公路桥梁会大跨径钢管混凝土设计施工技术研究(顾安邦)解读.ppt

,大跨度钢管混凝土拱桥 设计、施工技术研究,重庆交通大学 顾安邦,一、钢管混凝土拱桥发展概况,钢管混凝土拱桥具有受力合理、施工方便、外形美观、造价经济等优点，已成为一种很有竞争力的桥型，在我国得到了较快发展。,（1）1930年苏联建造就了第一座钢管砼拱桥 （2） 1991年我国建成了第一座钢管砼拱桥115米的四川旺苍东河大桥 （3） 2000年360米的广州丫髻沙大桥是转体施工的世界最大跨度钢管砼拱桥 （4） 2005年460米的重庆巫山巫峡长江大桥是世界上最大跨度的钢管砼拱桥 （5）2006年368米的湖南茅草街大桥是世界上最大跨度的钢管砼系杆拱桥 （6）至2007年，国外修建钢管混凝土拱桥13座，国内修建各类钢管混凝土拱桥253座；其中跨度200米以上的有23座。 （7）2009年，主跨500米的四川合江长江大桥正在修建。,1991年建成的四川旺仓东河大桥,2000年建成的广州丫髻沙大桥,2006年建成的湖南益阳茅草街大桥,2005年建成的重庆巫山长江大桥,钢管混凝土拱桥优点： 钢与砼结合，充分发挥了两种材料的受力特性，跨越能力与适应能力强、承载能力大、经济合理、施工快捷、外形美观。 国内外应用情况： 十多年间我国设计和建造了200多座不同跨径、不同结构体系、不同截面形式的钢管混凝土拱桥，为拱桥的发展开辟了广阔的应用前景。 西部地区特点： 西部地区特别是西南地区属山岭重丘区，修建钢管混凝土拱桥可以避免高墩、高塔、上下部结构可同时施工，缩短了建设工期，是经济欠发达的西部地区理想的桥梁结构。,钢管混凝土拱桥需要解决的问题,由于对钢管混凝土拱桥的设计理论和方法、施工和养护技术缺乏系统深入研究，使得各个环节的关键技术未形成统一认识，没有设计、施工规范，缺乏科学的指导，影响了进一步发展。 为此交通部组织了重庆交通大学、湖南省交通规划勘察设计院、四川省公路规划勘察设计研究院、广西路桥总公司，等14个单位，进行了专项研究，形成了一整套钢管混凝土拱桥建设技术。下面将主要的研究成果向大家汇报。,二、设计理论和计算方法研究,设计计算理论分析研究 钢管混凝土本构关系试验研究 钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究 大直径钢管混凝土收缩徐变研究 钢管混凝土温度场研究 钢管混凝土结构节点疲劳试验研究 管内混凝土脱空对钢管混凝土承载力影响研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,统一理论：把钢和砼考虑为一种统一的组合材料，来计算截面、材料特性和建模，此法特别适合于计算极限承载力。 套箍理论：即分别按钢和砼建立单元，砼单元考虑钢管的套箍作用，然后再把两个单元联接起来计算，比较适用于施工全过程分析。 这两种理论，虽然计算方法不一样，但结果差别不大。我们课题组推荐统一理论。,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果, 钢管混凝土本构关系试验研究,在已有钢管混凝土本构关系研究基础上,通过不同管径钢管混凝土试件的试验,建立了大直径钢管混凝土在轴心受压、偏心受压条件下的本构关系的修正表达式，提出了考虑管内砼损伤的大直径钢管混凝土本构关系表达式,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,通过合成法建立钢管混凝土在偏心受压条件下的本构模型,钢管混凝土本构关系试验研究,修正后的套箍系数:,任意混凝土条带的套箍折减系数:,参数修正公式:,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,提出了计入钢管初应力的钢管混凝土拱桥有限元计算方法；建立了单肢、哑铃型和格构型钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力的承载力影响系数计算公式,试验加载示意图,试件破坏图, 钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究,开展了不同初应力系数和不同偏心率的钢管混凝土构件承载力试验，验证了钢管初应力的存在会降低钢管混凝土构件的承载力，试验结果与理论分析结果吻合良好。,有初应力的空钢管试件,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究,开展了单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥在不同初应力系数、不同含钢率、不同跨径下的承载力计算，结果表明：,钢管初应力引起钢管混凝土拱桥承载力降低，最大降低值可超过10%，但不同的拱肋截面型式（单肢、哑铃型和四肢格构型），最大降低值不相同；,初应力对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响最大，哑铃型截面次之，四肢格构型截面影响最小；,以拱桥承载力降低控制在10%为界限，单肢拱初应力系数应控制在0.3，哑铃型和四肢格构型拱初应力系数控制在0.6。,在开展初应力对钢管混凝土拱桥承载力计算时，必须考虑几何非线性的影响，即应同时按材料非线性和几何非线性分析，否则结果偏大。,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究,通过对单肢、哑铃型和格构型钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力的极限承载力分析，应用回归分析法得到了三种截面型式的承载力影响系数计算公式，为今后钢管混凝土拱桥设计提供了依据。,哑铃型承载力影响系：,四肢格构型承载力影响系数：,单肢承载力影响系数：,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,进行了长期（五年）的收缩徐变室内模型试验和实桥测试，基本摸清了钢管混凝土徐变及其应力重分布规律，建立了考虑钢管约束的徐变系数和应力重分布计算方法和公式。, 大直径钢管混凝土收缩、徐变特性研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,经模型试验和实桥测试，摸清了钢管混凝土的徐变规律。 提出了用考虑钢管徐变约束的徐变系数，来替代混凝土徐变系数进行徐变分析的理论。 提出了用组合截面法来模拟钢管混凝土单元，得到了钢管与混凝土的应力重分布公式。 经实桥检测，计算结果与实桥检测值相吻合。,大直径钢管混凝土收缩、徐变特性研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管混凝土 收缩徐变试验,考虑约束的徐变系数,压应力,拉应力,钢管混凝土 收缩徐变试验,重庆交通大学 实验室,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,大直径钢管混凝土收缩、徐变研究,根据混凝土收缩徐变线性计算理论中按龄期调整有效模量法，用钢管砼组合截面理论，并考虑钢管约束的徐变系数，重新推出了适合于钢管砼徐变计算的按龄期调整有效模量法,式中 称为按龄期调整的有效模量,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,进行了钢管混凝土拱桥节段、实桥温度场测试和稳定模型试验，提出了温度分析计算模型和公式以及温度、非线性等因素影响下钢管混凝土拱桥静力、稳定性分析方法。, 钢管混凝土拱桥温度场研究,试 验 模 型 总 体 布 置 图,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管混凝土截面温度分布函数如下：,式中： y 为计算点沿截面直径方向至混凝土表面的距离； D 为混凝土的直径； T0 为钢管混凝土结构混凝土沿截面直径方向的最大温差值。,钢管混凝土拱桥温度场研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管混凝土截面温度梯度示意图：,钢管混凝土结构截面混凝土温度梯度,钢管混凝土拱桥温度场研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果, 钢管混凝土结构节点疲劳试验研究,针对主管与支管相连接的节点开展了多组模型试验 提出了钢管混凝土节点设计的合理构造形式 推荐了确定节点应力集中系数和预估节点疲劳寿命的方法,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管砼节点疲劳试件大样,相贯线处单元划分网格图,钢管混凝土结构节点疲劳试验研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管混凝土试件与空心管试件在支管中截面处应力比较（单位：MPa）,钢管混凝土结构节点疲劳试验研究,钢管混凝土节点与空心节点在支管相贯线处的SCF比较,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,提出钢管砼节点疲劳强度修正系数,推荐：相对于美国焊接学会（AWS） D1.1 ET空心管节点疲劳曲线，局部开坡口的钢管砼节点疲劳强度容许修正系数2.0,钢管砼节点疲劳强度计算公式,钢管混凝土结构节点疲劳试验研究,承受剪应力的管板节点的设计疲劳强度可采用80MPa,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,三组试件钢管混凝土节点疲劳强度修正系数,钢管混凝土结构节点疲劳试验研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,管内混凝土脱空对承载力影响研究,通过多组试验和分析，验证了钢管混凝土脱空对钢管混凝土承载力是有一定影响的： 脱空率大于1.2%时，影响较显著，建议修补和灌填；当脱空率小于1.2%时，影响很小，可忽略不计，或者考虑脱空率折减系数kt=0.97。,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,二、 钢管混凝土拱桥 结构设计与合理构造形式研究 开展了钢管混凝土拱桥设计构造形式研究； 提出了钢管混凝土拱桥主要构造的合理型式和几何设计参数的合理取值范围,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,混凝土与钢材的匹配,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,Q235钢配C40级混凝土 Q345钢配C40C60级混凝土 Q390钢配C60级及以上的混凝土,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管最大径厚比,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,钢管最小径厚比,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,推荐值:D/t=35,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,套箍指标 考虑可靠度要求及混凝土平均强度等级C50现状，推荐0.6,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,跨高比分布图,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,矢跨比 通过数值分析，单肋拱第一阶失稳模态为面外屈曲，矢跨比1/41/5时可获得最大面外稳定性 上承式拱桥矢跨比：1/51/6 中承式、飞燕式拱桥矢跨比：1/41/5 下承式刚架系杆拱、拱梁组合体系桥矢跨比：1/4.51/5.5,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,单管式截面 最大跨径以不超过80m为宜 其主弦管直径,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,哑铃形截面 最大跨径以不超过150m为宜 哑铃式截面高度 弦管直径0.370.45H,哑铃式截面高度(公路-级),哑铃式截面高度(公路-级),钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,桁架式截面 跨径大于150m，一般只能采用桁架式截面 截面高度 桁宽0.50.6H、管径0.190.23H 跨径大于250m后，宜采用变高度桁架式截面 拱顶高0.8H、拱脚高1.4H,桁架式截面高度(公路-级),桁架式截面高度(公路-级),钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,桥道系位置、多跨拱桥跨径比例 中承式拱桥桥道系位置，优先考虑0.618黄金比例 多跨中承式、下承式拱桥边中跨比取0.71，符合动态匀称级数 飞燕式拱桥的边中跨比0.30.2，建议取,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,典型桥道系结构分类,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,桥道系研究结论 通过数值分析，对大跨中承式拱桥，桥道系位置设在0.60.8f间可使桥梁具有较大的横向稳定性 推荐类型:纵向连续体系,能够防止因吊杆意外引起重大安全事故 活载能往远处传递，吊杆、横梁和拱圈受力好,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,吊杆及连接构造的合理形式,双向铰接,设置球铰,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,有意加长短吊杆长度,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,吊杆（索）安全系数不小于3.0 短吊杆（索）安全系数不小于4.0 系杆安全系数不小于2.5 肋间横向联接系以K撑效果最佳,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,拱圈节段接头 外包钢板围焊接头 高强螺栓接头 内法兰盘连接,钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,三、 钢管混凝土拱桥 施工技术研究 开展了大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂施工方法的研究。 开展了管内混凝土材料和浇筑工艺的研究,西部科技项目,钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果,重点研究了吊扣合一的施工方法，基本解决了吊扣之间相互干扰问题。保证了拱肋吊装精度。,钢管混凝土拱桥施工关键技术研究,吊塔铰支于扣塔上，并提出了扣塔控制刚度（