一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构
阅读说明：本技术 一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构 (Mixed tower structure of steel tower and steel shell concrete combined tower ) 是由 梁立农 张旸 刘明慧 宁立 卢绍鸿 曲宛桐 肖杰 唐清东 陈焕煜 孙洋 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构,包括从上至下依次设置的上塔柱、结合段和下塔柱,上塔柱为钢塔,下塔柱为钢壳混凝土组合塔,上塔柱通过结合段过渡至下塔柱。本发明可用于外形较复杂的主塔,外观质量好,塔壁的抗裂性和耐久性好,施工工期短,下塔柱为钢壳混凝土组合塔,可以减小板厚,降低加工难度,节约造价；上塔柱为钢塔,可以解决随着造型尺度的增加而造成结构自重增加的问题,或可适应如斜拉桥主塔上塔柱受力需求减小情况,可以大大减少塔上部的质量,降低控制塔底承载力的地震响应。本发明可以在桥梁的主塔设计上,提供更多的选择,施工工厂化,结构性能更优,造型更为丰富。(The invention discloses a mixed tower structure of a steel tower and a steel shell concrete combined tower, which comprises an upper tower column, a combining section and a lower tower column which are sequentially arranged from top to bottom, wherein the upper tower column is the steel tower, the lower tower column is the steel shell concrete combined tower, and the upper tower column is transited to the lower tower column through the combining section. The invention can be used for the main tower with a complex appearance, has good appearance quality, good crack resistance and durability of the tower wall and short construction period, and the lower tower column is a steel shell concrete combined tower, so that the plate thickness can be reduced, the processing difficulty is reduced, and the manufacturing cost is saved; the upper tower column is a steel tower, so that the problem of structural dead weight increase caused by the increase of modeling scale can be solved, or the upper tower column stress requirement reduction condition of a main tower of a cable-stayed bridge can be adapted, the mass of the upper part of the tower can be greatly reduced, and the seismic response of the bearing capacity of the tower bottom is reduced. The invention can provide more choices on the design of the main tower of the bridge, and has the advantages of industrialized construction, better structural performance and richer modeling.)
技术领域
本发明属于缆索承重桥梁主塔结构设计技术，特别涉及一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构。
背景技术
斜拉桥、悬索桥等缆索承重桥梁以其结构的变化性成为景观桥梁的主要备选桥型，而其中主塔结构的造型又是其美学的主要表现窗口。从受力角度来看，主塔越靠近塔底内力越大，因而结构尺寸也会相应增加。另一方面，由于主塔结构作为高耸结构，其自身弯矩的二次效应也会更加明显。因此，常规主塔设计在保证受力合理的前提下，往往会尽量减小上塔柱截面尺寸和自身重量，增加中下塔柱的结构尺寸以保证其承载能力和结构刚度。而城市桥梁的景观设计会更多的追求塔、梁体量的协调性和统一性及建筑美学，如采用束腰形等的异形桥塔来营造出更多的变化感和律动感，这对主塔结构型式如何更好地适应这些要求，来达到结构与美学的融入一体提出了挑战。
由于桥梁景观需要而采用如束腰形等的异形桥塔，当使用混凝土桥塔时，其外表面的特异性使得模板只能一次使用，无法周转而增加了施工成本。而使用钢壳混凝土组合塔时，其优点是：(1)钢壳可以代替内外模板，能够构筑出更理想的美学造型和外表质量；(2)钢壳可以代替钢筋，因布置在最外侧而发挥了更大的承载能力和抗裂作用；(3)钢壳以其高的抗拉性能和延性能力以及和混凝土组合下的强大拉压、抗弯能力，使其获得了优异的静动力力学性能；(4)钢壳采用工厂制造，现场装配式施工，通过机械化、自动化、大型化而提高了产品质量和生产效率；(5)钢壳可以保护混凝土外表及内部钢筋免除外界的侵蚀，提高了耐久性，当外钢板采用316L等材质的不锈钢复合板时，可以对外表面免维护，在海洋性等腐蚀环境中的全寿命周期成本更低。当采用常规桥塔时，使用钢壳混凝土组合塔也会发挥以上类似作用。所以，钢壳混凝土组合塔代表了现代桥塔的发展方向之一。
但是，钢壳混凝土组合塔在塔的上部，其内力比其中下部要小很多，尤其是轴力小很多，钢壳的受压稳定容易满足，而若仍采用内部混凝土结构，不仅增加了施工造价、延长了工期，而且由于塔上部质量大，增强了塔底承载力的地震响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以缩短施工工期、降低工程造价、大大减少塔上部的质量以降低塔底承载力的地震响应的钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构，其特征在于，它包括从上至下依次设置的上塔柱、结合段和下塔柱，所述上塔柱为钢塔，所述下塔柱为钢壳混凝土组合塔，所述上塔柱通过结合段过渡至下塔柱。
本发明采用上塔柱为钢塔、下塔柱为钢壳混凝土组合塔的混合塔结构形式，并在塔柱和下塔柱之间设置结合段，使得本发明可用于外形较复杂的主塔，外观质量好，塔壁的抗裂性和耐久性好，施工工期短，下塔柱为钢壳混凝土组合塔，可以减小板厚，降低加工难度，节约造价；上塔柱为钢塔，可以解决随着造型尺度的增加而造成结构自重增加的问题，或可适应如斜拉桥主塔上塔柱受力需求减小情况，可以大大减少塔上部的质量，降低控制塔底承载力的地震响应。本发明可以在桥梁的主塔设计上，提供更多的选择，施工工厂化，结构性能更优，造型更为丰富。
本发明所述上塔柱和下塔柱均包括内壳体和套于内壳体上的外壳体，且所述上塔柱和下塔柱的内壳体和外壳体各自上下延伸连为一体，在所述上塔柱和下塔柱外壳体的内表面上和内壳体的外表面上沿其周向分别排布有若干竖向肋；所述钢塔的外壳体上的竖向肋和所述钢壳混凝土组合塔的外壳体上的竖向肋上下相对应，所述钢塔的内壳体上的竖向肋和所述钢壳混凝土组合塔的内壳体上的竖向肋上下相对应。竖向肋中心对齐以保证力流的连续性。
本发明所述上塔柱的内壳体和外壳体之间以及所述下塔柱的内壳体和外壳体之间分别设有竖向的分仓钢板而将内、外壳体之间的空间分成若干仓室，所述上塔柱和下塔柱内的分仓钢板上下相对应，所述上塔柱和下塔柱内的分仓钢板上均设有竖向肋，且所述上塔柱和下塔柱内分仓钢板上的竖向肋上下相对应。竖向肋中心对齐以保证力流的连续性。
本发明所述钢壳混凝土组合塔的竖向肋是穿有环形钢筋的竖向开孔肋，所述竖向开孔肋连接在穿有竖向钢筋的环向开孔肋上，所述环向开孔肋分别沿外壳体内表面的周边、内壳体外表面的周边和沿分仓钢板的宽度方向延伸并连成一体，所述环向开孔肋沿竖向设有若干个，所述竖向开孔肋、环向开孔肋与其穿孔钢筋组成PBL剪力连接件；所述钢塔的竖向肋连接在环向肋上，所述环向肋分别沿外壳体内表面的周边、内壳体外表面的周边和沿分仓钢板的宽度方向延伸并连成一体，所述环向肋沿竖向设有若干个；所述外壳体、内壳体以及分仓钢板上竖向开孔肋的环形钢筋通过系筋连接，所述外壳体、内壳体以及分仓钢板上的环向开孔肋通过型钢连接件相连。
本发明所述结合段包括横向设置在所述上塔柱和下塔柱的交界位置的承压隔板，所述承压隔板的外边沿和内边沿分别与外壳体的内表面和内壳体的外表面连接，所述上塔柱的竖向肋、分仓钢板及其上的竖向肋分别与承压隔板的上表面连接，所述下塔柱的竖向肋、分仓钢板及其上的竖向肋分别与承压隔板的下表面连接，在所述承压隔板上开有混凝土浇筑孔。
本发明在所述承压隔板的下表面上、所述钢壳混凝土组合塔的外壳体内表面和内壳体外表面以及所述下塔柱内的分仓钢板上均设有剪力钉。
本发明所述钢塔内壳体、外壳体及分仓钢板上的竖向肋靠近承压隔板的部位自上而下逐渐增高为变高竖向肋，所述变高竖向肋上有翼缘，所述钢壳混凝土组合塔内壳体、外壳体及分仓钢板上的竖向肋靠近承压隔板的部位自下而上逐渐增高为变高竖向肋，所述钢塔的变高竖向肋及其翼缘的高度与所述钢壳混凝土组合塔的变高竖向肋的高度相同。
本发明所述承压隔板的混凝土浇筑孔的孔沿具有向上弯折的折边。在浇筑混凝土之前，该折边作为承压隔板的加劲肋，可保证承压隔板的刚度及节段整体完整性，在浇筑混凝土时可超浇筑，该折边有助于通过超浇筑形成的压力差使得承压隔板以下的气泡排出，增加混凝土浇筑密实度。
本发明在所述承压隔板的边角位置开有振捣孔。
本发明在所述承压隔板上开有若干排气孔，所述排气孔靠近外塔壁、内塔壁或者分仓钢板。
本发明所述钢塔的变高竖向肋的翼缘上部宽度一致，下部为燕尾形。
本发明所述承压隔板的厚度是20mm～50mm。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
(1)本发明采用上塔柱为钢塔、下塔柱为钢壳混凝土组合塔的混合塔结构形式，并在塔柱和下塔柱之间设置有承压隔板的结合段，使得本发明可用于外形较复杂的主塔，外观质量好，塔壁的抗裂性和耐久性好，施工工期短，下塔柱为钢壳混凝土组合塔，可以减小板厚，降低加工难度，节约造价；上塔柱为钢塔，可以解决随着造型尺度的增加而造成结构自重增加的问题，或可适应如斜拉桥主塔上塔柱受力需求减小情况，可以大大减少塔上部的质量，降低控制塔底承载力的地震响应。
(2)本发明钢塔与钢壳混凝土组合塔的结合段内外壁和分仓钢板贯通连续，保证了钢塔的塔壁力流能够连续传递至钢壳混凝土段组合塔的钢壳，本发明使用承压隔板，通过钢塔的竖向肋及其翼缘将钢塔中竖板的部分内力传递至承压隔板，再将内力以压应力形式传递至混凝土内，因此，本发明传力效果好，可以有效解决钢塔与钢壳混凝土组合塔之间的构造过渡和传力问题，保证结构的合理性和安全可靠性。
(3)本发明承压隔板上方的钢塔内以变高度T肋、下方的组合塔内以变高度PBL板肋焊接在承压隔板上，钢塔中竖板的部分内力通过变高度T肋、承压隔板和隔板下的变高度PBL板肋及竖板上的剪力钉扩散至混凝土内，可将主塔钢结构的荷载尽快扩散至混凝土内。
(4)本发明钢塔的竖向肋和钢壳混凝土组合塔的竖向肋中心对齐以保证力流的连续性。
(5)本发明在承压隔板与混凝土接触的下表面及钢壳混凝土组合塔的塔壁上设置剪力钉，配合承压隔板、穿钢筋的竖向肋协同将钢塔内力均匀传递至混凝土，避免混凝土局部应力过大或脱空，保证钢壳与混凝土受力的协同性。
(6)本发明混凝土浇筑孔的孔沿具有向上弯折的折边，在浇筑混凝土之前，该折边作为承压隔板的加劲肋，可保证承压隔板的刚度及节段整体完整性，在浇筑混凝土时可超浇筑，该折边有助于通过超浇筑形成的压力差使得承压隔板以下的气泡排出，增加混凝土浇筑密实度。
(7)本发明在靠近塔顶部分或者全部拉索锚固段主塔采用钢塔，以减少主塔自重、避免混凝土高空作业、加快施工工期。在中、下塔柱受力较大或而由于景观造型尺寸受限时，采用钢壳混凝土组合塔，以提高结构抗力和刚度。通过对本发明各塔段的有机组合，实现结构性能和结构安全及景观造型的有机统一。
(8)当采用混凝土桥塔时，通过采用本发明以钢壳代替不能重复性使用的一次性模板，并取得优异的施工性能和使用性能及经济性能；当采用钢塔时，受力大的下塔柱厚钢板对异形曲面的加工难度极大，而薄钢板对异形曲面加工的要求相对较小易于实现，采用本发明可以大大减少异形曲面钢塔的加工难度；当采用钢壳混凝土组合桥塔时，在上塔柱受力较小或有减重需求时，可采用钢塔；在受力较大的中、下塔柱采用钢壳混凝土组合塔，通过承载能力大的钢壳组合结构以减小钢板厚度，在保障结构安全性的前提下也能减小异形曲面的加工难度，并节省工程造价。
(9)本发明可实现缆索承重桥梁如斜拉桥、悬索桥等主塔结构的造型多样性，为城市景观桥梁提供更多的选择和思路，且本发明结构简单、施工成本低，实用性强，适于广泛推广和使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的钢壳混凝土组合塔的横截面示意图；
图3是本发明的钢塔的横截面示意图；
图4是本发明的钢塔靠近承压隔板部位的横截面示意图；
图5是本发明的上塔柱和下塔柱交界位置的竖向截面示意图之一；
图6是本发明的上塔柱和下塔柱交界位置的竖向截面示意图之二；
图7是本发明的下塔柱网格骨架结构示意图。
具体实施方式
如图1～7所示，是本发明一种钢塔与钢壳混凝土组合塔的混合塔结构，它包括从上至下依次设置的上塔柱、结合段24和下塔柱，上塔柱为钢塔2，下塔柱为钢壳混凝土组合塔3，上塔柱通过结合段24过渡至下塔柱。上塔柱和下塔柱均包括内壳体5和套于内壳体5上的外壳体4，且上塔柱和下塔柱的内壳体5上下延伸连为一体，内壳体5围成的中心空腔25通常为电梯和爬梯空间，该空间可尽量大以减小材料用量，上塔柱和下塔柱的外壳体4上下延伸连为一体。内壳体5和外壳体4可为规则形状，亦可通过机械加工或热处理成异形曲面，在本实施例中，上塔柱的内壳体5的横截面轮廓线为矩形、外壳体4的横截面轮廓线为分离式的两个圆弧+直线的扭曲面，而下塔柱的内壳体5的横截面轮廓线为矩形、外壳体4的横截面轮廓线为圆弧+直线组成的扭曲面，除此以外，截面亦可根据需要设置为圆形、矩形等各类截面形式。
在上塔柱的内壳体5和外壳体4之间以及下塔柱的内壳体5和外壳体4之间分别设有竖向的分仓钢板6而将内、外壳体之间的空间分成若干仓室，上塔柱和下塔柱内的分仓钢板6上下相对应。在上塔柱外壳体4的内表面上和内壳体5的外表面上沿其周向分别排布有若干竖向肋7，在下塔柱外壳体4的内表面上和内壳体5的外表面上沿其周向分别排布有若干竖向肋7，在上塔柱和下塔柱内的分仓钢板6上沿其宽度方向均设有竖向肋7。钢塔2的外壳体4上的竖向肋7和钢壳混凝土组合塔3的外壳体4上的竖向肋7上下相对应，钢塔2的内壳体5上的竖向肋7和钢壳混凝土组合塔3的内壳体5上的竖向肋7上下相对应，上塔柱和下塔柱内分仓钢板6上的竖向肋7上下相对应，竖向肋中心对齐以保证力流的连续性。结合段24包括横向设置在上塔柱和下塔柱交界位置的承压隔板1，承压隔板1的厚度是20mm～50mm，承压隔板1的外边沿与外壳体4的内表面焊接，承压隔板1的内边沿与内壳体5的外表面焊接，上塔柱的竖向肋7的下端与承压隔板1的上表面焊接，下塔柱的竖向肋7的上端与承压隔板1的下表面焊接，在承压隔板1上开有混凝土浇筑孔10。
钢塔2内壳体5、外壳4及分仓钢板6上的竖向肋7靠近承压隔板1的部位自上而下逐渐增高为变高竖向肋9，变高竖向肋9上有翼缘8，翼缘8的上部宽度一致，下部为燕尾形，变高竖向肋9及其翼缘8的下端焊接在承压隔板1的上表面上。钢壳混凝土组合塔3内壳体5、外壳体4及分仓钢板6上的竖向肋7靠近承压隔板1的部位自下而上逐渐增高为变高竖向肋9，该变高竖向肋9的上端焊接在承压隔板1的下表面上。钢塔2的变高竖向肋9及其翼缘8的高度与钢壳混凝土组合塔3的变高竖向肋9的高度相同。
在承压隔板1的下表面上、钢壳混凝土组合塔3的外壳体4内表面和内壳体5外表面以及下塔柱内的分仓钢板6上均设有剪力钉14，剪力钉采用焊钉。钢塔2的竖向肋7连接在环向肋26上，环向肋26分别沿外壳体4内表面的周边、内壳体5外表面的周边和沿分仓钢板6的宽度方向延伸并连成一体，环向肋26沿竖向设有若干个。钢壳混凝土组合塔3的竖向肋7是穿有环形钢筋15的竖向开孔肋，竖向开孔肋连接在穿有竖向钢筋的环向开孔肋20上，环向开孔肋20分别沿外壳体4内表面的周边、内壳体5外表面的周边和沿分仓钢板的6宽度方向延伸并连成一体，竖向开孔肋、环向开孔肋20与其穿孔钢筋组成PBL剪力连接件。
参见图2和图7，在承压隔板1的下方，外壳体4、内壳体5以及分仓钢板6上的环向开孔肋20通过型钢连接件22相连，外壳体4、内壳体5以及分仓钢板6上竖向开孔肋的环形钢筋15通过系筋连接形成多层钢筋网架16，钢筋网架16与环形钢筋15相搭接形成网格骨架结构。一方面利用网架钢筋加强混凝土表面的防裂能力，另一方面将承压隔板的压应力和通过PBL剪力键传来的应力传递至深层混凝土中，更好地保证混凝土的均匀受力。
承压隔板1上混凝土浇筑孔10的孔沿具有向上弯折的折边11，在浇筑混凝土之前，该折边11作为承压隔板1的加劲肋，可保证承压隔板1的刚度及节段整体完整性，在浇筑混凝土时可超浇筑，该折边11有助于通过超浇筑形成的压力差使得承压隔板1以下的气泡排出，增加混凝土浇筑密实度。在承压隔板1的边角位置上开有振捣孔12，振捣孔12距离板边净距约100mm。在承压隔板1上设有若干排气孔13，有的排气孔13靠近外塔壁4，有的排气孔13靠近内塔壁5，有的排气孔13靠近分仓钢板6。
通常可在斜拉桥主塔全部或部分拉索锚固段及悬索桥主塔的上塔柱采用钢塔2，而后通过结合段过渡至钢壳混凝土组合塔3。根据桥位防腐条件、受力状态、造型尺度要求等条件，在钢壳混凝土组合塔3后可进一步过渡至钢筋混凝土塔柱。
本发明在钢塔2和钢壳混凝土组合塔3的交界位置设置加厚承压隔板1，承压隔板1上方的钢塔2内以变高竖向肋、下方的钢壳混凝土组合塔3内以变高度PBL板肋焊接在承压隔板1上，钢塔的外塔壁、内塔壁和分仓钢板的部分内力通过变高竖向肋、承压隔板和承压隔板下方的变高度PBL板肋及竖板上的剪力钉扩散至混凝土17内，通过以上构造可将主塔钢结构的荷载尽快扩散至混凝土内。
本发明横截面轮廓线可为矩形、圆形、椭圆、圆弧+直线、多边形等各类组合形式。
钢壳混凝土组合塔根据运输和现场吊装能力进行竖向分段设计和工厂制造。在工地进行各节段的竖向拼装时，节段之间钢板直接对焊，加劲肋之间一般通过嵌补段连接。在内、外壳体之间填充收缩自补偿混凝土，混凝土与穿孔钢筋和型钢连接件共同组成钢筋混凝土结构，并通过剪力钉和纵横向PBL剪力连接件与内外钢壳结合，协同受力。钢塔节段之间可采用焊接或栓接进行连接。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
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