DB36/T681-2014DB36/T—2018斜拉橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)設計規(guī)范范圍本規(guī)范規(guī)定了斜拉橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)設計的基本思路和方法，除應符合本規(guī)范的規(guī)定外，尚應符合國家和行業(yè)現(xiàn)行有關標準和規(guī)范的規(guī)定。本規(guī)范適用于江西省境內新建斜拉橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)的結構設計，國內新建斜拉橋可參考本規(guī)范執(zhí)行。規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTGD60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG/TF50-2011《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTGD64-2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》GB/T50153-2008《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》BS5400-5:2005《鋼橋、混凝土橋及結合橋》JTG/TD65-01-2007《公路斜拉橋設計細則》JTG/TD60-01-2004《公路橋梁抗風設計規(guī)范》JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》

GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》GB1499.1-2008《鋼筋混凝土用鋼第一部分：熱軋光圓鋼筋》GB1499.2-2007《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB/T5224-2014《預應力混凝土用鋼絞線》GBT20065-2006《預應力混凝土用螺紋鋼筋》GB14370-2015《預應力筋用錨具、夾具和連接》GB/T714-2008《橋梁用結構鋼》GB/T10433-2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》GB/T1228-2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》GB/T1229-2006《鋼結構用高強度大六角螺母》GB/T1230-2006《鋼結構用高強度墊圈》GB/T1231-2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》術語與符號術語斜拉橋Cable-stayedbridge將斜拉索兩端分別錨固在塔和梁或其他載體上，形成塔、梁、索共同承載的結構體系。斜拉索Staycable承受拉力并支承主梁的構件。索塔Pylon用以錨固或支承斜拉索，并將其索力傳遞給下部結構的構件索塔錨固區(qū)Cable-pylonanchoragezone索塔上錨固斜拉索的索塔結構部位。鋼錨梁Steel

anchorbeam索塔上錨固斜拉索的梁形鋼結構裝置。牛腿Corbel與塔柱相連或塔柱的一部分，用于支撐鋼錨梁的結構裝置。錨墊板Anchorplate鋼錨梁上用于支撐斜拉索錨頭的厚鋼墊板。剪力連接件Shearconnection連接鋼、混凝土兩種材料結構的部件，常用圓柱頭焊釘和開孔板連接件。約束體系Constraintsystem鋼錨梁在兩端與索塔牛腿的約束方式。斜拉索初拉力Initialcable

force斜拉索安裝到梁段上時，對斜拉索施加的初始張拉力。預拼裝Pre-assembled為檢驗構件是否滿足安裝質量要求而進行的拼裝。符號C50——表示立方體強度標準值為50MPa的混凝土強度標準；fck——混凝土軸心抗壓強度標準值；fcd——混凝土軸心抗壓強度設計值；ftk——混凝土軸心抗拉強度標準值；ftd——混凝土軸心抗拉強度設計值；Ec——混凝土的彈性模量；Gc——混凝土的剪切模量；ν——混凝土的泊松比；ρ——材料的重力密度；α——材料的線膨脹系數(shù)；?pd’——預應力的抗壓強度設計值；?pk——預應力的抗拉強度標準值；?pd——預應力的抗拉強度設計值；Ep——預應力的彈性模量；k——孔道摩擦系數(shù)；μ——孔道偏差系數(shù)；[σ]——鋼材的軸向容許應力；[σw]——鋼材的彎曲容許應力；[τ]——鋼材的剪切容許應力；Es——鋼材的彈性模量；——圓柱頭焊釘平均承載力；d——圓柱頭焊釘?shù)闹睆剑籋——圓柱頭焊釘?shù)母叨?，mm；——橋面板混凝土抗壓強度標準，MPa；——焊釘?shù)淖畲蟪休d力設計值；——混凝土彈性模量；——圓柱頭焊釘釘桿截面面積；——圓柱頭焊釘抗拉強度設計值；——栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。基本設計規(guī)定材料混凝土選用索塔錨固區(qū)采用高標號混凝土，技術條件應符合現(xiàn)行國家標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTGD62-2004）的規(guī)定。表1列出部分高標號混凝土的材料特性。表1混凝土的材料特性強度等級C50C55C60抗壓強度（MPa）標準值fck32.435.538.5設計值fcd22.424.426.5抗拉強度（MPa）標準值ftk2.652.742.85設計值ftd1.831.891.96彈性模量Ec（MPa）3.45×1043.55×1043.6×104剪切模量Gc（MPa）1.38×1041.42×1041.44×104泊松比ν0.20.20.2重力密度ρ（kN/m3）25.0~26.025.0~26.025.0~26.0線膨脹系數(shù)α（1/℃）1.0×10-51.0×10-51.0×10-5普通鋼筋選用鋼筋混凝土及預應力混凝土構件中的普通鋼筋應選用熱軋HPB235、HRB335及HRB400及KL400鋼筋，其技術標準應分別符合《鋼筋混凝土用鋼第一部分：熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1-2008）、《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）的規(guī)定。預應力混凝土構件中的箍筋應選用帶肋鋼筋。預應力材料選用預應力鋼絞線技術條件應符合《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224-2014)的規(guī)定要求。預應力粗鋼筋技術條件應符合《預應力混凝土用螺紋鋼筋》（GBT20065-2006）的規(guī)定要求。預應力筋用錨具、夾具和連接技術條件應符合《預應力筋用錨具、夾具和連接》（GB14370-2015）。預應力鋼筋的主要材料性能摘錄如表2所示。表2預應力鋼筋材料性能鋼筋種類鋼絞線(1x7)精軋螺紋粗鋼筋符號ΦS15.2PSB830PSB930PSB1080抗壓強度(MPa）設計值?pd’390400400400抗拉強度（MPa）標準值?pk18608309301080設計值?pd1260690775900彈性模量Ep（MPa）1.95×1052.0×105單根延米質量(kg/m)1.10135.9(名義直徑75mm)線膨脹系數(shù)α（1/℃）1.2x10-5計算預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失，局部偏差影響系數(shù)k和摩擦系數(shù)μ如表3所示。具體參數(shù)可通過預應力孔道摩阻試驗實測。表3摩擦系數(shù)和局部偏差系數(shù)管道成型方式kμ鋼絞線（1×7）精軋螺紋粗鋼筋預埋金屬波紋管0.00150.20~0.250.50預埋塑料波紋管0.00150.14~0.17/結構鋼材選用鋼錨梁和鋼牛腿根據(jù)受力需要選擇采用Q345q、Q370q和Q420q，其技術條件應滿足《橋梁用結構鋼》（GB/T714-2008）的規(guī)定要求。主體結構用鋼材的主要材料性能如表4所示。表4鋼材主要材料性能鋼材牌號Q345qQ355NHQ370qQ420q軸向容許應力[σ](MPa)200210210230彎曲容許應力[σw](MPa)210220220240剪切容許應力[τ](MPa)120120125140端面承載容許應力(MPa)300315315345彈性模量Es（MPa）2.10x105重力密度ρ(kN/m3)78.5線膨脹系數(shù)α(1/oC)1.2x10-5注：本表所列容許應力適用于鋼材板厚小于16mm情形，當鋼材板厚大于20mm，屈服點有變化時，容許應力應乘以屈服強度降低的比例系數(shù)。剪力連接件推薦采用圓柱頭焊釘，其材料為ML15，其技術條件應符合《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》（GB/T10433-2002）的規(guī)定。也可采用開孔板連接件。高強螺栓技術條件應滿足《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》（GB/T1228-2006）的規(guī)定要求；螺母的技術條件應滿足《鋼結構用高強度大六角螺母》（GB/T1229-2006）的規(guī)定要求；墊圈的技術條件應滿足《鋼結構用高強度墊圈》（GB/T1230-2006）的規(guī)定要求；同時均應滿足《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》（GB/T1231-2006）的規(guī)定要求。焊接材料應通過焊接工藝評定試驗進行選擇，所選焊條、焊劑、焊絲均應符合相應的國家標準。設計原則鋼錨梁索塔錨固區(qū)適用于常規(guī)及大跨度的斜拉橋，在大跨度（600m以上）斜拉橋上應用經(jīng)濟性相對較好。本規(guī)范指定的鋼錨梁索塔錨固區(qū)中的鋼筋混凝土構件、預應力鋼筋混凝土構件和剪力連接件按極限狀態(tài)法設計，索塔錨固區(qū)中的鋼構件采用容許應力法設計。若本規(guī)范無特殊規(guī)定，鋼筋混凝土構件結構強度（承載能力或應力）驗算應滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTGD62-2004），剪力連接件結構強度（承載力）驗算應滿足《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）的相關規(guī)定，鋼構件結構強度（剛度或穩(wěn)定性）驗算應滿足《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTGD64-2015）。索塔錨固區(qū)中的塔壁混凝土構件、剪力連接件等主要受力構件，應同時進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計。索塔錨固區(qū)結構抗風設計宜結合結構特點遵照《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/TD60-01-2004）進行。斜拉索應安裝減震阻尼裝置以減小風振引起共振的風險。索塔錨固區(qū)結構抗震設計宜結合結構特點遵照《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02-01-2008)

進行。錨固區(qū)宜采用有利于橋梁結構整體性的連接方式，并應考慮結構的耐久性要求；采用對抗震有利的延性結構或材料；條件允許時，可采用減隔震裝置，減小橋梁的地震反應。索塔錨固區(qū)結構構件的強度和穩(wěn)定性驗算應按有效凈截面計算，變形驗算可按毛面積計算。作用及取值依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）第4章規(guī)定取用。在進行最不利組合索力結構驗算時，宜至少包含最大索力工況、同節(jié)段最大索力差值工況。索塔錨固區(qū)結構應考慮特殊情況下斜拉索失效效應（單側單根換索或斷索）。結構形式與構造結構形式鋼錨梁索塔錨固區(qū)由鋼錨梁、混凝土塔壁及牛腿結構組成，如圖1所示。鋼錨梁是斜拉索水平力的主要受力結構，混凝土塔壁是斜拉索豎向力的主要受力結構，牛腿是鋼錨梁的支承結構和斜拉索豎向力的傳力結構。圖1鋼錨梁索塔錨固區(qū)組成示意混凝土塔壁通常為預應力鋼筋混凝土結構，一般采用環(huán)向預應力。鋼錨梁由斜拉索錨固傳力裝置和縱梁結構組成，如圖2所示。斜拉索錨固裝置由錨墊板、加勁板、鋼錨梁側板組成。縱梁多采用箱型閉合結構，也可采用由鋼錨梁側板與桿件組成的非閉合結構。圖2鋼錨梁結構示意鋼錨梁索塔錨固區(qū)中的牛腿有鋼筋混凝土牛腿、預應力鋼筋混凝土牛腿、鋼結構牛腿（簡稱鋼牛腿），如圖3所示。主跨超過800m時宜采用鋼牛腿，主跨小于400m時宜采用鋼筋混凝土牛腿或預應力鋼筋混凝土牛腿。圖3牛腿結構示意鋼錨梁索塔錨固區(qū)平面布置視主塔形式、施工便利性等因素可采用單梁單索面、單梁雙索面和雙梁雙索面等構造形式。圖4鋼錨梁索塔錨固區(qū)平面布置示意鋼錨梁約束體系常見的主要有剛性連接、非剛性連接、先滑動后固結等方式。針對鋼錨梁和鋼牛腿的組合結構形式，建議采用先滑動后固結的方式。（a）剛性連接（b）滑動連接圖5鋼錨梁約束體系示意鋼牛腿節(jié)段之間連接方式，常見的有：節(jié)段間磨光頂緊后螺栓接、普通螺栓連接、上下節(jié)段分離。結構尺寸索塔錨固區(qū)平面布置的結構尺寸需根據(jù)結構整體和局部受力要求、檢查維護便利性、施工便利性以及造型與景觀等方面進行，綜合考慮得出相應最優(yōu)方案。需要考慮的事宜包括:整體剛度：索塔錨固區(qū)所在上塔柱的整體剛度滿足橋梁整體受力要求；局部強度：索塔錨固區(qū)能承擔巨大斜拉索集中力的作用；（3）檢查維護通道：索塔錨固區(qū)內腔預留電梯、扶梯、照明等檢查維護通道；（4）施工平臺：預留斜拉索塔端張拉的施工和操作平臺；（5）造型與景觀：與外部環(huán)境協(xié)調、美觀；（6）防水：主塔內部應該防止雨水等滲入。鋼錨梁索塔錨固區(qū)的節(jié)段高度主要考慮該節(jié)段結構能承擔本節(jié)段斜拉索水平分力的作用，同時能承擔本節(jié)段斜拉索豎向分力的作用，并將該豎向力傳遞至混凝土塔壁。對于跨度超過500m的斜拉橋，其節(jié)段高度建議不小于1.5m。鋼錨梁的結構尺寸主要考慮以下幾個因素：鋼錨梁中截面上合理的應力水平和變形限值；斜拉索錨固傳力結構的板件穩(wěn)定性要求；鋼錨梁側拉板倒角位置應力集中處的應力水平。錨墊板作為承擔斜拉索集中力的最主要的受力和傳力板件，不僅要保證板件本身應力在許可范圍和不失穩(wěn)，同時也改善錨墊板下方板件的受力狀況。實橋上錨墊板厚度建議根據(jù)斜拉索索力大小確定，絕對總厚度不宜小于70cm。構造要求鋼錨梁索塔錨固區(qū)各構件的構造要求應遵照《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范(JTJ025-86)》、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTGD62-2004）》、《公路斜拉橋設計細則（JTG/TD65-01-2007）》等國家或行業(yè)規(guī)范的要求。鋼錨梁和鋼牛腿的制造、運輸、吊裝應標準化，采用分節(jié)段的形式。為減少現(xiàn)場高空焊接工作，節(jié)段連接建議采用螺栓連接。在塔柱內部預留適當?shù)奈恢茫奖闳藛T和物料運輸、檢查。斜拉索在塔端張拉的應預留張拉空間和施工操作。塔柱內部應布置樓梯、扶手、照明，有條件時宜布置電梯等升降設施。索塔錨固區(qū)的構造設計應為后期斜拉索更換提供便利條件。鋼牛腿、鋼錨梁及連接構件作為橋梁的永久結構，應做好防腐設計。箱內建議采用防腐涂裝，條件容許時可加抽濕。在斜拉索塔端錨頭、預應力錨頭、鋼混界面等部位應進行密封性處理。錨固區(qū)結構設計鋼結構板件設計索塔錨固區(qū)中鋼結構應建立空間模型，進行局部受力分析，各項計算應力值應滿足相關規(guī)范要求。鋼錨梁中部的鋼梁可按軸向受拉構件進行設計。鋼錨梁斜拉索錨固結構應考慮相鄰錨固板件之間的相互影響，并驗算各板件的應力和變形。對采用構造復雜或新型結構的鋼錨梁，應進行足尺模型試驗研究。鋼錨梁和鋼牛腿所用板件均應滿足寬厚比要求，對于受壓應力和變形較大的板件應布置加勁肋，需保證不出現(xiàn)局部失穩(wěn)。鋼錨梁側拉板的材質需進行Z向性能測試，其材質應符合現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T5313-2010的規(guī)定。混凝土結構設計鋼錨梁索塔錨固區(qū)的混凝土塔壁，應按承載能力極限狀態(tài)設計要求進行作用設計值效應的基本組合，組合表達式中的作用采用標準值，并乘以作用分項系數(shù)。各種作用的分項按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）的規(guī)定取用。當結構遇有偶然作用時，尚應進行作用效應的偶然組合。對局部受力復雜的部位應建立空間模型，進行局部受力分析，各項計算應力值應滿足相關規(guī)范要求。根據(jù)索塔錨固區(qū)的簡化計算模型，端壁宜按受彎構件進行設計，側壁宜按受拉構件進行設計，預應力錨固位置按局部承壓構件進行設計。圖6錨固區(qū)混凝土塔壁示意鋼錨梁索塔錨固區(qū)混凝土塔壁宜布置預應力，建議按全預應力混凝土構件或A類部分預應力混凝土進行設計。如采用鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件進行設計，應進行最大裂縫寬度驗算，建議裂縫寬度限值不大于0.15mm。混凝土塔壁的預應力布置形式主要有井字型、合抱的U型預應力、U型與直線束組合等。采用U形布置時，預應力損失和伸長量偏差較普通預應力筋大，須在施工前進行孔道摩阻測試以獲得更精確的數(shù)據(jù)控制參數(shù)。塔壁鋼筋混凝土和鋼筋應當能夠承受抗剪連接鍵傳遞的荷載，并確保無任何剪力滑動、板壁分離、縱向裂紋、局部破碎或斷裂。剪力連接設計鋼-混凝土結構中的剪力連接件主要有圓柱頭焊釘和開孔板連接件。對錨固區(qū)結構宜優(yōu)先采用剛度適中的圓柱頭焊釘。在鋼錨梁索塔錨固區(qū)中，剪力連接件的布置可采用集束式，也可采用均布式。集束式剪力連接件布置以節(jié)段為單位，在斜拉索索導管附近布置剪力連接件群。a)均布式b）集束式圖7剪力連接件布置方式示意圓柱頭焊釘屬于柔性剪力連接件，在索塔錨固結構中不建議與其他剛性剪力連接件混合使用。在本規(guī)范指定的鋼錨梁索塔錨固區(qū)中采用的圓柱頭焊釘應符合下列要求：圓柱頭焊釘?shù)牟牧稀C械性能以及焊接要求應滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》（GB/T10433-2002）的規(guī)定。圓柱焊釘最小長度不應小于6倍直徑。鋼板厚度不應小于圓柱頭焊釘直徑的1.0倍。焊釘?shù)牟贾闷骄g距不宜超過220mm，最大間距不宜超過300mm。焊釘?shù)耐鈧冗吘壟c鋼板邊緣的距離不應小于1.2倍的焊釘直徑。在鋼錨梁索塔錨固區(qū)結構中，圓柱頭焊釘?shù)钠骄休d力應至少滿足下列計算公式 式中，d——圓柱頭焊釘?shù)闹睆剑琺m；H——圓柱頭焊釘?shù)母叨龋琺m；——橋面板混凝土抗壓強度標準，MPa。在鋼錨梁索塔錨固區(qū)結構中，單個焊釘?shù)淖畲蟪休d力設計值 式中，——混凝土彈性模量； ——圓柱頭焊釘釘桿截面面積； ——圓柱頭焊釘抗拉強度設計值；——栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。開孔板連接件在索塔錨固區(qū)未普遍使用，其構造技術要求、計算方法等參考國內外相應規(guī)范或科學實驗結果進行。 焊接連接設計根據(jù)應力要求，鋼錨梁和鋼牛腿可采用Q345q、Q370q和Q420q鋼材。不同等級的鋼材具有相同的焊接特性時，可采用焊接連接。鋼錨梁和鋼牛腿需要的各種類型的焊接接頭，應采用焊接工藝認證試驗進行驗證。焊接工藝認證試驗審批之后，應當編制焊接工藝實施規(guī)程。焊接環(huán)境應當與焊接工藝認證試驗采用的車間生產(chǎn)條件相同。焊縫金屬應與主體金屬相適應。焊絲的屈服強度、極限抗拉強度、延伸率和夏比V型缺口沖擊功最小值，須等同于或者高于指定的母材。焊縫應根據(jù)結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應力狀態(tài)等情況，按下述原則分別選用不同的質量等級：主要構件受拉的橫向、縱向對接焊縫及設計明確要求的熔透角焊縫為Ⅰ級焊縫；主要構件受壓的橫向、縱向對接焊縫及主要角焊縫為Ⅱ級焊縫；鋼錨梁與鋼牛腿的現(xiàn)場連接可采用栓焊結合方式，也可采用三面圍焊焊接方式。結構分析一般規(guī)定鋼錨梁索塔錨固區(qū)結構分析可采用仿真分析、模型試驗等方法進行。結構分析采用的計算模型和基本假定，應能準確描述結構極限狀態(tài)下的力學行為，其精度應能滿足結構設計要求。根據(jù)分析結構范圍和目的不同，可分為錨固區(qū)整體結構分析和局部結構分析。在結構分析中，宜考慮環(huán)境對構件和結構性能的影響。結構受力分析可按彈性理論進行，但在局部精細化分析時應考慮鋼與混凝土之間摩擦接觸非線性關系。錨固區(qū)整體結構分析錨固區(qū)整體結構整體分析，應對塔柱整個布索區(qū)節(jié)段進行建模并分析。宜采用實體塊或板單元建立有限元模型。整體分析應分別在施工與成橋狀態(tài)選取最不利荷載工況對結構最大主壓應力、最大主拉應力、最大縱向變形、最不利節(jié)段位置進行計算、驗算。整體分析應了解索塔錨固區(qū)上斜拉索豎向力和水平力的傳力途徑和分配比例，并為局部分析提供邊界條件依據(jù)。錨固區(qū)局部結構分析錨固區(qū)局部結構分析的計算模型應包含典型和受力最不利的節(jié)段。局部結構分析的邊界條件需整體分析結果或其他可靠分析結果作為依據(jù)。錨固區(qū)局部結構分析模型，混凝土須采用實體單元模擬，鋼結構宜采用實體塊或板殼單元模擬，預應力采用桿或索單元模擬，剪力連接件可采用以剛度等效的多段梁單元或多向彈簧單元模擬。劃分單元時須注意單元的形狀和尺度問題。單元劃分過程中，須避免局部構造細節(jié)處的單元尺度過大導致的分析失真。鋼錨梁約束條件應符合實橋實際情況。如鋼錨梁采用先滑動后固結的，宜模擬進行施工過程。錨固區(qū)局部結構分析應該進行混凝土收縮、徐變效應影響分析。

條文說明4基本設計規(guī)定4.1設計原則4.1.1鋼錨梁索塔錨固區(qū)在早期中小跨徑斜拉橋中已得到廣泛應用。近些年來，隨著鋼錨梁索塔錨固區(qū)的發(fā)展，在千米級斜拉橋也較廣泛地采用鋼錨梁索塔錨固區(qū)，國內外采用鋼錨梁索塔錨固區(qū)的大跨徑斜拉橋如表1所示。表1國內外采用鋼錨梁索塔錨固區(qū)的大跨徑斜拉橋序號橋名橋型1俄羅斯島大橋主跨1104米雙塔雙索面斜拉橋2滬通長江公鐵兩用橋主跨1092米雙層鋼桁梁公鐵兩用斜拉橋3九江長江公路大橋主跨818米雙塔雙索面混合梁斜拉橋4荊岳長江公路大橋主跨816米雙塔雙索面混合梁斜拉橋5廈漳跨海大橋北汊主橋主跨780米雙塔雙索面斜拉橋6閔浦大橋主跨708米雙塔雙索面雙層公路斜拉橋7中朝鴨綠江界河公路大橋主跨636米雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋8舟山連島工程金塘大橋主跨620米雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋4.1.4根據(jù)多座橋的實測結果，采用U形布置的預應力實際參數(shù)一般偏差較大，為達到設計目的，需要對預應力參數(shù)進行實測，設計時也應適當考慮U形索預應力損失較大的實際情況。4.1.5鋼錨梁索塔錨固區(qū)中鋼錨梁的約束體系有很多方式。在早期鋼錨梁索塔錨固區(qū)中，部分斜拉橋索塔錨固區(qū)采用分離式結構體系，鋼錨梁兩端放置在橡膠支座上，可在限定范圍內滑動，如灌河特大橋。而在九江長江公路大橋、荊岳長江公路大橋等橋梁采用整體式結構體系，索塔錨固區(qū)中的鋼錨梁在斜拉索初張拉后兩端焊接在鋼牛腿上。從抗震角度考慮，優(yōu)先采用整體式結構體系，對分離式結構體系應采用減隔震裝置等措施，減小橋梁的地震反應。4.2作用及取值4.2.3目前，國內90年代建造的混凝土斜拉橋不少已進行了斜拉索更換。橋梁工程作為重要的基礎設施和交通命脈，一般土木結構設計壽命長于斜拉索設計壽命。從當前對既有橋梁實踐看，斜拉索是斜拉橋的薄弱部位，斜拉索錨頭滲水、銹蝕現(xiàn)象較常發(fā)生。因此，斜拉索的正常更換是橋梁在壽命周期內不可避免的事情。因此，從設計角度考慮斜拉索可更換性是必須的，相應的索塔結構也應確保在換索工況下結構的安全性。在九江長江公路大橋索塔錨固區(qū)結構特性及試驗研究中，對假設一根斜拉索失效不利條件下索塔錨固構造的應力、變形進行針對性分析。計算模型節(jié)段數(shù)目為5個，取24、25、26、27、28頂部5個節(jié)段索塔錨固區(qū)，同時在28節(jié)段上方根據(jù)構造延長2m，忽略頂部裝飾。模型底部施加固結約束，頂部自由，鋼錨梁與牛腿之間采用固結約束。分析表明：當索塔錨固區(qū)中的一根斜拉索“失效”時，不考慮沖擊的情況下，對該節(jié)段和附近節(jié)段鋼錨梁和混凝土塔壁受力影響較小，鋼錨梁在單根拉索“失效”情況下仍是安全的。5結構形式與布置5.1結構形式5.1.1中鐵大橋科學研究院有限公司對九江長江公路大橋和荊岳長江公路大橋進行的索塔錨固區(qū)模型試驗研究表明：塔錨固區(qū)斜拉索索力的水平分力大部分都主要由鋼錨梁承擔，而塔壁混凝土僅承受了少部分的水平分力，如表2所示。斜拉橋索塔錨固區(qū)混凝土的開裂主要是由斜拉索索力的水平分力引起的，鋼錨梁兩端固定工況下，鋼錨梁承擔的水平分力比例最大，應避免在施工起始階段采用該約束方式。表2索塔錨固區(qū)鋼錨梁承擔斜拉索水平分力比例橋名工況鋼錨梁承擔比例計算值實測值九江長江公路大橋岸側固定江側滑動88.90%86.60%兩端固定68.80%66.60%推薦支承方式83.70%83.20%荊岳長江公路大橋一端固定一端滑動87.30%推薦支承方式83.70%兩端滑動88.60%根據(jù)對荊岳長江公路大橋進行的實橋索塔錨固區(qū)荷載試驗及模型試驗對比研究表明：豎向鋼牛腿側板連續(xù)或節(jié)段斷開情況下，在相同斜拉索索力作用下鋼牛腿壁板豎向應力測試結果比較接近，說明在設計可靠的情況下，一個節(jié)段內的斜拉索的豎向力可通過該節(jié)段的傳力構件完成豎向力傳遞。5.1.2九江長江公路大橋索塔錨固區(qū)混凝土塔壁上設置的環(huán)向預應力筋為“U”型筋，每個索塔節(jié)段高度方向設5組預應力筋。采用ASTMA416-90a標準270公稱直徑高強度低松弛預應力鋼絞線，在混凝土強度達到設計強度的85％后張拉，張拉為兩端張拉，每束張拉控制力為2346.3kN。預應力布置如圖1所示。模型試驗和實橋驗證結果表明混凝土塔壁未出現(xiàn)裂縫，說明預應力的施加達到了預期的目標。圖1九江長江公路大橋環(huán)向預應力布置示意圖5.1.4早期鋼錨梁索塔錨固區(qū)在斜拉橋中應用較多，其牛腿主要采用鋼筋混凝土牛腿。但隨著斜拉橋跨度和斜拉索索力的增加，鋼筋混凝土牛腿在與塔壁連接位置、牛腿外側面等位置混凝土主拉應力較大，混凝土開裂控制比較困難。在荊岳長江公路大橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)設計前期，進行過混凝土牛腿和鋼牛腿的比選，通過仿真對比分析最終選擇確定采用鋼牛腿。預應力鋼筋混凝土牛腿在橋梁實際應用比較少。 目前九江長江公路大橋、金塘大橋等采用整體式鋼牛腿，能承擔較大的斜拉索索力作用，同時施工也較為便捷，其造價較混凝土牛腿稍高，適用較大跨度的斜拉橋。對于部分矢跨比和斜拉索索力比較大索塔錨固區(qū)（如鐵路橋和公鐵兩用橋），由于其斜拉索豎向分力較大，需要布置較大密度的剪力釘群保證界面抗剪能力滿足要求。對于400m以下的中小跨徑斜拉橋，鋼筋混凝土牛腿或預應力鋼筋混凝土牛腿是相對經(jīng)濟的選擇。5.1.6鋼錨梁采用非剛性約束體系后，斜拉索水平力主要由鋼錨梁承擔，塔壁承擔不平衡部分的斜拉索水平力，對塔壁混凝土受力有利。鋼錨梁采用剛性約束后，鋼錨梁和塔壁共同承擔斜拉索的水平力，對塔壁混凝土受力不利，容易引起混凝土開裂。成橋后，鋼錨梁采用非剛性約束體系后，在斜拉索不平衡索力及地震等突發(fā)荷載作用下，鋼錨梁有傾覆的風險。 綜合各種利弊后，九江長江公路大橋實橋采用：整體吊裝施工前，鋼錨梁岸側端鋼錨梁底板與鋼牛腿頂板采用直接焊接的方式固定一端，江側端鋼錨梁與牛腿用螺栓臨時固結，形成整體吊裝，整體安裝后，先松開連接螺栓，才能進行斜拉索張拉。拉索張拉完畢后，將滑動端頂板與鋼牛腿頂板焊接形成固定，這樣的鋼錨梁約束方案相對較好。5.1.7九江長江公路大橋鋼牛腿在節(jié)段間采用磨光頂緊后螺栓接，國內鄂東長江公路大橋（鋼錨箱）和荊岳長江公路大橋均采用該連接方式。從受力角度考慮，如鋼混結構中采用的是柔性剪力連接件，建議采用節(jié)段之間緊密連接，剪力連接件整體協(xié)同受力效果會較好；如組合結構中是采用相對剛性的剪力連接件，則建議采用節(jié)段間分離，以避免個別剪力連接件受力過大。5.2結構尺寸5.2.4錨墊板的厚度應該結合斜拉索錨頭具體接觸面積進行確定。宜建立空間有限元分析模型，進行相關應力和變形的驗算。5.3結構構造設計5.3.4鋼與混凝土界面的密封性處理方法有很多，常見有三種防護手段：（1）采用防水材料對鋼混界面封閉，如瀝青、聚氨酯等；（2）采用環(huán)氧樹脂類膠劑對鋼混凝土界面封閉，如粘鋼膠、環(huán)氧膠泥、環(huán)氧砂漿等；（3）在鋼混界面提前預埋可壓縮密封條，如瑪碲脂密封壓條等。6錨固區(qū)結構設計6.2混凝土結構設計6.2.2當鋼錨梁與牛腿采用兩端固定約束時，斜拉索的水平力傳力由鋼錨梁與混凝土塔壁協(xié)同受力，兩者受力的分配關系跟結構變形協(xié)調相關。將圖1所示錨固區(qū)結構離散成混凝土框架和鋼錨梁模型，取一半模型。斜拉索的總水平分力直接作用于鋼錨梁上，一部分水平分力T由鋼錨梁承擔，另一部分由混凝土塔壁承擔P，錨固區(qū)的內力分析模型如圖2（a）所示，即有如下關系式：。錨固區(qū)變形分析如圖2（a）所示，錨箱拉板端部有變形，同位置的混凝土塔壁聯(lián)合體有變形。內置式鋼錨梁錨固區(qū)的彎矩分布和大小分析如圖2（b）所示。鋼錨梁拉板在拉力T的作用下，將產(chǎn)生單向拉伸變形，拉伸量為(1)式中，為鋼錨梁的彈性模量；為鋼錨梁橫截面積；c為鋼錨梁長度。圖2索塔錨固區(qū)水平傳力分析混凝土塔壁和牛腿的聯(lián)合體受水平分力作用，其總變形由索塔端壁的彎曲變形和側壁的拉伸變形組成，在錨箱拉板端部位置的變形為(2)式中，為混凝土端壁和牛腿聯(lián)合體的抗彎剛度；a為索塔順橋向長度；b為索塔橫橋向寬度；為混凝土的彈性模量；為混凝土側壁的截面積。根據(jù)錨箱拉板和混凝土塔壁的變形協(xié)調關系，將式（1）和式（2）代入后得到鋼錨梁與混凝土水平分力分配式為：(3)式（3）為該大橋索塔錨固區(qū)水平力分配關系式，將大橋的結構尺寸代入式（3）得鋼錨梁與混凝土水平分力承擔力的比值T/P為2.24，即當鋼錨梁與混凝土采用兩端固定約束方式時，鋼錨梁承擔69.1%的斜拉索水平分力，混凝土塔壁承擔30.9%的斜拉索水平分力。根據(jù)圖2（b）彎矩分布圖，在混凝土索塔的端壁中央和側壁有較大的彎矩，其中外端壁和內側壁受拉。如不考慮荷載的局部效應及混凝土的剪切變形，外端壁和內側壁的最大名義應力如式（4）和式（5）所示。（4）（5）式中，為內側壁混凝土名義應力；為外端壁混凝土名義應力；c為側壁厚。6.2.5預應力鋼束張拉通常是采取張拉力（油表讀數(shù)）和伸長量雙控，而小曲率半徑“U”型預應力鋼束張拉時，伸長量控制存在一定的偶然偏差，這就要求用于小曲率半徑“U”型預應力鋼束張拉的設備必須具有更高的精度及工作性能。索塔預應力為小曲率半徑鋼束，在計算理論伸長量過程中必須考慮圓弧位置的“貼壁”效應、結構徑向壓縮變形、張拉工作長度、夾片錨固回縮等的影響，建議采用有資質試驗單位孔道摩阻現(xiàn)場試驗的方式提出伸長量控制指標，不宜局限于規(guī)范規(guī)定的±6%限值。6.3剪力連接設計6.3.3在以往索塔錨固區(qū)模型試驗過程中，曾發(fā)現(xiàn)在索塔錨固區(qū)中焊釘和開孔板連接件混合使用時，由于剛度不同使開孔板位置在低加載級別下首先開裂的情況。因此為避免局部剛性剪力連接件成為混凝土開裂的誘因，不建議柔性剪力連接件和剛性剪力連接件混合使用。當剪力連接件的受力水平較高，應采用加大剪力連接件的布置密度和布置范圍、調整剪力連接件的布置間距來改善局部剪力件的受力。增加鋼板厚度可使剪力連接件受力更加均勻。在索塔結構豎向兩端往往是連接件受力集中的位置，建議有條件時在索塔錨固區(qū)的底部節(jié)段和頂部節(jié)段均往下或往上延伸0.5倍節(jié)段高度，也用于布置剪力連接件。6.4焊接連接設計6.4.5九江長江公路大橋的鋼錨梁與牛腿之間采用了三面圍焊焊縫方式，根據(jù)試驗結果，三面圍焊應采用合理的焊接順利。建議先焊中間的橫向焊縫（圖3中焊縫①），再焊兩側的縱向焊縫（圖3中焊縫②）。鋼錨梁焊接固定時宜選擇風力較小及橋面荷載相對穩(wěn)定的時段，避免荷載擾動影響焊縫成型。圖3錨梁與牛腿間焊縫焊接順序示意圖7結構分析7.1一般規(guī)定7.1.1為得到實橋上鋼錨梁索塔錨固區(qū)的真實受力情況，對荊岳長江公路大橋索塔錨固區(qū)在成橋荷載試驗時的索力及應力等進行了實測，并和節(jié)段足尺模型試驗結果進行了對比。結果表明，在相同的斜拉索增量索力作用下兩者分布規(guī)律基本一致，而實橋應力、鋼錨梁荷載分配測試值總體相對偏小。在荊岳長江公路大橋中跨最大撓度試驗工況荷載作用下，測試節(jié)段索力增量分析如表3所示。其中，對應的斜拉索索力實測增量為1121kN（理論索力增量為1089kN），該索力增量相當于索塔錨固節(jié)段足尺模型試驗控制索力的0.18倍。表3測試節(jié)段索力增量分析表（單位：kN)位置初張拉恒載模型試驗控制索力理論增量實測增量中跨側42305197631810891121邊跨側454056806210530/將實橋荷載試驗應力測試值與節(jié)段足尺模型試驗的應力測試值進行比較。兩者最大主應力σ1的比值在0.51～0.99之間，最小主應力σ3的比值在0.70～0.98之間，實測換算VonMisise應力σv的比值在0.72～0.97之間。由此可知，在相同的斜拉索索力增量下，二者的應力分布規(guī)律基本一致，實橋荷載試驗測得的應力測試值總體上是相對偏小。鄂東長江公路大橋索塔錨固區(qū)實橋荷載試驗應力測試得到的結果與之一致，說明通過單節(jié)段的足尺模型試驗完全可以研究實橋多節(jié)段索塔的受力情況、傳力途徑，單節(jié)段模型應力結果是偏于保守的。實橋成橋荷載試驗加載時索塔錨固區(qū)鋼錨梁各截面承擔的水平力結果見表4，可知實橋上鋼錨梁承擔的斜拉索索力水平分力測試比例為59.9%，節(jié)段足尺模型同約束方式下測試比例為71.1%，說明索塔錨固區(qū)中鋼錨梁承擔了大部分的水平索力。實橋測試鋼錨梁水平力承擔比例略小于模型試驗測試結果，主要原因應跟水平力不平衡、實橋塔壁等效剛度大于單節(jié)段模型塔壁及混凝土彈性模量增長等有關。表4實橋鋼錨梁各截面承擔的水平力鋼錨梁位置面積(mm2)實測縱向應力(MPa)水平力(kN)百分比模型試驗水平測試比例底板143363.7153.165.3%5.5%腹板426246.70285.5828.4%34.5%頂板2520010.48264.0126.231.2%合計82160602.7559.9%71.1%測試節(jié)段斜拉索水平力分析如表5所示。荷載試驗加載在測試節(jié)段產(chǎn)生的不平衡水平力為613.68kN，其中404.81kN不平衡水平力通過中跨側鋼錨梁與鋼牛腿焊縫以壓力方式傳遞至塔壁，208.86kN不平衡水平力通過邊跨側鋼錨梁與鋼牛腿焊縫以拉力方式傳遞至塔壁。未平衡水平力的分配比例應由該位置往中跨側受壓剛度和從邊跨受拉剛度決定，實測結果表明兩邊壓拉剛度約為2:1。因此，當索塔錨固區(qū)兩側斜拉索出現(xiàn)較大不平衡水平力并引起一側牛腿壁板與塔壁界面受拉時，鋼錨梁承擔的水平力應為受拉側水平力與該側鋼牛腿拉拔力（約1/3未平衡水平力）的和。另外，邊跨側鋼牛腿布置有220個剪力釘，完全能抵御208.86kN拉拔力作用，鋼混界面不會因為不平衡節(jié)段水平力分開。表5斜拉索水平力分析表位置斜拉索傾角（°）索力增量（kN)水平力增量(kN)鋼錨梁拉力(kN)鋼牛腿水平力(kN)中跨側2611211007.56602.75404.81邊跨側42530393.89602.75208.86斜拉索直接作用于鋼錨梁上，豎向分力由鋼牛腿壁板和塔壁承擔，鋼錨梁和剪力釘是豎向力的傳力構件。表4為實橋和模型試驗的鋼牛腿壁板豎向應力結果，其中節(jié)段試驗模型中的鋼牛腿為底面脫空。由表可知，兩者實測豎向應力比較接近，說明斜拉索的豎向力主要由塔壁承擔。實橋實測應力還略小于鋼錨梁脫空模型試驗實測值，主要原因是由于測試節(jié)段上方結構參與受力。綜上可知，在試驗荷載增量作用下，不存在每根斜拉索豎向力在鋼牛腿上會依次往下疊加的受力情況，整個塔柱的鋼牛腿壁板與塔壁是整體協(xié)同受力。表6中跨側鋼牛腿壁板豎向實測應力分布（MPa）測點號實橋測試模型試驗差值比例39-12.54-14.01-10.5%41-3.34-4.6-27.4%42-3.06-3.31-7.6%7.3錨固區(qū)局部結構分析7.3.2斜拉橋索塔錨固區(qū)的受力十分復雜，一般采用大型有限元計算分析軟件進行建模并計算分析。對于鋼混凝土索塔錨固區(qū)，其受力分布、傳力機理等都較普通索塔錨固區(qū)復雜，