第２８卷第６期 ２０１１年１２月 特种结构 Ｖ０１．２８ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０ｌ１ 钢绞线双拉索体系的设计及应用 杨帆 朱万旭ｌ，２黄颖 朱元 （１．柳州欧维姆机械股份有限公司５４５００５；２．哈尔滨工业大学土木工程学院１５００９０） （１．Ｌｉｕｚｈｏｕ ＯＶＭ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，５４５００５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５００９０，Ｃｈｉｎａ） ［摘要］本文介绍了锚具外径较小的钢绞线挤压拉索在同一锚固区形成双拉索的体系。这种钢铰线双 拉索体系可改善桥梁拉索锚固区的受力性能，提高桥梁拉索的安全性，同时便于桥梁拉索安装施工及拆 换。同时指出该拉索体系已在多个桥梁工程中得到推广应用。 ［关键词］双拉索钢绞线挤压拉索拉索更换 ＡＢＳ１１ＲＡ ＣＩ．：Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕ￣ｉｎｇ ｔＷＯ ｓｍａｌｌｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｔｒａｎｄ ｃａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｓｗａｇｉｎｇ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｎｃｈｏｒｇｅ ａｚｏｎｅ ｃａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｅ ｓｈｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｔｅ ｈａｎｃｈｏｒａｇｅ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆｔｅ ｃａｂｌｈｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｌＴｔｅ ｔｉｅ，ｍ ｉｔ ｉｓ ｅａｓｉｅｒｆｏｒ ｍａｉｎｔａｉｎｉｇ ｎａｎｄ ｒｅｐｌａｃｉｇ．Ｔｈｅ ｓｎｙｓｅｔｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎｙ ｂｒｍｉｄｇｅｓ． ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ：Ｄｏａｂｌｅ ｃａｂｌｅｓ Ｓｔｒａｎｄ ｃａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｓｗａｇｉｎｇ ａｎｃｈｏｒａｇｅ Ｒｅｐｌａｃｅ ｃａｂｌｅ 前言 在实践中，这种体系更容易发生腐蚀断索事故，由 于拉索的锚具外径大，对桥梁锚固区削弱相对较 大，故在一般的桥梁中很少应用双拉索结构。本 文提出双拉索结构采用锚具外径较小的钢绞线挤 压拉索，提高了锚固区的安全性。 １ 钢绞线双拉索的设计 索结构的桥梁，是跨越大江、海峡项目中不可 或缺的桥型，有时甚至是唯一合理的结构。承受 随机疲劳的桥梁拉索，其耐久性问题迄今没有得 到很好的解决。在调查了美国２００多座斜拉桥 后，德国学者Ｆｉｎｓｔｅｒ Ｗａｔｄｅｒｓ认为：斜拉桥的期望 寿命约２０年，如果不作维护，有的甚至少于ｌ０ １．１拉索及锚具设计 钢绞线双拉索体系使用的拉索为两端配套有 压接式锚具的钢绞线成品索。该类型拉索锚具由 年。在我国，目前业内对早期拉索的“二年一检 测，十年一拆换”几乎成为惯例。桥梁新建时的拉 索费用，仅为全桥总造价的１０％左右，近年拉索 一锚固套、钢绞线、防腐填料、密封筒、密封装置等组 成（见图１），是目前已知的成品索锚具中结构最 紧凑的锚固形式。通常情况下，该种钢绞线拉索 锚具比同吨位钢丝拉索锚具外径小２５％以上（见 表１）。生产制作时，将成品索中的钢绞线两端整 束挤压后，锚头对钢绞线的握裹力保持不变，并且 次拆换的费用达新建时的６～１０倍，可与全桥 当年的总造价比拟。换言之，拉索拆换一次，几乎 相当于当年新建一座同样的桥梁。特别是，如果 在一个锚固点只有１根拉索承载，则往往会发生 索断桥塌的恶性事故，造成很大的经济损失和很 坏的社会影响，这种情况近年来时有发生，比如 ２０１１年４月１２日新疆孔雀河大桥就是因为主跨 第２根吊杆断裂而导致部分桥面垮塌。 由此，某些重要的桥梁，比如举世瞩目的上海 通过特殊的方法使钢绞线端部胀形为锥体。因 此，在高、低应力甚至是负应力的情况下，钢绞线 都不会滑脱。同时，钢绞线几乎水平地进入锚头， 基本不存在局部应力集中的问题，锚头对索体的 不利影响降低至最小，拉索具有良好的抗疲劳性 能。 卢浦大桥、武汉长江二桥、润扬长江大桥等，采用 同一个锚固区设置有两根拉索共同承载的桥梁拉 索体系，形成双保险的双拉索体系结构。但一般 １．２预埋管设计 一】０５— 特种结构 ２０１１年第６期 应用拉索作为桥梁承重构件的桥梁设计中， 往往要预留安装拉索时锚具通过的预留通道，通 １．３防腐设计 钢绞线拉索索体由单根防腐的环氧喷涂钢绞 线（或光面钢绞线、镀锌钢绞线，结构如图２所示） 扭角集束后缠包高强聚脂带，再挤包外层ＰＥ防 护层构成（如图３）。拉索ＰＥ护套管作为拉索的 外部防护层，具备良好的防老化、抗开裂等耐候性 能。组成索体的钢绞线均单独涂油脂及挤压ＰＥ 常称为预埋管。预埋管的开孔会对桥梁结构造成 一定程度的损伤，开孔面积越大则对桥梁结构的 损伤程度也越大，还会增大拉索锚固区的锚下应 力，所以在设计桥梁拉索时工程师们都希望预埋 管的开孔面积越小越好。从表２可以看出：钢绞 线双拉索的预埋管开孔面积比同吨位钢丝拉索的 预埋管开孔面积小４０％以上。同时，双拉索体系 将单个锚固点的受力分解为两个均匀受力锚固 区，受力面积增大，受力分散，从而优化了锚固区 位置的应力分布。桥梁锚固区受力得到优化后， 桥梁结构的安全性也得到提高。 体 图ｌ钢绞线拉索锚具构造示意 表１钢绞线拉索锚具与钢丝拉索锚具尺寸比较 ＼内容 公称破断 锚具外径 钢绞线拉索锚具 拉索类 ＼ 拉索规格 索力（ｋＮ） （ｍｍ） 外径与钢丝拉索 锚具外径百分比 钢绞线拉索 ＧＪ钢丝拉索 ＰＥＳ５１５一 ９１ｌ２ ３ｌ２９８４ ２Ｏ ｌｌ６５ ２Ｏ ３８％ 钢绞线拉索 ＧＪ１５一ｌ９ ４９４０ １５０ 钢丝拉索 ＰＥＳ５ ｌ５ｌ ４９５１ ２０ｏ ３３％ 钢绞线拉索 ＧＪ钢丝拉索 ＰＥＳ７ １ｏ９ １５—２７ ７０７００５ ２０ １２２５ ７５ ２９％ 钢绞线拉索 ＧＪ１５．３７ ％２０ ２０８ 钢丝拉索 ＰＥＳ７ １５１ ２６５ ２７％ 注：钢绞线拉索受力钢绞线抗拉强度。ｂ＝１８６０ＭＰａ，钢丝拉索受力 钢丝抗拉强度 ＝１６７０ＭＰａ。表２同。 表２钢绞线双拉索与钢丝拉索预埋管开孔面积比较 钢绞线双 ＼内容 公称破 预埋管 预埋管 拉索预埋 管开孔面 拉索规格 断索力 开孔直 开孔面 积与钢丝 （ｋＮ） 径（ｎⅡｎ） 积（Ⅻ ： 拉索预埋 拉索类型＼ 管开孔面 积百分比 钢绞线双拉索 ２×（ＧＪ１５—１２） ６２４Ｏ ２×１３２ ２７３５６ 钢丝拉索 嗍９１ ５８４８ ２２５ ３９７４１ ４５％ ．钢绞线双拉索 ２×（ＧＪ１５—１９） ９８８０ ２×１６２ ４１２０Ｂ ５Ｏ钢丝拉索 ％ ．１５１ ９７０５ ２８１ ６１９８４ 钢绞线双拉索 ２×（ｃ．Ｊ１５—２７） １４０４０ ２×１８７ ５４９０ｌ ５ｌ％ 钢丝拉索 ＰＥＳ７ ２１１ １３５６１ ３２５ ８２９１６ 钢绞线双拉索 ２×（ＧＪ１５—钢丝拉索 ＰＥＳ７ ３０１ ３７） １９２４０ ２×２２５ ７９４８１１９３４５ ３８０ １１３３５４ ４３％ —１Ｏ６— 护套层进行防腐，相互隔离，即使拉索外层局部或 某根钢绞线产生了腐蚀，也不会影响到其他钢绞 线，相比钢丝与钢丝相互接触的平行钢丝拉索来 说，其防腐性能更高。同时，由于组成拉索的单根 钢绞线外表面包裹着油脂层，在拉索服役过程中 索体外层ＰＥ所受的应力非常小，这在一定程度 上改善了索体外ＰＥ护套的防护性能。 图２单根钢绞线截面示意 ＰＣ钢绞线环氧涂层防腐油脂内ＰＥ护套缠包带外ＰＥ护套 图３拉索索体截面示意 ２ 对拉索体系特点 分解成两束的拉索大大减轻了每根拉索的索 体重量及锚具尺寸规格，原来需要大型专用施工 设备及必须预留较大的施工操作空间，现在可减 小施工设备的规格，降低施工难度，节约施工成 本，同时减小了施工张拉空间的要求。 桥梁拉索可靠性及耐久性一直受到设计工程 师、施工单位及业主的高度重视。拉索在运营期间 所受到的振动会对其使用产生较大影响，因此，合 理减少拉索的振动已成为共识。双拉索构造可以 减小单根拉索迎接风雨的面积，从而减小风雨激 振。必要时双拉索体系更便于安装体外减振装置。 通常情况下，更换拉索时需在既有拉索的两 Ｎｏ．６ ２０１１ 杨帆等：钢绞线双拉索体系的设计及应用 边安装临时拉索，操作过程中难免对桥梁原结构 表３双拉索锚固区参数 进行破坏性施工，对桥梁原受力结构造成不利影 双拉索间 预埋管开孔 预埋垫板厚 响。再则，还需要专用的换索施工设备，施工周期 双拉索规格＼ 距Ａ（ｍｍ） 直径Ｂ（ｉｎｍ） 度Ｃ（ｍｍ） 也较长。同时，临时拉索不能长期承载，因此换索 ２×（ＧＪ１５．１２） ４００ １３２ ３０ 过程需要封闭交通，这给过往的行人及车辆造成 ２×（ＧＪ１５—１９） ５００ ｌ６２ ３５ 极大的不便。双拉索结构则可以解决以上困扰。 ２×（ＧＪ１５—２７） ５０ｏ １８７ ４０ ２×（ＧＪ１５—３７） ６０ｏ ２２６ ４５ 由于两根拉索在一个锚固区共同承载，在不增加 大吨位活载的情况下，由其中某一根拉索临时承 ４ 钢绞线双拉索体系的应用 受原来两根拉索的荷载，先期更换另一根，再由更 长沙火星北路浏阳河大桥全桥总长７３６ｍ。 换好的拉索承受原荷载而更换余下的那一根，从 引桥下部构造为桩基、墩柱结构，上部构造为钢筋 而实现双拉索的更换。这样既减少了换索施工对 混凝土预应力连续箱梁结构，桥面宽２５．６ｍ，下层 桥梁结构的破坏，又大大降低了换索施工难度，缩 非机动车桥为预应力混凝土简支梁及连续空心板 短施工周期，同时换索过程基本不影响行人及非 桥结构，桥面宽９．１ｍ。主桥下部为桩基、承台拱 机动车辆的通行。 座结构，上部构造为一跨过河的类双层钢箱拱肋 ３ 双拉索锚固区的构造 悬链线无铰拱结构，计算跨径为１３８．０ｍ，矢高 双拉索锚固区的构造通常根据拉索的实际受 ３４．５ｍ，矢跨比１／４，拱轴系数ｍ＝１．３４７。主桥桥 力情况进行设计，同时需要考虑安装拉索的施工 面总宽３９．８ｍ（含两边各５ｍ人行道）。桥面横向 操作空间。双拉索的锚固区构造见图４，与锚固 布置为：５．０ｍ（人行道＋栏杆）＋２．０ｍ（吊杆区）＋ 区相关的参数见表３。锚固区预埋垫板下的加强 ０．４ｍ（间隙＋栏杆）＋０．７５ｍ（隔离区）＋３．５ｍ（机 筋等构件结合拉索的受力酌情布置。为切实保证 动车道）＋２×３．７５ｍ（机动车道）＋３．５ｍ（机动车 拉索的锚固端部防水、防锈，务必将梁端预埋管伸 道）＋０．７５ｍ（隔离区）＋０．４ｍ（间隙＋栏杆）＋ 出桥面结构１００～１５０ｍｍ（图示Ｈ）。 ２．０ｍ（吊杆区）＋５．０ｍ（人行道＋栏杆）。主桥为 “类双层”结构，设柔性吊杆，吊住钢横梁，横梁承 保妒罩＼球形螺母 球形垫板／上披振巾 防７锚头 索体厂Ｊ ］ 减振体 头，球形垫板 受桥面荷载及活载，同时横梁底部悬挑出人行道 挑梁，形成二层桥面专供行人及非机动车使用，实 现人车分流。由于横梁较高，横梁间设置钢纵梁， 预埋垫板预埋管预埋管预埋垫板 横梁及中纵梁顶面设湿接缝，形成钢一砼组合桥 图４双拉索锚固区构造示意 面，以增强整个桥面的整体刚度。该桥采用双拉 索承载形式，全桥共设置６４根 一一一 ３２对２×（ＧＪ１５．１９）型钢绞线双 拉索，见图５。为了便于测定拉 索施工时的张拉力及了解拉索 的长期受力状况，在每根拉索的 图５长沙火星北路 图６长沙火星北路 图７建设中的苏扬 浏阳河大桥 浏阳河大桥上锚头 公路２号桥 上锚头处安装传感器，见图６。 苏扬公路２号桥位于鄂尔 多斯市东胜区铁西３期开发片区内苏扬公路上。 组合梁特种斜拉桥，跨径组合为附跨６０ｍ，主跨 本工程为一级公路，是东胜区一座重要的景观大 １２０ｍ，塔、墩、梁固结体系。采用双拉索承载形 桥。桥梁总长１８０ｍ，宽５０ｍ，为一座异形斜独塔 式。全桥共设置 （下转第１１８页） ・。——１０７・－－—— 特种结构 ２０１ｉ年第６期 矩小，与简化模型中底板比顶板弯矩大存在差异， 因此建议隧道底板、顶板取相同厚度，而不是常规 设计中底板比顶板厚。 ３ 结论 ９５％之间，但侧壁跨中和上端略有增加，约１５％； （２）对于中密地基土，隧道侧壁下端和底板内 力可取计算值的８５％，对于坚硬地基可取计算值 的５０％。由于弹簧刚度与基床系数相关，而目前 基床系数大多取自经验值，故在推荐内力取值时 考虑了适当的安全余量。 ４．建议隧道顶板与底板取相同厚度。 ４ 结语 １．把隧道简化为ｌｍ单元进行计算，在工程 中是可行的。 ２．把隧道简化为钢筋杆件进行计算，与采用 实体单元的计算结果比较，误差约为１０％。 ３．若隧道底板约束采用侧壁底端铰接约束， 结果偏于保守。除淤泥质土以外，针对不同岩土 弹性地基设计计算理论虽有其复杂性并需考 虑岩土的不确定性，但只要通过计算分析，掌握一 定的规律，在设计上适当把握安全度，其在电厂地 下结构优化设计中将具有广泛的应用空间，值得 进一步分析和探讨。 参考文献 ［１］中华人民共和国建设部．建筑结构荷载规范（ＧＢ ５０００９－２００１） 特性的地基，均有一定的优化空间。因此，计算方 法应当采用与实际更为相符的弹性地基法，如受 。垂条件限制或为了计算方便仍采用简化方法设计 时，可参照以下２条将计算结果进行调整： （１）考虑地基弹性后，将地基假定为若干独立 弹簧的方法与简化计算方法相比，受力有一定变 化，除淤泥质土以外，对于中密实或坚硬的地基， 隧道侧壁下端和底板受力减小幅度在２０％～ （上接第１０７页） ８对２×（ＧＪ１５—１２）型双拉索，８对２×（ＧＪ１５．１７）型 ［２］龚曙光．ＡＮＳＹＳ基础应用及范例解析．北京：机械工业出版社， ｏ０３ ［３］刘正峰．地基与基础工程新技术实用手册．海潮出版社，２ＯＯＯ 『４］ＪＣＣＡＤ用户手册及技术条件．中国建筑科学研究院，２００５ 梁拉索安装施工、长期运营及拉索拆换。随着桥 梁设计师对钢绞线双拉索体系认识的加深，该类 型拉索将在桥梁建设中得到广泛应用。 参考文献 ［１］中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范（ＧＢ５００１０— ２ｏ０＂２）［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２ＯＯ２ ［２］中华人民共和国行业标准．公路钢筋混凝土及预应力混凝土 桥涵设计规范（Ｊ Ｄ６２—２ｏ０４）［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ４ ［３］中华人民共和国行业标准．公路桥涵设计通用规范（ＪＴＧ Ｄ６０－ ２ｏｏ４）［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ４ ａ．立面 双拉索，２４对２×（ＧＪ１５—２５）型双拉索，见图７。该 桥主塔拉索锚固示意见图８。 点Ｂ 缝 锚拉板’ ［４］中华人民共和国行业标准．公路工程技术标准（ Ｉ＇Ｇ Ｂ０１．２００３） ［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０Ｏ３ ［５］中华人民共和国行业推荐性标准．公路桥梁加固设计规范 （ＪＴＧ／Ｔ Ｊ２２—２００８）［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ８ ［６］中华人民共和国行业推荐性标准．公路桥梁加固施工技术规 范（，１ＴＧ／Ｔ Ｊ２３．２００８）［ｓ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ８ ［７］中华人民共和国国家标准．斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索 技术条件ＧＢ／Ｔ１８３６５—２００１［Ｓ］．北京：国家质量监督检验检疫 总局，２００１ ｂ．平面 ［８］王文涛．斜拉桥换索工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９ ［９］金增洪．缆索支承桥梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ２ ［１ｏ］裘伯永等．桥梁工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００１ 图８苏扬公路２号桥主塔拉索锚固示意 ５ 结语 钢绞线双拉索体系能有效改善桥梁拉索锚固 区的受力，提高桥梁拉索的安全性。同时便于桥 一［１１］黄颖，朱万旭，杨帆等．钢绞线整束挤压式拉索锚具抗滑性能 的试验研究［ｃ］．第五届全国预应力结构理论与工程应用学 术会议论文集，２００８中国・昆明 】】８一