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岩土研究院

新型外倾式钢管系杆拱桥简介

331 2020-08-20 09:48:29



钢管拱桥规范解读

拱桥是大跨径桥梁的主要形式之一,在我国有着悠久的历史。
钢管混凝土拱桥与钢筋混凝土拱桥、圬工拱桥相比,由于应用了钢管与混凝土相互配合,使得桥梁自重大大减轻,跨度得以增大,近年来被广泛采用。
2015年年底,交通运输部发布并实施了《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/T D65—06—2015)(以下简称《规范》)。本《规范》已由人民交通出版社股份有限公司出版发行。
本文特别邀请四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院总工程师、本《规范》主编庄卫林对本《规范》进行解读。
















钢管混凝土在国内外被广泛应用于土木工程。自1990年在四川旺苍首次建成主跨115米的旺苍东河大桥以来,我国已建成400多座钢管混凝土拱桥,但一直没有正式的规范因此,制定钢管混凝土拱桥设计行业规范已经刻不容缓了。



巫山长江大桥



广州丫髻沙大桥



曹妃甸西通路高架桥
这些年来,依托建设工程,我国开展了钢管管节点强度、疲劳强度、钢管混凝土受力性能、脱空和初始应力对钢管混凝土工作性能影响、钢管混凝土收缩徐变、构造设计技术及管结构加工技术等多方面进行了系统试验研究,取得了大量研究成果,形成了相对完善计算理论构造技术制造安装工艺。因此,编制行业规范已经具备成熟条件
















技术要求体现桥梁特点
《规范》制定的内容,体现了钢管混凝土拱桥承受活载、结构以及施工的特点,主要体现在:提出了规避钢管内混凝土脱空的技术措施和初应力的影响,计入了脱空和初应力影响;提高了吊索、系杆索耐久性设计要求,提出了桥面梁结构整体性设计要求;引入了完整性的概念设计,强化桥梁细节构造设计要求;提出了主拱强度、刚度、稳定与动力性能指标综合计算要求与评价要求;根据实际工程调查,主张合理、先进、易于施工的结构构造,放弃复杂、多次造成工程质量事故的结构构造;根据国内外计算,提出了相对合理的钢管混凝土节点、徐变等计算方法。
长春四环路飞燕式
异形拱桥
鲁家峙大桥
《规范》规定的内容来源于国内大量工程科研、设计、施工和养护的实践,通过已建工程总结和提高。同时,又将规定的内容试用于广安奎阁大桥、合江长江一桥等十余座钢管混凝土拱桥的设计中,得到了实际验证,内容成熟可靠
采用极限状态设计方法
现行《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283—1999)要求采用概率极限状态设计方法,《规范》采用了极限状态设计方法,与我国现行公路桥梁设计理论体系取得保持了一致。
《规范》确定了采用“统一理论”作为编制的基础;依据已有研究成果,确定了钢管初应力对钢管混凝土性能影响的计算方法;根据桥梁高性能混凝土技术发展,规定了钢管内混凝土性能指标要求,保证钢管内混凝土灌注顺利、质量可靠;规定了脱空对钢管混凝土性能影响的极限承载能力计算方法和刚度修正;依据大量试验结果,提出了钢管节点承载力计算与验算方法;根据钢管混凝土高强、轻质和大跨特点,提出了主拱强度、刚度、稳定计算方法和非线性影响的计算要求;根据钢管混凝土截面特点和试验结果,制定了钢管温度影响与计算方法;为充分发挥钢管混凝土受压承载的特点,规定了单管主拱、哑铃形主拱、桁式主拱的计算最大值,既简化了计算公式,又提高了设计参数的合理性;制定了钢管混凝土主拱安装成拱阶段的计算、主拱钢管内混凝土灌注阶段的计算和主拱拱上加载计算的内容及要求。
不同构造 不同要求
吊索和系杆索
《规范》提出吊索应采用平行钢丝或钢绞线的成品索,其钢丝或钢绞线应经过镀锌或环氧喷涂的防腐处理,索体不宜外露,应设有防护装置。
锚具形式应结合拱、梁和索体构造选用,上下端锚具宜露出结构外,便于检修和更换,并设置完整的防护及排水构造。
结构设计时要合理处理吊索和系杆索的位移及耐久性需要。构造细节设计时,应考虑维护及更换所需要的构造设施。
主拱
对于哑铃形的主拱结构,《规范》不提倡采用在腹腔内灌注混凝土的结构构造,而采用钢板或钢管作为连接构造构件。
对于钢管混凝土桁式主拱,《规范》规定了斜腹杆节点构造参数、平行腹杆几何参数、主管与支管的参数匹配、疲劳构造细节、焊接接头等构造设计要求。
对于钢管混凝土肋式拱桥,《规范》规定了一般采用空心钢管作为横撑构件,其构造形式应根据主拱跨度、主拱构造等,优化选择一字式、K式、X式、米字式等结构。
桥面梁的结构构造
经过调查、分析和研究国内吊索断裂的惨痛教训,得出原因之一是桥面梁的构造体系问题。
《规范》提出了桥面梁一般宜采用连续结构体系,对于特大跨拱桥,建议采用整体性更好的钢混组合桥面板
附属构造与防腐体系
为了提高桥梁的耐久性,桥梁设计应关注防水、排水与桥梁检修通道设计,根据桥梁重要部位及检修需要,规范规定了防水设计要求检修通道构造设计要求,提出了钢管防腐体系设计工艺设计要求
广纳经验 安全为首


日本新西海桥
以国内外相关试验研究成果为基础,吸收国内外近年来建设钢管混凝土拱桥设计技术经验与教训,结合《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》等一批资料为参考,联合国内钢管混凝土拱桥设计、施工、科研的有关单位,邀请同行业知名专家咨询指导和审查,确保编制的科学性、原则性、合理性、适用性。
结合国内外钢管混凝土技术成果和相关规范的统一、协调要求,制定的编制原则为:安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进。安全是首要的,是编制原则的基础。
提升主要技术指标
《规范》关于钢管混凝土计算方法、钢管混凝土节点疲劳强度、脱空对钢管混凝土性能影响、初应力对钢管混凝土性能影响、自密实钢管混凝土制备等研究内容均为首创,反映了我国钢管混凝土拱桥领域多年积累的经验和最新研究成果,内容完整、理念先进。因此,《规范》总体上体现了国际钢管混凝土拱桥设计的最新成果
填补空白 科学指导
《规范》作为行业技术法规,是交通行业规范体系中的一个重要组成部分,是公路桥梁系列设计规范的一部分,能够解决目前大规模的公路钢管混凝土拱桥建设缺少先进理论指导的问题。
直接效益:《规范》符合实际,易于操作和理解,便于推广和应用,对避免钢管混凝土拱桥的不合理设计和提高设计技术具有重要意义,其制定并颁布实施后所产生的效益是显著而深远的。
间接效益:我国虽然经过了20余年400余座钢管混凝土拱桥建设的大发展,但是总体建设水平有待提高和普及。《规范》的制定,总结提升了近年来所建工程积累的先进技术和成熟经验,并通过规范的形式在我国广泛推广和应用,进一步指导工程实践,为工程质量提供保障,具有重大的社会效益。




一种新型外倾式钢管系杆拱桥

       古镇镇沙水路(十水线)道路工程(华廷路至同兴路段)人工湖景观桥主桥设计方案采用主跨80m外倾式钢管系杆拱桥,主拱断面为哑铃形,外倾16°,人行步道置于拱肋顶平面,通过拱肋上设置的竖杆提供支撑。主拱矢高为12.5m,矢跨比f/L=1/6.4,其中面内矢高为13.0m,矢跨比f'/L=1/6.154。

一、 成桥三维效果图


二、主要结构介绍及其受力特点



       外倾式钢管系杆拱桥两片拱肋向外侧倾斜,与内外侧吊索、桥面系构造形成空间稳定体系。拱肋材质采用Q345qD,拱座底部内灌C50混凝土,主梁采用梁高1.6m钢箱梁。吊杆采用高强钢丝成品索吊杆,间距5米。这种桥型外观新颖,富有空间曲线美及力度感,具有明显的技术特点。其拱肋承担压力,系杆抵抗拱端推力,内外侧吊索与桥面系结构承担桥面荷载,并形成三角构造为拱肋的非保向力效应,增加了拱肋的稳定性。本桥拱肋还能直接承受人群荷载,实现人车混合通行,节约了材料,极大的发挥了拱肋承载能力强的特点。


(1) 计算模型

       主梁、主拱、副拱、风撑采用梁单元模拟,吊杆采用桁架单元模拟。结构离散成451个节点,463个单元,其中413个梁单元,50个桁架单元。各部位边界条件,根据结构实际情况进行模拟。主梁与主拱、主拱与副拱刚接。由于桩基穿过较厚淤泥层,不考虑淤泥层对桩基的约束作用,桩基固结在8米桩长处。

计算模型如下所示:


(2)设计荷载

1)、结构自重

       主梁、主拱、副拱、风撑等按截面面积由程序自动计算。其中,混凝土容重取26KN/m3,钢材容重取78.5KN/m3。

2)、二期恒载

       主梁上二期恒载包含铺装、人行道、护栏、管线等设施,共计为44.2KN/m。

3)、混凝土收缩、徐变

       按《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)附录F采用。

4)、温度荷载

       体系温度:混凝土结构体系升温20℃,混凝土结构体系降温20℃;钢结构体系升温30℃,钢结构体系降温30℃。梯度温度:主梁的梯度温度按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中4.3.10的第3条考虑。

5)、基础沉降:不均匀沉降按照各墩间10mm沉降量计算。

6)、活载(基本可变荷载):公路-I级(双向8车道);空间加载;冲击系数按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中的4.3.2执行;人群荷载按照3.5KN/m2加载。


(3)荷载组合

荷载组合原则:按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)执行。

主梁验算按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)执行。


(4)主要计算结果

1) 主拱


       正常使用极限状态下主拱应力(按短期效应组合) 

       可见,在正常使用状态,主拱应力最大值为170MPa,满足规范要求。

2)主梁


       正常使用极限状态下主梁应力(按短期效应组合)

       可见,在正常使用状态,主梁应力最大值为-53.3MPa ,满足规范要求。

3)主梁位移


  a、汽车荷载作用下的最大位移:

       恒载作用下,主梁最大位移46mm,汽车荷载作用下,主梁的最大位移为25mm。主梁刚度满足规范要求。

4) 吊杆应力与应力幅


       吊杆的最大应力为654MPa,最大应力幅68MPa,满足规范要求。