大跨径斜拉桥混凝土索塔钢锚箱的设计与制造

摘要：索塔锚固区是斜拉桥中的关键部位，受力较为复杂，直接影响斜拉桥的传力性能与耐久性，故斜拉桥的锚固区设计一直是重点；随着钢混组合结构研究的进展，混凝土索塔钢锚箱由于其受力较为明确、施工方便、耐久性好等特点在大跨度斜拉桥混凝土索塔中得到广泛应用。本文以某斜拉桥索塔钢锚箱为例，对钢锚箱设计、有限元分析及制造情况进行了阐述，说明了其设计与制造特点。

关键词：大跨径斜拉桥；索塔钢锚箱；设计；有限元分析；制造

中图分类号：U448.27文献标识码： A 文章编号：

0 前言

近年来，超大跨径的斜拉桥在我国的建设方兴未艾，索塔锚固区是斜拉桥中的关键部位，受力较为复杂，直接影响斜拉桥的传力与耐久性，故索塔锚固区设计一直是斜拉桥设计中的重点；近年来，国内多座大跨径斜拉桥索塔锚固区均采用了钢－混凝土组合结构，如苏通长江公路大桥、鄂东长江公路大桥、杭州湾跨海大桥、嘉绍大桥、象山港公路大桥等均采用钢锚箱锚固型式。

钢与混凝土组合结构充分发挥了钢材的抗拉性和混凝土的抗压性，组合后的性能超过了两种材料各自力学性能的简单叠加，有效改善索塔锚固区混凝土的受力环境，防止塔壁裂纹产生。同时采用钢锚箱可以大大提高施工速度、缩短施工周期、增强结构的耐久性、经济性显著。由于以上特性，钢锚箱在大跨度斜拉桥索塔中已被广泛应用。

1 钢锚箱的设计

钢锚箱作为斜拉索锚固结构，一般设置在上塔柱中。节段高度根据吊装设备能力及斜拉索锚固点间距确定，长度根据索塔顺桥向宽度变化。单、双索面斜拉桥钢锚箱一般为单箱室，四索面斜拉桥钢锚箱一般为单箱双室结构。首节段钢锚箱底面一般设置在预埋钢底座上，节段之间为端面金属接触传力，并采用高强螺栓连接。通常每4段钢锚箱，设置一道调整接口，用来调整安装过程中的偏差，确保锚固点位置达到设计要求。

1.1 构造设计

钢锚箱的传力途径为：斜拉索锚头锚腹板单元侧板端板混凝土塔壁。根据传力途径，为了使钢锚箱各构件传力途径简捷、顺畅，钢锚箱的主要构件一般设计为：锚腹板单元、侧板、端板、隔板、法兰板、竖向连接板、套筒等构件，单箱室钢锚箱构造见图1，单箱双室钢锚箱构造见图2。

图1 单箱室钢锚箱构造示意图 图2 单箱双室钢锚箱构造示意图

某桥索塔钢锚箱侧面拉板厚40mm，表面设置竖向人孔，为增加钢锚箱钢板的竖向稳定性，侧面拉板外侧焊有竖向加劲肋；端部承压板与混凝土塔壁相连，板厚40mm，宽2700mm，表面焊有剪力钉；索力通过腹板传递至竖向拉板上，腹板厚40～48mm，高度随斜拉索角度不同而变化，腹板两侧焊有加劲肋；两块侧面拉板之间设置横隔板，为厚度16mm带肋钢板，上面开有人孔，在斜拉索张拉时作为施工平台使用；锚板厚48mm，锚垫板厚80mm；钢锚箱与索塔之间连接的主要构件是焊钉，剪力钉采用直径22mm的圆柱头焊钉，长200mm，水平间距200mm和100mm，竖向间距150mm。

1.2受力分析

为了考虑最大索力作用下钢锚箱的受力情况，取索力最大处锚箱建模，按照钢锚箱和混凝土作为组合构件共同受力进行计算，其中混凝土塔壁采用实体单元模拟、钢锚箱采用板单元模拟、剪力钉采用梁单元进行模拟；不考虑钢锚箱与混凝土塔壁的粘结效应。

图3钢锚箱及混凝土塔壁模型图4钢锚箱模型

图5剪力钉与钢板、混凝土塔壁的连接

（1）钢锚箱计算结果

表1钢锚箱主要板件计算结果

（2）混凝土塔壁分析结果

混凝土塔壁主拉应力在与剪力钉接触的地方有应力集中现象，名义主拉应力约为4.5MPa，通过计算分析配置预应力钢束可有效减小主拉应力水平。

（3）剪力钉分析结果

每个节段内横向布置14列剪力钉，竖向布置15排剪力钉。由于锚箱结构对称，只给出7列剪力钉的竖向剪力值。

表2剪力钉竖向剪力值（单位：吨）

每个锚箱上施加的索力为542吨，斜拉索倾斜角度为27.03°，故竖向力为246.32吨，在此种边界条件下，剪力钉承担了244.92吨的竖向力，占索力竖向力的99.43%。

图6和图7给出了剪力钉的竖向剪力及拉拔力的云图，剪力钉的最大竖向剪力为2.775吨，最大拉拔力为2.334吨。

图6剪力钉竖向剪力云图图7剪力钉拉拔力云图

剪力钉抗剪承载性能分析

根据国内外学者的物理试验测得的与本桥相同型号的剪力钉的抗剪承载力为11吨左右，本次计算剪力钉最大剪力值为2.775吨，故满足要求。

剪力钉抗拉拔承载性能分析

基于Leigh-University的研究成果（式-1）算得的抗拉拔承载能力最小值为2.866t，欧洲规范规定的公式（式-2）算得的结果是2.921t。本次计算的最大拉拔力为2.334t，满足要求。

（1）

（2）

拉拔力与剪力同时作用时的承载性能分析

国外对拉拔力与剪力共同作用时的力学性能也进行了很多研究，其中德国对直径为22mm的焊钉进行了试验研究，提出的拉拔力与剪力共同作用的承载力计算公式为：

（3）

本次计算的结果为，结果满足拉拔与剪切共同作用时的承载力。

1.3钢锚箱节段制造及吊装技术标准

表3 钢锚箱节段制造标准

表4 钢锚箱安装精度

1.4钢锚箱防腐设计

防腐设计一般主要考虑结构物所处的环境特性、被涂装结构物使用性能及涂装体系综合经济性等因素。钢锚箱一般被混凝土包裹，与周围环境相对隔绝，加之索塔高耸入云，自然形成“烟囱效应”，这样索塔内部空气流动迅速，钢锚箱处于较干燥的封闭环境中。根据钢锚箱所处环境特点及综合经济因素，钢锚箱不宜设置抽湿系统，采用重防腐即可。

表5 索塔钢锚箱常用涂装体系

2钢锚箱的制造

2.1 制造工艺

考虑到钢锚箱结构复杂，焊缝密集，熔透焊缝较多，所产生的焊接变形和残余应力较大，为控制结构焊接变形，保证产品整体质量，加快制造进度，钢锚箱制造采用“零件部件单元整体机加工预拼装”方式生产，即将每个钢锚箱分为锚腹板单元、隔板单元、承压板单元等部件制作，然后组焊成钢锚箱整体，箱体上下端连接板厚度方向预留整体机加工量，下端连接板孔先钻出，上端连接板孔暂不钻制，待预拼装时配钻上端孔群。采用大型镗铣床加工钢锚箱两端面后进行预拼装，安装临时匹配件，并配钻上端连接板及拼接板孔群。检测合格后对端面进行保护，发运至桥位进行安装。

2.2 焊接工艺

焊接工艺的设计，首先考虑如何确保焊接质量，其次考虑了尽可能的减小焊接变形，结合焊接变形试验和焊接工艺试验结果确定焊接工艺。焊接方法采用埋弧自动焊工艺、CO2气体保护半自动焊工艺。隔板等一般角焊缝采用CO2气体保护半自动焊工艺，锚箱熔透焊缝和坡口焊缝采用CO2气体保护半自动焊和药皮焊条手工电弧焊相结合的焊接方式；所有钢板对接焊缝全部采用了埋弧自动焊工艺；焊钉采用螺柱焊接，焊接接头形式如图3~5。