骨架机构及结构索塔

技术领域

本发明涉及桥梁技术领域，尤其是涉及一种骨架机构及结构索塔。

背景技术

现有的桥梁结构索塔分为钢索塔、混凝土索塔和钢混组合索塔，对于斜拉桥或悬索桥，不同于主梁结构属于多点弹性支承的柔性结构体系，斜拉桥或悬索桥的索塔需要有足够的刚度抵抗变形，同时将主梁等上部结构荷载传递至基础，故索塔需承受巨大的轴向力，还有不平衡水平力引起的弯矩。

钢索塔应用于斜拉桥或悬索桥时，虽然钢结构的材料强度较大，但可提供的刚度有限，同时结构阻尼较小，对于高耸的索塔，容易产生风致振动灾害；此外，由于索塔主要受压，钢结构还需要很多的加劲肋进行加劲，避免失稳，材料用量较大，故钢索塔的造价高；最后，因为钢结构的精度要求高，存在施工周期长的问题。

混凝土索塔应用于斜拉桥或悬索桥时，受制于混凝土结构的受力特点，结构尺寸较大，影响美观，索塔造型较难突破，受力不利部位索塔构造复杂，且钢筋配置众多，现场绑扎工作量大，钢筋工程成为索塔施工的控制性因素，混凝土结构索塔的施工速度较慢。此外，结构设计与施工往往没有有效结合，索塔一个节段内的普通钢筋和各种预埋件等构成了非常复杂的空间结构，普遍存在相互制约和干扰，需要在施工期间不断调整变化，而且密密麻麻的构件也影响了混凝土的浇筑和振捣，进而影响混凝土结构的质量。

钢混组合索塔应用于斜拉桥或悬索桥时，构造相对复杂，而且由于钢结构占比大，对接精度要求高，导致成本高且施工周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种骨架机构及结构索塔，以缓解现有技术中存在的索塔应用于斜拉桥或悬索桥时，容易产生风致振动灾害、造价高和施工周期长的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

第一方面，本发明提供的骨架机构包括型钢劲性骨架和附属组件；

所述型钢劲性骨架包括多个型钢组件和多个施工型钢，多个所述型钢组件围成骨架空间，相邻的两个所述型钢组件之间设有所述施工型钢；

所述附属组件沿所述骨架空间的周向设置且与所述型钢组件和/或所述施工型钢连接，用于加固所述型钢劲性骨架及整体吊装。

更进一步地，所述型钢组件包括至少一个型钢，多个所述型钢组件中的型钢平行间隔设置，相邻的所述型钢通过所述施工型钢连接。

更进一步地，所述型钢组件还包括缀板，所述型钢设有沿长度方向贯穿的开口槽；

所述缀板的两端分别与所述开口槽的侧壁连接。

更进一步地，所述型钢设置有一个时，所述缀板的两端分别与同一个所述开口槽的两个侧壁连接；

所述型钢设置有多个时，相邻的两个所述型钢的所述开口槽相对设置；

所述缀板的两端分别与相邻的两个所述型钢的所述开口槽的侧壁连接。

更进一步地，所述型钢组件的外表面设有剪力钉和/或剪力键。

更进一步地，所述附属组件包括两个加固网；

两个所述加固网分别位于所述型钢组件的内外两侧。

更进一步地，所述加固网包括多个竖向主筋和多个水平箍筋；

多个所述竖向主筋沿所述骨架空间的周向间隔设置，多个所述水平箍筋沿所述骨架空间的轴向间隔设置，且所述竖向主筋与所述水平箍筋呈夹角设置。

更进一步地，所述附属组件还包括水平扒筋，所述水平扒筋的两端分别与两个所述加固网中相对的两个所述竖向主筋连接。

更进一步地，所述附属组件还包括钢锚梁和索道管；

相邻所述型钢组件之间设置有所述钢锚梁，且相互垂直；

所述索道管的一端与所述钢锚梁连接，与所述型钢组件呈夹角设置，且具有用于穿入斜拉索的空腔。

第二方面，本发明提供的结构索塔包括混凝土和如上述任一项所述的骨架机构；所述混凝土填充于所述骨架机构中的骨架空间内。

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果分析如下：

本发明提供的骨架机构包括型钢劲性骨架和附属组件；型钢劲性骨架包括多个型钢组件和多个施工型钢，多个型钢组件围成骨架空间，相邻的两个型钢组件之间设有施工型钢；附属组件沿骨架空间的周向设置且与型钢组件和/或施工型钢连接，用于加固型钢劲性骨架及整体吊装。

该骨架机构应用于建造斜拉桥或悬索桥时使用的结构索塔，使用时需在骨架空间内浇筑混凝土。施工型钢用于将分散的型钢组件连成一体，提高型钢劲性骨架的整体性和刚度，同时用于附属组件的定位和固定。骨架机构包括型钢组件，提高了骨架机构的正截面承载力、斜截面承载力和截面刚度。因为型钢组件可承受力，使得普通钢筋的配筋得到简化，降低结构索塔的成本；并且在制作时，将附属组件附加于型钢劲性骨架上，不需要在现场安装附属组件，则避免了附属组件需要与现场其他钢筋对接和调整，导致施工周期长的问题。

应用骨架机构的索塔与钢结构索塔相比，提高了骨架机构的刚度，避免了风致振动问题，整体造价低。

应用骨架机构的索塔与传统钢筋混凝土索塔相比，提高了骨架机构的承载力和刚度，优化了结构尺寸和构造，简化了普通钢筋，避免了以往混凝土索塔节段内部钢筋密密麻麻，影响混凝土浇筑和振捣，可以提高混凝土施工质量，减少病害，而且通过骨架机构的预制生产，减少了现场钢筋吊装、定位、调整、绑扎等工序，提高施工效率，实现快速化施工。

应用骨架机构的索塔与钢混组合索塔相比，减少了钢结构的占比，降低了对接精度，从而降低成本缩短施工周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的骨架机构中型钢劲性骨架的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的骨架机构中型钢组件的结构示意图一；

图3为本发明实施例提供的骨架机构中型钢组件的结构示意图二；

图4为本发明实施例提供的骨架机构中型钢组件的结构示意图三；

图5为本发明实施例提供的骨架机构中型钢组件的结构示意图四；

图6为本发明实施例提供的骨架机构的结构示意图。

图标：

100-型钢劲性骨架；110-型钢组件；111-型钢；112-开口槽；113-缀板；114-剪力钉；115-剪力键；120-施工型钢；210-竖向主筋；220-水平箍筋；230-水平扒筋；300-第一浇筑区域；400-第二浇筑区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例提供的骨架机构包括型钢劲性骨架100和附属组件；型钢劲性骨架100包括多个型钢组件110和多个施工型钢120，多个型钢组件110围成骨架空间，相邻的两个型钢组件110之间设有施工型钢120；附属组件沿骨架空间的周向设置且与型钢组件110和/或施工型钢120连接，用于加固型钢劲性骨架100及整体吊装。

该骨架机构应用于建造斜拉桥或悬索桥时使用的结构索塔，使用时需在骨架空间内浇筑混凝土。施工型钢120用于将分散的型钢组件110连成一体，提高型钢劲性骨架100的整体性和刚度，同时用于附属组件的定位和固定。骨架机构包括型钢组件110，提高了骨架机构的正截面承载力、斜截面承载力和截面刚度。因为型钢组件110可承受力，使得普通钢筋的配筋得到简化，降低结构索塔的成本；并且在制作时，将附属组件附加于型钢劲性骨架100上，不需要在现场安装附属组件，则避免了附属组件需要与现场其他钢筋对接和调整，导致施工周期长的问题。

应用骨架机构的索塔与钢结构索塔相比，提高了骨架机构的刚度，避免了风致振动问题，整体造价低。

应用骨架机构的索塔与传统钢筋混凝土索塔相比，提高了骨架机构的承载力和刚度，优化了结构尺寸和构造，简化了普通钢筋，避免了以往混凝土索塔节段内部钢筋密密麻麻，影响混凝土浇筑和振捣，可以提高混凝土施工质量，减少病害，而且通过骨架机构的预制生产，减少了现场钢筋吊装、定位、调整、绑扎等工序，提高施工效率，实现快速化施工。以某个斜拉桥为例，经过初步分析，塔柱非锚固区施工工效可减省约28％，锚固区工效可减省约38％。也得益于型钢组件110参与结构受力，使得结构索塔设计可以突破传统设计理念和方法，使得结构索塔设计更加多样化。

应用骨架机构的索塔与钢混组合索塔相比，减少了钢结构的占比，降低了对接精度，从而降低成本缩短施工周期。

以下对骨架机构的结构和形状进行详细说明：

本发明实施例的可选方案中，请参见图1，施工型钢120包括横向施工型钢、斜向施工型钢和竖向施工型钢，相邻的两个型钢组件110之间安装有多个沿竖直方向间隔设置的横向施工型钢，竖向施工型钢与横向施工型钢垂直，且与多个横向施工型钢连接；斜向施工型钢与横向施工型钢和竖向施工型钢呈夹角设置，且两端分别与间隔设置的两个横向施工型钢连接。

具体地，型钢组件110参与受力，根据受力计算确定型钢组件110的数量、截面形式、板厚以及在结构索塔截面内的布置情况；施工型钢120仅在施工期间发挥作用，与型钢组件110配合，使型钢劲性骨架100具有足够的刚度和稳定性，且用于附属组件的定位和固定。施工型钢120是基于多个型钢组件110的设计基础上设计的，需要考虑施工期间型钢劲性骨架100需要的刚度和稳定性，以及如何更好的定位和固定附属组件。施工型钢120一般可以采用传统的定型产品，可以采用角钢、槽钢或H型钢，采用Q235制成。施工型钢120与型钢组件110直接的连接采用焊接形式，施工型钢120之间也采用焊接进行连接。

施工型钢120实现了多个型钢组件110的连接，及对附属组件的定位和固定。

本发明实施例的可选方案中，请参见图2和图3，型钢组件110包括至少一个型钢111，多个型钢组件110中的型钢111平行间隔设置，相邻的型钢111通过施工型钢120连接。并且，型钢组件110包括缀板113，型钢111设有沿长度方向贯穿的开口槽112；缀板113的两端分别与开口槽112的侧壁连接。

具体地，型钢111的截面可设置为工字型、槽型、王子型、丰字型或L型；并且，型钢111可以使用定型产品，也可以用钢板焊接成上述型钢111截面形状，还可以衍生出各种复杂截面形状。

对于具有开口槽112的型钢111，缀板113的两端与开口槽112的侧壁连接，提高了型钢组件110的稳定性和刚度。

作为一种实施方式，请参见图2，型钢111设置有一个时，缀板113的两端分别与同一个开口槽112的两个侧壁连接。

具体地，缀板113设置有多个，多个缀板113沿开口槽112的延伸方向间隔设置。

缀板113的两端与同一个开口槽112的两个侧壁连接，使型钢组件110形成格构式型钢构件，增加了型钢组件110的稳定性和刚度；通过施工型钢120将多个格构式型钢构件连成型钢劲性骨架100，增加了型钢劲性骨架100的稳定性和刚度。

作为另一种实施方式，请参见图3，型钢111设置有多个时，相邻的两个型钢111的开口槽112相对设置；缀板113的两端分别与相邻的两个型钢111的开口槽112的侧壁连接。

具体地，本实施例中，型钢111设置有两个，两个型钢111的开口槽112相对设置。缀板113的两端分别与两个型钢111的侧壁连接。当然，型钢111设置为其他个数，也应当在本发明实施例的保护范围之内。

通过缀板113连接相邻的两个型钢111，使多个型钢111拼接形成格构式型钢构件，增加了型钢组件110的稳定性和刚度；通过施工型钢120将多个格构式型钢构件连成型钢劲性骨架100，增加了型钢劲性骨架100的稳定性和刚度。

本发明实施例的可选方案中，请参见图4和图5，型钢组件110的外表面设有剪力钉114和/或剪力键115。

具体地，型钢组件110与混凝土结合时，两者协同受力关键在于两者之间粘结滑移性能，与钢筋在混凝土中两者协同关系本质一致，微观机理跟两者界面的化学胶结力、摩阻力和机械咬合力相关，表观因素跟混凝土强度、型钢组件110保护层厚度、型钢组件110表面状况及粗糙度和配箍率等相关。根据已有研究可知，型钢组件110与混凝土之间的粘结强度跟混凝土强度成正比，型钢组件110保护层厚度较小时跟保护层厚度成正比，当达到一定厚度后，粘结强度不会随保护层厚度继续增加，当对型钢表面进行喷砂或喷砂后生赤锈后粘结强度有显著提高，而配箍率主要有利于提高残余粘结强度。在型钢组件110的表面上设置剪力钉114或剪力键115，提高型钢组件110与混凝土之间的粘结性能。通过对混凝土强度、型钢组件110保护层厚度、型钢组件110表面状况及粗糙度、配箍率等因素的控制，使得型钢组件110与混凝土之间粘结效应得到保障，从而保证两者协同受力，满足结构设计的平截面假定。较为优选地，剪力钉114或剪力键115安装于开口槽112的侧壁外表面。更进一步地，剪力钉114或剪力键115焊接于型钢组件110的表面。

在型钢组件110的表面上设置剪力钉114或剪力键115，提高型钢组件110与混凝土之间的粘结性能。

本发明实施例的可选方案中，附属组件包括两个加固网；两个加固网分别位于型钢组件110的内外两侧。

加固网用于现场整体吊装，实现工业化预制生产和现场快速化施工。

本发明实施例的可选方案中，请参见图6，加固网包括多个竖向主筋210和多个水平箍筋220；多个竖向主筋210沿骨架空间的周向间隔设置，多个水平箍筋220沿骨架空间的轴向间隔设置，且竖向主筋210与水平箍筋220呈夹角设置。

竖向主筋210通过绑扎或点焊固定于施工型钢120之上，竖向主筋210不与型钢组件110直接相连，均通过施工型钢120进行固定。特殊地，为增加型钢组件110在抗震工况下的整体性，使其更好地发挥延性作用，可以设计水平箍筋220将离散的型钢组件110套箍住，水平箍筋220与型钢组件110之间可以采用焊接进一步加强连接。

本发明实施例的可选方案中，附属组件还包括水平扒筋230，水平扒筋230的两端分别与两个加固网中相对的两个竖向主筋210连接。

骨架机构是在工厂内预制生产的最后一个环节，完成骨架机构的预制以及预拼之后，即可运送至现场，在现场通过浮吊或塔吊等方式进行吊装施工，吊装需要完成骨架机构与上一节已施工索塔节段的对接连接，这里的对接连接首先指的是型钢组件110与上一节索塔预留出来的型钢组件110之间的对接连接，可以采用焊接、栓接或栓焊结合，对接精度取决于工厂内预制和预拼的精度、运送过程中的固定效果以及现场吊装的工艺，当完成型钢组件110之间的连接之后，就可以进行竖向主筋210的连接，竖向主筋210之间可以采用常规直螺纹套筒连接或采用锥形套筒连接等，施工型钢120在节段与节段之间是不需要连接的，水平箍筋220和水平扒筋230等也不需要进行节段之间的连接。由于现场仍需要对型钢组件110进行对接，需要考虑人员在骨架机构内部进行施工作业，故骨架机构并不会设计成非常完整，即还会留出一部分钢筋，等到现场施工人员进入骨架机构内完成型钢组件110之间的对接后，再将这部分钢筋穿进去。或者从整体吊装重量考虑，对于特殊节段，若普通钢筋重量占比仍比较大，可以考虑将一部分方便现场绑扎的钢筋预留出来，等到整体骨架现场吊装完成后，再行附加，这也可以大大减少现场钢筋作业量，提升整体索塔的施工速度。

本发明实施例的可选方案中，附属组件还包括钢锚梁和索道管；相邻型钢组件110之间设置有钢锚梁，且相互垂直；索道管的一端与钢锚梁连接，与型钢组件110呈夹角设置，且具有用于穿入斜拉索的空腔。

当本实施例提供的骨架机构应用于斜拉桥时，附属组件还包括钢锚梁和索道管，钢锚梁水平设置，索道管为后续穿入斜拉索提供了空腔。

本发明实施例的可选方案中，骨架空间包括第一浇筑区域300和第二浇筑区域400；两个加固网围合形成的区域形成第一浇筑区域300，位于型钢组件110内侧的加固网围合形成的区域为第二浇筑区域400。

具体地，骨架空间的截面设置为矩形、矩形带切角、带倒角梯形或圆形。并且，第二浇筑区域400可以进行浇筑也可以不进行浇筑。更进一步地，混凝土材料采用C50及以上。

第二浇筑区域400可以进行浇筑也可以不进行浇筑，实现结构索塔的可以设置为实心或空心的。

以下对骨架机构的优势进行详细说明：

型钢组件110具有灵活多变的断面形式和布置方式，其作用主要是参与结构受力，并通过型钢组件110表面处理，如喷砂等或通过附加剪力钉114、剪力键115等提高型钢组件110与混凝土的粘结能力，保证两种材料协同受力，满足结构设计的平截面假定，其次，型钢组件110又与施工型钢120组成型钢劲性骨架100，用于满足施工期间的要求，施工型钢120用于将分散的型钢组件110连成一体，提高骨架机构整体性和刚度，同时用于附属组件的定位和固定。此外，从抗震角度，还可以设置闭合水平箍筋220将分散的型钢组件110进一步套箍，提高型钢组件110对内部混凝土的约束能力，提高结构抗震性能。上述这种构造可以满足传统索塔设计要求，还可以突破传统索塔造型，使得索塔造型更加多样。

在型钢组件110充分参与到混凝土索塔结构受力上来后，普通钢筋的配置情况就完全有别于传统钢筋混凝土结构了，由于型钢组件110分摊了结构受力，使得普通钢筋的配筋率大大降低，简化了钢筋配置，比如原先需要配置4～6层钢筋才能满足受力的情况，考虑型钢组件110受力后，普通钢筋可以减少到1～2层。以某个斜拉桥索塔受力计算为例，型钢组件110和单排32mm束筋总的截面配筋率为3.8％，其中型钢组件110为2.3％，钢筋为1.5％；截面各部分材料对正截面承载力的贡献分别为：型钢组件110％、钢筋20％、混凝土50％。型钢组件110与钢筋各自所占比重基本与面积比等效。

若按常规配筋设计，达到相同安全系数的情况下，截面外侧需配置3排32mm束筋，内侧需2排32mm束筋。如此情况对施工影响较大，钢筋密集，现场连接作业量大，功效低，且在常见的钢筋与索导管、预应力等碰撞区域，处理难度大。若按常规配筋设计，合理情况应对截面尺寸适当加大，优化配筋。

以某个斜拉桥索塔受力计算为例，索塔配箍由地震工况控制设计，最不利位置，配箍采用28mm钢筋间距10cm布置、单侧腹板内外3肢箍，体积配箍率约1.4～1.6％；并考虑型钢组件110的作用，各项所产生的贡献比例分别为：混凝土10～18％、箍筋54～74％、型钢组件110％、轴力8～13％。若不考虑型钢组件110作用，继续增加箍筋的配置不甚合理，若对截面壁厚适当加大，则需要由原先1.5m壁厚调整为2.75m，可见型钢组件110在其中的有利作用。

实施例二

本发明实施例提供的结构索塔，包括了实施例一中述及的骨架机构，因此，也具备了实施例一中的一切有益效果，在此不再赘述。

本发明实施例的可选方案中，结构索塔还包括混凝土，混凝土填充于骨架机构中的骨架空间内。

本实施例中的结构索塔使得结构构造和普通钢筋的配置简化，而且受力用的型钢组件110与施工型钢120紧密结合，结构设计阶段就与施工技术方案深度融合，使用骨架机构工厂预制，现场一次性吊装的快速化施工工艺，以某个斜拉桥施工为例，常规节段的施工，传统混凝土索塔需要7天一节，该结构索塔可以做到5天一节，到了上塔柱索锚区，传统混凝土索塔需要10.5天一节，该结构索塔可以做到6.5天一节，施工效率明显提升。

以某个斜拉桥设计为例，本实施例中的结构索塔体积含筋(钢)率约为350.7kg/m3，其中，普通钢筋体积率约为194.9kg/m3，竖向主筋210约占82kg/m3，水平箍筋220约占110kg/m3；型钢组件110体积率约为155.9kg/m3。其体积含筋(钢)率介于普通钢筋混凝土索塔和钢混组合索塔之间，但由于型钢组件110占受力的比重可以通过设计调整，具有灵活性，可以针对不同项目设计不同比例，调整整体的体积含筋(钢)率。

以某个斜拉桥设计为例，其采用型钢组件110与混凝土的面积比约1.8～2.4％，而且以横向分布为主，此时，与不配置型钢组件110的纯混凝土截面相比，截面抗压刚度提高约9.5～10.0％，顺桥向抗弯刚度提高约6.7～9.0％，横桥向抗弯刚度提高约12.6～14.0％。说明型钢组件110对结构整体刚度也有所帮助，而且如前所述，可以灵活调整型钢组件110的比例，以及在断面中的布置情况，可以视需要调节结构不同方向上的刚度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。