新型钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系传力机理研究项目摘要

新型钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系是将钢锚板与PBL剪力键包裹在混凝土索塔内部，通过销铰将斜拉索锚固在钢锚板外露耳板上的锚固形式。该锚固体系能充分发挥钢材与混凝土的材料性能优点，具有承载力高、施工快捷，后期换索方便等优点，可以完全弥补斜拉索交叉锚固体系的不足。项目组将在传统钢-混组合结构研究方法和研究成果的基础上，采用模型试验、理论分析和数值模拟方法，提出钢板-侧向受压混凝土界面粘结滑移本构关系模型、考虑侧向压力与PBL剪力键键群效应影响的PBL剪力键极限承载力计算公式；在同时考虑材料非线性、接触非线性和钢-混凝土界面粘结滑移非线性的影响的基础上，研究钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系在对称与单侧索力作用下的的全过程传力机理，并对设计参数变化与混凝土收缩、徐变效应对传力机理的影响进行深入系统的分析；将钢-混组合索塔锚固体系在工程应用中进行推广，为今后类似结构的设计与行业标准的制定提供可靠依据。

采用模型试验研究了钢锚板式钢-混凝土界面粘结滑移性能，结果表明：1）当荷载小于极限荷载的20%时钢锚板与混凝土之间未发生滑移，当荷载达到极限荷载的45%之前，荷载-滑移呈线性关系。当荷载继续增大，荷载-滑移曲线呈现非线性；2）加载端滑移量要大于中间位置，即表现为滑移由加载端向自由端的逐渐渗透的一个过程。加载初期，整个钢锚板长度上均不产生任何滑移；随着荷载继续增加，加载端首先开始滑移，在距离加载端的一定区段内出现滑移。随着荷载继续增加，加载端滑移值逐渐缓慢增加；3）钢锚板应变在加载阶段从加载端到自由端接近指数分布。随着荷载加大加载端趋于线性分布。荷载下降段的钢锚板应变更接近线性分布，接近自由端基本没有残余应变；4）利用试验数据分析结果，提出了钢锚板-混凝土界面的荷载-滑移关系式。 采用理论分析和数值模拟方法，进行了混凝土强度、锚板厚度、横隔板数量及位置、PBL剪力键列数及其穿孔钢筋直径等参数变化对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系钢-混凝土界面粘结滑移的影响分析，结果表明：1）混凝土强度对钢-混滑移性能影响不明显；2）钢板厚度对钢-混滑移性能影响明显。钢板厚度由30mm变为50mm时，加载端的滑移减小了40%，自由端的滑移量减小了34%。加载端应力减小了40%，自由端应力减小了41%；3）PBL键的数量对钢-混滑移性能影响较为明显。PBL键由原来的4根增加到12根时，加载端的滑移减小了29%。中间应力减小了43%；4）隔板的数量对钢-混滑移性能影响较为明显。去掉原来的隔板后加载端的滑移平均增大了约60%，自由端的滑移量平均增大了约30%。对应力影响较小。 采用数值模拟方法，通过分析影响PBL剪力键承载力的主要因素，提出了考虑PBL剪力键键群效应影响的PBL剪力键极限承载力计算公式。 在同时考虑材料非线性、接触非线性和钢-混凝土界面粘结滑移非线性的影响的基础上，研究了钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系在对称与单侧索力作用下的的全过程传力机理，得到了对称及单侧索力作用下锚固体系在加载全过程中的变形、应力以及混凝土裂缝发展规律，得到了其极限荷载及破坏形式。 通过近三年的试验模型的数据测试，混凝土收缩、徐变效应对传力机理的影响进行了分析，结果表明，混凝土收缩徐变对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的受力性能影响甚微。

斜拉桥索塔上塔柱锚固区采用钢（锚箱）混（凝土）组合结构，并让钢锚箱能够承受斜拉索的全部水平分力，使得结构受力更明确。

苏通大桥采用钢锚箱作为斜拉索的锚固结构，在中国国内尚属首次。由于钢锚箱具有安装速度快、定位精确的特点，从而保证了斜拉索的安装精度。为了将苏通大桥钢锚箱安装的经验推而广之，经总结和提炼，制定了《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》，为2005年后类似结构施工提供参考或借鉴。

斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法适用范围

《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》适用于斜拉桥索塔钢锚箱安装施工，对于类似的钢塔安装也可借鉴采用。

斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法工艺原理

《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》的工艺原理叙述如下：

钢锚箱采取分批安装，通过分析自然环境（风、日照等）和主体结构（钢筋、混凝土等）的影响，确定每批钢锚箱安装的自由高度。对首节钢锚箱（基准节段）进行精确调位并固定后，分节吊装首批其他节段钢锚箱，当浇筑完成相应节段混凝土后，即可进行下批钢锚箱安装。

钢锚箱安装误差采取分批调整，通过监测已装钢锚箱的实际位置，分析安装误差影响，确定下批钢锚箱安装时是否需要进行倾斜度调整以及调整量（若需要调整）。

斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法施工工艺

• 工艺流程

《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》的工艺流程如下：

钢锚箱分为首节钢锚箱安装和其他节段钢锚箱安装（钢锚箱标准节段结构参见图1）。

钢锚箱安装与节段混凝土施工异步进行，即先安装一批钢锚箱（3~4节段），然后浇筑一定高度的混凝土（2~3节段）。

钢锚箱安装总体施工工艺流程见图2，钢锚箱布置参见示意图3。

• 操作要点

《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》的操作要点如下：

一、施工准备

1.钢锚箱进场验收

钢锚箱运抵现场后，进行检查验收，内容主要包括：

1）钢锚箱相关制造和工厂验收技术资料；

2）钢锚箱外观检查，外形尺寸复查；

3）重要部位如节段间匹配件检查等。

2.钢锚箱吊装前的准备工作

1）了解气象情况，由于风、雨、雾等恶劣天气影响吊装，必须随时掌握天气趋势和现状；

2）吊装工作应选择作业点风速10米/秒以下，无雨雾天气，且温差变化较小的时段内进行；

3）起吊设备例行检查调整，特别是制动系统调整；

4）机具准备，主要是指用于吊装及定位调节的吊具、索具、葫芦、千斤顶，以及冲钉、高强螺栓、高强螺栓施拧（检查）工具的检查校正等工作；

5）检查工作面配备的照明设备、电源线以及锚箱牵引绳、手拉葫芦是否到位；

6）工作平台的安装及检查。

二、首节钢锚箱安装

作为钢锚箱安装的基准段，首节钢锚箱的准确安装尤为重要，其施工工艺流程见图4。

1.底座垫块混凝土施工、承重板安装

施工底座垫块混凝土时，预埋承重板调节螺栓及锚箱锚固螺栓预留孔（图5）。

考虑到首节钢锚箱安装调位需要，钢锚箱底座混凝土垫块根据具体施工需要比设计少浇筑一定高度（一般约5~6厘米左右），待首节锚箱安装就位后再灌浆。

2.首节钢锚箱吊装及初定位

首节钢锚箱利用塔吊吊装并通过手拉葫芦及缆风绳初定位，采用临时限位装置初步限位。

选择阴天或凌晨气温变化不大的时段，测量放线，并在承重钢板上标记锚箱边线及中心线。当风速较小时，挂好手拉葫芦及缆风绳。起吊首节钢锚箱，缓慢下落，放置于承重钢板上，初步定位后用临时限位装置限位。

3.首节锚箱精确调位、临时固定

首节钢锚箱采用三向调位千斤顶精确调整锚箱平面位置和标高，调整时，先顶起钢锚箱，在测量控制下，依次反复调整锚箱的平面位置及标高，当调位精度满足要求后，将钢锚箱底板与承重板垫实并临时焊接固定，并安装锚固螺栓。

4.钢锚箱底灌浆

1）浆液配制程序

性能指标的确定→浆液配合比设计→模拟灌浆试验。

2）浆液技术性能指标确定

钢锚箱底灌浆存在顶面封闭、灌浆面积大浆液流动空间狭小、混凝土毛面等不利因素，因此，要求灌浆液除具有高强度的基本要求外，还须具有良好的流动性、稳定性、自密实性、膨胀性和耐久性等特殊要求。

3）浆液配制采取的主要措施

（1）掺加风选低钙I级粉煤灰、硅灰、聚羧酸系列减水剂和浆液稳定剂；

（2）尽量降低水胶比；

（3）对不同减水剂、浆液稳定剂及膨胀剂掺量进行对比试验。

4）灌浆施工要点

（1）投料顺序如图6所示。

（2）灌浆前，用空压机除灰，使灌浆处洁净潮湿；

（3）浆液从一个灌浆口倒入，并控制速度，用10号铁丝伸入其中进行适当插捣、引流；

（4）灌浆要连续；

（5）必须覆盖保湿养护。

三、其他节段钢锚箱安装

其他节段钢锚箱根据起吊设备的能力（吊重、吊高）采取单节或多节吊装，其安装施工工艺流程见图7。

1.其他节段钢锚箱吊装要点

根据锚箱上吊耳的位置，在吊架上选择相适应的位置连接吊索。当具备起重条件时，塔吊起吊锚箱节段。

当节段起吊超过已安节段顶面后，旋转塔吊，移至安装位置将节段下部带扣的牵引绳与已安装在钢锚箱上的手拉葫芦连接，配合塔吊的操作，使节段缓慢下降。

在距最终位置2~8厘米上方处停止下放节段，确认端面情况，然后继续缓慢下降节段，并在锚箱水平接缝四个角点高强螺栓孔内插打定位冲钉实现精确定位，当待安锚箱完全落在已装锚箱上后，安装临时连接螺栓，塔吊松钩。

2.高强螺栓施工

钢锚箱之间的连接用高强螺栓，高强度螺栓连接副的拧紧分初拧、复拧和终拧，分别用专用扳手进行。高强螺栓施拧采用定扭矩扳手进行。

1）高强螺栓初拧和复拧；

2）高强度螺栓的终拧。

四、钢锚箱安装线形控制

钢锚箱安装受温度、风等自然因素的影响大，其实测线形必须进行温度和风的修正，同时，为满足施工进度，要求能进行全天候测量定位作业，鉴于此，需对钢锚箱安装线形进行控制计算和分析。

钢锚箱安装线形控制目标是：基于全天候测量定位作业条件，通过对物理和几何参数的测量分析，修正塔体的周日变形误差和风作用的影响，准确定位索塔钢锚箱各节段中心与标高。

钢锚箱安装线形控制程序见图8。

五、钢锚箱安装精度控制

1.钢锚箱安装精度控制要求

首节锚箱安装轴线偏差不大于：±5毫米；钢锚箱锚固点轴线偏差不大于：±10毫米；钢锚箱安装高程偏差不大于：±10毫米；钢锚箱安装倾斜度不大于：1/3000。

2.钢锚箱安装精度控制措施

除进行温度和风修正及精确定位首节钢锚箱外，还应采取以下精度控制措施：

1）准确计算首节钢锚箱安装位置

首节钢锚箱安装前，对索塔进行监测，通过控制分析，确定首节钢锚箱安装的准确平面位置，同时，计算确定首节钢锚箱安装的预抬高值。

钢锚箱的理想目标几何线形由钢锚箱截面中心点给出。钢锚箱中心线与上塔柱混凝土截面中心线重叠。

2）采取合理的测量方法，提高钢锚箱安装测量精度

钢锚箱安装定位难度大、精度要求高。钢锚箱安装几何测量以全站仪三维坐标法为主，以GPS卫星定位校核；钢锚箱高程、相对高差以及平整度测量采用电子精密水准仪电子测量，以三角高程测量校核。

3）钢锚箱安装采取钢垫板进行纠偏

由于钢锚箱制造及安装的倾斜度存在偏差，随着锚箱的不断接高，预偏差在逐渐累积加大，必须控制锚箱安装累计偏差。当锚箱安装到一定高度后要进行纠偏，纠偏采用钢垫片，即根据现场锚箱和吊装的批次，在每批中设置一层纠偏垫板，在钢锚箱分组对接位置进行设置。

• 劳动力组织

《斜拉桥索塔钢锚箱安装施工工法》的劳动力组织见表1、表2。

钢－混凝土组合结构体系能够充分发挥钢材与混凝土的性能，应用于超高层建筑结构具有显著的经济技术效益和社会效益。目前，国内外对组合构件已开展了大量的研究工作，但在结构体系层次上的研究还不成熟。本项目通过对超高层结构的优化分析，提出组合筒体－组合框架结构、巨型组合框架结构、钢－混凝土组合转换层和组合加强层结构等新型结构体系。通过对这些新型结构体系及其关键部位的试验，并结合数值计算和参数分析，将重点研究新型组合结构体系考虑滑移效应的空间计算理论，建立考虑二阶效应的局部与整体稳定分析理论，并提出系统的抗震设计理论。在总结上述研究成果的基础上，将建立新型钢－混凝土组合结构体系及其关键部位的设计方法，并提出相应的构造措施。项目的研究成果将有利于进一步提升我国超高层建筑结构的科技含量，对促进我国建筑行业的创新与发展有所贡献。 2100433B