一种悬索桥墩台式预应力锚碇的制作方法

本发明属于桥梁工程技术领域，更具体涉及一种悬索桥墩台式预应力锚碇，适用于大江大湖等悬索桥锚碇的建设，尤其适用于近海平原或海中特大跨悬索桥锚碇建设。

背景技术：

悬索桥为目前世界上跨越能力最大的桥梁形式，根据主缆锚固方式分为自锚式悬索桥和地锚式悬索桥两种形式。地锚式悬索桥主要由锚碇、索塔、缆索系统、加劲梁等构成，其中的锚碇作为将缆力传递给地基的重要构件，一般分为重力式锚碇和隧道式锚碇两类。

隧道式锚碇依赖锚塞体调动周围岩体共同承担主缆巨大拉力，虽然造价较低，且有着不需要对地表大开挖、保护环境的独特优势，然而由于受地形地质条件限制，只有在合适的条件下才能应用。

重力式锚碇依靠锚碇自重平衡主缆竖直方向分力，依靠基础与地基间的摩阻力f平衡主缆水平分力，而摩阻力依赖锚碇自重G与主缆竖直分力Nv的差值(即图1,f=G-Nv)产生,存在地下水或水中修建时为锚碇自重G与主缆竖直分力Nv及浮托力F的差值（即图1,f=G-Nv-F），因此重力式锚碇体积庞大，该种锚碇发挥效力的效率低。随着桥梁建设从内陆江河走向海湾、外海，从中大跨径走向特大跨径，对悬索桥锚碇结构的承载能力的要求越来越高，建设锚碇基础面临的施工难度也越来越大。在大的江河湖海修建特大跨悬索桥锚碇基础，重力式锚碇存在需要大开挖、发挥效力的效率低下导致锚碇体积庞大、浇筑混凝土量巨大、对环境干扰大的问题且造价较高。除此之外，水中修建重力式锚碇需要设置围堰，陆上修建时也多需设置地下连续墙，施工难度大。因此，亟需改进现有锚碇结构形式。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供了一种悬索桥墩台式预应力锚碇，结构简单，使用方便，解决了重力锚开挖量大、对环境干扰大以及水中修建重力锚碇施工难度大、发挥效力效率低的问题。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种悬索桥墩台式预应力锚碇，它包括钢结构混凝土承台、钢管桩群、预应力锚索群、主缆和主缆锚固体系，钢管桩群的一端伸入基岩，另一端与钢结构混凝土承台底面刚性连接，所述的主缆散索后的索股与主缆锚固体系连接，主缆锚固体系设置在钢结构混凝土承台的上表面，所述的预应力锚索群的锚索内锚头端固定于基岩内，预应力锚索群的锚索外锚头端与钢结构混凝土承台固定连接，预应力锚索群的总体受力方向与主缆方向的夹角为-10°~10°。

作为优选，所述的钢管桩群由钢管竖桩和钢管斜桩构成，钢管竖桩之间设置交叉的竖桩支撑，钢管斜桩设置在钢结构混凝土承台的周边并向外扩散倾斜。

所述的钢管竖桩大致由8-18根直径为2m的钢管组成，其数量要根据具体工程的吨位、水深等情况确定。

所述的钢管斜桩大致由4-8根直径为2m的钢管组成，钢管斜桩的倾角为10-25°，其具体数量要根据具体工程设计要求确定。

所述的预应力锚索群由一系列单根吨位为200t~500t的预应力锚索组成，其数量的确定要根据具体工程的设计缆力及安全富余度确定。

作为优选，所述的钢结构混凝土承台的劲性骨架为型钢，以提高承台的可靠性。

作为优选，所述的预应力锚索群的锚索宜采用压力分散型锚索，特别需注意严格防渗，也可以采用可多次自由张拉的岩土工程密实体型预应力锚索。由于预应力锚索群为主要的承力构件，其可靠性及耐久性至关重要，因此在预应力锚索外锚头端需安装相应的测力装置，以时时监测预应力锚索在施工及运营过程中的受力，便与预应力锚索的锚固锁紧及在单根预应力锚索失效时及时更换。

本发明的设计思路是：预应力锚索群总体受力方向与主缆缆力方向近似一致，悬索桥主缆拉力通过主缆锚固体系转化为多股预应力锚索力传至基岩，使得成桥状态下钢管桩群仅承受小部分压力作用；钢结构混凝土承台与钢管桩群构成墩台式基础，承台为主缆及预应力锚索群提供锚固平台，使主缆缆力通过预应力锚索群有效传至基岩，钢管桩群顶端为钢结构混凝土承台，通过承台将钢管桩群连为一体，以此增强钢管桩群的整体性和抗变形能力。

与已有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、通过大吨位预应力锚索群传递主缆巨大拉力至基岩，不依赖锚碇结构自身的重量及基础与地基摩阻力承力，不仅能有效降低混凝土用量，降低工程造价，又扩大了锚碇结构的承力范围；

2、借用墩台的结构形式，墩台施工技术成熟，与修建重力式锚碇相比，不仅施工难度大幅度降低而且施工速度快；

3、采用本发明的锚碇不需大开挖，对周围环境干扰小，达到人与自然和谐相处的目的，在隧道式锚碇建设中,也可采用分散锚固于基岩的预应力锚索群代替浇筑的混凝土锚塞体承力,避免了岩体开挖,节约了工程成本；

4、钢管桩群中，竖桩支撑连接在竖桩之间起到支撑的作用，外围斜桩直接打至基岩，从而有效提高结构的安全和整体稳定性。

5、采用本发明可可靠传递主缆拉力，混凝土用量较大跨径悬索桥重力锚会大幅降低(以两侧均采用重力式锚碇的主跨为1377m的香港青马大桥为例，两侧锚碇混凝土用量高达29.2万m³，采用本发明则可大幅降低混凝土用量)，有效降低锚碇工程造价和缩短锚碇施工周期。

附图说明

图1为一种重力式锚碇发挥效力示意图。

其中N为主缆拉力，Nv为主缆竖直方向分力，Nh为主缆水平方向分力，F为重力锚碇所受浮托力，G为重力锚自重，f为重力锚碇基础与基岩间的摩阻力，f=（G-F-N_V）*μ。

图2为一种墩台式预应力锚碇的三维结构示意图。

图3为一种墩台式预应力锚碇二维受力示意图。

向上箭头表示主缆拉力，向下箭头表示预应力锚索索力。

图4-a为一种墩台式预应力锚碇的俯视图。

图4-b为一种墩台式预应力锚碇的正视图。

图4-c为一种墩台式预应力锚碇的侧视图。

图2至4中：1-钢结构混凝土承台；2-钢管桩群；2A-钢管竖桩，2B－钢管斜桩，2C－竖桩支撑；3-预应力锚索群；4-主缆；5-主缆锚固体系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1-图4-c所示，一种悬索桥墩台式预应力锚碇，它包括钢结构混凝土承台1、钢管桩群2、预应力锚索群3、主缆4和主缆锚固体系5，所述的钢管桩群2由钢管竖桩2A和钢管斜桩2B构成，钢管竖桩2A之间设置交叉的竖桩支撑2C，钢管斜桩2B设置在钢结构混凝土承台1的周边并向外扩散倾斜，钢管竖桩2A和钢管斜桩2B的一端伸入基岩，另一端与钢结构混凝土承台1底面刚性连接，所述的主缆4散索后的索股与主缆锚固体系5连接，主缆锚固体系5设置在钢结构混凝土承台1的上表面，预应力锚索群3由一系列单根吨位为500t的预应力锚索组成；预应力锚索群3中的各单根预应力锚索的内锚头端固定于基岩内，外锚头端与钢结构混凝土承台1固定连接，预应力锚索群的总体受力方向与主缆方向的夹角为5°或-5°（即预应力锚索群的总体受力方向相对于主缆向左或者向右偏转5°）,从而保证预应力锚索群总体受力方向与主缆方向接近一致，使得成桥状态下钢管桩不受力或仅承受小部分压力作用。

所述钢管竖桩2A由18根直径为2m的钢管组成，所述的钢管斜桩2B由6根直径为2m的钢管组成，倾角为10°。预应力锚索群3由一系列单根吨位为500t的预应力锚索组成，主缆的设计缆力为2万吨，预应力锚索的数量40根，单根预应力锚索宜采用压力分散型锚索，特别需注意严格防渗，或者采用可多次自由张拉的岩土工程密实型预应力锚索。

在实施例中，为了提高钢结构混凝土承台1的可靠性，选用型钢作为承台的劲性骨架。

实施例2：

采用实施例1的结构，具体的数量和倾角做改动，预应力锚索群3由一系列单根吨位为200t或300t的预应力锚索组成；预应力锚索群的总体受力方向与主缆方向的夹角为0°或10°,从而保证预应力锚索群总体受力方向与主缆方向接近一致，使得成桥状态下钢管桩不受力或仅承受小部分压力作用。

所述钢管竖桩2A由8或18根直径为2m的钢管组成，所述的钢管斜桩2B由4或8根直径为2m的钢管组成，倾角为15°或20°。预应力锚索群3由一系列单根吨位为200t的预应力锚索组成时，主缆的设计缆力为2万吨，预应力锚索的数量100根；预应力锚索群3由一系列单根吨位为300t的预应力锚索组成时，主缆的设计缆力为2万吨，预应力锚索的数量至少67根，具体数量要根据具体的工程设计要求增加，单根预应力锚索宜采用压力分散型锚索，特别需注意严格防渗，或者采用可多次自由张拉的岩土工程密实型预应力锚索。

一种悬索桥墩台式预应力锚碇的施工方法，其步骤是：

1、钢管桩群的施工：根据工程地质条件，采用静力压桩、锤击等方式使竖桩和外围斜桩按照桩机移动到位→吊桩→插桩→锤击下沉→接桩→锤击至设计深度→内切钢管桩→压力灌浆的施工顺序伸入基岩一定深度，钢支撑则以焊接形式连接于竖桩之间，采取881-X环氧富锌底漆的防腐措施；

2、钢结构混凝土承台的施工：首先吊放型钢劲性骨架，而后分层分块浇筑混凝土；

3、主缆锚固体系施工及主缆散索；

4、水中采用本发明时，预应力锚索安装需先将直径大于1.5倍预应力锚索直径的钢管打入水中，而后穿束完成预应力锚索安装，采用传统夹片式预应力锚索时，需采用PE波纹管内注树脂浆的防腐措施；

5、预应力锚索张拉锚固及主缆索股锚固：为保证施工过程中承台及钢管桩的合理受力，预应力锚索群张拉和主缆锚固间隔进行，张拉预应力锚索设计荷载的25%→锚固主缆散股的20%→张拉预应力锚索设计荷载的50%→锚固主缆散股的40%→张拉预应力锚索设计荷载的75%→锚固主缆散股的60%→张拉预应力锚索设计荷载的100%→锚固主缆散股的80%→锚固主缆散股的100%。