斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计规范

DB36/T681-2014DB36/T—2018斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计规范范围本规范规定了斜拉桥钢锚梁索塔锚固区设计的基本思路和方法，除应符合本规范的规定外，尚应符合国家和行业现行有关标准和规范的规定。本规范适用于江西省境内新建斜拉桥钢锚梁索塔锚固区的结构设计，国内新建斜拉桥可参考本规范执行。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。JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD60-2015《公路桥涵设计通用规范》JTG/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》JTGD64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》GB/T50153-2008《公路工程结构可靠性设计统一标准》BS5400-5:2005《钢桥、混凝土桥及结合桥》JTG/TD65-01-2007《公路斜拉桥设计细则》JTG/TD60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TB02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》

GB50017-2003《钢结构设计规范》GB1499.1-2008《钢筋混凝土用钢第一部分：热轧光圆钢筋》GB1499.2-2007《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB/T5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》GBT20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》GB14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接》GB/T714-2008《桥梁用结构钢》GB/T10433-2002《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》GB/T1228-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》GB/T1229-2006《钢结构用高强度大六角螺母》GB/T1230-2006《钢结构用高强度垫圈》GB/T1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》术语与符号术语斜拉桥Cable-stayedbridge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。斜拉索Staycable承受拉力并支承主梁的构件。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索塔锚固区Cable-pylonanchoragezone索塔上锚固斜拉索的索塔结构部位。钢锚梁Steel

anchorbeam索塔上锚固斜拉索的梁形钢结构装置。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。锚垫板Anchorplate钢锚梁上用于支撑斜拉索锚头的厚钢垫板。剪力连接件Shearconnection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。约束体系Constraintsystem钢锚梁在两端与索塔牛腿的约束方式。斜拉索初拉力Initialcable

force斜拉索安装到梁段上时，对斜拉索施加的初始张拉力。预拼装Pre-assembled为检验构件是否满足安装质量要求而进行的拼装。符号C50——表示立方体强度标准值为50MPa的混凝土强度标准；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；——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；——桥面板混凝土抗压强度标准，MPa；——焊钉的最大承载力设计值；——混凝土弹性模量；——圆柱头焊钉钉杆截面面积；——圆柱头焊钉抗拉强度设计值；——栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。基本设计规定材料混凝土选用索塔锚固区采用高标号混凝土，技术条件应符合现行国家标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）的规定。表1列出部分高标号混凝土的材料特性。表1混凝土的材料特性强度等级C50C55C60抗压强度（MPa）标准值fck32.435.538.5设计值fcd22.424.426.5抗拉强度（MPa）标准值ftk2.652.742.85设计值ftd1.831.891.96弹性模量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线膨胀系数α（1/℃）1.0×10-51.0×10-51.0×10-5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《钢筋混凝土用钢第一部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）、《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）的规定。预应力混凝土构件中的箍筋应选用带肋钢筋。预应力材料选用预应力钢绞线技术条件应符合《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224-2014)的规定要求。预应力粗钢筋技术条件应符合《预应力混凝土用螺纹钢筋》（GBT20065-2006）的规定要求。预应力筋用锚具、夹具和连接技术条件应符合《预应力筋用锚具、夹具和连接》（GB14370-2015）。预应力钢筋的主要材料性能摘录如表2所示。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ΦS15.2PSB830PSB930PSB1080抗压强度(MPa）设计值ƒpd’390400400400抗拉强度（MPa）标准值ƒpk18608309301080设计值ƒpd1260690775900弹性模量Ep（MPa）1.95×1052.0×105单根延米质量(kg/m)1.10135.9(名义直径75mm)线膨胀系数α（1/℃）1.2x10-5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实测。表3摩擦系数和局部偏差系数管道成型方式kμ钢绞线（1×7）精轧螺纹粗钢筋预埋金属波纹管0.00150.20~0.250.50预埋塑料波纹管0.00150.14~0.17/结构钢材选用钢锚梁和钢牛腿根据受力需要选择采用Q345q、Q370q和Q420q，其技术条件应满足《桥梁用结构钢》（GB/T714-2008）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Q345qQ355NHQ370qQ420q轴向容许应力[σ](MPa)200210210230弯曲容许应力[σw](MPa)210220220240剪切容许应力[τ](MPa)120120125140端面承载容许应力(MPa)300315315345弹性模量Es（MPa）2.10x105重力密度ρ(kN/m3)78.5线膨胀系数α(1/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。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《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》（GB/T10433-2002）的规定。也可采用开孔板连接件。高强螺栓技术条件应满足《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T1228-2006）的规定要求；螺母的技术条件应满足《钢结构用高强度大六角螺母》（GB/T1229-2006）的规定要求；垫圈的技术条件应满足《钢结构用高强度垫圈》（GB/T1230-2006）的规定要求；同时均应满足《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/T1231-2006）的规定要求。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。设计原则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。本规范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）验算应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004），剪力连接件结构强度（承载力）验算应满足《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的相关规定，钢构件结构强度（刚度或稳定性）验算应满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）。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。索塔锚固区结构抗风设计宜结合结构特点遵照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）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。索塔锚固区结构抗震设计宜结合结构特点遵照《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)

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。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，变形验算可按毛面积计算。作用及取值依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）第4章规定取用。在进行最不利组合索力结构验算时，宜至少包含最大索力工况、同节段最大索力差值工况。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）。结构形式与构造结构形式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。图1钢锚梁索塔锚固区组成示意混凝土塔壁通常为预应力钢筋混凝土结构，一般采用环向预应力。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。图2钢锚梁结构示意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。图4钢锚梁索塔锚固区平面布置示意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。针对钢锚梁和钢牛腿的组合结构形式，建议采用先滑动后固结的方式。（a）刚性连接（b）滑动连接图5钢锚梁约束体系示意钢牛腿节段之间连接方式，常见的有：节段间磨光顶紧后螺栓接、普通螺栓连接、上下节段分离。结构尺寸索塔锚固区平面布置的结构尺寸需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。需要考虑的事宜包括: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；局部强度：索塔锚固区能承担巨大斜拉索集中力的作用；（3）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；（4）施工平台：预留斜拉索塔端张拉的施工和操作平台；（5）造型与景观：与外部环境协调、美观；（6）防水：主塔内部应该防止雨水等渗入。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，其节段高度建议不小于1.5m。钢锚梁的结构尺寸主要考虑以下几个因素：钢锚梁中截面上合理的应力水平和变形限值；斜拉索锚固传力结构的板件稳定性要求；钢锚梁侧拉板倒角位置应力集中处的应力水平。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。实桥上锚垫板厚度建议根据斜拉索索力大小确定，绝对总厚度不宜小于70cm。构造要求钢锚梁索塔锚固区各构件的构造要求应遵照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86)》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）》、《公路斜拉桥设计细则（JTG/TD65-01-2007）》等国家或行业规范的要求。钢锚梁和钢牛腿的制造、运输、吊装应标准化，采用分节段的形式。为减少现场高空焊接工作，节段连接建议采用螺栓连接。在塔柱内部预留适当的位置，方便人员和物料运输、检查。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。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。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。箱内建议采用防腐涂装，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。锚固区结构设计钢结构板件设计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。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。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。钢锚梁和钢牛腿所用板件均应满足宽厚比要求，对于受压应力和变形较大的板件应布置加劲肋，需保证不出现局部失稳。钢锚梁侧拉板的材质需进行Z向性能测试，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313-2010的规定。混凝土结构设计钢锚梁索塔锚固区的混凝土塔壁，应按承载能力极限状态设计要求进行作用设计值效应的基本组合，组合表达式中的作用采用标准值，并乘以作用分项系数。各种作用的分项按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）的规定取用。当结构遇有偶然作用时，尚应进行作用效应的偶然组合。对局部受力复杂的部位应建立空间模型，进行局部受力分析，各项计算应力值应满足相关规范要求。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。图6锚固区混凝土塔壁示意钢锚梁索塔锚固区混凝土塔壁宜布置预应力，建议按全预应力混凝土构件或A类部分预应力混凝土进行设计。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，建议裂缝宽度限值不大于0.15mm。混凝土塔壁的预应力布置形式主要有井字型、合抱的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，须在施工前进行孔道摩阻测试以获得更精确的数据控制参数。塔壁钢筋混凝土和钢筋应当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。剪力连接设计钢-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。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。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。a)均布式b）集束式图7剪力连接件布置方式示意圆柱头焊钉属于柔性剪力连接件，在索塔锚固结构中不建议与其他刚性剪力连接件混合使用。在本规范指定的钢锚梁索塔锚固区中采用的圆柱头焊钉应符合下列要求：圆柱头焊钉的材料、机械性能以及焊接要求应满足《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》（GB/T10433-2002）的规定。圆柱焊钉最小长度不应小于6倍直径。钢板厚度不应小于圆柱头焊钉直径的1.0倍。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。在钢锚梁索塔锚固区结构中，圆柱头焊钉的平均承载力应至少满足下列计算公式 式中，d——圆柱头焊钉的直径，mm；H——圆柱头焊钉的高度，mm；——桥面板混凝土抗压强度标准，MPa。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 式中，——混凝土弹性模量； ——圆柱头焊钉钉杆截面面积； ——圆柱头焊钉抗拉强度设计值；——栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。开孔板连接件在索塔锚固区未普遍使用，其构造技术要求、计算方法等参考国内外相应规范或科学实验结果进行。 焊接连接设计根据应力要求，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。钢锚梁和钢牛腿需要的各种类型的焊接接头，应采用焊接工艺认证试验进行验证。焊接工艺认证试验审批之后，应当编制焊接工艺实施规程。焊接环境应当与焊接工艺认证试验采用的车间生产条件相同。焊缝金属应与主体金属相适应。焊丝的屈服强度、极限抗拉强度、延伸率和夏比V型缺口冲击功最小值，须等同于或者高于指定的母材。焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级：主要构件受拉的横向、纵向对接焊缝及设计明确要求的熔透角焊缝为Ⅰ级焊缝；主要构件受压的横向、纵向对接焊缝及主要角焊缝为Ⅱ级焊缝；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。结构分析一般规定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。结构分析采用的计算模型和基本假定，应能准确描述结构极限状态下的力学行为，其精度应能满足结构设计要求。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。在结构分析中，宜考虑环境对构件和结构性能的影响。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。锚固区整体结构分析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。整体分析应分别在施工与成桥状态选取最不利荷载工况对结构最大主压应力、最大主拉应力、最大纵向变形、最不利节段位置进行计算、验算。整体分析应了解索塔锚固区上斜拉索竖向力和水平力的传力途径和分配比例，并为局部分析提供边界条件依据。锚固区局部结构分析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需整体分析结果或其他可靠分析结果作为依据。锚固区局部结构分析模型，混凝土须采用实体单元模拟，钢结构宜采用实体块或板壳单元模拟，预应力采用杆或索单元模拟，剪力连接件可采用以刚度等效的多段梁单元或多向弹簧单元模拟。划分单元时须注意单元的形状和尺度问题。单元划分过程中，须避免局部构造细节处的单元尺度过大导致的分析失真。钢锚梁约束条件应符合实桥实际情况。如钢锚梁采用先滑动后固结的，宜模拟进行施工过程。锚固区局部结构分析应该进行混凝土收缩、徐变效应影响分析。

条文说明4基本设计规定4.1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表1所示。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，需要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。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。5结构形式与布置5.1结构形式5.1.1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。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。5.1.2九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ASTMA416-90a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。图1九江长江公路大桥环向预应力布置示意图5.1.4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，需要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是相对经济的选择。5.1.6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。5.1.7九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，建议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，则建议采用节段间分离，以避免个别剪力连接件受力过大。5.2结构尺寸5.2.4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。5.3结构构造设计5.3.4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。6锚固区结构设计6.2混凝土结构设计6.2.2当钢锚梁与牛腿采用两端固定约束时，斜拉索的水平力传力由钢锚梁与混凝土塔壁协同受力，两者受力的分配关系跟结构变形协调相关。将图1所示锚固区结构离散成混凝土框架和钢锚梁模型，取一半模型。斜拉索的总水平分力直接作用于钢锚梁上，一部分水平分力T由钢锚梁承担，另一部分由混凝土塔壁承担P，锚固区的内力分析模型如图2（a）所示，即有如下关系式：。锚固区变形分析如图2（a）所示，锚箱拉板端部有变形，同位置的混凝土塔壁联合体有变形。内置式钢锚梁锚固区的弯矩分布和大小分析如图2（b）所示。钢锚梁拉板在拉力T的作用下，将产生单向拉伸变形，拉伸量为(1)式中，为钢锚梁的弹性模量；为钢锚梁横截面积；c为钢锚梁长度。图2索塔锚固区水平传力分析混凝土塔壁和牛腿的联合体受水平分力作用，其总变形由索塔端壁的弯曲变形和侧壁的拉伸变形组成，在锚箱拉板端部位置的变形为(2)式中，为混凝土端壁和牛腿联合体的抗弯刚度；a为索塔顺桥向长度；b为索塔横桥向宽度；为混凝土的弹性模量；为混凝土侧壁的截面积。根据锚箱拉板和混凝土塔壁的变形协调关系，将式（1）和式（2）代入后得到钢锚梁与混凝土水平分力分配式为：(3)式（3）为该大桥索塔锚固区水平力分配关系式，将大桥的结构尺寸代入式（3）得钢锚梁与混凝土水平分力承担力的比值T/P为2.24，即当钢锚梁与混凝土采用两端固定约束方式时，钢锚梁承担69.1%的斜拉索水平分力，混凝土塔壁承担30.9%的斜拉索水平分力。根据图2（b）弯矩分布图，在混凝土索塔的端壁中央和侧壁有较大的弯矩，其中外端壁和内侧壁受拉。如不考虑荷载的局部效应及混凝土的剪切变形，外端壁和内侧壁的最大名义应力如式（4）和式（5）所示。（4）（5）式中，为内侧壁混凝土名义应力；为外端壁混凝土名义应力；c为侧壁厚。6.2.5预应力钢束张拉通常是采取张拉力（油表读数）和伸长量双控，而小曲率半径“U”型预应力钢束张拉时，伸长量控制存在一定的偶然偏差，这就要求用于小曲率半径“U”型预应力钢束张拉的设备必须具有更高的精度及工作性能。索塔预应力为小曲率半径钢束，在计算理论伸长量过程中必须考虑圆弧位置的“贴壁”效应、结构径向压缩变形、张拉工作长度、夹片锚固回缩等的影响，建议采用有资质试验单位孔道摩阻现场试验的方式提出伸长量控制指标，不宜局限于规范规定的±6%限值。6.3剪力连接设计6.3.3在以往索塔锚固区模型试验过程中，曾发现在索塔锚固区中焊钉和开孔板连接件混合使用时，由于刚度不同使开孔板位置在低加载级别下首先开裂的情况。因此为避免局部刚性剪力连接件成为混凝土开裂的诱因，不建议柔性剪力连接件和刚性剪力连接件混合使用。当剪力连接件的受力水平较高，应采用加大剪力连接件的布置密度和布置范围、调整剪力连接件的布置间距来改善局部剪力件的受力。增加钢板厚度可使剪力连接件受力更加均匀。在索塔结构竖向两端往往是连接件受力集中的位置，建议有条件时在索塔锚固区的底部节段和顶部节段均往下或往上延伸0.5倍节段高度，也用于布置剪力连接件。6.4焊接连接设计6.4.5九江长江公路大桥的钢锚梁与牛腿之间采用了三面围焊焊缝方式，根据试验结果，三面围焊应采用合理的焊接顺利。建议先焊中间的横向焊缝（图3中焊缝①），再焊两侧的纵向焊缝（图3中焊缝②）。钢锚梁焊接固定时宜选择风力较小及桥面荷载相对稳定的时段，避免荷载扰动影响焊缝成型。图3锚梁与牛腿间焊缝焊接顺序示意图7结构分析7.1一般规定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。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1089kN），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。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42305197631810891121边跨侧454056806210530/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VonMisise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。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143363.7153.165.3%5.5%腹板426246.70285.5828.4%34.5%顶板2520010.48264.0126.231.2%合计82160602.7559.9%71.1%测试节段斜拉索水平力分析如表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2:1。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。表5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)中跨侧2611211007.56602.75404.81边跨侧42530393.89602.75208.86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。表4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。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%7.3锚固区局部结构分析7.3.2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，