《1 前言》

1 前言

大跨度悬索桥主缆锚固系统通常有两种形式： 钢框架后锚梁锚固系统和预应力锚固系统。两种 锚固形式均有较为广泛的应用，其对比情况如表1 所示。钢框架后锚梁锚固系统有近百年的使用历 史，耐久性良好且受力可靠，国外有大量的工程实例，国内也有虎门大桥和西陵长江大桥采用了该系 统，但后锚梁承载过于集中，造成钢结构和混凝土 结构难以避免的应力集中，结构处理难度大。预应 力锚固系统主要由国内发展并推广使用，经过多座 桥的工程实践，其设计方法和施工工艺日臻成熟， 但该系统后期维护工作量大，需定期监测，由于使 用历史较短，其使用性能尚需时间检验。

《表1》

表1 两种传统锚固系统对比

Table 1 The comparison of two conventional anchor systems

《2 分布传力式锚固系统构思》

2 分布传力式锚固系统构思

钢框架后锚梁锚固系统依靠后锚梁承压刚性 承载，应力集中现象明显，有一定结构风险和安全 隐患。为克服该缺陷，设计提出了一种全新的主缆 锚固系统——分布传力式锚固系统。该系统主要 由3个部分构成：钢锚箱、钢拉杆和锚固区域（见图1）。 主缆索股锚固于钢锚箱，通过钢拉杆将索力传递至 锚固区域。相对于钢框架后锚梁锚固系统（见图2）， 锚固区域通过布置多排钢筋混凝土榫剪力键 （PBL），变刚性承压承载为柔性承载，索力渐次传递 至锚体混凝土；变集中承载为分布传力式承载，扩 大了传力区域，减小应力集中，降低结构风险；利用 PBL 良好的延性，同时通过设置末端承压板，为结 构整体提供足够的安全储备。

《图1》

图1 分布传力式锚固系统单元件示意图

Fig.1 Stress distributed transforming anchor system sketch

《图2》

图2 钢框架后锚梁锚固系统单元件示意图

Fig.2 Steel framed anchor system sketch

《3 总体设计》

3 总体设计

图3为南京长江第四大桥分布传力式锚固系统 总体布置图（以北锚碇为例）。单侧锚体共9块锚固板，锚固板厚 28 mm，采用 Q345D 材质。索股通过 锚固箱与锚固板连接，分四索股锚固、双索股锚固 和单索股锚固3种锚固方式。B1～B4锚固板后部 布置 12 排 0.35 m（索股方向）×0.4 m（高度方向）间 距PBL。前两排仅在锚固板两侧布置，钢筋直径为 16 mm，钢板开孔45 mm；后10排钢筋直径20 mm， 钢板开孔60 mm。B5锚固板后部设置10排0.35 m （索股方向）×0.4 m（高度方向）间距PBL，钢筋直径 20 mm，钢板开孔 60 mm。锚固板后端沿板宽方向 左、右各设一条宽 250 mm、厚 28 mm 的承压板，并 设置厚 20 mm 承压板加劲，以分担部分荷载，同时 提供强大的安全储备（以B2锚固钢板例，见图4及 图5）。

《图3》

图3 新型锚固系统总体布置（单位：cm）

Fig.3 General layout of the new anchor system（unit：cm）

《图4》

图4 B2锚固钢板一般构造（单位：mm）

Fig.4 Typical section of steel plate B2（unit：mm）

《图5》

图5 钢拉杆标准断面（单位：mm）

Fig.5 Typical cross section of steel tie rod（unit：mm）

为确保锚固板与混凝土无粘结接触，使索股力 顺畅传递至锚固区域，除PBL锚固区域外，混凝土内锚固板均设置钢板防护设施。钢板表面贴附10 mm 厚氯丁橡胶板，外包2 mm厚钢板，边缘用M6螺栓 夹紧固定。橡胶板在螺栓位置每 200 mm 贴附一 条，宽200 mm。为防止水分沿防护钢板渗入锚固区 域，在靠近锚固区域端将防护钢板弯起并形成封闭 止水槽，槽内附设BW遇水膨胀橡胶止水带。

PBL钢筋应居于钢板开孔中心，以保证剪力连 接键充分发挥性能。为此，设计了剪力钢筋定位桁 架，定位桁架由 40 mm×40 mm×4 mm 和 75 mm× 75 mm×8 mm角钢组成网片并两两连接，并与锚固 钢板锚固区域钢结构通过螺栓连成整体（见图6）。

《图6》

图6 PBL钢筋定位桁架示意

Fig.6 PBL reinforced steel fixing truss sketch

《4 结构受力特点》

4 结构受力特点

《4.1 剪力键选型》

4.1 剪力键选型

PBL具有弹性阶段刚度大、弹塑性阶段延性好 的优点，适用于分布式渐次传力的锚固系统。经过前期47组PBL的对比试验研究，优选采用60-20（钢 板开孔直径60 mm，芯棒钢筋直径20 mm）和45-16 （钢板开孔直径45 mm，芯棒钢筋直径16 mm）两种形 式剪力键，其荷载滑移曲线如图7和图8所示（对应 C30混凝土）。

《图7》

图7 SB60-20B荷载滑移对数函数回归曲线

Fig.7 SB60-20B load-slip logarithmic function regression curve

《图8》

图8 SB45-16B荷载滑移对数函数回归曲线

Fig.8 SB45-16B load-slip logarithmic function regression curve

按照 PBL 处于弹塑性状态而未进入屈服状态 考虑，60-20 剪力键正常使用状态容许承载力为 300 kN，对应滑移量为 1.03 mm；45-16 剪力键正常 使用状态容许承载力为 250 kN，对应滑移量为 1.36 mm。

《4.2 剪力键布置》

4.2 剪力键布置

最优的剪力键布置是由剪力键承载能力、刚 度、锚固钢板应力控制水平、混凝土抗拉强度等共 同决定的。本项目的剪力键布置有以下 3 个关 键点。

1）为简化施工难度，提高剪力键钢筋定位精 度，单个锚固系统单元件剪力键按照等间距阵列布 置；单个锚固单元所需剪力键数量需要根据剪力键 正常使用状态容许承载力并结合有限元计算分析 确定，综合考虑剪力的传递及分配。

2）锚固板的总体尺寸是根据锚固系统总体结 构受力需要确定的，对于本项目，单个锚固系统单 元件锚固区域宽度为 2.4 m；原则上，剪力键布置 间距应大于200 mm，单个锚固系统单元件在2.4 m 宽度范围内最多可布置 12 列剪力键，但列数过多 宜造成前排剪力键承载比例过高，后排剪力键难 以发挥作用，同时造成局部应力集中。设计按照 6 列进行布置，间距 400 mm，通过有限元分析验 证，合理可靠。

3）按照单个锚固系统单元件锚固区域布置6列 剪力键，共需布置10排。排与排纵向间距增大，其 前排剪力键相对滑移量增大，承载比例增加；纵向 间距减小，其前排剪力键相对滑移量减小，承载比 例降低，但过于集中同样会造成应力集中。合理选 择纵向间距，控制在正常使用状态下前排剪力键的 滑移量，对改善锚固区域受力十分重要。设计按照 纵向10排，间距350 mm进行控制，通过有限元分析 验证，合理可靠。

《4.3 结构分析》

4.3 结构分析

4.3.1 计算模型

计算采用Ansys®程序。如图9和图10所示，取 1/2锚体构建有限元模型，为便于单元划分，提高解 析精度，锚固系统相应实体部分采用 SOLID92 单 元 ，其余部分采用 SOLID45 单元 ；锚固板采用 SHELL63壳单元，与实体无粘结，通过剪力键和后 锚承压板传递荷载。假定混凝土和钢材均处于弹 性工作阶段。PBL采用非线性单元模拟，其参数采 用实验回归荷载滑移曲线。

《图9》

图9 锚体总体有限元模型

Fig.9 Finite element model of anchor structure

《图10》

图10 锚固钢板有限元模型

Fig.10 Finite element model of steel anchor plate

4.3.2 锚体受力

为验证分布式锚固系统对改善锚体混凝土受 力的作用，在同一模型的基础上，取消剪力键的分 布传力连接，仅依靠锚固钢板端部承压板传递主缆 荷载，进行对比。图11为传统钢框架后锚梁锚固系 统作用下锚体内部主拉应力，后锚梁区域存在较大 拉应力区域，局部位置超过2.5 MPa。图12为分布 传力式主缆锚固系统作用下锚体内部主拉应力，由 图可知，锚体混凝土应力集中大大减小，最大不超 过1 MPa。

《图11》

图11 后锚梁锚固系统锚体主拉应力（单位：Pa）

Fig.11 Principle tensile stress of steel framed anchor structure（unit：Pa）

《图12》

图12 分布传力式锚固系统锚体主拉应力（单位：Pa）

Fig.12 Principle tensile stress of stress distributed anchor structure（unit：Pa）

分布传力式锚固系统通过多排 PBL 完成对主 缆索股拉力的渐次传递，相对于钢框架后锚梁锚固 系统，变刚性承压承载为柔性承载，索力渐次传递 至锚体混凝土；变集中承载为分布传力式承载，扩 大了传力区域，减小了应力集中。

4.3.3 剪力传递规律

以B2锚固钢板为例。B2锚固板为双列索股锚 固，6个锚固型钢，均为四索股锚固，是锚固系统中 受力最大的锚固板，剪力键各排平均最大剪力为234 kN， 对应滑移量为0.32 mm，对应60-20剪力键形式。第 12排为45-16剪力键形式，最大平均剪力为208 kN， 对应滑移量为0.52 mm（见图13）。需要说明的是， 由于单排剪力键纵向受力差异非常小，此处仅对平 均剪力进行说明。从纵向受力上来看，前6排剪力 键承担了73 %的外荷载，承压板承担了3.98 %的外 荷载。由于索股的传力方向与锚固板锚固区域有 夹角，加上锚固型钢传力扩散影响，因此，剪力键在 横向上也受力，横向明显受力的是第8~12排，剪力 键的受力是纵向与横向受力的叠加，设计中已考虑 这种因素（见图14）。

《图13》

图13 B2锚固板各排剪力键平均剪力及滑移量

Fig.13 Average shear stress and slippage of steel plate B2 shear connector of each row

《图14》

图14 B2锚固板各排剪力键承载分配比例

Fig.14 Stress distributed ratio of steel plate B2 shear connector of each row

《5 结语》

5 结语

分布传力式主缆锚固系统通过布置多排PBL实现了巨大主缆拉力的逐次分布扩散，索力渐次传 递至锚碇混凝土中，大大降低了锚碇锚固系统中各 组件的应力集中；由多排PBL和末端小型刚性承压 板组成的锚固区域拥有巨大的安全储备，可靠性与 耐久性良好。同时，由锚固系统单元件组成的锚固 板整体性较好，施工简单，定位精准。