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摘要：介绍拉萨纳金大桥斜拉索锚索索鞍模型试验过程，对索鞍模型力学模拟和受力分析，提出试验结论和分析，对主塔及拉索设计和施工提出建设性建议。
关键词：纳金大桥；索鞍模型试验；受力
1、工程背景
拉萨市纳金大桥工程主桥为跨径（70+117+117+70）m的三塔矮塔斜拉桥，如图1-1所示。桥宽：34m。该桥按城市主干道I级进行设计，设计速度采用60km/h，设计汽车荷载标准采用公路I级。该桥目前在建设中。
主桥横向单塔，布置在中分带，索塔顺桥向采用变截面，塔形由两道圆弧相切形成，横桥向为2.5m等宽截面。主塔从桥面以上塔高为17.7m，桥面以上受力部位塔高为15.7m。索塔采用C50混凝土实心断面，顺桥向宽度为3.243m～5.50m；横桥向宽度为2.5m。拉索在塔上采用扇形布置，每个索塔共锚固7对拉索，拉索与塔柱中心交点间距按1m的等距布置。边中跨的索对称于主塔布置。塔上拉索采用鞍座形式通过，每根索对应1个鞍座，鞍座的设计考虑换索的需要，位于塔两侧拉索出口处设置锚固装置，克服运营阶段索的不平衡拉力。
斜拉索参照OVM250AT系列矮塔斜拉索体系设计，采用OVM250AT-43，OVM250AT-37两种型号。该拉索分别由43、37根7φ5的钢绞线组成。OVM250AT-43拉索由锚固段+过渡段+自由段+抗滑锚固段+塔柱内索鞍段构成。鞍座采用分丝管，索鞍分散、均匀传递荷載作用。索体采用Фs15.2环氧树脂涂层预应力钢绞线，具有多层防护结构。在拉索和梁段、塔端的连接处采用了全防水结构装置。斜拉索从塔上鞍座中连续穿过，两端锚固在梁体内，所有索鞍半径均为2.5m，施工时，在梁内对称一次性张拉到位。
由于本桥分丝管鞍座采用圆锥半径2.5m，目前已建工程中采用的最小半径为2.8m，为进一步加以研究改进，需要对索鞍受力进行精确分析，对鞍座进行足尺模型试验。
2、试验过程
2.1鞍座节段模型设计
依据相似理论对主塔鞍座处节段进行模拟，采用几何相似、物理相似以及边界条件相似设计试验模型。
主塔鞍座节段模型采用1:1比例设计。模型截面取主塔高2m，横向宽2.5m，纵向长2.326m，斜拉索采用实桥索力最大斜拉索1号（43φs15.2），模型上布置2个2-43φs15.2的转向器（鞍座），斜拉索采用环氧涂层钢绞线；模型混凝土强度为C50级，钢筋采用HRB335，按实桥布置。主要参数：斜拉索：2-43φs15.2；斜拉角：19.23°；索鞍圆管弯曲半径：R=250cm。
2.2加载台座设计
由于实桥斜拉索锚固在主梁上，而模型仅截取主塔高度2m，因此试验需设计专门反力台座，将模型支撑在反力台座上。模型台座采用倒梯形梁，梁高3.67m，纵向长10.6m，宽3m。试验加载采用的千斤顶最大张拉吨位需满足试验荷载要求，安装在台座两侧下部，千斤顶后面安装高精度传感器，试验前在试验机上对传感器进行标定，整个体系可使加载索力值准确可靠，试验过程中索力值稳定性得到很好控制。
2.3加载台座Ansys分析受力计算结果
根据台座的设计，采用ANSYS中的实体单元构造反力台座模型，斜拉索索力采用外力的方式施加到模型及台座上，在台座每个锚垫板上施加压力710t（约设计荷载的1.2倍），模拟模型内部斜拉索对模型的径向压力。
分析对象主要包括：1）先对素混凝土台座斜拉索张拉过程进行分析，根据台座应力情况配置预应力钢束及普通钢筋；2）实验过程包括台座浇筑完成后张拉预应力钢束及张拉斜拉索两个过程，因此需对台座上张拉预应力及张拉斜拉索这两个工况分别进行模拟计算。
2.3.1工况1：台座上张拉预应力
对台座浇筑完成后张拉预应力过程进行模拟计算，预应力用节点集中力代替。加载台座水平、竖直及主拉应力方向应力如图所示，（单位为Mpa，拉应力为正，压应力为负）。
结果表明，1）台座梁顶水平向最大正应力出现在尖角处，值为2.4636Mpa；梁底水平向最小正压应力为-5.9515Mpa；2）台座竖向最大拉正应力分布在侧面，最大值为5.891Mpa；3）台座梁顶最大主拉应力为3.2207Mpa，出现在尖角应力集中处，多数应力值范围在0.8~1.5Mpa；除底部约束处出现的应力之中（最大主拉应力为7.88Mpa）外，主拉应力多小于0.2Mpa。
2.3.2工况2：预应力张拉完成后张拉斜拉索
台座底部预应力张拉完成后，张拉斜拉索并锚固。在这个阶段，加载台座水平、竖直及主拉应力方向应力也可以由图明确显示。
结果表明，1）台座梁底水平向最大正应力为1.335Mpa；2）台座竖向较大正应力分布在锚垫板下方，最大值为11.797Mpa；3）主拉应力出现在锚垫板下方，应力范围在9~13Mpa，锚垫板上方处存在应力集中，最大值为22.63Mpa；台座底部的最大主拉应力值为1.335Mpa。
3结论
（1）依据相似理论对主塔鞍座处节段设计试验模型，根据节段模型设计了加载台座。先通过ANSYS模型对加载台座进行力学分析，再结合手算为台座进行纵向预应力设计，最后决定在台座梁底部沿纵向增加3层共42根φ32预应力粗钢筋，以抵抗试验模型斜拉索张拉时台座梁底部可能出现的拉应力；
（2）建立ansys实体模型进行力学计算，通过应力云图考察某个管道拉索竖向分力对相邻管道横向应力的影响以及某一节段受到上部传来的最大竖向力的影响，由于相邻管道间的影响较小，故试验时可以选取单个节段考察横向劈裂应力。
（3）纳金大桥桥塔鞍座单根斜拉索最大加载值为设计荷载593吨时，对每级荷载下各点应变进行分析比较，荷载增量与应变变化基本成线性关系，表明结构在设计荷载下各点处于线弹性工作范围：在1.2倍的设计荷载下，鞍座主塔混凝土表面没有出现裂纹。
（4）在单根斜拉索最大加载值为710吨时，最大竖向压应力叠加增量后约为4.8MPa；最大横向劈裂应力叠加增量后约为1.5MPa，分别小于混凝土的极限抗压强度和极限抗拉强度，说明鞍座下索塔内部混凝土拉应力均满足设计和规范要求。大部分应变片读数均没有出现突出或者异常变化的情况，表明在1.2倍设计荷载下，主塔受力是安全可靠的。
4、建议
（1）预应力钢筋布置
对于在斜拉索锚下的较大拉应力，需要配置锚下抗裂钢筋，预防混凝土开裂。建议通过计算，在梁底部沿纵向增加3层共42根φ32预应力粗钢筋，每根张拉40t预应力，以抵抗斜拉索张拉时梁底部可能出现的拉应力。预应力布置端锚布置见图4-1。
图4-1预应力锚固端头布置图
（2）钢筋布置
钢筋外侧竖向主筋采用φ32，内侧竖向主筋采用φ25，间距10cm；箍筋及拉筋采用φ16，竖向间距20cm。
（3）虽然该模型试验满足设计要求，但此结果在很大程度上反映模型试验本身特点，现场实桥施工时仍然要引起高度重视；如要严格控制转向鞍的加工精度，条件允许情况下可加设劲性骨架来保证施工中转向鞍的精确定位。
（4）主塔钢筋较密，应保证施工时混凝土浇注的密实性；在鞍座以内部分钢绞线要保证PE管完好，且PE管外严禁油物污染。
（5）在进入主梁施工时，一定要保证两侧对称同步施工，尤其要控制施工临时荷载，不可随意堆放。
（6）实桥钢绞线比模型钢绞线要长得多，当钢绞线穿索困难时，严禁在其上面涂抹黄油等可能降低拉索与分丝管摩阻的润滑物。抗滑锚内钢绞线在剥去PE管后，一定要将表面油污清洗干净。
（7）从试验情况分析主塔混凝土受力是安全可靠的，但毕竟索鞍半径较小，受力复杂，拉萨地区制造混凝土的原材料质量上或级配上存在很大的不稳定性，加之拉萨高海拔地区气候独特，昼夜温差大、日照时间长、地震频率高，因此主塔建议采用特殊配合比的高性能混凝土。
（8）从设计拉索体系分析，专家对材料的抗疲劳、抗氧化、抗日照性能已经充分给以考虑，但可以想象：混凝土性能设计如果达不到理想的效果对拉索同样是一种缺陷。
彭正勇：男(1973,8-)，湖北仙桃人，本科。中交第一公路工程局二公司总经理职务，高级工程师,从事公路与桥梁施工管理工作。
关键词：纳金大桥；索鞍模型试验；受力
1、工程背景
拉萨市纳金大桥工程主桥为跨径（70+117+117+70）m的三塔矮塔斜拉桥，如图1-1所示。桥宽：34m。该桥按城市主干道I级进行设计，设计速度采用60km/h，设计汽车荷载标准采用公路I级。该桥目前在建设中。
主桥横向单塔，布置在中分带，索塔顺桥向采用变截面，塔形由两道圆弧相切形成，横桥向为2.5m等宽截面。主塔从桥面以上塔高为17.7m，桥面以上受力部位塔高为15.7m。索塔采用C50混凝土实心断面，顺桥向宽度为3.243m～5.50m；横桥向宽度为2.5m。拉索在塔上采用扇形布置，每个索塔共锚固7对拉索，拉索与塔柱中心交点间距按1m的等距布置。边中跨的索对称于主塔布置。塔上拉索采用鞍座形式通过，每根索对应1个鞍座，鞍座的设计考虑换索的需要，位于塔两侧拉索出口处设置锚固装置，克服运营阶段索的不平衡拉力。
斜拉索参照OVM250AT系列矮塔斜拉索体系设计，采用OVM250AT-43，OVM250AT-37两种型号。该拉索分别由43、37根7φ5的钢绞线组成。OVM250AT-43拉索由锚固段+过渡段+自由段+抗滑锚固段+塔柱内索鞍段构成。鞍座采用分丝管，索鞍分散、均匀传递荷載作用。索体采用Фs15.2环氧树脂涂层预应力钢绞线，具有多层防护结构。在拉索和梁段、塔端的连接处采用了全防水结构装置。斜拉索从塔上鞍座中连续穿过，两端锚固在梁体内，所有索鞍半径均为2.5m，施工时，在梁内对称一次性张拉到位。
由于本桥分丝管鞍座采用圆锥半径2.5m，目前已建工程中采用的最小半径为2.8m，为进一步加以研究改进，需要对索鞍受力进行精确分析，对鞍座进行足尺模型试验。
2、试验过程
2.1鞍座节段模型设计
依据相似理论对主塔鞍座处节段进行模拟，采用几何相似、物理相似以及边界条件相似设计试验模型。
主塔鞍座节段模型采用1:1比例设计。模型截面取主塔高2m，横向宽2.5m，纵向长2.326m，斜拉索采用实桥索力最大斜拉索1号（43φs15.2），模型上布置2个2-43φs15.2的转向器（鞍座），斜拉索采用环氧涂层钢绞线；模型混凝土强度为C50级，钢筋采用HRB335，按实桥布置。主要参数：斜拉索：2-43φs15.2；斜拉角：19.23°；索鞍圆管弯曲半径：R=250cm。
2.2加载台座设计
由于实桥斜拉索锚固在主梁上，而模型仅截取主塔高度2m，因此试验需设计专门反力台座，将模型支撑在反力台座上。模型台座采用倒梯形梁，梁高3.67m，纵向长10.6m，宽3m。试验加载采用的千斤顶最大张拉吨位需满足试验荷载要求，安装在台座两侧下部，千斤顶后面安装高精度传感器，试验前在试验机上对传感器进行标定，整个体系可使加载索力值准确可靠，试验过程中索力值稳定性得到很好控制。
2.3加载台座Ansys分析受力计算结果
根据台座的设计，采用ANSYS中的实体单元构造反力台座模型，斜拉索索力采用外力的方式施加到模型及台座上，在台座每个锚垫板上施加压力710t（约设计荷载的1.2倍），模拟模型内部斜拉索对模型的径向压力。
分析对象主要包括：1）先对素混凝土台座斜拉索张拉过程进行分析，根据台座应力情况配置预应力钢束及普通钢筋；2）实验过程包括台座浇筑完成后张拉预应力钢束及张拉斜拉索两个过程，因此需对台座上张拉预应力及张拉斜拉索这两个工况分别进行模拟计算。
2.3.1工况1：台座上张拉预应力
对台座浇筑完成后张拉预应力过程进行模拟计算，预应力用节点集中力代替。加载台座水平、竖直及主拉应力方向应力如图所示，（单位为Mpa，拉应力为正，压应力为负）。
结果表明，1）台座梁顶水平向最大正应力出现在尖角处，值为2.4636Mpa；梁底水平向最小正压应力为-5.9515Mpa；2）台座竖向最大拉正应力分布在侧面，最大值为5.891Mpa；3）台座梁顶最大主拉应力为3.2207Mpa，出现在尖角应力集中处，多数应力值范围在0.8~1.5Mpa；除底部约束处出现的应力之中（最大主拉应力为7.88Mpa）外，主拉应力多小于0.2Mpa。
2.3.2工况2：预应力张拉完成后张拉斜拉索
台座底部预应力张拉完成后，张拉斜拉索并锚固。在这个阶段，加载台座水平、竖直及主拉应力方向应力也可以由图明确显示。
结果表明，1）台座梁底水平向最大正应力为1.335Mpa；2）台座竖向较大正应力分布在锚垫板下方，最大值为11.797Mpa；3）主拉应力出现在锚垫板下方，应力范围在9~13Mpa，锚垫板上方处存在应力集中，最大值为22.63Mpa；台座底部的最大主拉应力值为1.335Mpa。
3结论
（1）依据相似理论对主塔鞍座处节段设计试验模型，根据节段模型设计了加载台座。先通过ANSYS模型对加载台座进行力学分析，再结合手算为台座进行纵向预应力设计，最后决定在台座梁底部沿纵向增加3层共42根φ32预应力粗钢筋，以抵抗试验模型斜拉索张拉时台座梁底部可能出现的拉应力；
（2）建立ansys实体模型进行力学计算，通过应力云图考察某个管道拉索竖向分力对相邻管道横向应力的影响以及某一节段受到上部传来的最大竖向力的影响，由于相邻管道间的影响较小，故试验时可以选取单个节段考察横向劈裂应力。
（3）纳金大桥桥塔鞍座单根斜拉索最大加载值为设计荷载593吨时，对每级荷载下各点应变进行分析比较，荷载增量与应变变化基本成线性关系，表明结构在设计荷载下各点处于线弹性工作范围：在1.2倍的设计荷载下，鞍座主塔混凝土表面没有出现裂纹。
（4）在单根斜拉索最大加载值为710吨时，最大竖向压应力叠加增量后约为4.8MPa；最大横向劈裂应力叠加增量后约为1.5MPa，分别小于混凝土的极限抗压强度和极限抗拉强度，说明鞍座下索塔内部混凝土拉应力均满足设计和规范要求。大部分应变片读数均没有出现突出或者异常变化的情况，表明在1.2倍设计荷载下，主塔受力是安全可靠的。
4、建议
（1）预应力钢筋布置
对于在斜拉索锚下的较大拉应力，需要配置锚下抗裂钢筋，预防混凝土开裂。建议通过计算，在梁底部沿纵向增加3层共42根φ32预应力粗钢筋，每根张拉40t预应力，以抵抗斜拉索张拉时梁底部可能出现的拉应力。预应力布置端锚布置见图4-1。
图4-1预应力锚固端头布置图
（2）钢筋布置
钢筋外侧竖向主筋采用φ32，内侧竖向主筋采用φ25，间距10cm；箍筋及拉筋采用φ16，竖向间距20cm。
（3）虽然该模型试验满足设计要求，但此结果在很大程度上反映模型试验本身特点，现场实桥施工时仍然要引起高度重视；如要严格控制转向鞍的加工精度，条件允许情况下可加设劲性骨架来保证施工中转向鞍的精确定位。
（4）主塔钢筋较密，应保证施工时混凝土浇注的密实性；在鞍座以内部分钢绞线要保证PE管完好，且PE管外严禁油物污染。
（5）在进入主梁施工时，一定要保证两侧对称同步施工，尤其要控制施工临时荷载，不可随意堆放。
（6）实桥钢绞线比模型钢绞线要长得多，当钢绞线穿索困难时，严禁在其上面涂抹黄油等可能降低拉索与分丝管摩阻的润滑物。抗滑锚内钢绞线在剥去PE管后，一定要将表面油污清洗干净。
（7）从试验情况分析主塔混凝土受力是安全可靠的，但毕竟索鞍半径较小，受力复杂，拉萨地区制造混凝土的原材料质量上或级配上存在很大的不稳定性，加之拉萨高海拔地区气候独特，昼夜温差大、日照时间长、地震频率高，因此主塔建议采用特殊配合比的高性能混凝土。
（8）从设计拉索体系分析，专家对材料的抗疲劳、抗氧化、抗日照性能已经充分给以考虑，但可以想象：混凝土性能设计如果达不到理想的效果对拉索同样是一种缺陷。
彭正勇：男(1973,8-)，湖北仙桃人，本科。中交第一公路工程局二公司总经理职务，高级工程师,从事公路与桥梁施工管理工作。