[重慶]巫山長江鋼管混凝土拱橋設計與研究

1、巫山長江大橋460米鋼管混凝土拱橋Chongqing JiaoTong University設 計 一、工程概況 巫山長江大橋是一座跨徑460米，一跨跨過巫峽口的中承式鋼管混凝土拱橋。其鋼管管徑達到1.22米，吊裝重量達到180t，總投資1.96億元。是世界上同類橋梁中,跨徑和鋼管直徑最大, 吊重最重,造價最經(jīng)濟的橋梁。二、設計（一）大跨鋼管砼拱橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造的創(chuàng)新設計 1、橋位、橋型、孔跨方案設計 通過“工可”三個橋位方案論證，經(jīng)過地質(zhì)、地形條件、區(qū)域交通網(wǎng)、工程總體造價的綜合比較，并經(jīng)過“工可”、“初設”反復論證，推薦采用了現(xiàn)建橋的巫峽口橋位。 “工可”七種橋型方案比選，從工程造價、與地形匹配

2、、景觀等方面考慮，采用大跨鋼管砼拱橋方案。 針對400米上承式和凈跨460米中承式鋼管砼拱橋比較，從多方面綜合考慮，采用凈跨460米中承式鋼管砼拱橋。 2、鋼管砼拱圈主要參數(shù)設計主要對以下參數(shù)進行優(yōu)選： （1）截面徑向高（拱頂為7.0米和8.0米，拱腳截面高為13.0米和14.0米）； （2）拱軸系數(shù)（m1.8、1.6、1.4、1.2、1.05）； （3）桁架節(jié)間距離（4米、6米、8米）； （4）不同弦管管徑、不同腹桿布置形式； 比選后，采用了拱頂徑向截面高7.0米，拱腳徑向截面高14.0米，桁架節(jié)間間距為6米，豎腹桿和徑向腹桿組合使用，弦管管徑為1220毫米，腹管管徑為610毫米，凈矢跨比為

3、1/3.8，拱軸系數(shù)為1.55的拱圈設計參數(shù)。 主拱圈截面由兩肋組成，每肋由四根鋼管構(gòu)成組合矩形截面柱；平面上每肋兩根鋼管由平行腹桿鋼管聯(lián)接，縱面上每肋兩根鋼管由斜、豎腹桿鋼管連接；每肋間距為12米處設置橫隔。 3、主拱圈截面構(gòu)造形式設計 兩肋間的橫撐橋面以下為“米”字撐，橋面以上為“k”形撐，加強了肋間橫向聯(lián)系，確保了全橋橫向穩(wěn)定。 主拱圈節(jié)點處受力肢管最多為三根，一般為兩根，且肢管與主管的夾角一般在50左右。肢管與肢管之間的焊縫間距均大于50毫米。（4）吊裝系統(tǒng)設計 纜索吊裝將扣掛系統(tǒng)和吊裝系鉸接合一，因吊塔變位大，扣塔要求變位小，為不相互影響，吊塔鉸支于扣塔頂端，且限制鉸傳遞的水平分力，

4、以控制扣塔頂?shù)淖兾弧?、拱圈安裝接頭構(gòu)造設計 為了便于拱肋懸拼時調(diào)整軸線，拱頂合龍前，拱腳處設置了豎轉(zhuǎn)鉸. 為了控制拱肋線形及合龍溫度影響，拱頂合龍接頭設計了瞬時合龍接頭.拱肋節(jié)段安裝采用內(nèi)法蘭臨時，再用兩塊與弦管外徑項同的半圓弧板對接。為了順利能準確定位，設計采用了如下導向沖定銷軸。5、主拱圈安裝方案總體設計（1）扣塔及索鞍： 安裝在兩岸上，塔高約100米，塔距576米，以鋼管砼柱拼裝組成，橫向采用門柱式結(jié)構(gòu)，便于起吊單元通過?？鬯斣O置索鞍，便于扣索通過（扣索在尾端錨梁處張拉）。（2）錨碇、錨梁及扣點： 錨碇采用錨索及樁組合的結(jié)構(gòu)形式，扣點設計為錨梁，支點在拱肋節(jié)點處。6、提高穩(wěn)定及動力特

5、性的構(gòu)造措施由于本橋跨度大，橋梁寬度僅為19.5米，橋梁寬跨比僅為1：26，為了提高橋梁橫向穩(wěn)定、動力特性，采取了以下措施： 將橋面梁設計為先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系； 長吊桿和高立柱處，設計為吊桿、立柱與橋面梁固接； 短吊桿和矮立柱處，設計為吊桿、立柱與橋面梁四氟滑板支座鉸支。這樣，借助橋面梁的抗扭剛度，提高橋梁總體剛度。 7、吊桿橫梁和橋面梁的構(gòu)造設計吊桿橫梁和鋼管砼拱肋上立柱橫梁為預應力砼形截面梁，便于就地預制和安裝，減輕自重，降低工程造價。 行車道梁為后連續(xù)的預應力砼“”形梁，吊裝就位后，焊接連接梁肋上、下緣主鋼筋，再現(xiàn)澆接頭砼30厘米形成連續(xù)梁。人行道梁也為先簡支、后連續(xù)的“”形連續(xù)。

6、8、確定了吊桿構(gòu)造及耐久性設計 本橋免維修周期為30年，本橋結(jié)合自身特點，全面考慮采用了多重體系設防相結(jié)合的綜合防護方案，同時，吊桿是可更換的。 （1）吊桿采用1097毫米預應力環(huán)氧噴涂鋼絲，防腐體系為：鍍鋅層環(huán)氧層（160um）防腐脂聚乙稀護套（雙層）+發(fā)泡聚氨脂+哈氟管組成。（2）兩端采用0VMLZMT109型冷鑄錨具，上下錨具分別有端頭防護板、防護罩和固化油脂，同時，吊桿外套哈氟管與錨具間設置熱縮塑料套連接。（3）吊桿橫梁處防護處理措施 為了避免大氣、雨等進入錨頭腐蝕鋼絲，在橫梁頂?shù)鯒U外套鋼管處設置了防水鋼板，并將防水鋼板與外套鋼管焊接，確保密閉。（4）縱向限位裝置設計 為了限制短吊桿因

7、縱向變位而疲勞破壞，在肋間橫撐的端吊桿處，設置縱向撐，并在橫撐及端吊桿處的橫梁上設置滑板支座，這樣既滿足了橋道梁的自由伸縮，又限制短吊桿的大應變。9、拱座構(gòu)造設計 （1）對不穩(wěn)定的危巖塊體進行卸載清除；（2）采用多層水平臺階和帶一對垂直撐的拱座方案；（3）采用較完善的錨桿及圬工砌體對兩案進行防護；（4）分離式的鋼筋砼拱座，橫向分別設三道鋼筋砼橫撐。 10、鋼結(jié)構(gòu)防腐方案設計 用電弧噴涂鋁鎂合金長效防腐方案，壽命按30年以上考慮。 金屬表面處理等級Sa3 涂層組合： 電弧噴涂鋁鎂 160m 環(huán)氧封閉涂層（842） 二道（50m） 丙稀酸聚氨脂面漆 二道（50m）（二）大跨鋼管砼拱橋施工工藝設計

8、1、拱肋安裝方案的確定 根據(jù)本橋位地形特點、河道運輸條件、施工水位高低及拱肋節(jié)段組成重量，經(jīng)多種施工方案論證比選，采用無支架纜索吊裝工藝安裝拱肋，是可行、風險小、經(jīng)濟的施工方案。2、扣、吊體系設計 本橋主拱安裝扣掛系統(tǒng)和吊裝系統(tǒng)和一。3、扣塔構(gòu)造設計（1）扣塔設計 扣塔（吊塔）構(gòu)造由鋼管桿件組成桁架塔柱。（2）扣塔索鞍設計 由于扣索張拉體系張拉端設置在錨碇處，扣索必須繞過扣塔頂，因此塔頂由型鋼組拼成了扣索索鞍。4、拱肋節(jié)段吊裝程序設計 拱肋節(jié)段安裝由兩岸拱座向跨中逐段懸拼施工。節(jié)段為單肋安裝，待上、下游同岸同一節(jié)段吊裝就位后，安裝節(jié)段內(nèi)平面連接橫撐，即形成一個雙肋節(jié)段單元。5、鋼管砼灌注方案設

9、計 （1）鋼管內(nèi)砼接力灌注 采用C60高強補償收縮砼，以泵壓法自拱腳向拱頂按設計的壓注順序，按三級接力灌注鋼管內(nèi)砼。（2）灌注中扣索索力調(diào)整值 根據(jù)鋼管內(nèi)砼灌注的不同階段張拉扣索索力，以控制主拱鋼管應力及變位。施工棧橋布置圖6、主跨施工流程圖研 究 計算理論： 有初應力的鋼管混凝土極限承載能力計算方法 鋼管混凝土收縮、徐變規(guī)律及其計算方法 鋼管混凝土節(jié)點疲勞設計方法 施工技術(shù)： 大跨徑鋼管拱肋的精確安裝問題 大體積管內(nèi)混凝土灌注問題 管內(nèi)混凝土脫空問題 設計技術(shù)： 鋼管混凝土拱橋合理構(gòu)造形式 鋼管拱肋節(jié)段的連接 短吊桿的使用壽命背景 在巫山橋建設時，國內(nèi)外還沒有鋼管混凝土拱橋設計和施工技術(shù)規(guī)范

10、。在計算理論、設計技術(shù)和施工技術(shù)方面還有許多技術(shù)問題亟待解決： 計算理論： 有初應力的鋼管混凝土極限承載能力計算方法 鋼管混凝土收縮、徐變規(guī)律及其計算方法 鋼管混凝土節(jié)點疲勞設計方法 設計技術(shù)：鋼管混凝土拱橋合理構(gòu)造形式鋼管拱肋節(jié)段的連接短吊桿的使用壽命 施工技術(shù)： 大跨徑鋼管拱肋的精確安裝問題 大體積管內(nèi)混凝土灌注問題 管內(nèi)混凝土脫空問題研究思路以巫山長江大橋為依托，通過大直徑鋼管混凝土構(gòu)件試驗研究與理論分析，解決了鋼管混凝土徐變、節(jié)點疲勞以及極限承載能力計算方法等重大理論問題；通過設計參數(shù)優(yōu)化、特殊構(gòu)造模擬試驗，解決了特大跨鋼管混凝土拱橋設計關(guān)鍵問題；通過施工實踐、工藝優(yōu)化與改進，解決了施

11、工中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題；最終形成了一整套先進的鋼管混凝土拱橋設計施工技術(shù)。并通過巫山長江大橋的工程實踐得到驗證?？紤]約束的徐變系數(shù)壓應力拉應力 鋼管混凝土收縮徐變試驗構(gòu)件主要成果通過節(jié)段模型實驗，揭示了鋼管混凝土徐變規(guī)律，提出了用考慮鋼管約束的徐變系數(shù)，來替代砼的徐變系數(shù)進行徐變分析的方法。提出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應力重分布公式：1.提出了鋼管混凝土收縮、徐變規(guī)律及其計算方法鋼管混凝土拱橋設計計算理論2.提出了大型鋼管混凝土節(jié)點設計計算方法主要成果鋼管混凝土拱橋設計計算理論針對特大跨鋼管混凝土拱橋的節(jié)點進行了疲勞試驗，提出了大型鋼管混凝土節(jié)點設計計算方法。鋼管混

12、凝土疲勞強度：修正系數(shù)：主管中灌注混凝土后，混凝土約束鋼管變形，應力發(fā)生重分布，節(jié)點應力集中現(xiàn)象已不明顯；相貫線處的應力分布趨于均勻；同時也改善了整體結(jié)構(gòu)的應力情況。鋼管混凝土節(jié)點疲勞壽命較空鋼管節(jié)點大幅提高；特別指出加肋板的板管節(jié)點是一種低壽命的節(jié)點類型，其疲勞強度較差。主要成果節(jié)點疲勞實驗巫山橋節(jié)點構(gòu)造（單位：MPa）鋼管混凝土試件與空心管試件在支管中截面處應力比較主要成果測點5354555657585960空心管試件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20鋼管砼試件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35提出了有初應

13、力的鋼管混凝土極限承載能力計算方法承載力影響系數(shù)針對初應力對大直徑（1.22m）鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響進行了研究，提出了極限承載力計算方法。 管內(nèi)混凝土有初始應力對整個鋼管砼結(jié)構(gòu)極限承載力有較大的提高，較普通鋼管混凝土提高18左右；僅鋼管有初始應力對整個鋼管混凝土結(jié)構(gòu)極限承載力有一定的影響。主要成果鋼管混凝土拱橋設計計算理論3.鋼管混凝土承載能力試驗主要成果主要成果在20種設計參數(shù)組合方式中進行優(yōu)選,提出了全拱受力均衡、上下弦內(nèi)力接近和外形輪廓變化分明的空間鋼管混凝土桁架肋拱。解決了世界第一大跨徑鋼管混凝土拱橋合理構(gòu)造形式。提出了鋼管混凝土拱橋合理構(gòu)造形式 鋼管混凝土拱橋設計關(guān)鍵技術(shù)1.主

14、要成果首次研發(fā)出了力學和施工性能優(yōu)良的內(nèi)法蘭拱肋接頭，既保證了拱肋連接牢靠、安裝方便，又保證了拱肋優(yōu)美外形和管內(nèi)混凝土灌注通暢。獲得國家專利。2. 鋼管混凝土拱橋設計關(guān)鍵技術(shù)主要成果在短吊桿處首次設計了縱向限位裝置，與傳統(tǒng)的構(gòu)造形式相比，改善了短吊桿的受力，延長了使用壽命。3. 鋼管混凝土拱橋設計關(guān)鍵技術(shù)主要成果1.大跨徑鋼管砼拱橋無支架吊裝斜拉扣掛工法 總結(jié)出了大跨徑鋼管砼拱橋無支架吊裝斜拉扣掛工法獲國家級工法。 鋼管混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)首次采用了吊扣鉸接合一工藝。吊、扣塔合一復合式錨錠（樁錨加巖錨）主要成果點 鋼管混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)采用了復合式錨錠，大大減小了錨錠砼體積1.大跨徑鋼管砼拱橋無支架吊裝斜拉扣掛工法承索器構(gòu)造圖低應力夾片錨固系統(tǒng)主要成果 鋼管混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)了扣索可調(diào)索低應力夾片錨固系統(tǒng)和主動承索器1.大跨徑鋼管砼拱橋無支架吊裝斜拉扣掛工法主要成果其技術(shù)指標如下：膨脹率為萬分之三點一，5天強度達到80。改善了大管徑混凝土的脫空問題。研制出了高性能化學自應力高強混凝土2. 鋼管混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)滿足了特大跨徑、大管徑的混凝土泵送的需要初始坍落度2224cm