顶板间的加劲板（N8）焊接而成。各部位的设计意图如下：支撑板（N3）位于锚箱的端部，一侧焊接在腹板上。支撑板直接承受由垫板传来的压力，其后方有N1，N2两块承压板，N4，N5两种承压板加劲板与其焊接，共同受力。支撑板是受力的主体，因此其厚度往往设置得较大。

收稿日期：2017-01-11

作者简介：李洪（1985—），男，四川成都人，桥梁工程师，硕士研究生，主要从事桥梁设计工作。

钢锚梁式索梁锚固区的设计与结构性能分析李洪（中交公路规划设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610040）

摘要： 总结了斜拉桥索梁锚固区的构造要求和受力特点，明确了应该在掌握锚固区力流传递规律的基础上，进行针对

性地构造设计。以某一斜拉桥钢锚箱式索梁锚固区设计为例，详细剖析了各个板件的设计对策和荷载传递贡献，最后该设计通过实体有限元模型对安全、稳定和疲劳进行了系统验证。关键词：斜拉桥；索梁锚固区；钢锚梁；结构性能

中图分类号：U442.54 文献标识码：BTRANSPOWORLD交通世界

垫板（N10）位于支撑板上，它与支撑板（N3）磨砂顶紧，由于锚具传来的巨大压力，垫板被紧紧地压在支撑板上。垫板是锚箱上直接承受荷载的位置。锚具传来的作用力在锚箱上是环形的，其分布面积往往很小，这样势必使锚箱产生很大的应力集中。垫板的作用就是对荷载进行扩散，以减少荷载对锚箱构件的压力，为了达到扩散压力的作用，垫板的刚度必须要很大。理想的情况是垫板是个刚体，这样荷载传递到支撑板上时分布面积就是垫板的面积。N1和N2两块承压板与承压板加劲肋N4，N5还有支

撑板N3一起组成了锚箱的整体结构。N1，N2的作用是对支撑板进行支撑，同时，因为它们与腹板焊接在一起，还起到向腹板传力的作用。锚箱的受力实际是偏心受压的，锚箱会有向腹板内侧翻转的趋势，N1，N2板与腹板焊接后会对锚箱的翻转有支撑作用。N4，N5板也是构成锚箱的构件，它们同N1，N2一

样对支撑板有支撑作用。不同的是它们只与支撑板焊接，并不与主梁焊接。N4，N5板的作用是为N1，N2加劲，防止N1，N2发生局部失稳。N6和N7是伸入到主梁中的支撑板，它的位置在锚箱

与腹板的连接处，作用是加强锚箱和主梁的连接，辅助腹板的受力，防止腹板的撕裂。N8板是位于N1，N2两块锚箱加劲的端部，主梁腹

板与顶板间的加劲板。它的作用是协助腹板及顶板承受由N1，N2两块锚箱加劲肋传来的力，并可以防止腹板在纵向的局部失稳。在上述设计意图下，索力沿着上述板件均匀、平缓地传递到主梁结构中。

3 锚固区设计的有限元分析验证建立上述锚固区的有限元分析模型如图2所示，分

析在使用阶段最大索力工况下断索状态的锚固区板件应力状态和稳定问题，整体发现锚固区Mises应力控制在200MPa以内，各板件均在正常工作状态下。

图3是使用阶段最大索力工况下的钢锚箱总体应力分布，可以看到钢锚箱应力水平较低，受力均匀，Mises应力大致在0~200MPa范围内，且钢锚箱应力能通过支撑板、承压板、承压板加劲肋顺利过渡到钢主梁截面上。同时，局部很小区域内的应力达到299MPa，位于承压板加劲肋N4与支撑板连接处。应力较大的部位为承压板与支撑板交接处，承压板加劲肋与支撑板的交接处，但该区域很小，应力扩散非常明显。

此外，通过有限元对锚固区的局部屈曲稳定计算显示：第一阶稳定系数为19.675，失稳部位为承压板（N1）的中部无加劲肋区域；第二阶稳定系数为23.058，失稳部位为承压板（N1）的中部无加劲肋区

域。说明整体稳定性良好。同时对该锚固区各板件的焊缝进行疲劳验算，结果如表1所示，在活载最大索力幅的作用下，索梁锚固区各验算点的设计疲劳应力幅均没有超过名义疲劳强度，所以各

表1 各验算点的无限寿命常幅疲劳验算（单位：MPa）焊缝位置构件类别常幅疲劳应力阈值名义疲劳强度设计疲劳应力幅验算结果N3与主梁外腹板B110554.8√N7与主梁外腹板B1105512.3√承压板与传力腹板B1105527.9√N3与N5连接处E31167.6√N7与N5连接处C693512.4√

图2 锚固区实体有限元模型图3 钢锚箱Mises应力分布图1 钢锚梁索梁锚固区设计图（mm）（b）正面构造

（a）侧面构造

（下转第105页）TRANSPOWORLD交通世界点。如果中隔墙顶部进行回填时不够密实，那么正洞开始施工时，随着隧道跨度增长，将增加应力集中，最终会导致周围岩石垮塌和失稳，制约施工安全顺利进行。（3）进行正洞挖掘施工时，岩石分布是不断改变的，新岩石的平衡必然不会和原来一样。施工过程中，平衡状态将会被打破，接下来进行新平衡构建中，许多岩石会发生变形。如果进行正洞开挖时，错开的距离不够长，就会引起周围的岩石变形和应力叠加，最终影响施工安全[4]。（4）隧道施工中，会产生二次衬砌的施工缝，中隔墙二次衬砌施工过程中，也会产生施工缝，并且要求施工缝保持一致。作为隧道施工中的一个薄弱环节，中隔墙和隧道二次衬砌施工缝是否要保持一致，关于这一项内容，实际工作中并没有明确的条文规定，但为了防止出现墙体局部开裂，施工缝应该保证一致，这是必须关注和重视的内容。4 连拱隧道施工质量控制措施（1）进行中导洞开挖和初期支撑保护。中保洞的开挖关系到开挖方向，也关系到洞身施工方向，所以，这项工作是隧道开挖中的关键和核心。要确保中导洞开挖工作顺利展开，就要提高对中导洞开挖工作的重视程度，按照一定的顺序进行开挖，推动施工顺利进行，防止质量缺陷发生。（2）做好隧道防排水施工，必须建立好排水系统，最终形成一个堵、截、排、防相互结合的综合排水系统，利用这个系统，达到排水通畅的目的[5]。柔性防水材料是防水工程施工中的重要材料。在初期支护和二次衬砌施工之间，设置PVC隧道专用防水卷材。柔性防水材料施工完成后，在二次衬砌模柱混凝土下，进行防水混凝土浇筑。排水工程施工中，使用的排水措施是在防水层和支护之间设置一个环形软式透水管。明洞中的设置间距为5m，暗洞的设置间距是明洞间距的两倍。洞内初期支

护的后墙底部，需要纵向设置，沿隧道两侧贯通整个隧道，然后使用PVC塑料排水管，沿隧道横向布置。如果遇到地下水比较多的情况，应该加设软式透水管，确保隧道排水施工效果。

5 结语本文总结了连拱隧道施工要点和质量控制措施。对连拱隧道施工方法和一般结构设计进行介绍，同时分析了连拱隧道在发展中受到的制约因素，最终从多个方面提出了应对措施。分别是，注意隧道施工中的质量要点控制，把握施工方法，注重施工工艺和经验总结。连拱隧道施工中，要保持中隔墙稳定，保证中隔墙顶部填充密实。在施工方法和施工工艺中，要保证初期支撑的牢固与可靠，提高排水工程和防水工程质量。只有在施工过程中不断分析问题和总结经验，才可以使连拱隧道施工不断取得发展和进步，促进工程质量提升。

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