斜拉桥索塔锚区钢锚梁设计及分析

斜拉桥索塔锚区钢锚梁设计及分析

陈作银

（北京国道通公路设计研究院有限公司，北京 100161 ）

摘要：钢锚梁作为斜拉桥主塔锚索区主要受力构件，

可有效平衡斜拉索水平分力，采用有限元计算软件，

对各工况、各支撑体系方案进行计算，得到各板件

有效应力。分析表明，钢锚梁采用一端固结，一端

临时滑动，待成桥后再行固结的支撑体系方案是可

行较优的选择。

关键词：钢锚梁；边界支撑体系；有限元；有效应力

中图分类号：U4481.28 文献标识码：B

Design and analysis of steel anchor

beam in cable tower anchorage zone

of cable stayed bridge

CHEN Zuoyin

（Beijing Guodaotong Highway Design&Research Insitute Co., Ltd., Beijing 100161 China）

Abstract：The steel anchor beam, as the main stress 

component in the anchorage cable area of the main tower 

of the cable-stayed bridge, can effectively balance the 

horizontal component of the stay cable. The finite element 

calculation software is used to calculate the various 

working conditions and support system schemes, and the 

effective stress of each plate is obtained. The analysis 

shows that the support system scheme of steel anchor 

beam with one end fixed, one end temporarily sliding and 

consolidation after completion of the bridge is feasible and 

better.key word：steel anchor beam; boundary support system; 

finite element method; effective stress引言

主塔拉索锚固是将一个斜拉索的局部集中力安

全、均匀地传递到塔柱的重要受力构造。拉索锚部

分的构造与拉索的布置、拉索的根数、形状、塔形

和构造等多种因素有关，应用较多的主要有环向预

应力、钢锚箱和钢锚梁。

环向预应力在国内应用较多，但存在预应力钢

束弯曲半径较小，摩阻损失较难确定，计算与实际

受力较为失真，施工质量难保证，桥塔混凝土易于

开裂等问题，需进行桥梁的足尺模型试验来验证摩

阻损失；且环向预应力径向力较大，需设置较多防

崩钢筋，造成混凝土施工困难，影响施工质量。

钢锚箱锚固系统是由钢索塔和钢锚梁延伸出来

的一种全新斜拉索锚形式，虽然锚固牢靠，受力较

好，但存在构造异常复杂，施工安装不便及需要大

型吊装设备，经济性较差等缺点，一般适用于较大

跨径斜拉桥。钢锚梁为一个独立的构件，支撑于空

心塔柱的内塔壁牛腿上，在顺桥向和横桥向均设置

了限位装置。钢锚梁构件承受拉索的水平分力和垂

直分力及偏心弯矩，并通过钢锚梁端部支撑传至桥

塔内壁牛腿上，两侧拉索的平衡力由钢锚梁本身承

担，不平衡力则通过内塔壁牛腿传至塔壁上，由塔

壁承担。这种构造设置形式可有效降低桥塔内壁的

受力，确保主塔的长期使用性能；且钢锚梁采用工

厂化整体制作，现场吊装，施工质量易于保证，同

时桥塔钢筋设置简单，桥塔混凝土施工质量较高。

在国内已建桥梁中（如灌河特大桥、赤石大桥、

厦漳跨海大桥北汊主桥等）广泛采用，国外关于

斜拉桥索塔锚固区可供参考的文献研究资料相对

较少。1 项目概况

某特大桥主跨为320 m，跨径布置为37 m+103 m 

+320 m+103 m+37 m双塔双索面预应力混凝土斜拉

桥，主梁为双边箱主梁，主桥结构体系为塔梁分离

的半漂浮体系，塔梁之间通过支座进行衔接，斜拉

桥桥型见图

1。收稿日期：2020-11-27作者简介：陈作银（1981—），男，山东曹县人，高级工 程师。陈作银：斜拉桥索塔锚区钢锚梁设计及分析

- 44 -图1 桥型/cm

索塔采用双柱式变截面“H”形索塔，由上塔柱、

中塔柱、下塔柱及横梁组成，塔高为107.5 m。塔柱

采用空心薄壁截面。上塔柱为斜拉索锚固区，索塔

斜拉索锚固采用钢锚梁，共设有19对斜拉索，18对

钢锚梁，其中第1对斜拉索直接锚固在混凝土底座上，

第2～19对斜拉索锚固在钢锚梁上。同时在上塔柱

锚区设置U形预应力束对塔壁进行加强，以平衡两

侧索力不平衡时作用在索塔上的水平力及增强塔壁

混凝土的耐久性，锚固区域内预应力束型号为15-

12，间距为60 cm。

2 钢锚梁支撑体系分析

钢锚梁作为斜拉索主要锚固和受力结构, 设置

在上塔柱。结合以往实际工程，钢锚梁的边界条

件根据与塔柱的结合方案，一般有三种边界支撑方

案。（1）方案一：钢锚梁两端滑动，钢锚梁底板

通过滑板支座与塔壁牛腿进行结合，同时在钢锚梁

两端与塔壁间留有微小缝隙，钢锚梁在不平衡索力

作用下可发生微小位移,使不平衡索力传递至桥塔。

该边界方案，钢锚梁承受全部斜拉索力水平分力，

桥塔承受钢锚梁通过牛腿传递的竖向力和不平衡索

力。（2）方案二：钢锚梁两端在安装时均与桥塔

壁固结，该边界方案，钢锚梁与桥塔共同承受斜拉

索索力。（3）方案三：钢锚梁采用先一端固结，

一端滑动，后两端均进行固结，即钢锚梁安装时一

端与桥塔壁固结，一端采取措施，与桥塔壁牛腿之

间进行滑动，待成桥后，再对滑动端进行固结，该

边界方案，钢锚梁先承受成桥前的斜拉索索力，成

桥后，钢锚梁与桥塔共同受力。

为验证钢锚梁的受力状态，针对方案一和方案

二建立简单的有限元分析模型。（1）建立单独的钢

锚梁模型，对钢锚梁底板直接采用一端固定，一端

滑动，斜拉索索力直接加载在锚板位置。（2）建立

一段桥塔，钢锚梁设置于塔柱内，钢锚梁与塔柱固结，

在塔柱底部进行固结。模型见图2。两种方案斜拉索

索力加载方案一致，索力加载工况见表1，各工况下

计算结果见表2。

由表2可知，钢锚梁在两种支撑体系方案作用下，

各板件的等效应力水平较为接近，其中腹板、顶板、底板及锚下加劲板最大应力方案二略小于方案一，

约为方案一的97%，最大等效应力位置均相同，位于腹板与锚垫板连接位置。

（a）方案一 （b）方案二

图2 钢锚梁计算模型

表1 索力加载工况 

加载工况加载阶段边跨端/kN中跨端/kN

A19J19

工况1合拢后初始索力5 8406 298

工况2二期荷载索力804704

工况3运营不利组合-191502

 注：工况2、3索力值为本阶段荷载的增加值。

表2 钢锚梁主要构件在各加载工况下应力 

板件方案一/MPa方案二/MPa

工况1工况2工况3工况1工况2工况3

腹板46.351.455.444.449.951.2

顶板55.962.865.152.559.160.6

底板35.538.844.315.317.217.5

边跨锚下加劲板151.1171.8167.4142.3169.8164.7

中跨锚下加劲板164.1182.3195.7160.7178.6191.5

最大Mises应力212.9236.4254.9206.9228.8245.7

计算分析表明，方案一钢锚梁承担全部斜拉索

索力，桥塔仅承担斜拉索竖直向分力,但该方案在

斜拉索施工过程中,钢锚梁容易产生滑移,不易定

位,且存在一定的施工安全风险；方案二为钢锚梁

和桥塔共同承担斜拉索索力，钢锚梁承担较大部分

索力水平分力，同时桥塔也承担一部分索力水平 

分力。

结合方案一和方案二的特点，为最大限度发挥

钢锚梁的作用，降低桥塔应力水平，使索塔锚固

区的受力更为合理,同时能有效降低施工时安全风

险，对钢锚梁支撑体系进行优化，得出了方案三。

虽然该方案工序相对较为复杂，但钢锚梁能较好地

平衡斜拉索的水平分力，降低桥塔受力,且施工较

为安全。2021年第1期山东交通科技

- 45 -3 钢锚梁设计与分析

3.1 方案设计

结合本项目桥梁结构的特点，钢锚梁与桥塔的

结合方式采用方案三。钢锚梁作为斜拉索锚固结构，

设置在上塔柱中。钢锚梁两侧各锚固一对斜拉索。

钢锚梁由受拉锚梁和锚固构造组成。每对斜拉索面

内的平衡水平力由钢锚梁承受，部分不平衡水平分

力通过梁端底座传递到预埋钢板，由塔壁承受；竖

向分力通过牛腿传到塔身后，全部由索塔承受。钢

锚梁与牛腿的接触面之间采用不锈钢进行焊接，安

装斜拉索时，钢锚梁边跨侧一端先与牛腿焊接锚固，

且利用钢垫块将该处钢锚梁梁端与塔壁之间填实，

以防施工过程中索力偏差过大，另一端钢锚梁发生

翘起。待主梁中跨合龙，且中跨斜拉索张拉完成后

再将钢锚梁中跨侧一端与牛腿进行焊接固结。钢锚

梁布置见图3。

图3 钢锚梁布置/cm

3.2 边界模拟

根据钢锚梁与桥塔的结合特点，利用非线性及

细部分析软件Midas FEA建立空间分析模型，其中

塔柱混凝土采用实体单元，钢锚梁钢板采用板单元。

为精确模拟两个构件的结合特点，钢锚梁与桥塔塔

壁牛腿之间采用接触单元，钢锚梁固定端接触单元

静态摩擦系数取一个较大值1 000来模拟；滑动端牛

腿预埋钢板与钢锚梁底板之间通过静态摩擦系数取

0.04来模拟。

3.3 结果分析

由图4～图6可以看出，钢锚梁最大Mises应力

为206.1 MPa，发生在纵向腹板上缘与锚垫板衔接部

位，锚后侧板及加劲肋以受压为主，锚后最大主压应

力为163.2 MPa。钢锚梁跨中纵向腹板、顶板、底板

全断面受拉，但应力效应整体较小，其主拉应力顶板

为53.2 MPa，底板为15.9 MPa，侧板下缘17.1 MPa， 

侧板上缘52 MPa。钢锚梁跨中位移竖向0.11 mm,水

平向

0.67 mm。图4 工况一钢锚梁von Mises应力云图/MPa

图5 工况一钢锚梁最大主拉应力云图/MPa

图6 工况一钢锚梁最大主压应力云图/MPa

由图7～图9可以看出，钢锚梁最大Mises应力

为229 MPa，发生在纵向腹板上缘与锚垫板衔接部位，

锚后侧板及加劲肋以受压为主，锚后最大主压应力

为181.4 MPa。钢锚梁跨中纵向腹板、顶板、底板全

断面受拉，但应力效应整体较小，其主拉应力顶板

为59.2 MPa，底板为18.1 MPa，侧板下缘19.6 MPa， 

侧板上缘57.7 MPa。钢锚梁跨中位移竖向0.14 mm,

水平向0.70 mm。

图7 工况二钢锚梁von Mises应力云图/MPa