大跨度鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工技術(shù)研究（52頁）

1、 大跨度鋼管混凝土拱橋 設(shè)計、施工技術(shù)研究重慶交通大學(xué)顧安邦一、鋼管混凝土拱橋發(fā)展概況 鋼管混凝土拱橋具有受力合理、施工方便、外形美觀、造價經(jīng)濟等優(yōu)點，已成為一種很有競爭力的橋型，在我國得到了較快發(fā)展。（1）1930年蘇聯(lián)建造就了第一座鋼管砼拱橋（2） 1991年我國建成了第一座鋼管砼拱橋115米的四川旺蒼東河大橋（3） 2000年360米的廣州丫髻沙大橋是轉(zhuǎn)體施工的世界最大跨度鋼管砼拱橋（4） 2005年460米的重慶巫山巫峽長江大橋是世界上最大跨度的鋼管砼拱橋（5）2006年368米的湖南茅草街大橋是世界上最大跨度的鋼管砼系桿拱橋（6）至2007年，國外修建鋼管混凝土拱橋13座，國內(nèi)修建各

2、類鋼管混凝土拱橋253座；其中跨度200米以上的有23座。（7）2009年，主跨500米的四川合江長江大橋正在修建。1991年建成的四川旺倉東河大橋2000年建成的廣州丫髻沙大橋2006年建成的湖南益陽茅草街大橋2005年建成的重慶巫山長江大橋鋼管混凝土拱橋優(yōu)點：鋼與砼結(jié)合，充分發(fā)揮了兩種材料的受力特性，跨越能力與適應(yīng)能力強、承載能力大、經(jīng)濟合理、施工快捷、外形美觀。國內(nèi)外應(yīng)用情況：十多年間我國設(shè)計和建造了200多座不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)體系、不同截面形式的鋼管混凝土拱橋，為拱橋的發(fā)展開辟了廣闊的應(yīng)用前景。西部地區(qū)特點：西部地區(qū)特別是西南地區(qū)屬山嶺重丘區(qū)，修建鋼管混凝土拱橋可以避免高墩、高塔、上下

3、部結(jié)構(gòu)可同時施工，縮短了建設(shè)工期，是經(jīng)濟欠發(fā)達的西部地區(qū)理想的橋梁結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土拱橋需要解決的問題由于對鋼管混凝土拱橋的設(shè)計理論和方法、施工和養(yǎng)護技術(shù)缺乏系統(tǒng)深入研究，使得各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)未形成統(tǒng)一認識，沒有設(shè)計、施工規(guī)范，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，影響了進一步發(fā)展。為此交通部組織了重慶交通大學(xué)、湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院、四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院、廣西路橋總公司，等14個單位，進行了專項研究，形成了一整套鋼管混凝土拱橋建設(shè)技術(shù)。下面將主要的研究成果向大家匯報。二、設(shè)計理論和計算方法研究設(shè)計計算理論分析研究鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系試驗研究鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究大直徑鋼管混凝土收縮徐變

4、研究鋼管混凝土溫度場研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究管內(nèi)混凝土脫空對鋼管混凝土承載力影響研究統(tǒng)一理論：把鋼和砼考慮為一種統(tǒng)一的組合材料，來計算截面、材料特性和建模，此法特別適合于計算極限承載力。套箍理論：即分別按鋼和砼建立單元，砼單元考慮鋼管的套箍作用，然后再把兩個單元聯(lián)接起來計算，比較適用于施工全過程分析。這兩種理論，雖然計算方法不一樣，但結(jié)果差別不大。我們課題組推薦統(tǒng)一理論。西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果 鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系試驗研究在已有鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系研究基礎(chǔ)上,通過不同管徑鋼管混凝土試件的試驗,建立了大直徑鋼管混凝土在軸心受壓、偏心受壓條件下的本構(gòu)關(guān)系的修正表

5、達式，提出了考慮管內(nèi)砼損傷的大直徑鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系表達式西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果通過合成法建立鋼管混凝土在偏心受壓條件下的本構(gòu)模型鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系試驗研究修正后的套箍系數(shù):任意混凝土條帶的套箍折減系數(shù):參數(shù)修正公式:西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果提出了計入鋼管初應(yīng)力的鋼管混凝土拱橋有限元計算方法；建立了單肢、啞鈴型和格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋考慮鋼管初應(yīng)力的承載力影響系數(shù)計算公式 試驗加載示意圖 試件破壞圖 鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究 開

6、展了不同初應(yīng)力系數(shù)和不同偏心率的鋼管混凝土構(gòu)件承載力試驗，驗證了鋼管初應(yīng)力的存在會降低鋼管混凝土構(gòu)件的承載力，試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合良好。有初應(yīng)力的空鋼管試件西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究開展了單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋在不同初應(yīng)力系數(shù)、不同含鋼率、不同跨徑下的承載力計算，結(jié)果表明：鋼管初應(yīng)力引起鋼管混凝土拱橋承載力降低，最大降低值可超過10%，但不同的拱肋截面型式（單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型），最大降低值不相同； 初應(yīng)力對單肢鋼管混凝土拱橋承載力影響最大，啞鈴型截面次之，四肢格構(gòu)型截面影響最?。?以拱橋承載力降低控

7、制在10%為界限，單肢拱初應(yīng)力系數(shù)應(yīng)控制在0.3，啞鈴型和四肢格構(gòu)型拱初應(yīng)力系數(shù)控制在0.6。在開展初應(yīng)力對鋼管混凝土拱橋承載力計算時，必須考慮幾何非線性的影響，即應(yīng)同時按材料非線性和幾何非線性分析，否則結(jié)果偏大。西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究通過對單肢、啞鈴型和格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋考慮鋼管初應(yīng)力的極限承載力分析，應(yīng)用回歸分析法得到了三種截面型式的承載力影響系數(shù)計算公式，為今后鋼管混凝土拱橋設(shè)計提供了依據(jù)。啞鈴型承載力影響系：四肢格構(gòu)型承載力影響系數(shù)：單肢承載力影響系數(shù)：西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果進行了長

8、期（五年）的收縮徐變室內(nèi)模型試驗和實橋測試，基本摸清了鋼管混凝土徐變及其應(yīng)力重分布規(guī)律，建立了考慮鋼管約束的徐變系數(shù)和應(yīng)力重分布計算方法和公式。 大直徑鋼管混凝土收縮、徐變特性研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果經(jīng)模型試驗和實橋測試，摸清了鋼管混凝土的徐變規(guī)律。提出了用考慮鋼管徐變約束的徐變系數(shù)，來替代混凝土徐變系數(shù)進行徐變分析的理論。提出了用組合截面法來模擬鋼管混凝土單元，得到了鋼管與混凝土的應(yīng)力重分布公式。經(jīng)實橋檢測，計算結(jié)果與實橋檢測值相吻合。大直徑鋼管混凝土收縮、徐變特性研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管混凝土收縮徐變試驗考慮約束的徐變系數(shù)

9、壓應(yīng)力拉應(yīng)力 鋼管混凝土收縮徐變試驗重慶交通大學(xué)實驗室西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果大直徑鋼管混凝土收縮、徐變研究 根據(jù)混凝土收縮徐變線性計算理論中按齡期調(diào)整有效模量法，用鋼管砼組合截面理論，并考慮鋼管約束的徐變系數(shù)，重新推出了適合于鋼管砼徐變計算的按齡期調(diào)整有效模量法 式中 稱為按齡期調(diào)整的有效模量西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果進行了鋼管混凝土拱橋節(jié)段、實橋溫度場測試和穩(wěn)定模型試驗，提出了溫度分析計算模型和公式以及溫度、非線性等因素影響下鋼管混凝土拱橋靜力、穩(wěn)定性分析方法。 鋼管混凝土拱橋溫度場研究試驗?zāi)Ｐ涂傮w布置圖西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方

10、法與計算理論研究成果 鋼管混凝土截面溫度分布函數(shù)如下：式中： y 為計算點沿截面直徑方向至混凝土表面的距離； D 為混凝土的直徑； T0 為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)混凝土沿截面直徑方向的最大溫差值。鋼管混凝土拱橋溫度場研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果 鋼管混凝土截面溫度梯度示意圖：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)截面混凝土溫度梯度鋼管混凝土拱橋溫度場研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究針對主管與支管相連接的節(jié)點開展了多組模型試驗提出了鋼管混凝土節(jié)點設(shè)計的合理構(gòu)造形式推薦了確定節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)和預(yù)估節(jié)點疲勞壽命的方法西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方

11、法與計算理論研究成果鋼管砼節(jié)點疲勞試件大樣相貫線處單元劃分網(wǎng)格圖鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果測 點5354555657585960空心管試 件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20鋼管混凝土試 件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35鋼管混凝土試件與空心管試件在支管中截面處應(yīng)力比較（單位：MPa） 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究鋼管混凝土節(jié)點與空心節(jié)點在支管相貫線處的SCF比較 西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果提出鋼管砼節(jié)點疲勞強度修正系數(shù)推薦：

12、相對于美國焊接學(xué)會（AWS） D1.1 ET空心管節(jié)點疲勞曲線，局部開坡口的鋼管砼節(jié)點疲勞強度容許修正系數(shù)2.0鋼管砼節(jié)點疲勞強度計算公式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究承受剪應(yīng)力的管板節(jié)點的設(shè)計疲勞強度可采用80MPa西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果三組試件鋼管混凝土節(jié)點疲勞強度修正系數(shù)試件節(jié)點類型疲勞壽命(104)疲勞強度（MPa)疲勞強度修正系數(shù)鋼管砼節(jié)點(試驗值)空心管節(jié)點（AWS）XCFJ1N26354.4423.242.34XCFJ2Y10660.0129.632.02XCFJ3N29354.4422.582.41鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞試驗研究西部科技項目鋼管混凝

13、土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果管內(nèi)混凝土脫空對承載力影響研究通過多組試驗和分析，驗證了鋼管混凝土脫空對鋼管混凝土承載力是有一定影響的：脫空率大于1.2%時，影響較顯著，建議修補和灌填；當脫空率小于1.2%時，影響很小，可忽略不計，或者考慮脫空率折減系數(shù)kt=0.97。西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果二、 鋼管混凝土拱橋 結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究開展了鋼管混凝土拱橋設(shè)計構(gòu)造形式研究；提出了鋼管混凝土拱橋主要構(gòu)造的合理型式和幾何設(shè)計參數(shù)的合理取值范圍西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果混凝土與鋼材的匹配 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究Q235鋼配C

14、40級混凝土Q345鋼配C40C60級混凝土Q390鋼配C60級及以上的混凝土西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管最大徑厚比鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果鋼管最小徑厚比鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究推薦值:D/t=35徑厚比GB50017-2003DL/T5085-1999JCJ01-89CECS28：90CECS104：99BS5400-3：2000BS5400-5：1979Q235-10020-10025-10020-8520-90-90.6-83.7Q345-6833.3-10020-70.220

15、-61.3-61.7-69.1Q390-6020-6620-54.2-54.6-65.0西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果套箍指標 考慮可靠度要求及混凝土平均強度等級C50現(xiàn)狀，推薦0.6鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果跨高比分布圖鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究矢跨比通過數(shù)值分析，單肋拱第一階失穩(wěn)模態(tài)為面外屈曲，矢跨比1/41/5時可獲得最大面外穩(wěn)定性上承式拱橋矢跨比：1/51/6中承式、飛燕式拱橋矢跨比：1/41/5下承式剛架系桿拱、拱梁組合體系橋矢跨比：1/4.51/5.5西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計

16、方法與計算理論研究成果單管式截面最大跨徑以不超過80m為宜其主弦管直徑鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果啞鈴形截面最大跨徑以不超過150m為宜啞鈴式截面高度弦管直徑0.370.45H啞鈴式截面高度(公路-級)啞鈴式截面高度(公路-級)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果桁架式截面跨徑大于150m，一般只能采用桁架式截面截面高度桁寬0.50.6H、管徑0.190.23H跨徑大于250m后，宜采用變高度桁架式截面拱頂高0.8H、拱腳高1.4H桁架式截面高度(公路-級)桁架式截面高度(公

17、路-級)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果橋道系位置、多跨拱橋跨徑比例中承式拱橋橋道系位置，優(yōu)先考慮0.618黃金比例多跨中承式、下承式拱橋邊中跨比取0.71，符合動態(tài)勻稱級數(shù)飛燕式拱橋的邊中跨比0.30.2，建議取鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果典型橋道系結(jié)構(gòu)分類一類二類三類四類五類六類橋道系梁(板)簡支于蓋梁上橋道系梁(板)與吊桿橫梁鉸接 橋道系梁(板)與橫梁先簡支后連續(xù)剛接 橫梁之間用加勁縱梁連續(xù)貫通，縱梁簡支于肋間橫梁之上橫梁之間用加勁縱梁連續(xù)貫通，縱梁與拱肋固接，形成

18、剛梁剛拱 橫梁之間現(xiàn)澆橋面板形成整體橋面系 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果橋道系研究結(jié)論通過數(shù)值分析，對大跨中承式拱橋，橋道系位置設(shè)在0.60.8f間可使橋梁具有較大的橫向穩(wěn)定性 推薦類型:縱向連續(xù)體系能夠防止因吊桿意外引起重大安全事故活載能往遠處傳遞，吊桿、橫梁和拱圈受力好鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果吊桿及連接構(gòu)造的合理形式雙向鉸接設(shè)置球鉸鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究有意加長短吊桿長度西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果吊桿（索）安全系數(shù)不小于3.0短吊桿（索）安全系數(shù)不小于4.0系桿安全系數(shù)不小于2.5肋間橫向聯(lián)接系以K撐效果最佳西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果拱圈節(jié)段接頭外包鋼板圍焊接頭高強螺栓接頭內(nèi)法蘭盤連接鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理構(gòu)造形式研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果 三、 鋼管混凝土拱橋 施工技術(shù)研究開展了大跨徑鋼管砼拱橋無支架吊裝斜拉扣掛施工方法的研究。開展了管內(nèi)混凝土材料和澆筑工藝的研究西部科技項目鋼管混凝土拱橋設(shè)計方法與計算理論研究成果重點研究了吊扣合一的施工方法，基本解決了吊扣之間相互干擾問題。保證了拱肋吊裝精度。吊扣合