钢锚箱(2).doc

苏通公路长江大桥 斜拉桥索塔节段足尺模型试验研究大纲
4.2 锚固区受力机理有限元分析
1) 通过建立有限元计算模型，分析索塔整体结构承受斜拉索拉力作用下的内力分配规律，为进一步分析锚固区受力性能提供总体依据。由于本工程采用钢结构和混凝土共同工作的原理设计索塔，而斜拉索的拉力作用于钢锚箱部分，钢锚箱与混凝土索塔之间的水平力和竖向力传递受两者刚度、传力界面机理的影响很大，特别是竖向力，所有斜拉索的竖向分力必须通过整个钢锚箱的协同工作后，作为一个整体传递给混凝土索塔，因此必须研究这一内在规律，才能为进一步的阶段模型有限元计算提供有效和符合实际的边界条件，同时，这一分析结果也可为进一步进行节段模型试验的提供划分依据。
2) 采用线性和非线性三维有限元分析技术，分析研究索塔斜拉索锚固区钢锚箱及混凝土局部应力大小、主应力分布、变形和混凝土开裂情况。拟采用大型有限元分析程序ANSYS进行这一项目的分析研究，并采用SAP2000程序对线性分析进行校核。采用参数化建模思想，通过对分析时输入的主要计算参数进行摄动，分析不同参数下裂缝分布的特性并研究裂缝形成的机理，找到最优化和最合理的配筋方案，从而对索塔钢锚箱的设计提出改建措施和建议。
3) 通过对节段索塔三维有限元仿真计算模型，进行考虑材料非线性、混凝土收缩徐变和混凝土开裂情况的全过程比例加载分析计算，研究索塔锚固区域的破坏形态、承载能力及安全储备情况。对于不同的不利工况内力组合，分别进行详细的计算研究，同样利用参数化建模技术，找到其承载能力的主要影响因素，提出既保证足够安全储备又具有良好经济性能的设计建议。
4) 根据计算分析结果，邀请设计人员和技术专家，展开技术评定和研讨会，研究对比各种仿真计算结论，就钢锚箱及锚固区结构设计的合理性、安全性及其工作性能作出评价，对钢锚箱细部构造和索塔配筋设计提出合理的改进措施和建议。

4.3技术难点及创新点
超大跨径斜拉桥索塔采用组合钢锚箱锚固方式目前在国内外应用较少，在主跨跨径为850m的法国诺曼底大桥中有所应用。诺曼底大桥索塔锚固区的实际应用中，存在着一定的经验教训，出现了外围混凝土索塔局部开裂的现象。而苏通大桥主跨斜拉桥跨径为1088m，居世界第一，在国内首次采用组合钢锚箱锚固方式。由此可见，超大跨径斜拉桥索塔锚固区的实际应用有一定的技术难度，需在本课题试验研究及理论分析中得以解决。
4.3.1技术难点
1) 斜拉桥索塔组合钢锚箱锚固方式在国内的大跨径斜拉桥中首次应用，有关资料较少，经验不足；
2) 斜拉桥索塔锚固区节段足尺模型大吨位加载试验国内进行较少，模型节段截取困难，特别是持续长期加载，试验费用较高；
3) 组合钢锚箱在斜拉索力作用下，塔内钢锚箱与外侧混凝土索塔共同工作，同时受混凝土收缩、徐变影响，其机理分析十分复杂；
4) 钢锚箱与混凝土的剪力传递途径复杂，钢锚箱与混凝土之间的剪力，不仅通过剪力传力器直接传递，而且通过锚箱钢板与混凝土之间的摩擦也会分担部分剪力，理论分析及试验研究较难。

4.3.2创新点
1) 在现场进行大吨位组合钢锚箱节段足尺模型试验，属国内首创；
2) 采用空间斜向加载，进行全真模拟；
3) 如采用长期加载方案，则需进行为期一年的长期加载。该试验方案国内及世界范围内未见相关报道。可观察钢锚箱锚固区及混凝土索塔壁长期持荷受力状况，观察混凝土收缩徐变对试验模型的影响；
4) 针对混凝土收缩、徐变对索塔组合钢锚箱锚固区的受力影响，对模型试验试件采用有限元软件进行仿真分析，与试验结果相互验证；
5) 通过足尺模型试验与仿真分析，评价斜拉索锚固区的细部构造和配筋设计，提出设计施工建议。

5 投标人既有同类科研经历
本研究课题组主要成员，近年来持续参与长大公路桥梁的建设，在南京长江二桥、润扬长江大桥、南京长江三桥、五河口斜拉桥、杭州湾跨海大桥等桥梁建设中，主持和参与了多项科研项目，取得了一定的科研成果和业绩。
在索塔节段足尺试验方面，主持了南京长江第二大桥南汊斜拉桥、润扬长江大桥北汊斜拉桥、淮安五河口斜拉桥及常州运河矮塔斜拉桥等特大桥梁的索塔节段足尺模型试验。这些试验结果均非常成功，达到了预期的目的，尤其是润扬大桥索塔模型试验，在国内首次应用斜向加载技术进行试验，取得了较好的成果。下面对这几个试验情况简介如下：
5.1 南京长江二桥的索塔模型试验
南京长江第二大桥南汊桥斜拉桥主跨为628m，目前位居国内第一，世界第三。采用钻石形塔柱，塔高195.4m，斜拉索通过锚块锚固于上塔柱的内壁，为抵抗斜拉索的水平分力，在锚固区的塔壁内设置了相互扣合的、开口于索塔截面短边的U形预应力束。U形束由19fj15.24钢绞线群锚体系组成，采用PT-PLUS塑料波纹管成孔和真空辅助压浆技术对张拉后的孔道进行压浆。
本项目通过理论分析、工艺研究、模型试验和实际工程的现场质量控制，成功的解决了大吨位大曲率环形预应力筋的一系列施工难题：新型管道成孔、张拉和真空辅助压浆等成套预应力施工工艺，解决了二桥索塔施工的关键问题。

图5 南京长江二桥索塔足尺节段模型

图6索塔足尺节段模型表面裂缝
5. 2 润扬大桥的索塔模型试验
润扬长江公路大桥北汊桥为双塔双索面钢箱梁斜拉结构，主跨为176＋406＋176m，钻石形塔高154m。索塔采用预应力混凝土箱形断面，塔身同样采用相互扣合的U形预应力束，但U形束横桥向开口于索塔截面。同样采用PT-PLUS塑料波纹管成孔和真空辅助压浆技术。
节段足尺试验模型截取北索塔上塔柱高程自136.850～139.350（黄海高程）的一段。外形平面尺寸为7m×4m，高2.5m，长边壁厚0.8m，短边壁厚1.2m；模型节段内设4束U形预应力索，每束由19fj15.24钢绞线群锚体系组成。模型塔身所有构造尺寸与实际索塔相同，施工工艺也与以后实际施工相同。为实现斜拉索的斜向加载，在模型底部设预应力混凝土T形截面伸臂反力梁。索塔斜向加载情况见图6～图7。
试验加载考虑多重因素后，决定分两次进行。第一次为斜向加载，目的是检验索塔在正常使用状态的设计索力下，索塔的弹性工作状态。水平加载试验再分两次进行，第一次水平加载最大吨位为8000kN，然后卸载到零，目的是为了找出模型长边的开裂荷载；第二次水平加载最大吨位到20000kN，从中找出短边的开裂荷载，最终模型以达到破坏为度。
润扬大桥模型试验分别进行斜向和水平两个方向加载，加载分级进行，见下表：

润扬大桥索塔模型斜向加载步骤
序号
1
2
3
4
5
加载吨位（kN）
1000
2000
3000
4000
5000
序号
6
7
8
9
10
加载吨位（kN）
5500
6000
6500
7000
7500
序号
11
12
13
14
15
加载吨位（kN）
8000
8500
9000
3000
0
润扬大桥索塔模型水平加载步骤
序号

1
2
3
4
5
加载吨位（kN）
6000
8000
10000
10500
11000
序号
6
7
8
9
10
加载吨位（kN）
12000
13000
14000
16000
18000
序号
11
12
13
14

加载吨位（kN）
20000
10000
5000
0

润扬大桥北汊斜拉桥索塔锚固区的节段足尺模型试验，在国内尚属首次采用对足尺模型进行斜向加载来模拟斜拉索作用、借助于辅助模型研究孔道摩阻、全方位布置传感器测点等做法。进行了塔身U形束的预应力施工工艺、拉索锚固区在塔身预应力束及斜拉索作用下的空间应力分析，得出索塔控制截面的应力分布与设计计算方法，给出了开裂荷载及其控制因素，开裂及破坏安全系数等。

图7 索塔节段斜向加载所用的千斤顶

图8 索塔节段足尺模型斜向加载

图9索塔节段足尺模型表面裂缝

5.3五河口特大斜拉桥
五河口斜拉桥位于宿迁到淮安高速公路的淮安段，该桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，索塔采用“H”型结构，双塔高在承台以上分别为142.1m（27号塔）和137.1m（28号塔），上塔柱高77m，中塔柱高47m，27、28号下塔柱高分别为18.1m和13.1m。主跨为151.45+370+151.45m，桥梁宽度为38.6m。
索塔采用混凝土箱形断面，斜拉索锚固区的塔身采用双U扣和环向预应力束，采用PT-PLUS塑料波纹管成孔和真空辅助压浆技术。
试验采用两台1000t千斤顶并联加载，共用一台油泵，实现了同步加载。
本试验测试大曲率小半径U形预应力束的孔道摩阻、张拉伸长值，提出张拉控制工艺；完成索塔空间应力测试，确定索塔节段控制截面应力、开裂荷载及破坏荷载。并进行了仿真分析与试验结果的验证。对该桥的施工和安全性提供了有效的保证。

图10并联1000t千斤顶同步加载

图11索塔节段足尺模型表面裂缝
5.4常州东互通式立交桥
常州东互通式立交主线桥跨越京杭运河，为跨度70.15m＋120m＋70.15m的三跨双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥。索塔高31m，为钢筋混凝土独柱实心矩形截面，顺桥向长3m，横桥向宽2m。塔身设有鞍座，以便斜拉索通过。每根斜拉索对应一个鞍座，斜拉索横桥向呈两排布置，鞍座亦设两排。鞍座采用双重钢管结构形式，外管埋设于混凝土塔内，内管置于外管内，斜拉索穿过内管。在两侧斜拉索出口处，在斜拉索上设有索夹，以防止拉索滑动，内外管之间设抗滑锚头，以防止内外管相对滑动。
本次所进行的部分斜拉桥索塔鞍座节段试验为国内首次采用足尺模型。试验模型索鞍节段外轮廓尺寸大小为3m×2m，高2.8m；斜拉索采用OVM20015—31；索鞍圆管曲率半径：R=250cm。模型加载台座采用预应力混凝土带耳座T型反力梁，反力梁内纵向布置曲线预应力钢绞线束。反力梁设计不但应满足承载力要求，而且应满足抗裂性及刚度要求。试验模型如图12所示。
试验研究了矮塔斜拉桥索鞍锚固区的抗滑移性能、工作机理和受力特点等内容，提出了实用的设计施工建议。

图12 斜向加载试验模型

6. Members On the Project Research Committee
Mr. Lu Zhitao, member of Chinese Engineering Academy and professor of Southeast University, holds Consultant in general of the Project.
Researchers of the Project are listed as in the following table.
Name
Gender
Age
Education
Specialty
Title
Assignment
Lu Zhitao
M
65
M. Eng.
Structural engineering
Member of CEA & prof. of SU
Consultant in general
Liu Zhao

M
40
Ph. D
Bridge engineering
Professor
Project manager
孟少平
M
44
Ph. D
Structural engineering
Professor & Doctoral advisor
Technical manager
徐文平
M
42
Doctoral Candidate
Bridge engineering
Associate Professor
Scale model test
惠 卓
M
40
Ph. D
Bridge engineering
Associate Professor
Structural analysis
曹三鹏
M
32
Doctoral Candidate
Bridge engineering
Lecturer
Scale model test
王景全
M
28
Doctoral Candidate
Bridge engineering
Lecturer
Structural analysis
臧 华
M
26
Doctoral Candidate
Bridge engineering

Scale model test
周 臻
M
25
Doctoral Candidate
Bridge engineering

Scale model test
李 鹏
M
24
M. Eng (in progress)
Bridge engineering

Scale model test
李国亮
M
23
M. Eng (in progress)
Bridge engineering

Scale model test
冉 嵬
M
24
M. Eng (in progress)
Bridge engineering

Scale model test
覃勇刚
M
23
M. Eng (in progress)
Bridge engineering

Scale model test
张学文
M
28
M. Eng (in progress)
Bridge engineering

Scale model test
项目总顾问介绍：
吕志涛，男，中国工程院院士，东南大学教授，博士生导师。1937年11月4日出生于浙江省新昌县。1961年毕业于南京工学院（现东南大学）土木工程系，1965年6月结构工程研究生毕业后留校，从事土木建筑结构工程领域的教学、科研工作和工程实践。现任中国土木工程学会理事、全国预应力混凝土学会副理事长、全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会委员、东南大学学术委员会主任等职。曾主持多项国家、部、省级科研课题，完成多项国家重点工程科研攻关，是我国结构工程及预应力学科的学术带头人。
项目负责人及主要技术人员介绍：
刘 钊，男，1964年6月出生，博士，教授，一级注册结构工程师，江苏省注册咨询专家。1984～1987年间在西南交通大学土木系桥梁专业学习，并获学士、硕士学位。1987～1998年在铁道部第四工程局科技处工作，历任助理工程师、工程师、高级工程师，科技处总工程师等职。2001年10月在东南大学土木工程学院博士毕业；后留校任教。
自1987年参加工作以后，主持或参与过三十余项桥梁工程的设计、施工及科研。近年来，作为技术负责人，主持了南京长江第二大桥南汊斜拉桥、润扬长江大桥北汊斜拉桥、淮安五河口斜拉桥及常州运河矮塔斜拉桥等索塔锚固区足尺模型试验。目前正在承担江苏省自然科学基金项目“大跨度系杆拱桥的稳定、振动与抗震性能研究（BK2002061）”，参与国家自然科学基金两项。
孟少平，男，1960年10月出生，博士 、教授、博士生导师。1985年1月于南京工学院土木工程系硕士研究生毕业后留校任教，一直是吕志涛院士的主要助手。研究方向为现代预应力结构体系及其性能，主要从事预应力结构基本理论及设计方法，预应力混凝土结构的抗震能力设计与评估和预应力结构施工过程中结构性能控制研究。参与了包括南京长江二桥、润扬长江大桥、南京地铁高架桥等国家、省重点工程在内的多项重大工程的设计、施工方案咨询及工程质量控制。现为东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室常务副主任，东南大学华东预应力技术联合开发中心主任，中国钢结构协会预应力分会常务理事，江苏省土木建筑学会常务理事、预应力专业技术委员会主任委员，国家一级注册结构工程师，江苏省注册咨询专家，江苏省“333”新世纪学术带头人培养人才，东南大学优秀青年骨干教师。 
徐文平，男，1962年1月出生，副教授、硕士生导师，国家一级注册结构工程师。1986年3月于同济大学桥梁工程系硕士研究生毕业后，分配到东南大学土木工程学院工作，现任土木工程学院桥隧与地下工程系副系主任。研究方向为桥梁工程可靠性分析研究，主要从事桥梁结构基本理论及桥梁空间力学分析研究，进行桥梁结构及工程结构可靠性鉴定和加固技术研究。参与了包括润扬长江大桥抗震及减震分析、索塔锚固试验分析在内的多项工程科学研究。

附件：索塔锚固区节段足尺模型试验经费预算
（本预算不含模型、反力梁制作费用）
对应上述试验研究大纲，提出以下两种索塔锚固区模型试验方案，供业主选择。
试验方案I：短期加载试验。通过试验研究短期荷载下的索塔模型内力分布、抗裂性与承载力。
试验方案II：长期持荷试验。计划为期一年，除能够取得试验方案I的主要成果外，还可以增加研究长期荷载下的混凝土收缩徐变时效对索塔结构的影响。
试验方案I：短期加载试验
附表1 短期加载试验经费预算汇总表

编号
费 用 名 称
分项预算
（万元）
1.1
国内外索塔锚固方式研究现状调研费
4
1.2
索塔组合钢锚箱模型仿真分析费
24
1.3
足尺模型试验研究费
85
1.4
成果汇总和成果报告编制费
3.5
1.5
试验论证费用
6.5
1.6
管理费及税金
21.706
本项目预算费用总额
144.706

1.1国内外索塔锚固方式研究现状调研费
1） 差旅费用： 1.5万元。
2） 资料搜集（网络检索费用）： 2万元。
3） 调研资料整理及分析费用： 0.5万元。
小计4万元。
1.2索塔组合钢锚箱模型仿真分析费
1) 组合钢锚箱受力性能仿真分析费： 8万元。
2) 混凝土收缩、徐变对组合钢锚箱受力影响分析费：16万元
小计：24万元。
1.3足尺模型试验研究费
1) 传感元件费（包含安装、测试以及导线，引线盒等费用）
(1) FBG型表面应变计光纤光栅传感器：45支×1900元/支=85500元
(2) 内埋式智能传感器：25支×600元/支=15000元
(3) 表面式智能传感器：50支×650元/支=32500元
(4) 千分表：40只×300元/只= 12000元
小计：14.5万元
2) 千斤顶费用
(1) 1000吨千斤顶租用费：4台×35000元/台=140000元
(2) 1000吨千斤顶标定费用：4台×9000元/台=36000元
小计：17.6万元
3) 千斤顶加载费
(1) 千斤顶试验特殊张拉连接件加工费：93000元
(2) 加载试验费（包含千斤顶定位支架、张拉作业）：12000元
小计： 10.5万元
4) 交通差旅费
食宿补助：10人×100元/天×120天=120000元
交通及测试仪器运输：10人×30次往返×200元/次=60000元
小计：18万元
5) 测试人工费：
主控人员：4人×2000元/月×3月=24000元
工地试验人员：10人×1500元/月×3月=45000元
小计：6.9万元
6) 试验场地建设费及办公费
场地建设费： 2万元
现场办公用费： 1万元
场地租用费： 2万元
小计：5万元
7) 测试设备购置及折旧费：
(1)光纤光栅传感器分析仪表使用费：
280000元/台×25％（折旧）＝70000元
(2) 1000吨压力环折旧费：25000元/台×4台×30％＝30000元
(3) 手提电脑及分析软件折旧费：25000元/台×2台×20％＝10000元
小计：11万元
8) 测试数据分析及资料整理费
小计：1.5万元
以上1）～8）合计：85万元
1.4成果汇总和成果报告编制费
计3.5万元。
1.5试验论证费用
1）模型试验方案论证费：1.5万元。
2）中期成果论证费：2万元。
3）最终成果评审费：3万元。
共计：6.5万元。
以上合计：122万元。
1.6学校管理费及税金
为科研经费的15％，144.706×15％＝21.706万元。
合计：144.706万元。
试验方案II：长期持荷试验
附表2 足尺模型试验经费预算汇总表

编号
费 用 名 称
分项预算
（万元）
2.1
国内外索塔锚固方式研究现状调研费
4
2.2
索塔组合钢锚箱模型仿真分析费
24
2.3
足尺模型试验研究费
137.38
2.4
成果汇总和成果报告费
3.5
2.5
试验论证费用
6.5
2.6
管理费及税金
30.949
本项目预算费用总额
206.329

2.1国内外索塔锚固方式研究现状调研费
1) 差旅费用： 1.5万元。
2) 资料搜集（网络检索费用）： 2万元。
3) 调研资料整理及分析费用： 0.5万元。
小计：4万元。
2.2索塔组合钢锚箱受力性能有限元分析费
1) 组合钢锚箱受力性能有限元仿真分析费： 8万元。
2) 混凝土收缩、徐变对组合钢锚箱受力影响分析费：16万元
小计：24万元。
2.3足尺模型试验研究费
1) 传感元件费（包含安装、测试以及导线，引线盒等费用）
(1) FBG型表面应变计光纤光栅传感器：95支×1900元/支=180500元
(2) 内埋式应变计光纤光栅传感器：25支×2300=48300元
(3) 千分表：40只×300元/只= 12000元
小计：24.08万元
2) 千斤顶费用
(1) 1000吨千斤顶租用费：4台×35000元/台×2=280000元
(2) 1000吨千斤顶标定费用：4台×9000元/台×2=72000元
小计：35.2万元
注：需根据试验进展情况，进行不定次数张拉，估计在2次左右。
3) 千斤顶加载费
(1) 千斤顶试验特殊张拉连接件加工费：135000元
(2) 加载试验费（包含千斤顶定位支架、张拉作业）：24000元
小计： 15.9万元
注：需根据试验进展情况，进行不定次数张拉，估计在2次左右。
4) 交通差旅费
食宿补助：10人×100元/天×160天=160000元
交通及测试仪器运输：10人×50次往返×200元/次=100000元
小计：26万元
5) 测试人工费：
主控人员：4人×1000元/月×12月=48000元
工地试验人员：10人×1000元/月×12月=120000元
注：根据工作量变化、实际月均人工费基本同短期加载方案。
小计：16.8万元

6) 试验场地建设费及办公费
场地建设费： 1万元
现场办公用费： 1万元
场地租用费： 2万元
小计：4万元
7) 测试设备购置及折旧费：
(1)光纤光栅传感器分析仪表使用费：
280000元/台×30％（折旧）＝84000元
(2) 1000吨压力环折旧费：25000元/台×4台×40％＝40000元
(3) 手提电脑及分析软件折旧费：25000元/台×2台×25％＝15000元
小计：13.9万元
8) 测试数据分析及资料整理费
小计：1.5万元
以上1）～8）合计：137.38万元
2.4成果汇总和成果报告编制费
计3.5万元。
2.5试验论证费用
1）模型试验方案论证费：1.5万元。
2）中期成果论证费：2万元。
3）最终成果评审费：3万元。
共计：6.5万元。
以上合计：174.38万元。
2.6学校管理费及税金
为科研经费的15％，206.329×15％＝30.949万元。
合计：206.329万元。

16