万州长江二桥主缆锚固及连接系统设计(发表)

万州长江二桥主缆锚固及连接系统设计DesignofMainCableSystem&.ConnectionSystemofWanzhouRiveSecondBridge李晓民(中铁第一勘察设计院集团有限公司厦门分公司厦门361012)摘要：悬索桥锚固系统在保证结构整体安全上具有重要控制作用，万州长江二桥的主桥锚碇，结合桥址地形，采用隧洞式锚碇结构。由于受三峡枢纽蓄水影响，锚碇处工程地质条件相对较差，为克服以上不利因素，在锚碇前端设置了预应力岩锚体系，主缆系统的锚固采用了先进的预应力锚固系统，在确保锚碇整体受力安全可靠的情况下，有效的控制了锚碇工程量，节省了工程投资。关键词：锚碇结构，主缆锚固，预应力，岩锚体系中图法分类号：U448.21、概述锚碇用于锚固主缆、平衡主缆传来的巨大拉力，是悬索桥锚固可靠的重要保证，对结构整体受力及锚固连接系统设计具有极高要求，根据地形地质及投资控制条件，万州长江二桥主桥采用国内大跨度悬索桥较少采用的隧洞式锚碇结构，同时也是国内规模最大的同类结构，由于工程地质条件相对较差，同时受三峡工程正常蓄水位影响较大，需采取一系列相应工程处理措施，就锚固连接处理也需采取先进工艺措施。悬索桥的主缆锚固连接系统是主缆索股与锚碇结构传力连接及过渡构造，包括锚碇体内的锚固系统及与主缆索股相连接的连接系统，根据国内外大跨度悬索桥的实际工程实践，锚固系统主要采用以下两种基本类型，其主要技术特点体现在以下方面：第一种是钢构架锚固系统，其应用时间较长，早期悬索桥均采用此类型锚固系统，主要由后背梁和钢拉杆共同组成，同时还需设置较强的支承构造，钢拉杆前端伸出前锚面以便与主缆索股进行连接，其基本传力途径是通过钢拉杆将索股拉力传向后背梁，然后通过后背梁将所受拉力传递至整个锚体结构，传力途径简单明了。根据传力需要，同时考虑防止出现锚体混凝土开裂现象，故此在施工过程中需对拉杆采取相应的隔离措施，防止钢拉杆与锚体混凝土粘结，至少需在前锚面一定范围内进行隔离处理，由于构造及传力连接的需要，此类锚固系统的结构用钢量通常很大，投资也相对较大。第二种为预应力锚固系统，此类锚固系统近年来在我国也得到了较大发展，随着我国经济的高速发展，对道路等基础设施提出了很高的发展要求，相应大跨度悬索桥也得到了前所未有的发展机遇，从而为相应的技术发展提供了良好条件，针对以往常用锚固体系存在的种种不足之处，中国桥梁工程界也迫切希望有关设计研究部门能够开发出适合我国国情特点的新型锚固体系，基于以上需求，以厦门海沧大桥的设计施工为契机，由设计、建设部门会同专业生产厂家进行了联合技术攻关，在我国首次成功地开发了锚碇体预应力锚固系统，由于其所具有的良好技术及经济特点，此后在我国修建的大跨度悬索桥设计施工中得到了较为广泛的应用，成为目前采用较多的锚固处理方案选项，预应力锚固体系根据所选用的预应力材料的不同，可分为预应力粗钢筋锚固体系和预应力钢绞线锚固体系两种方案，从应用范围和基本技术性能特点分析，以预应力钢绞线锚固体系更具发展应用前景，预应力锚固系统通常由预应力体系、连接器和拉杆等共同组成，其传力途径为主缆拉力通过连接系统传向预应力钢绞线，然后通过钢绞线传递至整个锚体结构，满足整体受力要求，由于根据需要施加了足够的预应力，使得在索股力作用下锚固体系的变形很小，能够保证在预想的条件下正常工作，可充分发挥高强材料抗拉性能优异的特点，从而实现理想的设计施工意图，相比较而言，粗钢筋采用传统的螺栓锚固处理方式，技术成熟、安全可靠，但由于钢筋不能弯曲，同时规格选择范围少，定尺长度有限，必须考虑接长要求，强度相对受到限制，对设计造成一定困难，而钢绞线锚固体系采用夹片锚固，在各类工程中得到广泛应用，工艺成熟可靠，无需进行接长处理，锚具可选范围广，但对管道压浆、锚固处理、防腐处理等要求较高。2、万州长江二桥锚碇基本构造特点锚碇是悬索桥中重要的承力结构，它直接承受由锚索传递的全部荷载，在保障结构整体安全方面具有控制作用，结合工程地质及投资控制条件，本桥采用隧洞式锚碇结构，每根主缆两端各设一个锚碇，全桥共设有四个锚碇，由于桥宽相对有限，为保证每岸两个锚碇之间必要的安全距离，满足此类锚碇的整体受力要求，同时考虑避免主桥施工猫道与已架设引桥简支梁体的构造干扰，方便施工组织安排，主缆在锚跨设置了1°的向外水平偏角。由于本桥工程地质条件相对较差（尤其是针对有很高地质条件要求的隧洞式锚碇结构），为有效控制锚碇工程量及工程投资，在锚碇锚塞体前端设置了辅助岩锚体系，整个锚碇锚固体系由岩锚、锚塞体、预应力锚索、调节拉杆、散索鞍支墩等共同组成，总体而言，本桥锚碇具有受力合理可靠，结构整体安全度高，开挖工程量小等诸多优点。本桥锚碇结构的总体向下倾角为30°（主缆中心向下角度通过散索鞍由23°变为30°），锚洞为变截面倒喇叭形，其下端最陡坡度为35°48′37″，锚塞体呈楔形状，楔面与岩面紧密结合，锚塞内设角钢组成的定位支架以保证施工时预应力钢绞线准确定位。散索鞍以下锚室北岸长40m，南岸长33m，锚塞体长15m，前端高10m，宽10.5m，后端高13.6m，宽13.6m，每个锚碇设长20m的岩锚体系。隧洞式锚碇结构简图1所示。LFss177.06166.29NsLfss169.26NsLfss167.3030Ns193.34Ns163.4923ZK：Ns：Lfss：图1隧洞式锚碇结构示意图本桥锚碇结构采用空间结构弹塑性理论进行分析计算，分别采用三维有限元分析软件3D-σ、通用有限元程序SAP及大型工程软件ANSYS进行计算，对锚碇周围的山体应力场和位移场以及锚塞体内应力进行了三维非线性数值分析，对隧洞式锚碇结构可能的几种破坏形式进行分析研究，在此基础上研究确定所采取的工程措施，根据计算结果，对一些受力不利部位和结构关键问题进行分析研究，采取了必要的构造加固措施，确定结构的安全储备，设计计算中尤其对锚塞体、围岩在受力条件下的应力场分布进行了详细的分析和检算，考虑了围岩发生应力重分布的影响（包括施工开挖的影响）、锚碇结构在长期受力条件以及库区蓄水后浸水条件下所发生的蠕变变形影响等，同时包括围岩的稳定性分析，合理选用有关设计参数，以保证结构的安全合理。本桥设计中对隧洞式锚碇结构可能的各种破坏形式进行分析研究，在此基础上研究确定所采取的工程措施，从而确定结构合理的安全储备，尤其要对锚塞体、围岩在受力条件下的应力场分布进行详细的分析和检算，考虑了围岩发生应力重分布的影响（包括施工开挖的影响），对锚碇结构的整体受力进行计算分析，包括围岩的稳定性分析，合理选用有关设计参数，保证结构的安全、稳定、合理，考虑锚碇围岩体的力学性质具有一定的时效特征，设计中对锚碇结构在长期受力条件以及库区蓄水后浸水条件下所发生的蠕变变形进行了相应的分析和计算，对锚碇周围的山体流变应力场和位移应力场、因山体蠕滑产生的走动进行有限数值分析、锚固块体内的应力分析。3、万州长江二桥主缆锚固系统设计特点本桥主缆锚固采用预应力锚固系统，对应每根主缆索股设置一根预应力钢束，根据主缆构成，每个锚碇共设有91根预应力钢束，同时根据工程地质条件及控制工程量和工程投资，考虑了必要的预应力岩锚体系，施工图设计中岩锚长度采用15m，每个锚碇设有16根预应力岩锚，所有预应力体系均由12—φj15.24mm高强度低松驰预应力钢绞线组成，其标准强度Ryb=1860MPa，考虑防腐需要及投资影响，岩锚预应力束采用防腐性能良好的环氧涂层钢绞线，同时对钢绞线采用PE防护，以切实保证其长期防腐效果，另外采取必要措施保证锚固效果，锚固系统则采用一般钢绞线，设计按波纹管成孔考虑，预应力体系采用相应配套锚具进行锚固，依据结构特点，岩锚体系的锚下垫板较常用构造有较大区别，锚固系统考虑调节拉杆构造安装需要设置相应的支承垫块。预应力岩锚体系每根钢束张拉吨位为1200kN，根据工程特点、为保证传力效果，在岩锚与锚塞体之间设置了2m长的交叉过渡段，预应力锚固及连接系统由拉杆、索股锚固连接器和预应力锚固体系组成，主缆通过预应力锚固系统锚固于锚碇内，为减小锚塞的应力集中现象，避免锚塞混凝土开裂，同时考虑预应力锚具良好可靠的锚固效果，对锚塞体施加了纵向预应力，相应每根预应力钢束的张拉吨位采用1200kN，本桥锚固系统的基本传力途径为：主缆索股→调节拉杆→索股锚固连接器→（通过预应力锚头）锚块→周边岩体，在前锚面位置处，通过调节拉杆与锚固连接器将索股锚头上的锚板和预应力锚具连接起来，每个单锚头连接器对应两根调节拉杆连接锚固一根索股。根据受力条件，同时考虑各种连接构件及相关锚具的设计及细节构造处理，大跨度悬索桥主缆索调节拉杆宜采用强度高、韧性好及其它指标条件好的材料制造，目前主要采用40Cr及40CrNiMoA材料，40CrNiMoA各项性能更为优异，其中强度可较40Cr提高20%左右，但材料单价目前也要高出近一倍。通过综合分析比较，本桥预应力锚固系统调节拉杆采用40CrNiMoA材质的圆钢制成，同时，调节拉杆组装件在连接垫板处采用了球面螺母及球面垫圈，以便安装及使用过程中能够自动调整螺母与垫圈的承力面，切实有效保证其接触面积，克服因可能的施工误差引起的调节拉杆安装角度偏差，保证拉杆与主缆索股处于同一直线，减少局部应力集中现象发生，有效提高结构使用寿命，通过设置索紧螺母可有效防止螺母在长期动载作用下发生松动现象，另外，调节拉杆、球面螺母及其它螺母均采用军用MJ螺纹标准，相对于普通螺纹，其主要特点是牙底较浅、牙距较密、牙底过度圆角大、牙高降低，螺纹的疲劳强度可提高20%左右，对螺纹自身的加工处理通常可采用车削或碾压方式，通过分析试验，采用碾压方式较车削方式可提高疲劳安全系数近20%，因而本桥螺纹加工按碾压方式考虑。锚碇防水处理是保证悬索桥长期安全使用的关键工序之一，本桥锚碇洞室的大部分及锚塞体均位于三峡工程正常蓄水位以下，锚碇洞口距水边距离近，岩层裂隙发育、透水性强，大大增加其防水处理难度，设计中采取了综合防水处理措施，主要如下：施工开挖后对洞室周边进行围岩压浆和锚杆加固，初衬采用网喷混凝土；洞室二次衬砌采用模注防水混凝土，初衬和二衬间设防水层，接缝处设橡胶止水带；锚塞体采用微膨胀混凝土，混凝土灌筑不密实部分采取二次压浆处理措施；锚碇洞室内设置集水井、自动排污系统、除湿机、管道通风机等设备。4、结论及发展前景采用复合式锚碇结构体系可以有效降低围岩应力，减少隧洞开挖尺寸，并控制锚碇的位移，对控制工程量及工程投资、增大结构整体安全系数具有重要作用，为我国大跨度悬索桥锚碇基础设计提供了一个崭新的设计思路。实践证明，在岩石的地基情况下，当工程地质相对较差地区修建大跨度悬索桥时，通过采取合理有效工程措施，也有可能采用投资明显较低的隧道式锚碇结构，在充分保证安全条件下实现对工程投资的有效控制，应结合具体工程条件，通过积极推广促进其在工程建设中发挥更大作用。悬索桥的锚碇防水是保证结构长期使用寿命的技术难题之一，长期以来制约设计施工及管理，长江沿岸已建成的几座悬索桥如忠县长江大桥、宜昌长江大桥锚碇防水处理均不是十分令人满意，运营后漏水严重，而本桥锚碇体虽然位于三峡水库正常蓄水位以下，但通过一系列行之有效的工程措施，结合建成运营实践检验，较好的解决了防水问题，取得了令人满意的效果，也很值得相关工程如隧道、地铁、人防工程借鉴。参考文献：[1]程良奎.岩土锚固工程技术应用及发展[M].北京:万国学术出版社.1996年.[2]铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编悬索桥[M].北京：科学技术文献出版社，1996年[3]李世煇.隧道支护设计新论[M].北京:科学出版社.1999年.[4]卢永成重庆长江鹅公岩大桥东隧道式锚碇[J]中国市政工程2003年第06期：31-34[5]王勇曹化明悬索桥隧道式锚碇施工技术[J]桥梁建设2004年第02期：53-55[6]吴相超肖本职等重庆长江鹅公岩大桥东锚碇岩体力学参数研究地下空间2003年第02期：136-138，152