新型钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系传力机理研究

A new type of steel-concrete composite anchorage system with steel anchor slab is to set steel anchor slab and the PBL shear connectors inside the concrete bridge tower, and the stay cables are anchored to the wing slab of steel anchor slab through pin hinge. Such anchorage system makes full use of material properties of steel and concrete and it has several advantages in high bearing capacity, constructing convenience and cable replacement, which totally make up the dificiencies of cross anchorage system of stay cable in solid concrete bridge tower. On the basis of research methodology and research achievement in traditional steel-concrete composite construction, our project group will put forward constitutional relationship model of bond-slip performance in interface of steel plate-lateral compressive concrete and calculation formula for ultimate bearing capacity of PBL shear connectors considering lateral compression and the group effect of PBL shear connectors through methods of model tests, theoretical analysis and numerical simulation, and will do research on the overall load-transfer mechanism process of steel-concrete composite anchorage system with steel anchor slab taking account of material non-linearity, contact non-linearity and bond-slip non-linearity in interface of steel plate-lateral compressive concrete. Besides, we will make thorough and systematic study on the influence of design parameters, concrete shrinkage effect and concrete creep effect acting on the load-transferring mechanism of the anchorage system. We will popularize the engineering practicing of steel-concrete composite anchorage system and provide reliable basis for the design and standard establishment for similar structures.

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。