DB36T_1010-2018_斜拉桥_钢锚梁索塔锚固区设计规范.pdf

ICS 93.040 P66 DB36 江西省地方标准 DB36/T 10102018 斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计规范 design guidelines for steel anchor beam anchorage zone in Pylon of Cable-bridge 2018 - 3 - 5 发布 2018 - 9 - 1 实施 江西省质量技术监督局 发 布 DB36/T 10102018 1 目 次 前言 ................................................................................. 2 引言 ................................................................................. 3 1 范围 .............................................................................. 4 2 规范性引用文件 .................................................................... 4 3 术语和定义 ........................................................................ 4 4 符号 .............................................................................. 6 5 基本要求 .......................................................................... 6 6 设计要求 .......................................................................... 9 7 结构形式与构造 .................................................................... 9 8 锚固区结构设计 ................................................................... 11 DB36/T 10102018 2 前 言 本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。 本标准由江西省交通运输厅提出并归口。 本标准起草单位江西省高速公路投资集团有限公司、中铁大桥科学研究院有限公司、江西省交通 设计研究院有限公司、江西省交通科学研究院。 本标准主要起草人江祥林、薛志辉、王运金、曾德礼、何伟兵、彭旭民、尹夏明、陶路、李娟燕、 吴宝诗、黄清、魏建华、刘礼辉、蒋王清、刘卫华、费伦林、万纯斌。 DB36/T 10102018 3 引 言 为提升钢锚梁索塔锚固区设计水平，促进钢锚梁索塔锚固区在江西交通系统大跨度桥梁的推广应 用，在调研已建成斜拉桥索塔锚固区国内外设计案例，总结相关研究成果及其应用实际经验，收集并参 考国内外现行的有关规范、标准和规程的基础上，制定本标准。 DB36/T 10102018 4 斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计规范 1 范围 本标准规定了斜拉桥钢锚梁索塔锚固区的术语和定义、 基本要求、 设计要求及结构形式与构造等。 。 本标准适用于新建斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 714 桥梁用结构钢 GB/T 1228 钢结构用高强度大六角头螺栓 GB/T 1229 钢结构用高强度大六角螺母 GB/T 1230 钢结构用高强度垫圈 GB/T 1231 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件 GB 1499.1 钢筋混凝土用钢第一部分热轧光圆钢筋 GB 1499.2 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 GB/T 5224 预应力混凝土用钢绞线 GB/T 10433 电弧螺柱焊用圆柱头焊钉 GB 14370 预应力筋用锚具、夹具和连接 GBT 20065 预应力混凝土用螺纹钢筋 GB 50017 钢结构设计规范 GB/T 50153 公路工程结构可靠性设计统一标准 JTG/T B02 公路桥梁抗震设计细则 JTG D60 公路桥涵设计通用规范 JTG/T D60-01 公路桥梁抗风设计规范 JTG D 62 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D64 公路钢结构桥梁设计规范 JTG/T D65-01 公路斜拉桥设计细则 JTG/T F50 公路桥涵施工技术规范 BS 5400-5 钢桥、混凝土桥及结合桥 3 术语和定义 3.1 斜拉桥 Cable-stayed bridge 将斜拉索两端分别锚固在塔和梁或其他载体上，形成塔、梁、索共同承载的结构体系。 DB36/T 10102018 5 3.2 斜拉索 Stay cable 承受拉力并支承主梁的构件。 3.3 索塔 Pylon 用以锚固或支承斜拉索，并将其索力传递给下部结构的构件。 3.4 索塔锚固区 Cable-pylon anchorage zone 索塔上锚固斜拉索的索塔结构部位。 3.5 钢锚梁 Steel anchor beam 索塔上锚固斜拉索的梁形钢结构装置。 3.6 牛腿 Corbel 与塔柱相连或塔柱的一部分，用于支撑钢锚梁的结构装置。 3.7 锚垫板 Anchor plate 钢锚梁上用于支撑斜拉索锚头的厚钢垫板。 3.8 剪力连接件 Shear connection 连接钢、混凝土两种材料结构的部件，常用圆柱头焊钉和开孔板连接件。 3.9 约束体系 Constraint system 钢锚梁在两端与索塔牛腿的约束方式。 3.10 斜拉索初拉力 Initial cable force 斜拉索安装到梁段上时，对斜拉索施加的初始张拉力。 3.11 预拼装 Pre-assembled 为检验构件是否满足安装质量要求而在出厂前进行整体或分段分层临时性组装的作业过程。 DB36/T 10102018 6 4 符号 下列符号适用于本文件。 fck混凝土轴心抗压强度标准值。 fcd混凝土轴心抗压强度设计值。 ftk混凝土轴心抗拉强度标准值。 ftd混凝土轴心抗拉强度设计值。 Ec混凝土的弹性模量。 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材料的线膨胀系数。 ƒpd’ 预应力的抗压强度设计值。 ƒpk 预应力的抗拉强度标准值。 ƒpd预应力的抗拉强度设计值。 Ep预应力的弹性模量。 K孔道摩擦系数。 Μ孔道偏差系数。 [σ]钢材的轴向容许应力。 [σw]钢材的弯曲容许应力。 [τ]钢材的剪切容许应力。 Es钢材的弹性模量。 [ ]T圆柱头焊钉平均承载力。 d圆柱头焊钉的直径。 H圆柱头焊钉的高度，mm。 ck σ 桥面板混凝土抗压强度标准，MPa。 c y N 焊钉的最大承载力设计值。 c E 混凝土弹性模量。 s A 圆柱头焊钉钉杆截面面积。 f 圆柱头焊钉抗拉强度设计值。 r栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。 5 基本要求 5.1 材料 5.1.1 混凝土选用 索塔锚固区混凝土强度等级不宜低于C50，技术条件应符合JTG D62的规定。部分高标号混凝土的材 料特性见表1。 DB36/T 10102018 7 表1 混凝土的材料特性 强度等级 C50 C55 C60 抗压强度 （MPa） 标准值 fck 32.4 35.5 38.5 设计值 fcd 22.4 24.4 26.5 抗拉强度 （MPa） 标准值 ftk 2.65 2.74 2.85 设计值 ftd 1.83 1.89 1.96 弹性模量 Ec（MPa） 3.45104 3.55104 3.6104 剪切模量 Gc（MPa） 1.38104 1.42104 1.44104 泊松比 ν 0.2 0.2 0.2 重力密度 ρ（kN/m3） 25.026.0 25.026.0 25.026.0 线膨胀系数 α（1/℃） 1.010-5 1.010-5 1.010-5 5.1.2 普通钢筋选用 钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋应选用热轧HPB235、HRB335及HRB400及KL400钢筋， 其技术标准应分别符合GB 1499.1和GB 1499.2的规定。 5.1.3 预应力材料选用 预应力钢绞线、预应力粗钢筋及预应力筋用锚具、夹具和连接的技术条件应分别符合GB/T 5224、 GB/T 20065和GB 14370的规定要求。 预应力钢筋的主要材料性能摘录见表2。 表2 预应力钢筋材料性能 钢筋种类 钢绞线1x7 精轧螺纹粗钢筋 符号 ΦS15.2 PSB830 PSB930 PSB1080 抗压强度 MPa） 设计值 ƒpd’ 390 400 400 400 抗拉强度（MPa） 标准值 ƒpk 1860 830 930 1080 设计值 ƒpd 1260 690 775 900 弹性模量 Ep（MPa） 1.95105 2.0105 单根延米质量 kg/m 1.101 35.9 名义直径 75mm 线膨胀系数 α（1/℃） 1.2x10-5 5.1.4 计算预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失，局部偏差影响系数 k 和摩擦系数 μ 如表 3 所示，具体参数可通过预应力孔道摩阻试验测试。 DB36/T 10102018 8 表3 摩擦系数和局部偏差系数 管道成型方式 k μ 钢绞线（17） 精轧螺纹粗钢筋 预埋金属波纹管 0.0015 0.200.25 0.50 预埋塑料波纹管 0.0015 0.140.17 / 5.1.5 结构钢材选用 钢锚梁和钢牛腿根据受力宜选择采用Q345q、Q370q 和Q420q，其技术条件应满足GB/T 714的规定要 求。 主体结构用钢材的主要材料性能如表4 所示。 表4 钢材主要材料性能 钢材牌号 Q345q Q355NH Q370q Q420q 轴向容许应力 [σ]MPa 200 210 210 230 弯曲容许应力 [σw]MPa 210 220 220 240 剪切容许应力 [τ]MPa 120 120 125 140 端面承载容许应力 MPa 300 315 315 345 弹性模量 Es（MPa） 2.10 x105 重力密度 ρkN/m3 78.5 线膨胀系数 α1/oC 1.2x10-5 注本表所列容许应力适用于钢材板厚小于16mm 情形，当钢材板厚大于20mm，屈服点有变化时，容许应力应乘以 屈服强度降低的比例系数。 5.1.6 剪力连接件推荐采用圆柱头焊钉，其材料为 ML15，其技术条件应符合 GB/T 10433 的规定。也 可采用开孔板连接件。 5.1.7 高强螺栓的技术条件应满足 GB/T 1228 的规定要求；螺母的技术条件应满足 GB/T 1229 的规定 要求；垫圈的技术条件应满足 GB/T 1230 的规定要求；同时均应满足 GB/T 1231 的规定要求。 5.1.8 焊接材料应通过焊接工艺评定试验进行选择，所选焊条、焊剂、焊丝均应符合相应的国家标准。 5.2 作用及取值 5.2.1 钢锚梁索塔锚固区所受荷载依据 JTG D60 规定取用。 5.2.2 在进行最不利组合索力结构验算时， 应至少包含最大索力工况、同节段最大索力差值工况。 5.2.3 索塔锚固区结构应考虑特殊情况下斜拉索失效效应（单侧单根换索或断索）。 DB36/T 10102018 9 6 设计要求 6.1 钢锚梁索塔锚固区适用于常规及大跨度的斜拉桥，在大跨度（600m 以上）斜拉桥上应用经济性相 对较好。 6.2 指定的钢锚梁索塔锚固区中的钢筋混凝土构件、预应力钢筋混凝土构件和剪力连接件按极限状态 法设计，索塔锚固区中的钢构件采用容许应力法设计。若本规范无特殊规定，钢筋混凝土构件结构强度 （承载能力或应力）验算、剪力连接件结构强度（承载力）验算及钢构件结构强度（刚度或稳定性）验 算应分别满足 JTGD62、GB50017 和 JTG D64 的有关规定。 6.3 索塔锚固区中的塔壁混凝土构件、剪力连接件等主要受力构件，应同时进行承载能力极限状态和 正常使用极限状态设计。 6.4 索塔锚固区结构抗风设计宜结合结构特点遵照 JTG/T D60 进行。斜拉索应安装减震阻尼装置以减 小风振引起共振的风险。 6.5 索塔锚固区结构抗震设计宜结合结构特点遵照 JTG/TB02 进行。 锚固区宜采用有利于桥梁结构整体 性的连接方式，并应考虑结构的耐久性要求；采用对抗震有利的延性结构或材料；条件允许时，可采用 减隔震装置，减小桥梁的地震反应。 6.6 索塔锚固区结构构件的强度和稳定性验算应按有效净截面计算，变形验算可按毛截面计算。 7 结构形式与构造 7.1 结构形式 7.1.1 钢锚梁索塔锚固区由钢锚梁、混凝土塔壁及牛腿结构组成，如图 1 所示。钢锚梁是斜拉索水平 力的主要受力结构， 混凝土塔壁是斜拉索竖向力的主要受力结构， 牛腿是钢锚梁的支承结构和斜拉索竖 向力的传力结构。 牛腿 钢锚梁 混凝土塔壁 图1 钢锚梁索塔锚固区组成示意 7.1.2 混凝土塔壁一般采用环向预应力钢筋混凝土结构。 7.1.3 钢锚梁由斜拉索锚固传力装置和纵梁结构组成，如图 2 所示。斜拉索锚固装置由锚垫板、加劲 板、钢锚梁侧板组成。纵梁多采用箱型闭合结构，也可采用由钢锚梁侧板与杆件组成的非闭合结构。 DB36/T 10102018 10 图2 钢锚梁结构示意 7.1.4 钢锚梁索塔锚固区中的牛腿有钢筋混凝土牛腿、预应力钢筋混凝土牛腿、钢结构牛腿（简称钢 牛腿），如图 3 所示。主跨超过 800m 时宜采用钢牛腿，主跨小于 400m 时宜采用钢筋混凝土牛腿或预应 力钢筋混凝土牛腿。 图3 牛腿结构示意 7.1.5 钢锚梁索塔锚固区平面布置视主塔形式、施工便利性等因素可采用单梁单索面、单梁双索面和 双梁双索面等构造形式，如图 4 所示。 图4 钢锚梁索塔锚固区平面布置示意 7.1.6 钢锚梁约束体系常见的主要有刚性连接、非刚性连接、先滑动后固结等方式，如图 5 所示。针 对钢锚梁和钢牛腿的组合结构形式，宜采用先滑动后固结的方式。 DB36/T 10102018 11 a）刚性连接 b）滑动连接 图5 钢锚梁约束体系示意 7.1.7 钢牛腿节段之间连接方式，常见的有焊接和高强螺栓连接两种。 7.2 结构尺寸 7.2.1 索塔锚固区平面布置的结构尺寸应根据结构整体和局部受力要求、检查维护便利性、施工便利 性以及造型与景观等方面进行，综合考虑得出相应最优方案。应考虑的事宜包括 a 整体刚度索塔锚固区所在上塔柱的整体刚度满足桥梁整体受力要求； b 局部强度索塔锚固区能承担最大斜拉索集中力的作用； c 检查维护通道索塔锚固区内腔预留电梯、扶梯、照明等检查维护通道； d 施工平台预留斜拉索塔端张拉的施工和操作平台； e 造型与景观与外部环境协调、美观； f 防水主塔内部应该防止雨水等渗入。 7.2.2 钢锚梁索塔锚固区的节段高度主要考虑该节段结构能承担本节段斜拉索水平分力的作用，同时 能承担本节段斜拉索竖向分力的作用， 并将该竖向力传递至混凝土塔壁。 对于跨度超过 500m 的斜拉桥， 其节段高度宜不小于 1.5m。 7.2.3 钢锚梁的结构尺寸主要考虑以下几个因素 a 钢锚梁中截面上合理的应力水平和变形限值； b 斜拉索锚固传力结构的板件稳定性要求； c 钢锚梁侧拉板倒角位置应力集中处的应力水平。 7.2.4 锚垫板厚度宜根据斜拉索索力大小确定，总厚度不宜小于 70cm。 7.3 构造要求 7.3.1 钢锚梁索塔锚固区各构件的构造要求应遵照 JTG D64、JTG D 62 及 JTG/T D65 等国家或行业规 范的要求。 7.3.2 钢锚梁和钢牛腿的制造、运输、吊装应采用分节段的形式。节段连接宜采用高强螺栓连接。 7.3.3 斜拉索在塔端张拉的应预留张拉空间和施工操作。塔柱内部应布置楼梯、扶手、照明，有条件 时宜布置电梯等升降设施。 7.3.4 索塔锚固区的构造设计应为后期斜拉索更换提供便利条件。 7.3.5 钢牛腿、钢锚梁及连接构件作为桥梁的永久结构，应做好防腐设计。钢锚梁内壁宜采用防腐涂 装，条件容许时可加抽湿。在斜拉索塔端锚头、预应力锚头、钢混界面等部位应进行密封性处理。 8 锚固区结构设计 8.1 一般规定 DB36/T 10102018 12 8.1.1 钢锚梁索塔锚固区结构分析可采用仿真分析、模型试验等方法进行。 8.1.2 根据分析结构范围和目的不同，可分为锚固区整体结构分析和局部结构分析。 8.1.3 结构受力分析可按弹性理论进行，但在局部精细化分析时应考虑钢与混凝土之间摩擦接触非线 性关系。 8.1.4 锚固区整体结构整体分析，应对塔柱整个布索区节段进行建模并分析。宜采用实体块或板单元 建立有限元模型。 8.1.5 锚固区局部结构分析的计算模型应包含典型和受力最不利的节段。局部结构分析的边界条件应 整体分析结果或其他可靠分析结果作为依据。 8.1.6 锚固区局部结构分析模型， 混凝土宜采用实体单元模拟， 钢结构宜采用实体块或板壳单元模拟， 预应力宜采用杆或索单元模拟，剪力连接件宜采用以刚度等效的多段梁单元或多向弹簧单元模拟。 8.2 钢结构板件设计 8.2.1 索塔锚固区中钢结构应建立空间模型，进行局部受力分析，各项计算应力值应满足相关规范要 求。 8.2.2 钢锚梁中部的钢梁可按轴向受拉构件进行设计。钢锚梁斜拉索锚固结构应考虑相邻锚固板件之 间的相互影响，并验算各板件的应力和变形。 8.2.3 对采用构造复杂或新型结构的钢锚梁，应进行足尺模型试验研究。 8.2.4 钢锚梁和钢牛腿所应保证不出现局部失稳，对于受压应力和变形较大的板件应布置加劲肋。 8.3 混凝土结构设计 8.3.1 根据索塔锚固区的简化计算模型，端壁宜按受弯构件进行设计，侧壁宜按受拉构件进行设计， 预应力锚固位置按局部承压构件进行设计。 8.3.2 钢锚梁索塔锚固区混凝土塔壁宜布置预应力。如采用钢筋混凝土构件和 B 类预应力混凝土构件 进行设计，应进行最大裂缝宽度验算，裂缝宽度限值不宜超过 0.15mm。 8.3.3 混凝土塔壁的预应力布置形式主要有井字型、形成封闭环的 U 型预应力、U 型与直线束组合等。 采用 U 形布置时，预应力损失和伸长量偏差较普通预应力筋大，应在施工前进行孔道摩阻测试。 8.3.4 塔壁钢筋混凝土和钢筋应能够承受抗剪连接键传递的荷载， 并确保无任何剪力滑动、 板壁分离、 纵向裂纹、局部破碎或断裂等现象。 8.4 剪力连接件设计 8.4.1 钢-混凝土结构中的剪力连接件主要有圆柱头焊钉和开孔板连接件。 对锚固区结构宜优先采用刚 度适中的圆柱头焊钉。 8.4.2 在钢锚梁索塔锚固区中，剪力连接件的布置可采用集束式，也可采用均布式，如图 6 所示。集 束式剪力连接件布置以节段为单位，在斜拉索索导管附近布置剪力连接件群。 DB36/T 10102018 13 a均布式 b）集束式 图6 剪力连接件布置方式示意 8.4.3 圆柱头焊钉属于柔性剪力连接件，在索塔锚固结构中不宜与其他刚性剪力连接件混合使用。 8.4.4 钢锚梁索塔锚固区中采用的圆柱头焊钉应符合下列要求 a 圆柱头焊钉的材料、机械性能以及焊接要求应满足 GB/T 10433 的规定。 b 圆柱焊钉最小长度不应小于 6 倍直径。 c 钢板厚度不应小于圆柱头焊钉直径的 1.0 倍。 d 焊钉的布置平均间距不宜超过 220mm，最大间距不宜超过 300mm。焊钉的外侧边缘与钢板边缘 的距离不应小于 1.2 倍的焊钉直径。 8.4.5 在钢锚梁索塔锚固区结构中，圆柱头焊钉的平均承载力应满足下列计算公式 [ ] ck dTσ 2 4 . 9 5 . 5/≥dH ............................. 1 [ ] ck dHTσ72 . 1 5 . 5/dH ............................ 2 式中 d圆柱头焊钉的直径，mm； H圆柱头焊钉的高度，mm； ck σ桥面板混凝土抗压强度标准，MPa。 8.4.6 在钢锚梁索塔锚固区结构中，单个焊钉的最大承载力设计值 rfAfEAN scs c y 7 . 043 . 0 ............................... 3 式中 c E混凝土弹性模量； s A圆柱头焊钉钉杆截面面积； f圆柱头焊钉抗拉强度设计值； r栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。 DB36/T 10102018 14 8.5 焊缝设计 8.5.1 根据应力要求，钢锚梁和钢牛腿可采用 Q345q、Q370q 和 Q420q 钢材。不同等级的钢材具有相同 的焊接特性时，可采用焊接连接。 8.5.2 钢锚梁与钢牛腿的现场连接可采用栓焊结合方式，也可采用三面围焊焊接方式。 _________________________________ DB36/T 10102018 15 条文说明 4 基本设计规定基本设计规定 4.1 设计原则设计原则 4.1.1 钢锚梁索塔锚固区在早期中小跨径斜拉桥中已得到广泛应用。近些年来，随着钢锚梁索塔锚固 区的发展， 在千米级斜拉桥也较广泛地采用钢锚梁索塔锚固区， 国内外采用钢锚梁索塔锚固区的大跨径 斜拉桥如附表 1 所示。 附表 1 国内外采用钢锚梁索塔锚固区的大跨径斜拉桥 序号 桥名 桥型 1 俄罗斯岛大桥 主跨 1104 米双塔双索面斜拉桥 2 沪通长江公铁两用桥 主跨 1092 米双层钢桁梁公铁两用斜拉桥 3 九江长江公路大桥 主跨 818 米双塔双索面混合梁斜拉桥 4 荆岳长江公路大桥 主跨 816 米双塔双索面混合梁斜拉桥 5 厦漳跨海大桥北汊主桥 主跨 780 米双塔双索面斜拉桥 6 闵浦大桥 主跨 708 米双塔双索面双层公路斜拉桥 7 中朝鸭绿江界河公路大桥 主跨 636 米双塔双索面钢箱梁斜拉桥 8 舟山连岛工程金塘大桥 主跨 620 米双塔双索面钢箱梁斜拉桥 4.1.4 根据多座桥的实测结果，采用 U 形布置的预应力实际参数一般偏差较大，为达到设计目的， 宜对预应力参数进行实测，设计时也应适当考虑 U 形索预应力损失较大的实际情况。 4.1.5 钢锚梁索塔锚固区中钢锚梁的约束体系有很多方式。在早期钢锚梁索塔锚固区中，部分斜拉桥 索塔锚固区采用分离式结构体系， 钢锚梁两端放置在橡胶支座上， 可在限定范围内滑动， 如灌河特大桥。 而在九江长江公路大桥、 荆岳长江公路大桥等桥梁采用整体式结构体系， 索塔锚固区中的钢锚梁在斜拉 索初张拉后两端焊接在钢牛腿上。从抗震角度考虑，优先采用整体式结构体系，对分离式结构体系应采 用减隔震装置等措施，减小桥梁的地震反应。 4.2 作用及取值作用及取值 4.2.3 目前， 国内 90 年代建造的混凝土斜拉桥不少已进行了斜拉索更换。 桥梁工程作为重要的基础设 施和交通命脉，一般土木结构设计寿命长于斜拉索设计寿命。从当前对既有桥梁实践看，斜拉索是斜拉 桥的薄弱部位，斜拉索锚头渗水、锈蚀现象较常发生。因此，斜拉索的正常更换是桥梁在寿命周期内不 可避免的事情。因此，从设计角度考虑斜拉索可更换性是必须的，相应的索塔结构也应确保在换索工况 下结构的安全性。 DB36/T 10102018 16 在九江长江公路大桥索塔锚固区结构特性及试验研究中， 对假设一根斜拉索失效不利条件下索塔锚 固构造的应力、变形进行针对性分析。计算模型节段数目为 5 个，取 24、25、26、27、28 顶部 5 个节 段索塔锚固区，同时在 28 节段上方根据构造延长 2m，忽略顶部装饰。模型底部施加固结约束，顶部自 由，钢锚梁与牛腿之间采用固结约束。分析表明当索塔锚固区中的一根斜拉索“失效”时，不考虑冲 击的情况下，对该节段和附近节段钢锚梁和混凝土塔壁受力影响较小，钢锚梁在单根拉索“失效”情况 下仍是安全的。 6 结构形式与布置结构形式与布置 6.1 结构形式结构形式 6.1.1 中铁大桥科学研究院有限公司对九江长江公路大桥和荆岳长江公路大桥进行的索塔锚固区模型 试验研究表明 塔锚固区斜拉索索力的水平分力大部分都主要由钢锚梁承担， 而塔壁混凝土仅承受了少 部分的水平分力， 如附表 2 所示。 斜拉桥索塔锚固区混凝土的开裂主要是由斜拉索索力的水平分力引起 的， 钢锚梁两端固定工况下， 钢锚梁承担的水平分力比例最大， 应避免在施工起始阶段采用该约束方式。 附表 2 索塔锚固区钢锚梁承担斜拉索水平分力比例 桥名 工况 钢锚梁承担比例 计算值 实测值 九江长江公路 大桥 岸侧固定江侧滑动 88.90 86.60 两端固定 68.80 66.60 推荐支承方式 83.70 83.20 荆岳长江公路 大桥 一端固定一端滑动 87.30 推荐支承方式 83.70 两端滑动 88.60 根据对荆岳长江公路大桥进行的实桥索塔锚固区荷载试验及模型试验对比研究表明 竖向钢牛腿侧 板连续或节段断开情况下， 在相同斜拉索索力作用下钢牛腿壁板竖向应力测试结果比较接近， 说明在设 计可靠的情况下，一个节段内的斜拉索的竖向力可通过该节段的传力构件完成竖向力传递。 6.1.2 九江长江公路大桥索塔锚固区混凝土塔壁上设置的环向预应力筋为“U”型筋，每个索塔节段高 度方向设 5 组预应力筋。采用 ASTM A416-90a 标准 270 公称直径高强度低松弛预应力钢绞线，在混凝 土强度达到设计强度的 85％后张拉，张拉为两端张拉，每束张拉控制力为 2346.3kN。预应力布置如附 图 1 所示。 模型试验和实桥验证结果表明混凝土塔壁未出现裂缝， 说明预应力的施加达到了预期的目标。 DB36/T 10102018 17 附图 1 九江长江公路大桥环向预应力布置示意图 6.1.4 早期钢锚梁索塔锚固区在斜拉桥中应用较多，其牛腿主要采用钢筋混凝土牛腿。但随着斜拉桥 跨度和斜拉索索力的增加， 钢筋混凝土牛腿在与塔壁连接位置、 牛腿外侧面等位置混凝土主拉应力较大， 混凝土开裂控制比较困难。 在荆岳长江公路大桥钢锚梁索塔锚固区设计前期， 进行过混凝土牛腿和钢牛 腿的比选， 通过仿真对比分析最终选择确定采用钢牛腿。 预应力钢筋混凝土牛腿在桥梁实际应用比较少。 目前九江长江公路大桥、金塘大桥等采用整体式钢牛腿，能承担较大的斜拉索索力作用，同时施工 也较为便捷，其造价较混凝土牛腿稍高，适用较大跨度的斜拉桥。对于部分矢跨比和斜拉索索力比较大 索塔锚固区（如铁路桥和公铁两用桥） ，由于其斜拉索竖向分力较大，应布置较大密度的剪力钉群保证 界面抗剪能力满足要求。对于 400m 以下的中小跨径斜拉桥，钢筋混凝土牛腿或预应力钢筋混凝土牛腿 DB36/T 10102018 18 是相对经济的选择。 6.1.6 钢锚梁采用非刚性约束体系后，斜拉索水平力主要由钢锚梁承担，塔壁承担不平衡部分的斜拉 索水平力，对塔壁混凝土受力有利。钢锚梁采用刚性约束后，钢锚梁和塔壁共同承担斜拉索的水平力， 对塔壁混凝土受力不利，容易引起混凝土开裂。成桥后，钢锚梁采用非刚性约束体系后，在斜拉索不平 衡索力及地震等突发荷载作用下，钢锚梁有倾覆的风险。 综合各种利弊后，九江长江公路大桥实桥采用整体吊装施工前，钢锚梁岸侧端钢锚梁底板与钢牛 腿顶板采用直接焊接的方式固定一端，江侧端钢锚梁与牛腿用螺栓临时固结，形成整体吊装，整体安装 后，先松开连接螺栓，才能进行斜拉索张拉。拉索张拉完毕后，将滑动端顶板与钢牛腿顶板焊接形成固 定，这样的钢锚梁约束方案相对较好。 6.1.7 九江长江公路大桥钢牛腿在节段间采用磨光顶紧后螺栓接，国内鄂东长江公路大桥（钢锚箱） 和荆岳长江公路大桥均采用该连接方式。从受力角度考虑，如钢混结构中采用的是柔性剪力连接件，宜 采用节段之间紧密连接， 剪力连接件整体协同受力效果会较好； 如组合结构中是采用相对刚性的剪力连 接件，宜采用节段间分离，以避免个别剪力连接件受力过大。 6.2 结构尺寸结构尺寸 6.2.4 6.2.4 锚垫板作为承担斜拉索集中力的最主要的受力和传力板件， 不仅要保证板件本身应力在许可范 围和不失稳， 同时也改善锚垫板下方板件的受力状况。 锚垫板的厚度应该结合斜拉索锚头具体接触面积 进行确定。宜建立空间有限元分析模型，进行相关应力和变形的验算。 6.3 结构构造设计结构构造设计 6.3.4 钢与混凝土界面的密封性处理方法有很多，常见有三种防护手段 （1）采用防水材料对钢混界面封闭，如沥青、聚氨酯等； （2）采用环氧树脂类胶剂对钢混凝土界面封闭，如粘钢胶、环氧胶泥、环氧砂浆等； （3）在钢混界面提前预埋可压缩密封条，如玛碲脂密封压条等。 7 锚固区结构设计锚固区结构设计 7.1 一般规定一般规定 7.1.1 为得到实桥上钢锚梁索塔锚固区的真实受力情况，对荆岳长江公路大桥索塔锚固区在成桥荷载 试验时的索力及应力等进行了实测，并和节段足尺模型试验结果进行了对比。结果表明，在相同的斜拉 索增量索力作用下两者分布规律基本一致，而实桥应力、钢锚梁荷载分配测试值总体相对偏小。 DB36/T 10102018 19 在荆岳长江公路大桥中跨最大挠度试验工况荷载作用下， 测试节段索力增量分析如附表 3 所示。 其 中，对应的斜拉索索力实测增量为 1121kN（理论索力增量为 1089 kN） ，该索力增量相当于索塔锚固节 段足尺模型试验控制索力的 0.18 倍。 附表 3 测试节段索力增量分析表 （单位kN 位置 初张拉 恒载 模型试验控制索力 理论增量 实测增量 中跨侧 4230 5197 6318 1089 1121 边跨侧 4540 5680 6210 530 / 将实桥荷载试验应力测试值与节段足尺模型试验的应力测试值进行比较。两者最大主应力σ1的比 值在0.51～0.99之间，最小主应力σ3的比值在0.70～0.98之间，实测换算Von Misise应力σv的比值在 0.72～0.97之间。由此可知，在相同的斜拉索索力增量下，二者的应力分布规律基本一致，实桥荷载试 验测得的应力测试值总体上是相对偏小。 鄂东长江公路大桥索塔锚固区实桥荷载试验应力测试得到的结 果与之一致，说明通过单节段的足尺模型试验完全可以研究实桥多节段索塔的受力情况、传力途径，单 节段模型应力结果是偏于保守的。 实桥成桥荷载试验加载时索塔锚固区钢锚梁各截面承担的水平力结果见附表4，可知实桥上钢锚梁 承担的斜拉索索力水平分力测试比例为59.9，节段足尺模型同约束方式下测试比例为71.1，说明索 塔锚固区中钢锚梁承担了大部分的水平索力。实桥测试钢锚梁水平力承担比例略小于模型试验测试结 果， 主要原因应跟水平力不平衡、 实桥塔壁等效刚度大于单节段模型塔壁及混凝土弹性模量增长等有关。 附表 4 实桥钢锚梁各截面承担的水平力 钢锚梁位置 面积mm2 实测纵向应 力MPa 水平力 kN 百分比 模型试验水平 测试比例 底 板 14336 3.71 53.16 5.3 5.5 腹 板 42624 6.70 285.58 28.4 34.5 顶 板 25200 10.48 264.01 26.2 31.2 合 计 82160 602.75 59.9 71.1 测试节段斜拉索水平力分析如附表 5 所示。荷载试验加载在测试节段产生的不平衡水平力为 613.68kN，其中 404.81kN 不平衡水平力通过中跨侧钢锚梁与钢牛腿焊缝以压力方式传递至塔壁， 208.86kN 不平衡水平力通过边跨侧钢锚梁与钢牛腿焊缝以拉力方式传递至塔壁。未平衡水平力的分配 比例应由该位置往中跨侧受压刚度和从边跨受拉刚度决定， 实测结果表明两边压拉刚度约为 21。 因此， 当索塔锚固区两侧斜拉索出现较大不平衡水平力并引起一侧牛腿壁板与塔壁界面受拉时， 钢锚梁承担的 水平力应为受拉侧水平力与该侧钢牛腿拉拔力（约 1/3 未平衡水平力）的和。另外，边跨侧钢牛腿布置 有 220 个剪力钉，完全能抵御 208.86kN 拉拔力作用，钢混界面不会因为不平衡节段水平力分开。 附表附表 5 斜拉索水平力分析表斜拉索水平力分析表 位置 斜拉索倾 角（） 索力增量 （kN 水平力增 量kN 钢锚梁拉 力kN 钢牛腿水平 力kN DB36/T 10102018 20 中跨侧 26 1121 1007.56 602.75 404.81 边跨侧 42 530 393.89 602.75 208.86 斜拉索直接作用于钢锚梁上， 竖向分力由钢牛腿壁板和塔壁承担， 钢锚梁和剪力钉是竖向力的传力 构件。 附表6为实桥和模型试验的钢牛腿壁板竖向应力结果， 其中节段试验模型中的钢牛腿为底面脱空。 由表可知，两者实测竖向应力比较接近，说明斜拉索的竖向力主要由塔壁承担。实桥实测应力还略小于 钢锚梁脱空模型试验实测值，主要原因是由于测试节段上方结构参与受力。综上可知，在试验荷载增量 作用下， 不存在每根斜拉索竖向力在钢牛腿上会依次往下叠加的受力情况， 整个塔柱的钢牛腿壁板与塔 壁是整体协同受力。 附表 6 中跨侧钢牛腿壁板竖向实测应力分布（MPa） 测点号 实桥测试 模型试验 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 7.1.5 斜拉桥索塔锚固区的受力十分复杂，一般采用大型有限元计算分析软件进行建模并计算分析。 对于钢混凝土索塔锚固区，其受力分布、传力机理等都较普通索塔锚固区复杂，应对索塔锚固区进行精 细建模，准确施加边界条件和连接关系。 钢与混凝土界面实际结构中为相互接触关系，界面法向受拉时可张开，受压时相互抵触但不穿透， 同时界面间还存在一定的摩擦力和粘结力。 粘结力一般相对较小且随着时间的推移其大小存在一定的不 确定性，因此在计算时一般忽略不计。摩擦力大小主要跟界面正压力和摩擦系数有关，摩擦系数根据一 般计算和相关规范取 0.30.5。传统有限元节点之间只能相互约束或自由，处理钢-混凝土界面有一定困 难， 但可以采用非线性的接触算法解决。 对于接触问题的描述抽象为产生接触的两个物体无法满足无穿 透约束条件，通过拉格朗日乘子法、罚函数法、直接约束法等算法解决。钢-混凝土界面上的正压应力，