悬索桥下部结构设计

悬索桥下部结构设计1、桥塔设计桥塔类型按材料可分为混凝土塔和钢塔两类，钢塔具有施工速度快、结构自重轻、抗震性能好等优点，（混凝土塔）则在经济性方面优势明显。

山区大跨度桥梁，钢结构加工运输较为困难，因此本桥采用经济性较为明显的混凝土桥塔。

索塔采用门形框架结构，包括上塔柱、下塔柱、上横梁和下横梁以及附属设施。

塔柱为钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。

索塔整体造型以及各部分的断面形式考虑了受力、风阻系数以及景观方面的要求，同时尽可能便于施工。

索塔总高度为264m（不含主索鞍室），其中上塔柱高153m（下横梁顶面以上），下塔柱高112m（下横梁顶面以下）。

塔柱均采用D 形薄壁空心断面：顺桥向尺寸,由塔顶的8.5m 直线变化到塔底的16.5m，横桥向尺寸,由塔顶的6.5m 直线变化到塔底的11.5m；上塔柱在顺桥向和横桥向的壁厚均为1.0m，下塔柱在顺桥向和横桥向的壁厚均为1.2m。

上横梁处塔柱壁厚为1.6m，下横梁处塔柱壁厚为2m。

由于塔柱受力较为复杂，塔柱在上横梁底板和下横梁顶、底板交汇处等受力较大的区段设置加厚段，塔底设置3m 实心段。

索塔在上塔柱顶设置了上横梁，采用箱形断面，为预应力混凝土结构，上横梁宽度8m,高度为8m。

上横梁顶、底、腹板壁厚1m。

下横梁设置在主梁下方采用箱形断面，为预应力混凝土结构，下横梁宽度10m，高度为10m。

顶、底和腹板壁厚均为1.2m。

桥塔基础采用分离式承台接群桩基础，桥塔基础采用直径 2.5m，每个承台布设20根本项目桥塔较高，横梁刚度对桥塔稳定影响较为明显。

下阶段应结合桥塔景观设计做深入比较。

2、锚碇设计（1）锚碇选型隧道式锚碇根植于基岩，可充分发挥岩石岩性，以其开挖量小、造价低、利于环境保护等优点，成为山区悬索桥锚碇的首选形式。

四川岸塔位处山势陡峭，但坡面后退方向存在2级极为平整的阶地，覆盖层约3m，宜采用重力锚；云南地形较平坦，可以采用重力锚；根据地质勘测资料，两岸锚碇区持力层地质均为软岩，四川主要为泥岩，云南为较为破碎的砾岩。

目前国内（千米级）的悬索桥在软岩中设置隧道锚碇尚无先例，而今年通车的伍家岗大桥在微风化砂砾岩和砾岩中设置隧道锚，虽然是软岩，但其饱和抗压强度为15~18MPa，抗拉强度为0.8~1.5MPa，属于3-4级围岩。

考虑到隧道锚的经济性和环保性，下阶段结合勘察资料，对云南的锚碇应做进一步分析。

本阶段推荐采用重力式框架（嵌）岩锚方案。

重力式（嵌）岩锚，依靠锚碇基底的摩阻力和锚碇基础前端对基岩的承压来平衡主缆水平力。

基础平面尺寸为75mx42m，泥岩摩擦系数取0.5，基底摩阻力约为（主缆）水平力的1.7倍，尚不能满足规范2.0抗滑移安全系数的要求，考虑前端的基岩的承压后可满足要求。

初设阶段应重点对（嵌）岩锚前端的基岩承压的安全性进行论证。

（2）锚碇结构设计重力式锚碇主要有基础、鞍部、锚块、（前锚室）及散索鞍支墩组成。

（前锚室）长度主要由（散索鞍）索股稳定关联，经验算(散)索长度取28m合理。

锚固块长度由最不利截面的剪切强度控制，根据估算按2倍安全系数，锚固块长度取28m合理，下阶段还需对锚碇进行三维有限元分析。

锚固面尺寸根据锚固系统要求进行布置，前锚固面尺寸为6.8mx10.5m，后锚固面尺寸为9.92mx13.12m。

（3）锚固系统比选主缆锚固系统是连接主缆与锚碇的重要构造，其作用是将主缆的强大拉力传递给锚碇。

悬索桥锚固系统主要有钢构件锚固系统及预应力锚固系统。

预应力锚固系统有以下几种型式：一是预应力钢绞线粘结式锚固系统；二是预应力钢绞线无粘结可换式锚固系统；三是预应力粗钢筋锚固系统；还有一种成品索预应力锚固系统，国内目前仅在个别桥中尝试，尚不成熟。

1）钢构件锚固系统钢构件锚固系统一般由锚杆、锚-梁及(支撑锚杆锚-梁)的支架三部分组成。

锚杆由钢板焊接而成，分为单束锚杆和(双)束锚杆。

单束锚杆锚固一根主缆索股，(双)束锚杆锚固两根主缆索股。

所有锚杆均呈(空间)散射状分布，其方向与主缆索股发散方向基本一致。

(锚杆)与(索股)连接部分露出前锚面，其余部分埋入锚体（混凝土）中。

锚杆与锚体（混凝土）接触表面需进行无粘结处理，以使锚杆拉力直接传递给锚梁。

锚-梁也采用钢板焊接而成。

锚-梁将全部埋入(锚-体)混凝土中，索股的拉力传递给锚杆，锚杆将拉力传递给锚梁，锚-梁的拉力通过（锚梁）的承压面传递给锚体（混凝土）。

钢锚杆、锚-梁及支架材料可采用Q235、Q345。

钢构件锚固系统适宜锚固预制索股（PPWS）形式形成的主缆。

钢构件锚固系统钢构件锚固系统的缺点是：钢材用量相对较大，造价相对较高；锚杆在锚-体混凝土内部不能像预应力那样能弯曲布置，只能呈放射状散开布置。

我国采用钢构件锚固系统的大跨度悬索桥有：汕头海湾大桥、西陵长江大桥、虎门大桥、南京长江第四大桥、马鞍山长江公路大桥、杨泗港长江大桥等。

2）预应力钢绞线粘结式锚固系统预应力钢绞线孔道灌注水泥浆的粘结式锚固系统由索股锚固连接构造和（预应力钢束）锚固构造及支撑它们的支架三大部分组成。

索股锚固连接构造由连接器、拉杆、螺母及垫圈组成；（预应力钢束）锚固构造由预应力管道、预应力钢绞线、锚具、锚头防护罩等组成，其中锚具有锚头、夹片、（锚下）垫板、螺旋筋及密封圈等组成。

拉杆上端与（索股）锚头上的锚板相连接，另一端与由（预应力钢束）锚固于前锚面的连接器相连接。

索股锚固连接构造有单索股锚固连接器和双索股锚固连接器两种类型。

单索股锚固连接器对应2根拉杆，锚固一根索股，双索股锚固连接器对应4根拉杆，锚固两根索股。

预应力钢绞线粘结式锚固系统设计图拉杆两端设计有螺纹，前端螺纹较长，可调节主缆索股的长度。

为防止螺母松动，在大螺母上端加设锁紧螺母。

拉杆、螺母、垫圈通常采用合金钢，如40Cr、40CrNiMoA，连接器采用锻造优质碳素结构钢或合金钢，如45号钢或40Cr。

粘结式锚固系统的预应力钢绞线采用在孔道内灌注水泥浆防腐，在后期运营过程中无法检查、检测和更换。

跨越江河的悬索桥锚碇锚固系统大部分位于地下水位以下（比如（庙嘴）长江大桥大江桥锚固系统就处于地下水位以下），预应力锚固系统长期处于潮湿环境，国内有一些悬索桥出现了管道漏浆或灌浆后出现较严重的干缩现象。

由于水泥浆在凝固过程中的收缩，造成管道最上端未能充填水泥浆体，形成空洞，在潮湿环境或地下承压水作用下，导致钢绞线的锈蚀，严重影响了桥梁结构安全和耐久性。

为了避免以上缺陷的产生，要求预应力管道完全密封，隔断钢绞线与管道外裂隙水的联系，灌浆采用真空压浆技术，并应进行二次补浆。

为了减小施工过程中钢绞线的腐蚀，钢绞线宜采用环氧涂层钢绞线。

我国采用预应力钢绞线孔道灌注水泥浆的粘结式锚固系统的大跨度悬索桥有：江阴长江公路大桥、（润扬）长江公路大桥、泰州长江公路大桥等。

3）预应力钢绞线无粘结可换式锚固系统预应力钢绞线孔道内灌注防腐油脂的无粘结可换式锚固系统与粘结式锚固体系的主要区别在于预应力管道内灌注的是油脂而不是水泥浆，并且预应力钢绞线或油脂均可以更换。

为方便油脂的灌注、检测及更换，后锚头防护罩应设置注油孔。

预应力孔道内灌注防腐油脂的无粘结可换式锚固体系较预应力孔道灌注水泥浆的粘结式锚固体系其防腐性与耐久性较为可靠。

且因后者的预应力钢绞线或油脂均可监测、可更换，所以具有“永久”防腐性能。

正因如此，无粘结可换式锚固体系近几年来得到了一定的应用。

但通过近几年来的工程实践总结发现，无粘结可换式锚固体系也存在的一些不容忽视的缺陷，其主要缺陷表现为：①夹片式锚具可靠性要求较高传统的体内预应力钢束在张拉后不久便在孔道内压注水泥浆，所以只要在灌浆前较短的时间内预应力是可靠的，且灌浆质量保证，那么万一锚具组件其部份失效，水泥浆本身仍然可以对预应力钢束，提供足够的握裹力，在结构中建立的预应力不会由于锚具的失效而完全失效。

而可更换式的锚碇锚固体系预应力钢束，对锚具的依赖性极大，一旦锚具组件出现问题，其预应力将完全失效。

②施工工艺要求高目前可换式锚碇锚固体系在孔道内灌注的油脂是液态状的，目的是方便灌注与以后的油脂更换。

但如此一来，体系的密封性对施工提出了很高要求，稍有施工操作或检查不到位，体系内的油脂就会发生渗漏，这不但影响外观，更重要的是有的渗漏难以根治处理，加大了运营维修费用。

早期已建的应用了可换式锚碇锚固体系的悬索桥，因对其密封性认识不够，在设计上、施工工艺上不细致导致锚固体系都存在不同程度的油脂渗漏。

为了避免渗漏问题，需要从设计、施工上严格要求。

③预应力更换工艺烦琐当需更换预应力时，先要放出孔道内的油脂，然后单根放松预应力，单根更换钢绞线，单根张拉锚固预应力，最后还需补灌油脂，整个更换过程较为繁锁。

且所更换的只是油脂与钢绞线，锚板、拉杆、连接器无法更换。

该种锚固体系方案为我国第一次采用，国外未见应用的报道，采用预应力钢绞线孔道内灌注防腐油脂的无粘结可换式锚固体系的桥梁有广州珠江黄埔大桥、恩施四渡河大桥等。

4）预应力粗钢筋锚固系统预应力钢拉杆体系即将单体截面较小的预应力钢绞线替换为40CrNiMoA 合金拉杆，以增大的截面换取防腐耐久性。

该锚固系统由索股锚固连接构造和预应力锚固构造组成，锚固单元构造与预应力钢绞线大致相同，区别在于用预应力粗钢筋代替了钢绞线，相应的锚具及连接器细部构造有所区别。

国内大跨度桥梁没有采用该锚固系统方案。

5）不同形式锚固系统方案比选钢构件锚固系统全部由钢板焊接而成，整个锚固系统均浇筑在锚-块混凝土内，因此不需后期养护，后期维护费用低，但该类型锚固系统用钢量较大。

预应力锚固系统用钢量少，布置灵活。

预应力钢绞线粘结式锚固系统钢绞线永久防腐一般采用压注水泥砂浆的保护方式，在后期运营过程中无法检查、检测索力，也不能进行调整或更换，给营运维护及加固维修带来难度。

本项目采用重力式锚碇，锚固系统不像（隧道锚）长期处于潮湿的环境，防水问题较好解决，预应力有粘结锚固系统的防腐问题不那么突出。

预应力钢绞线无粘结可换式锚固系统的钢管中灌注防腐油脂，预应力钢绞线可以实现更换。

但该系统锚固更换过程繁琐，如果施工质量不好会出现防腐油脂渗漏的情况，影响结构的美观。

经过综合比较，由于预应力钢绞线锚固体系使用广泛，锚固可靠、节省钢材，因而采用预应力钢绞线锚固体系，钢绞线采用环氧喷涂钢绞线。