重庆石板坡长江大桥复线桥大吨位锚固设计

重庆石板坡长江大桥复线桥大吨位锚固设计
刘雪山刘安双胡奇
摘要：重庆石板坡长江大桥复线桥目前是世界上跨度最大的梁桥，针对该桥大重量、大节段挂篮施工所采用的大吨位预应力束的锚固问题，通过运用国外规范，结合国内设计经验，提出锚头设计的方法，为国内类似的构造细节提供依据。通过1:1的足尺模型试验，验证设计结果并在实桥施工中成功运用，也为以后规范的改编提供实例。
关键词：桥梁连续刚构预应力加强钢筋锚固试验

1 工程概述
重庆石板坡长江大桥加宽改造工程是并列于旧桥的新建桥梁工程，也是重庆主城区的一座非常重要的特大桥梁，同时也是南北大通道上面的拓宽改造关键工程。桥位位于重庆市长江大桥上游，两桥中心距25m，净距5m。大桥总体桥跨与旧桥一致（如图1），除去掉6号墩外，其余桥墩与旧桥一一对应。结构体系采用长联大跨径砼刚构-连续组合梁桥，桥跨布置为87.75+4×138+330+133.75m，梁总长1103.5m，单向四车道，桥面全宽19m。5、7号墩为双薄壁桥墩，1～4号墩采用空心薄壁单墩。0号和8号桥台设置滑动支座，1号和2号墩顶设置滑动支座，其余桥墩均为墩梁固结。

为了解决预应力大跨连续刚构因恒载应力过高而难以提高跨越能力的难题，在主跨330m采用钢-预应力砼组合连续刚构方案（111m混凝土+108m钢箱梁+111m混凝土梁），不但有效降低了自重，增强了连续刚构的跨越能力，使施工的风险减少，同时大大加快了施工速度。为了节约工期，通过与业主及施工单位沟通，设计采用了大重量、大节段、大吨位张拉预应力的施工工法。设计节段长为2.75～5..5m，节段重（挂篮施工部分）136~360T。

2 锚固设计
近年来，随着大跨经桥梁的发展，国内施工技术水平的提高及大吨位预应力技术的成熟，本桥在节段划分及预应力束设计主要考虑如下因素：
1）根据目前施工技术水平，挂篮最大承载能力不超过3800KN；
2）针对国内已成的同类桥型出现的主梁砼开裂，特别在主梁根部容易发生开裂，其原因是抗剪能力不足和施工方法不当，设计使用下弯预应力束并增加了预应力度；
3）针对国内已成的同类桥型出现的跨中下挠，建议采用真空吸浆技术确保管道压浆密实的同时，还在主跨增设了体外预应力束；
4）节段施工时为了减少齿板及减少断面面积，在每个断面上顶板预应力束都锚固在腹板的上承托上，下弯预应力束锚固在腹板上；
5）梁段长度规格应尽量减少，以利于挂篮施工。
基于以上原因在上部结构设计时采用了国内先进的大吨位群锚体系，顶板束和腹板束（下弯束）采用27根15.24的钢绞线（图2），部分底板束采用了31根15.24的钢绞线，使得断面尺寸减小，自重荷载减小，大大节省了上、下部结构工程量、取得显著的经济效益。但是，正由于以上技术的采用和结构尺寸较小，对箱梁施工的技术要求和质量要求随之提高，特别是对预应力束的锚固细节设计尤为重要，为此，设计通过参考国外规范，并结合以往经验，提出预应力锚固细节设计，并通过1：1足尺模型试验验证。

图2 预应力束示意图
2．1 齿板锚固设计
根据日本道路桥示方书•同解说 Ⅰ共同编，Ⅲ コソクリ-ト桥编，齿板附近在混凝土内所产生的张拉力的方向如图3。T1、T2是齿板内部产生的劈裂拉力，T1沿Z方向，T2沿Y方向，T3是角隅处产生的剥落拉力，T4是锚前拉力，T5是齿板张拉端的弯曲拉力，T6是预应力管道弯曲区产生的拉力。对应地为了抵抗这些拉力，需配置相应的加强钢筋如图4。为满足T1需要配置F1 ，为满足T2、T3需要配置F2，为满足T4、T5需要配置F3，为满足T6需要配置F4。而各种拉力的计算如下:
图3 齿板的拉力示意图
图4 齿板加强钢筋示意图
1) T1、T2的计算
根据Morsch方法, T1、T2的计算理论一样 T1 =0.25P(a-a/)/a
T2 =0.25P(b-b/)/b
2) T3的计算
一般情况下，角隅处预应束所产生的拉力不到预应力张拉力的10％，通常情况下裂缝产生的可能性较小，因此其值按10％张拉力计算。
T3 =0.1P
3）T4的计算
T4的拉力大小跟齿板前混凝土的应力大小成反比关系，其计算公式如下：
T4 =0.5P－σf（b×t）
σf：作用在齿板前混凝土桥轴方向平均压缩应力
4）T5的计算
T5是考虑预应力使齿板底部受弯而产生的拉力，其计算公式如下：
T5 =0.5P×t/（a+t）×[（1-6e/（a +t）]
5) T6的计算
T6是考虑预应力束弯曲区段内产生的拉力，其计算公式如下：
T6 =P×SINθ
2．2 石板坡600吨齿板锚固设计计算

图5 600吨齿板加强钢筋配筋图
石板坡锚固加强钢筋配筋如图5,板厚t=32cm,a×b=70×70cm, a/×b/=30×30cm,P=6000KN，e=51cm，θ=8°
经计算列表如下：
单位 T1 T2 T3 T4 T5 T6
KN 857.1 857.1 600.0 312.0 1439.0 832.0
cm2 F1 F2 F3 F4
计算配筋 47.62 80.95 97.28 46.22
实际配筋 49.0625 98.125 112.6475 58.875
3 锚固试验
3．1 齿板锚固试验模型
模型试验采用1:1大比例尺模型进行石板坡长江大桥复线桥静载试验研究。模型长13.0m，模型高按设计桥22、23节段高7.1～7.51m，宽19m（图6），试验模型与原结构相同的几何形状，
模型的锚固构造细节与原型一致，同时模型与实桥采用相同的材料和制作工艺，这样得到的试验结果将是较为可靠的。

(a) 纵断面图（b）横断面图
图6 试验模型图

图7 现场钢筋制作图

图8 浇筑完成图及现场试验
3．2 锚固试验工况
模型试验采用大吨位千斤顶进行加载。当梁体混凝土强度达到设计强度的80%以上时，张拉预应力。预应力的加载步骤如下：
0→初张拉（20%张拉控制力）→40%张拉控制力→100%张拉控制力→锚固
在各级荷载作用下，持荷5分钟，进行应变和裂纹测量。
3．3 模型试验主要结论
1）在使用极限状态荷载工况下，模型整体处于线弹性工作状态，砼结构大吨位锚固系统均未出现裂缝。表明齿板总体设计良好，结构性能满足设计荷载和设计使用极限状态的相关要求。
2）在锚固局部预应力作用下，齿板平均最大应力计算为10.2MPa，实测平均为9.4MPa，理论计算的压应力较实测值偏大。局部预应力效应在齿板根部呈较大的压应力，锚固断面处压应力较小，齿板顶面呈现中部外凸变形状态，需对齿板表面加强配筋以利于提高结构的抗裂性能。
4 结论
综上所述，石板坡长江大桥复线桥大吨位锚固体系具有以下特点：
1）大吨位锚固体系具有承载能力高，减轻结构自重，便于施工等特点，在大跨度混凝土桥梁设计中应得到广泛采用和推广。
2）参照国内外规范进行普通钢筋的设计，可保证齿板部位由于局部荷载作用而不会出现裂缝。
3）通过试验手段研究和验证了大吨位预应力混凝土锚下的应力状态和安全储备。试验研究结果对大吨位预应力混凝土锚下钢筋构造设计改进、预应力张拉顺序改进提供了理论与试验依据。
4）通过试验证实了大吨位锚固体系在使用极限状态荷载工况下处于线弹性工作状态，，结构性能满足设计要求，为大桥顺利实施打下了基础。
重庆石板坡长江大桥复线桥主梁于2005年7月开始施工，于2006年10顺利完成。在此向施工单位重庆桥梁公司，施工监控单位重庆交通大学，和业主重庆市城市建设投资公司表示诚挚感谢。