一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固结构的施工方法与流程

本发明涉及高架桥钢立柱与混凝土承台锚固的技术领域，具体的说是一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固结构，能更有效地把高架桥钢立柱锚固在混凝土承台上，并且实现预制装配的功能。

背景技术：

以往的高架桥立柱基本都是混凝土的，随着经济水平及技术水平的提高，加上国家大力提倡装配式建筑，钢立柱的使用情况也越来越多，钢立柱的锚固结构也就越来越受到重视，现有的锚固结构一般有以下两种形式：（1）直接插入式，（2）预埋钢筋或预应力索锚固。

这两种锚固结构形式，在钢立柱受力不太大的情况下能勉强使用，当一些重要的结构比如高架桥梁立柱，柱基部受力大而复杂，这两种锚固结构形式就不能很好地适应了，例如直接插入式在柱基部受到大的弯矩时一侧与混凝土结合部容易开裂，预埋钢筋或预应力索锚固式在柱基部受到大的轴力同时受到大的弯矩时承台混凝土接触面受力面积小，容易导致承台混凝土屈服。

因此需要有一种更加高效的锚固结构来适应钢立柱的应用发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固结构的施工方法，能更高效地把高架桥钢立柱锚固在混凝土承台上、同时实现能够预制装配的功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固结构的施工方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1）预制上法兰、下法兰、锚杆螺栓和柱基部法兰；

2）在钢立柱底部焊接设置柱基部法兰；

3）预先绑扎混凝土承台的钢筋；

4）混凝土承台内预埋上法兰、下法兰和锚杆螺栓，所述锚杆螺栓的下端连接上法兰，所述锚杆螺栓的中部连接下法兰，所述锚杆螺栓的上端延伸至混凝土承台上方；

5）浇筑承台混凝土；

6）把钢立柱吊装到位，锚杆螺栓插入柱基部法兰螺栓孔；

7）拧紧螺母，完成锚固。

优选地，所述柱基部法兰由上下两层钢板和中间的加劲结合立柱钢板组成，极大增强了法兰的刚度，避免因单层钢板平面内刚度不足产生法兰局部失稳的情况。

由于混凝土的强度只有钢的几分之一，在相同受力条件下，必须增大混凝土的受力面积才能避免混凝土先行屈服的情况，优选地，所述预埋在承台混凝土中的设置至少两层法兰，上法兰和下法兰，每层法兰由上下两层钢板和中间的腹板及加劲组成，既增加了法兰与承台混凝土的接触面积，增强了钢和混凝土的结合力，使得内力在钢和混凝土之间传达更顺畅，也大大增加了法兰自生的刚度，避免因单层钢板平面内刚度不足产生法兰局部失稳的情况。

进一步地，为了防止法兰局部失稳的现象，在步骤1）中初步设定上法兰、下法兰、锚杆螺栓和柱基部法兰尺寸后，对所述锚固结构根据以下步骤进行应力验算，以确定最终尺寸，其中钢立柱四边分别设置若干根锚杆螺栓：

a、锚杆螺栓应力验算，计算一根锚杆螺栓所受最大轴力p=(nx/n)+(my/wy1)，nx为柱顶受压力，n为锚杆螺栓数量，my为柱底受弯矩，wy1为断面系数，计算锚杆螺栓应力δs=p/σas，σas为全部锚杆螺栓有效面积，并判断锚杆螺栓应力是否小于应力阈值；

b、柱基部法兰应力验算，

b1、按照对应压应力验算法兰加劲厚度

计算tr1.req=p/(2*be*δba)，并判断是否小于设计法兰加劲厚度；

b2、法兰加劲压应力计算

计算δb=p/(2*be*tr)，并判断是否小于压缩容许应力；

b3、按照对应剪应力，验算法兰加劲厚度

计算tr2.req=p/{2(hb-2*rs)*δa}，并判断是否小于设计法兰加劲厚度；

b4、法兰加劲剪应力计算

计算τb=p/{2(hb-2*rs)*tr}，并判断是否小于允许剪应力；

b5、法兰钢板的应力验算

计算上钢板的应力δu=m*yu/i，并判断是否小于压缩容许应力；

计算下钢板的应力δl=m*yl/i，并判断是否小于压缩容许应力；

其中，be为加劲受压的有效长，δba为压缩容许应力，tr为法兰加劲厚度，hb为加劲高度，rs为过焊孔高度，yu为上钢板到中立轴的距离，yl为下钢板到中立轴的距离，i为断面刚度；

c、上法兰应力验算

c1、对应混凝土的容许压应力，验算上法兰钢板宽度

计算bf.req=p/(δca*l)，并判断是否小于设计宽度；

c2、验算实际混凝土应力，

计算δb=p/(bf*l)，并判断是否小于混凝土的容许压应力；

c3、按照对应剪应力，验腹板厚度算

计算tw.req=p/(4*τa*hw)，判断是否小于设计厚度；

c4、上法兰钢板厚度验算

计算δc=p/{2*(tw*bw+tr*bd)}，判断是否小于压缩容许应力；

其中δca为混凝土的容许压应力，l为锚杆螺栓间距，bf为上法兰钢板宽度，tw为腹板厚度，bw为腹板与螺母相对应的有效受力长度，tr为法兰加劲厚度，bd为加劲与螺母相对应的有效受力长度。

本发明通过各法兰和锚杆螺栓组成的锚固系统，把钢立柱受到的大而且复杂的力分别从柱基部法兰、上法兰、下法兰三个与混凝土接触的面分散传递到混凝土承台中。本发明能更高效地把高架桥钢立柱锚固在混凝土承台上的技术、同时实现能够预制装配的功能，并且在受偏心轴压和弯矩较大时，不易损坏。

附图说明

图1是为现有的一种锚固结构简图。

图2是现有的另一种锚固结构简图。

图3是本发明一实施例的结构示意图。

图4是本发明一实施例的受力示意图。

图5是本发明一实施例的柱基部法兰结构的立面示意图。

图6为图5的平面布置图。

图7是本发明一实施例的上法兰或下法兰结构的立面示意图。

图8为图7的平面布置图。

图中包括：钢立柱1，混凝土承台2，柱基部法兰3，锚杆螺栓4，上法兰5，下法兰6，钢筋或预应力索7，钢板8，腹板9，加劲10。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图来说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

本发明为一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固结构，主要包括钢立柱1和混凝土承台2，柱基部法兰3，锚杆螺栓4，上法兰5，下法兰6，其特征在于在钢立柱1底部焊接设置柱基部法兰3，在混凝土承台2中预埋设置上法兰5和下法兰6，上法兰和下法兰设置相应的螺栓孔，上法兰5和下法兰6之间通过锚杆螺栓4连接，锚杆螺栓4下端与下法兰螺栓孔连接，锚杆螺栓4中部与上法兰螺栓孔连接，所述锚杆螺栓4上端延伸至混凝土承台2上方，柱基部法兰3也设置有相应的螺栓孔，所述锚杆螺栓4穿入柱基部法兰3的螺栓孔后，拧紧螺母，实现柱基部法兰3与所述锚杆螺栓4连接。

钢立柱1顶部受到桥梁上部结构通过支座传递过来的反力，通过钢立柱1自身柱体传递到钢立柱1基部，再通过柱基部法兰3把力一部分传递到混凝土承台2顶面，一部分传递到锚杆螺栓4，传递到锚杆螺栓4的力通过锚杆螺栓4自身传递到上法兰5和下法兰6，最后通过上法兰5和下法兰6与混凝土承台2的接合面传递混凝土承台2，最终的目的都是把桥梁上下部结构的力都传递到大地中。

在本发明的各实施例中，优选地，使用柱基部法兰3、锚杆螺栓4、上法兰5、下法兰6组成的锚固结构系统来把钢立柱锚固到混凝土承台中。

如图5和图6所示，所述柱基部法兰由上下两层钢板8和设置在上下两层钢板之间的加劲结合立柱钢板10组成，极大增强了法兰的刚度，避免因单层钢板平面内刚度不足产生法兰局部失稳的情况。

柱基部法兰上设置有若干个螺栓孔每一螺栓孔的两侧对称设置有加劲结合立柱钢板。

如图7和图8所示，所述预埋在承台混凝土中的设置至少两层法兰，上法兰和下法兰，每层法兰包括上下两层钢板8和设置在上下两层钢板之间的腹板9以及与所述腹板垂直设置的加劲结合立柱钢板10。

由于钢具有很多优点，如抗拉抗压强度都高、相对自重轻、工厂制作方便，工艺成熟、可回收利用等，因此钢立柱在今后会越来越多的使用到，特别是现在国家提倡装配式建筑，钢立柱在装配式桥梁上具有很高的运用价值，也能在一些施工场地条件限制非常高的地方使用，为解决工程中的难点提供方案。

根据本发明的优选实施例，一种预制拼装高架桥钢立柱的锚固方法，其特征在于其特征在于所述方法包括以下步骤：

1）预制上法兰、下法兰、锚杆螺栓和柱基部法兰；

2）在钢立柱底部焊接设置柱基部法兰，

3）预先绑扎混凝土承台的钢筋；

4）混凝土承台内预埋上法兰、下法兰和锚杆螺栓，所述锚杆螺栓的下端连接上法兰，所述锚杆螺栓的中部连接下法兰，所述锚杆螺栓的上端延伸至混凝土承台上方；

5）浇筑承台混凝土；

6）把钢立柱吊装到位，锚杆螺栓插入柱基部法兰螺栓孔；

7）将螺母拧入螺栓，拧紧螺母，完成锚固。

本发明通过各法兰和锚杆螺栓4组成的锚固系统，把钢立柱1受到的大而且复杂的力分别从柱基部法兰3、上法兰5、下法兰6三个与混凝土接触的面分散传递到混凝土承台2中。

当钢立柱1受偏心轴压n和弯矩m时，各部位受力模型如图4所示。可以看到，柱基部的力通过多个法兰与锚杆螺栓组成的锚固系统，分散地传递到了混凝土承台中，受力机理明确，传递路径清晰。因此这个锚固系统很好地解决了不同特性的材料---钢与混凝土之间的受力传递。

根据本发明的优选实施例，假定钢立柱为1.5mx1.5m，钢立柱四边各设置6根m80(s45cn)锚杆螺栓，柱顶受压力15000kn，柱底受弯矩2800kn、剪力250kn。

（a）本锚固结构的锚杆螺栓应力验算如下式：

全部锚杆螺栓有效面积σas=12*43.948+12*43.948=1054.753cm²

断面系数wy1=1320.4cm

锚杆螺栓一根所受最大轴力

p=(nx/n)+(my/wy1)

=(15000/24)+(2800/13.20)

=625+211.8

=836.8（kn）

δs=p/σas=836800/4394.8=190.4

<σsa=210.0(n/mm2)安全

（b）本锚固结构的柱基部法兰验算如下式：

法兰加劲厚度要求（对应压应力）

tr1.req=p/(2*be*δba)=15.2mm<tr=20mm

法兰加劲压应力计算

δb=p/(2*be*tr)=140.4(n/mm2)<δba=185(n/mm2)安全

法兰加劲厚度要求（对应剪应力）

tr2.req=p/{2(hb-2*rs)*τa}=12.7mm<tr=20mm

法兰加劲剪应力计算

τb=p/{2(hb-2*rs)*tr}=66.6<τa=105(n/mm2)安全

这里，一根锚杆螺栓一根所受最大轴力p=836.8kn/根

螺母直径dw=180mm

加劲间距br=130mm

加劲与螺母相对应的有效受力长度bw=99mm

加劲受压的有效长be=bw+50mm=149mm

法兰钢板厚度tbu=20mm

加劲高度hb=400mm

过焊孔高度rs=40mm

钢的压缩容许应力δba=185.0n/mm2

钢的容许剪应力τa=105.0n/mm2

法兰加劲厚度tr=20mm

法兰钢板的应力验算

偏心量e=125mm

弯矩m=p*e=836.8*125=104600kn·mm

断面刚度i=22067cm4

上钢板到中立轴的距离yu=22.0cm

下钢板到中立轴的距离yl=22.0cm（中立轴是上钢板和下钢板之间的中线）

上钢板的应力δu=m*yu/i=106.2n/mm2<δba=185n/mm2安全

下钢板的应力δl=m*yl/i=106.2n/mm2<δba=185n/mm2安全

（c）本锚固结构的上法兰的验算如下式：

上法兰钢板宽度要求（对应混凝土的容许压应力）

bf.req=p/(δca*l)=836800/(20.0*260.0)=160.9mm

实际使用宽度bf=300mm>160.9mm安全

实际混凝土应力

δb=p/(bf*l)=10.7n/mm2<20.0n/mm²

腹板厚度验算（对应剪应力）

tw.req=p/(4*τa*hw)=836800/(4*105.0*250)=8.0mm

实际使用厚度tw=16mm

τ=p/(4*tw*hw)=53.3n/mm2<105.0n/mm2安全

上法兰钢板厚度验算

δc=p/{2*(tw*bw+tr1*bd)}=836800/{2*(16*125+20*125)}

=92.9n/mm2<δba=185.0n/mm2安全

这里，一根锚杆螺栓一根所受最大轴力p=836.8kn/根

上法兰钢板宽度bf=300mm

上法兰下层受压侧钢板厚度tf=30mm

钢的压缩容许应力δba=185.0n/mm2容

锚杆螺栓间距l=260mm

钢的容许剪应力τa=105.0n/mm2

腹板高度hw=250mm

中间加劲板厚tr1=20mm

腹板与螺母相对应的有效受力长度bw=125mm

加劲与螺母相对应的有效受力长度bd=125mm

腹板厚度tw=16mm

混凝土的容许压应力δca=20.0n/mm²

（d）本锚固结构的下法兰的验算与上法兰相似。