（工程力学专业论文）新型钢管混凝土连续刚构桥的结构形式研究.pdf

摘要 最近2 0 多年，国内建成的p c 连续刚构桥，从运营情况来看，主梁都或多或 少地出现了开裂问题。虽然导致箱梁腹板开裂的因素复杂，但其中有两个不可回 避的问题，即箱梁恒活载比例过大和薄壁箱梁腹板抗剪能力不足。在对已建成和 已提出的各种钢管混凝土连续刚构桥的综合分析基础上构思出一种新型钢管混 凝土空间桁架梁桥，此桥型不仅能减轻自重而且能够提高承载能力，有效的防止 裂缝的产生。 本文主要围绕以下五个方面展开研究工作： 1 、对已建成的万州大桥和湖北向家坝大桥进行计算分析，得出结论：主梁 采用空间四棱锥体系具有受力均匀，整体性强的特点；托架式桁架比平行弦式桁 架结构设计更为合理，承载能力更大，适用跨径也更大。这种钢管混凝土连续刚 构桥能够解决p c 连续刚构桥自重过大的问题，但适用跨径太小。 2 、介绍了全复合式钢管混凝土连续刚构桥的设计特点，估计这种桥型适用 于1 0 0 4 0 0 m 的跨径；以沙溪沟大桥为工程背景，对其进行了创新试设计，主要 在原连续刚构桥l 4 跨及跨中设置了预应力钢管混凝土劲性骨架，通过计算表 明，设置劲性骨架后桥梁的极限抗力值最大能提高4 3 4 ，挠度能减小5 5 4 。 这种桥型能解决p c 连续刚构桥腹板开裂和挠度过大的问题，但是不能有效减小 箱梁自重，经济上不合理。 3 、在总结普通桁架的基础上，将单层桁架向多层桁架拓展；通过定性的计 算，对比分析多层桁架和单层桁架在承载能力上的区别；继而深入比较分析多层 桁架和多层拱形桁架在承载能力上的区别，总结出多层拱形桁架的特点，多层拱 形桁架绝大部分杆件受压力作用，并且白重能减轻近4 0 。在利于抗压能力强而 抗拉能力弱的混凝土和钢管混凝土结构中，多层拱形桁架比多层平行弦桁架更具 有明显的优势。 4 、以水土嘉陵江大桥为工程背景，进行一种全新的钢管混凝土空问桁架连 续刚构桥型的试设计，并对主体部分的桁架内力进行计算和验算。试设计结果表 明，与原设计相比，其主梁自重可减轻5 0 ，主要受力杆件的安全储备大幅增加， 从而提高了桥梁的承载能力，且避免了普通预应力连续钢构桥腹板开裂的问题。 5 、对桁架节点进行试设计。3 7 层桁架节点采用高强度螺栓球节点，具有 传力明确，受力均匀的特点；1 、2 层及抛物线段节点采用焊接空心球节点，具 有承载能力大，刚度大的特点。 关键词：钢管混凝土；钢管混凝土空问桁架连续刚构桥；托架式桁架；复合式钢 管混凝土桁架；多层拱形桁架；高强度螺栓球球节点；焊接空心球节点。 a b s t r a c t i nr e c e n t2 0y e a r s ，f r o mt h eo p e r a t i n gs i t u a t i o n ，c o n c r e t eb e a m so ft h e d o m e s t i c b u i l tp cc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ee x p e r i e n c ec r a c k i n gp r o b l e ma t v a r y i n gd e g r e e s a l t h o u g ht h ef a c t o r sc a u s e db o x w e bc r a c k i n ga r ec o m p l e x ，t h e r ea r e t w ou n a v o i d a b l eq u e s t i o n s ，i e b o xg i r d e ri t s e l fi st o oh e a v ya n dc a r r y i n gc a p a c i t yo f t h et h i n - w a l l e db o xg i r d e r sw e b si st o os m a l l t h e r e f o r e ，t h ea u t h o ro ft h i sa r t i c l e ，o n t h eb a s i so ft h er e l a t e dd o c u m e n t sw h i c hd e s c r i b e dav a r i e t yo fc o n c r e t e - f i l l e ds t e e l t u b u l a rc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ，w i l lc o m p o s ean e wt y p eb r i d g ew i t ha c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs p e c i a lt r u s ss t r u c t u r e s u c hb r i d g ec a r ln o to n l yr e d u c e t h ew e i g h to fi t s e l f , b u ta l s oi m p r o v et h ec a r r y i n gc a p a c i t y ，t oe f f e c t i v e l yp r e v e n tt h e e m e r g e n c eo fc r a c k t h i sa r t i c l ew i l lt oc a r r yo u tr e s e a r c ha b o u tt h ef i v ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 、c a r r yo u tt h er e l a t e dc a l c u l a t i o na n da n a l y s i st ot h ew a n z h o ub r i d g ea n d h u b e ix i a n g j i a b ab r i d g e ，t h ea u t h o rw i l ld r a wac o n c l u s i o n ：m a i nb e a mw i l lu s e s p a c i a lf o u rp y r a m i ds y s t e mw h i c h w i l lb e a rt h ef o r c ee q u a l l ya n dh a sas t r o n gu n i t y t h eb r a c k e tt r u s ss t r u c t u r ed e s i g ni sm o r er a t i o n a l ，h a sg r e a t e rc a r r y i n gc a p a c i t y ，a n d h a sg r e a t e ra p p l i c a t i o ns p a n t h i sc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rc o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g ec a ns o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep cc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g eh a s t o om u c h s e l f - w e i g h t ，b u ti t sa p p l i c a t i o no fl o n g - s p a ni st o os m a l l 2 、i n t r o d u c et h ed e s i g nf e a t u r e so ft h ea l l - c o m p o s i t ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ，i ti se s t i m a t e dt h a ts u c hab r i d g ew i l lf i tf o rt h es p a no f 10 0 4 0 0 m ；t a k es h a x i g o ub r i d g ea se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t e s tt h e i ri n n o v a t i v e d e s i g n ，a n dm a i n l ys e tt h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs t e e lf r a m e o nt h el | 4i n t e r a n dc r o s so ft h eo r i g i n a lc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e t h r o u g ht h e c a l c u l a t i o n ， i ts h o w st h a ta f t e rt h es e t t i n go fs k e l e t o n ，t h em a x i m u mv a l u eo f r e s i s t a n c el i m i t so ft h eb r i d g ec a nb ei n c r e a s e db y4 3 4p e r c e n t ，d e f l e c t i o nc a nb e r e d u c e db y5 5 4p e r c e n t t h i sb r i d g ec a ns o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep cc o n t i n u o u s r i g i df l a m eb r i d g e w e bw i l lc r a c ka n dd e f l e c t i o ni se x c e s s i v e ，b u ti tc a nn o t e f f e c t i v e l yr e d u c et h eb o xw e i g h ta n dc a nn o ts o l v et h ee c o n o m i c a l l yu n r e a s o n a b l e p r o b l e m 3 、o nt h eb a s i so ft h ec o n c l u s i o no ft h eg e n e r a lt r u s s ，d e v e l o pt h es i n g l e t r u s s i n t ot h em u l t i s t o r e y ；t h r o u g hq u a l i t a t i v ec a l c u l a t i o na n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa tt h e d i f f e r e n c eo fc a r r y i n gc a p a c i t yb e t w e e nt h em u l t i s t o r e yt r u s sa n ds i n g l e l a y e rt r u s s ； a n dg oo nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sa tt h ed i f f e r e n c eo fc a r r y i n gc a p a c i t yb e t w e e nt h e m u l t i - s t o r e yt r u s sa n dm u l t i - l a y e ra r c ht r u s s ，t os u mu pc h a r a c t e ro ft h em u l t i - a r c h t r u s s m o s tr o dp a r t so fm u l t i - a r c ht r u s su n d e rt h es t r e s sa n di t sw e i g h tc a nn e a r l y r e d u c eb y4 0 a m o n gt h ec o n c r e t ea n dc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs t r u c t u r e sw h i c h h a v et h es t r o n gc o m p r e s s i v ec a p a c i t ya n dw e a kt e n s i l ec a p a c i t y ，t h em u l t i - s t o r e ya r c h t r u s so b v i o u s l yh a sm o r ea d v a n t a g e st h a np a r a l l e lc h o r dt r u s s 4 、t a k es h u i t uj i a l i n g j i a n gb r i d g ea se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t r yt od e s i g na n e wc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs p a c et r u s sc o n t i n u o u sr i g i df r a m e - b r i d g et y p e ，a n d c a l c u l a t ea n dc h e c kt h et r u s si n t e m a lf o r c e so ft h em a i np a r t t h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h et e s td e s i g ns h o w e dt h a t ，c o m p a r ew i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n ，t h ew e i g h to fm a i n b e a mi sr e d u c e db y5 0 ，t h es e c u r i t yr e s e r v eo ft h em a i np o w e rb a r si si n c r e a s e d g r e a t l y ，l o a d b e a r i n gc a p a c i t yi si m p r o v e da n dt h ec r a c k i n gp r o b l e mo ft h ec o m m o n p r e s t r e s s e dc o n t i n u o u ss t e e lb r i d g ew e bi sa v o i d e d 5 、t r yt od e s i g nt h et r u s sn o d e s 3 7l a y e rb a l lt r u s sn o d ew i l lu s eh i g hs t r e n g t h b o l t s ，w h i c hw i l lb ef e a t u r e dw i t hc l e a rt r a n s m i s s i o na n du n i f o r mf o r c e ；1 , 2l a y e ra n d p a r a b o l i cl a y e rn o d ew i l lu s ew e l d i n gh o l l o ws p h e r e s ，w h i c hw i l lb ef e a t u r e dw i t h l a r g ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dh i g hr i g i d i t y k e yw o r d s ：c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r ；c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs p a c et r u s s c o n t i n u o u sr i g i d - - f r a m eb r i d g e ；b r a c k e t - t r u s s ；c o m p o s i t ec o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b et r u s s ； t h em u l t i s t o r e ya r c ht r u s s ；h i g hs t r e n g t hb o l t sr e g i s t r a t i o ns p h e r en o d e ；w e l d e d h o l l o ws p h e r i c a ljo i n t s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 谐岛 日期：必吵年彳月侈日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：1 莓，j 指导教师签确j 并 日期：桫勺年千月，多e t日期：j 哆年年月，弓日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 醐：叩年今月哆日 指导教师签每多匆4 j 夕投 日期：7 年手月，弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢管混凝土结构的发展概况 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来 的【。最早采用钢管混凝土的工程之一是1 8 7 9 年英国的赛文铁路桥桥墩，在钢管 内填充混凝土以防止锈蚀并承受压力，随后又被用做单层或多层工业厂房的结构 柱。但在早期的应用中一般不考虑由于组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土间 相互作用对承载力的提高。对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究，及这类 结构被大范围推广应用主要是在6 0 年代以后。早期钢管混凝土采用的钢管往往是 热轧管，钢管的壁厚一般均较大，而且由于钢管内混凝土浇筑工艺未得到很好解 决，因而经济效果不明显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一定的影响。 前苏联在五、六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究，并在一些土建 工程，如工业厂房和拱桥结构中进行了应用。在西欧一些国家，如英国，德国和 法国等，主要研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混 凝土为素混凝土，或在核心混凝土中配置钢筋或型钢，目前的设计规程主要有： e c 4 ( 1 9 9 6 ) ；德国：d i ni8 8 0 0 ( 1 9 9 7 ) 等。在美国，以研究方钢管混凝土和圆钢管 混凝土为主，核心混凝土为素混凝土，设计规程主要有：a c l 31 9 8 9 ，s s l c ( 1 9 7 9 ) 和l r f d ( 1 9 9 4 ) ，1 9 2 3 年日本关西大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中 的破坏并不明显，故在以后的建筑，尤其是高层建筑中，钢管混凝土得到大量应 用，尤其1 9 9 5 年阪神地震后，钢管混凝土更显示了其优越的抗震性能，钢管混凝 土的研究进一步成为热门课题之一，在日本，主要研究方钢管混凝土、圆钢管混 凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝土或配筋混凝土，目前的设计 规程主要有a i j ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 。澳大利亚和加拿大等国学者尚对薄壁钢管混凝土结 构进行了系统深入的研究，目前正在编制设计规程。 我国主要集中研究在钢管中灌素混凝土的内填型钢管混凝土结构，在这方面 最早开展工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所( 现国家地震局工程力学研究 所) 。到1 9 6 8 年以后，原建筑材料研究院( 现苏州混凝土与水泥制品研究院) 、北京 地下铁道工程局、原哈尔滨建筑工程学院、冶金部冶金建筑科学研究院、电力工 业部电力研究所及中国建筑科学院等单位都先后对基本构件的工作性能、设计方 法，节点构造和施工技术等开展了比较系统的研究工作。6 0 年代中，开始在一些 厂房柱和地铁工程中采用。进入7 0 年代后，这类结构在冶金、造船、电力等行业 的单层或多层工业厂房得到进一步的推广应用。1 9 7 8 年，钢管混凝土结构第一次 列入国家科学发展规划，从此，这一结构在我国的发展进入一个新阶段，无论是 2 第一章绪论 科学研究，还是设计施工，都有了较大进展，实际工程应用迅速增加，取得了良 好的经济效益和社会效益。进入八十年代后，我国在这一领域的研究工作进一步 深入，工程应用进一步推广。我国关于钢管混凝土结构的研究正日趋深入，特别 是近十几年来取得了令人瞩目的成就，目前己先后由国家建材总局、中国工程建 设标准化协会、国家经济贸易委员会和解放军总后勤部颁布发行了有关钢管混凝 土结构的设计规程，分别是：j c j 0 1 8 9 ( 1 9 8 9 ) ，c e c s 2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) ， d l 5 0 8 5 t - 1 9 9 9 ( 1 9 9 9 ) 和g j b ( 2 0 0 1 ) 日前，钢一混凝土组合结构( 包括钢管混凝土) 已被列入国家科技成果重点推广项目。 1 2 钢管混凝土结构的特点 钢管混凝上结构主要用于轴压构件，钢管对核心混凝土的约束( 套箍) 强化作 用，使核心混凝上处于三向受压状态，从而使核心混凝土轴向抗压能力和耐受变 形能力大为提高，如图1 1 所示；而钢管内填混凝上可增强钢管壁的稳定性：另外， 与钢结构和钢筋混凝土结构相比钢管混凝土结构有以下显著的优点【2 】： l 、从力学方面分析，钢材在弹性工作阶段时的泊松比变化很小，在0 2 5 - 一0 3 0 之间，而混凝上的泊松比随着纵向力的增长从低应力的o 1 6 7 左右增长至o 5 接近 破坏时，将超过o 5 。因此内填型圆钢管混凝土随着轴向力n 的增长，混凝土的泊 松比迅速超过钢管的泊松比，使得混凝土的侧向变形受到钢竹的约束而处于三向 受力状态，大大提高了钢竹混凝上的承载力。同时，钢管的套箍作用也增强了混 凝土的塑性性能，使得混凝土特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。另一方面， 内填混凝土增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远远大于钢结构，其稳定性也有了 极大的提高。因此钢管混凝土材料应用于以受压为主的拱桥中，较之钢结构和混 凝土结构有着极大的优越性。 核心混凝土 专 图1 1 钢管混凝土 f i g 1 1 c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r 第一章绪论 3 2 、从施工方面分析，钢管具有较大的刚度和强度，可作为施工的劲性骨架。 钢管可作为耐侧压的模板和支架，这就解决了施工中的支架问题。同时，钢管骨 架可在工厂加工，劳动效率高，又可保证钢管的完整性，省时省力，比起钢筋混 凝土结构中的钢筋加工要方便很多。钢管在架设时可进行多点焊接，节省时间。 如采用管径较小的工厂生产的无缝钢管，在壁厚不大的情况下还可以采用热弯成 型，这样既减少了大量工厂焊接，又避免了大部分焊接应力，为采用较小管径的 钢管析式拱桥的施工提供了方便又保证了结构的刚度。 3 、从材料方面分析，钢管混凝土结构耐腐蚀性能比钢筋混凝土弱，与钢结构 一样需要采用有效的防腐措施，但与钢结构相比，其内壁因填充了混凝土，只有 外壁需采取防腐措施，因而比表面积减少一半。钢管混凝土的耐火性能，有关学 者正进行研究。定性分析认为，由于内填了混凝土，在同温情况下，与空钢管相 比它的软化温度将极大的提高，而在急骤降温( 消防冲水) 时又不会象钢筋混凝土 结构那样爆裂，因此，其防火性能比钢结构和钢筋混凝土结构更加优越。钢管混 凝土结构还具有较好的耐冲击性能。圆形钢管混凝土柱在抵抗方向不确定的地震 力作用时，由于其各方向的强度相同，显示出其有效性。 理论分析和大量工程实践表明，与钢结构相比，钢管混凝土在保持自重相近 和承载力相同的条件下，可节省钢材5 0 左右，并减少大量的焊接工作，提高 结构的耐火性、动力性及稳定性。与混凝土结构相比，虽然结构用钢一般会增加， 但施工用钢一般会减少，在承载力条件相同时，混凝土用量和构件自重可减少约 5 0 ，构件的截面面积可减少一半。 1 3 混凝土箱型结构的优化 1 3 1 钢管混凝土空间桁架组合梁式结构的提出 迄今为止，国内外针对减轻混凝土箱型结构恒载问题所采取的优化措施，都 是前人的宝贵经验总结及研究成果。通过工程实践，都不同程度地显示出其优越 性，这是无可非议的。 任何事物都具有两面性，应该是一分为二的，通过比较与分析，上述国内外 的研究成果中，有四个问题值得进一步探讨及改进，即材料问题，桁架类型问题， 底板问题及施工问题1 4 1 。 l 、材料问题 如何在提高材料强度的同时，也减小材料的容重，即采用轻质高强的而且价 格相对便宜的结构材料，是工程界普遍关注的问题。而钢与混凝土( 包括高强混凝 土、轻质混凝土及聚合物混凝土) 作为工程结构材料，都在其一方面具有优势，但 往往无法同时兼顾上述三方面的特点。而由钢与混凝土组合而成的钢管混凝土， 4 第一章绪论 不仅强度高，重量轻，塑性好，耐疲劳、耐冲击，还具有施工工艺方面的独特优 点，其材料单价及生产成本也不高，是桁架杆件理想的材料。对于轴心受压或小 偏心受压杆件更是如此。 2 、桁架类型问题 桁架有平面桁架及空间桁架( 网架) 之分。国外工程中的平面桁架均为钢桁架 与混凝土顶、底板构成组合箱型结构，不设或仅设少量的横向联系。而空间桁架， 如科威特的布比延桥，其空间受力性能及刚度优于上述平面桁架。在宽桥、重载 以及大跨径的情况下，需要具有强大抗扭刚度时，空间桁架的优越性就更为突出， 但杆件材料及节点构造有待改进，最好是采用钢管混凝土杆件及全焊节点。 3 、底板问题 底板是封闭的箱型结构中的也要组成部分。在上述桁式腹板箱型结构中，底 板不仅起横向联系作用。更主要是箱型结构承受负弯矩的重要组成部分。但如果 改为钢管混凝土空阿桁架组合梁式结构，负弯矩完全可以单独由钢管混凝土下弦 杆来承担，以充分发挥其优越的受压性能，因此没有必要设混凝土底板，而用钢 管混凝土杆件构成的下平联替代，以进一步减轻自重。 4 、施工问题 施工问题是工程实践中必须统筹考虑的重要问题。国内外无论是采用钢腹板 还是采用“替代腹板体系”，根据其构造特点，其施工方法都比较复杂。例如可以 采用悬臂施工法，或采用斜缆式钢桁架桥机逐孔进行节段拼装架设的施工法，其 施工设备及临时设施都比较复杂。如果采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构， 则可以采用简单的小型机械设备采用平移工艺完成全桥的施工，可加快施工进度， 进一步降低工程造价。 1 3 2 钢管混凝土空间桁架组合梁式结构的总体构思 1 、材料与结构型式 以空间桁架组合结构取代传统的由实体顶、底板及腹板构成的闭合箱型结构， 而在材料上采用轻质高强的钢管混凝土作为空间桁架的杆件，这是减轻箱粱结构 恒载，同时保证具有足够的抗弯及抗扭刚度，以满足宽桥重载的受力要求的有效 途径。其具体构造方案如下： ( 1 ) 空间桁架的基本构造单元是正四角锥。 ( 2 ) 空间桁架组合结构的先期结构为钢结构，即上弦的纵向构成正交网格； 腹杆、下弦杆及下平联杆件均为空心钢管，腹杆为空间斜杆，其上下端分别与上 弦正交网格节点上的钢板或钢管及下弦钢管直接顶接对焊。 ( 3 ) 待先期结构组装、平移及合拢后，在其上弦浇筑钢筋混凝土桥面板，与 原槽钢结台成整体，或支承在上弦的纵向钢管上，成为双向或单向连续板。根据 第一章绪论 5 需要可在桥面板中旋加纵向及横向预应力，同时根据内力需要向先期结构中的 受压杆件灌填混凝土( c 3 0 c 5 0 ) 形成钢管混凝土压杆，以利用其优越的抗压性能。 而受拉杆件可直接钢管材料本身的优越抗拉性能，通过调整壁厚，或选择钢种来 满足抗拉的设计要求。甚至可以在拉杆( 已灌填混凝土) 上施加预应力来满足抗 拉要求。 这种空间桁架组合结构与科威特的布比延桥上部结构相似，其纵向、横向及 底面均为桁架结构。实际上属于空间网架体系。但桁架杆件及节点构造与布比延 桥不同，同时将底板改为水平桁架，进一步减轻了上部结构的恒载，提高了节点 的抗裂性及结构的整体性。与平面桁架相比，其抗扭刚度、横向抗弯刚度及结构 整体性显然更为优越，有利于传递各种荷载引起的竖向力、横向力及扭矩，完全 能满足大跨径、宽度及重载的使用要求。 2 、施工方法及工序 为了不影响桥下通车或通航，可以在两岸引桥或桥头引道范围内，搭设用于 组装先期结掏的临时施工平台，在平台上逐段组装焊接空间钢桁架，组装一段平 移段，经如此几个循环，直至两岸的空间钢桁架在中间合拢。这是先期结构的施 工顺序。 先期结构平移台拢后，即可进行墩桨固结等体系转换作业，此时先期结构已 成为后期结构的施工承重骨架及施工通道。在此基础上可以进行桥面板施工及空 心钢管内核心混凝土的灌填施工，使先期结构逐步加强并最终转换成后期承重结 构钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，最后进行桥面系施工。 如果桥不高，桥下无通车或通航要求，可不采用平移作业，直接在满堂支架 上进行先期结构的总体组装，或者在工厂先组装成桁架段，运到现场后再在临时 支架上进行总体组装，施工方法比较灵活，可视现场具体条件而定。 3 、施工设备及临时设施 先期结构的现场组装，由于钢构件很轻，不需要重型的起吊设备，仅用扒杆 之类的简单吊装设备即可完成构件的运输及吊装作业。 先期结构的平移施工必须解决支承系统、牵引系统及滑动系统的设置问题。 ( 1 ) 支承系统 如果跨度较大，根据计算分析及现场具体情况，可设置简易的临时墩，以改 善先期结构的内力及最大悬臂时的挠度，以便顺利合拢。当然也可以在先期结构 上设置临时扒杆及斜拉索来控制悬臂端的挠度。 ( 2 ) 牵引系统 由于期结构纯属钢结构，重量轻，加上滑动系统的摩擦系数很小，采用卷扬 机或小型千斤顶等设备即可顺利完成牵引作业。 6 第一章绪论 ( 3 ) 滑动系统 可由固定在墩顶的不锈钢滑遭与挂在先期结构下弦节点上的带有四氟板的活 动滑块构成滑动系统，这种滑动系统的摩擦系数数小于o 1 。 4 、工期及工程造价 由于先期结构的组装与下部结构的施工基本上可以同步进行平行作业，如果 采用工厂预拼节段现场总装的方法，可以进一步提高先期结构的组装质量及速度。 因此在正常情况下，其施工速度一般要比预应力混凝土箱梁桥的施工速度快。加 上结构全面轻型化，节省了材料用量，简化了施工设备及临时设施，其工程造价 也直该比预应力混凝土箱型梁桥低。 总之，上述总体思综合与通盘考虑了结构材料、结构型式、施工方法及工序， 施工设备及临时设施、工期及工程造价等因素。使之互相有机配合与补充，并融 合成一个完整的系统，以使这种国内外首创的新型结构在使用，经济及施工等方 面有所突破，有所创新。 1 4 钢管混凝土结构在桥梁中的运用 钢管混凝土由于具有承载能力高、抗震性能好、施工方便、综合经济效益 好等诸多优点而得到桥梁工程师的青睐。采用钢管混凝土技术不但可以解决普通 钢筋混凝土所面临的“胖柱 问题，增大桥梁结构的跨越能力。同时钢管对核心 混凝土的套箍作用还可以有效地克服高强混凝土的脆性问题，使其成为桥梁工程 中一种经济而有效的结构形式。理论分析和工程实践表明，钢管混凝土与钢结构 相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材约5 0 ；与普通钢筋 混凝土相比，在保持用钢量相近和承载力相同的条件下，构件的截面面积可减少 约5 0 ，混凝土用量及构件自重相应减少5 0 左右。 钢管混凝土最早应用于桥梁结构中的实例是1 8 7 9 年的英国塞文( s e v e n ) 铁路 桥，采用了钢管混凝土桥墩。如今，钢管混凝土结构已经广泛应用于桥梁工型3 l 。 1 4 1 钢管混凝土拱桥 拱式结构主要承受轴向压力，因此采用钢管混凝土作为拱桥的拱肋是非常合 理的，且在施工时，空钢管还可以作为施工模板承受一定荷载，从而基本实现了 无支架施工，使大跨度拱桥的建设推进到一个新的水平。 钢管混凝土拱桥在2 0 世纪3 0 年代的前苏联就已经出现，近年来在国外也有 修建，但其真正的发展是在9 0 年代以后的中国，特别是自从我国第一座大跨度钢 管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥建成以来，钢管混凝土拱桥就如雨后春笋般 在国内得到迅速发展，至今已建成数百座。表1 1 仅列出了部分有代表性的钢管 混凝土拱桥。 第一章绪论 7 表1 1 部分典型的钢管混凝土拱桥 t a b l e1 1p a r t so fat y p i c a lc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c hb r i d g e 桥名跨径m钢管尺寸i t l m建成年份备注 四川旺苍东河大桥1 1 58 0 0 x l o1 9 9 0 1 9 9 0 下承式拱桥 广州丫髻沙大桥7 6 + 3 6 0 + 7 67 5 0 x 1 82 0 0 0中承式拱桥 重庆奉节梅溪河桥 2 8 89 2 0 x 1 42 0 0 l 上承式拱桥 广西南宁永和桥3 3 81 2 2 0 x 1 62 0 0 4下承式拱桥 湘江四人桥主桥 12 0 + 4 0 0 + 12 01 8 5 02 0 0 6 斜拉拱组合桥 1 4 2 钢管混凝土斜拉桥 钢管混凝土作为承压构件的优势已经得到广泛的认同，将其用作斜拉桥的塔 柱是设计上的一项创新，可以充分发挥其“耐压”的性能，且塔柱可以设计得比 较轻盈挺拔，如果将其主梁也设计成钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，则可以 大大提高其跨越能力。同时，钢管混凝土柱具有良好的荷载。位移滞回性能和抗 局部屈曲的能力，比普通钢筋混凝土柱有更好的耗能能力和更小的强度退化，因 而有着优越的抗震性能。1 9 9 6 年，我国建成了世界上第一座钢管混凝土斜拉桥一 一广东南海紫洞大桥，表1 2 列出部分有代表性钢管混凝斜拉桥。 表1 2 钢管混凝土斜拉 t a b l e1 2 c a b l e - s t a y e dc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e 桥名跨径m钢管尺寸m m建成年份备注 广东南海紫洞大桥6 9 + 1 4 0 + 6 91 8 4 0 x 2 51 9 9 6钢管砼桁架粱 重庆万安大桥 7 2 + 1 4 0 + 7 21 8 4 02 0 0 0 钢管砼桁架粱 淮北市长山路桥 8 8 + 8 21 5 0 0 x 1 82 0 0 l 预应力砼梁 无锡蓉湖人桥 1 4 5 + 7 52 5 0 0 x 2 52 0 0 3 预应力砼梁 1 4 3 钢管混凝土梁式桥 由于约束作用的存在，钢管混凝土梁具有很高的抗弯承载力，因此可以用作 梁式体系桥梁的承重结构。可以根据梁体受力的特点，在不同部位灌注不同的混 凝土，如在支座附近填充容重较大的材料，而在跨中附近填充容重较小的混凝土 以减轻自重对于铁路桥梁而占，钢管混凝土还有一个重要优点是可以减轻火车 运行时的噪声及振动。另外，钢管混凝土空间桁架组合梁式桥的应用也起步不久。 表1 3 列出了一些应用钢管混凝土结构的梁式桥。 8 第一章绪论 表1 3 钢管混凝土结构粱式桥 t a b l e1 3c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b eb e a m t y p eb r i d g es t r u c t u r e 桥名跨径m钢管尺寸m m建成年份备注 湖北向家坝大桥4 3 3 + 7 2 2 + 4 3 37 0 0 x 2 02 0 0 0连续刚构 重庆万州i 特大桥7 5 4 + 3 l2 0 + 7 5 45 0 02 0 0 0连续刚构 日本新干线某桥3 4 3 61 3 0 0 x 2 22 0 0 0连续梁 1 4 4 管混凝土在桥梁工程中的应用展望 钢管混凝土作为一种组合结构，外钢管与核心混凝土之间的相互作用是极其 复杂的，其力学性能还有待于进一步研究，特别是钢管高强( 超高强、高性能) 混 凝土结构的性能研究还不够深入。目前我国还没有针对桥梁工程的钢管混凝土结 构设计所需的规范或规程可循，广大桥梁设计人员对钢管混凝土结构的性能认识 尚不足，这大大制约了钢管混凝土结构在我国桥梁工程中的应用和发展随着对钢 管混凝土理论研究的日益成熟，桥梁结构设计与施工相关规范、规程的不断修订 完善，钢管混凝土将会在桥墩、塔柱、管梁、桁架梁等结构中得到进一步的推广 应用，充分发挥其抗压能力强的性能。与钢结构相比，可以大大减少用钢量。文 献【3 】中设计了一跨径9 0 0 m 的钢管混凝土梁斜拉桥，其用钢量仅为多多罗大桥的 1 3 ；与混凝土结构相比，可以减小构件截面尺寸，从而减轻结构自重，增大结构 跨径，直接或间接地减少工程造价。 工程实践已表明，钢管混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高 效的施工技术。现代高强、超高强、高性能混凝土技术和混凝土泵送技术的发展， 给钢管混凝土结构技术带来了新的生机和活力。这三种技术的结合，将会对桥梁 工程的技术进步产生深远的影响。 1 5 本文研究的主要内容 1 、对以建成的万州大桥和湖北向家坝大桥进行相关的计算及分析，对于两种 相同材料不同结构形式的钢管混凝土空间桁架连续刚构桥总结出每一种桥型其结 构的优越性和不足之处。 2 、阐述两种复合式钢管混凝土钢管混凝土桁架桥梁的相关理论；对一种全复 合式钢管混凝土空间桁架连续刚构桥进行定性的计算，找出这种桥型的适用范围 及相对应的优缺点；以某p c 连续刚构桥为背景，在连续刚构桥l 4 跨及跨中设置 桁架劲性骨架，形成部分复合式钢管混凝桁架结构，通过计算分析此种新型腹板 的受力情况，找出劲性骨架对腹板斜裂缝的影响，及对整个桥梁的承载能力及挠 度的影响。 第一章绪论 9 3 、通过定性的计算，对比分析多层桁架和单层桁架在承载能力上的区别；继 而深入比较分析多层桁架和多层拱形桁架在承载能力上的区别，总结出多层拱形 桁架的特点。 4 、在以上关于各种钢管混凝土空间桁架连续刚构桥的研究及多层拱形桁架理 论上的研究为基础上，以重庆嘉陵江水土大桥为背景，进行一种全新的钢管混凝 土空间桁架连续刚构桥型的试设计，并对主体部分的桁架内力进行计算和验算， 调节钢管尺寸，以满足桥梁结构受力要求。 5 、以试设计钢管混凝土空间桁架连续刚构桥计算得出的各桁架杆件内力为 基础，对全桥节点选取外力作用下最不利状态节点进行桁架节点进行设计。设计 出的节点必须满足桁架的几何构造要求和承载能力要求。 第二章既有钢管批凝士连续刚构桥分析 第二章既有钢管混凝土连续刚构桥受力分析 钢管混凝土优越的力学性能主要体现在受压上，因此在桥梁中工程，钢管 混凝土多廊用于拱桥的拱肋。至于连续刚构桥中应用的还比较少，比较典型的应 用是已建成的万卅l 大桥和湖北向家坝大桥。 本章将对这两种桥型进行部分计算，总结出钢管混凝土运用于连续刚构桥的 一般原则和需要注意之处，并分析比5 受这两种桥型的优缺点，为后续新桥型的研 究提供一定的经验。 2 1 万州大桥 2 11 工程概况 万县市万卅i 大桥地处三峡库区移民开发区的万县市天成区境内，三峡水库建 成后，正常蓄水位1 7 33 米，整个万县市属半淹没城市。原建的万开公路及竺溪河 上的数座中、小桥梁将被淹没。规划要求在兰溪河上新建两座大桥以恢复过境变 通与城市交通功能。拟建的万县h 万州大桥是规划新建的两座大桥之一，也是万 开公路桥的替代工程它将同万县k 江大桥一起，把龙宝、天城、五桥三区连成整 体，形成市区、移民开发区公蹄环境，增强境内外路刚连接功能，促进万县市沿 江特区经济发展。主要技术标准如下【5 j ： ( 1 ) 荷载标准：汽车超2 0 绂；挂车1 2 0 ；人群3 5 干牛平方米；( 2 ) 桥面 全宽：净1 5 ( 行车道) + 2 x 25 ( 人行道) + 2 x 02 5 米( 栏杆) ，全桥宽2 05 米。 2 12 桥型方案 大桥桥面为平坡，路中线设计高程2 2 0o o 米，两岸桥台位于平曲线内。桥型 方案：主f l 为3 孔1 2 0 米带2 边跨7 54 0 米钢管混凝十组合桁架连续刚构，引孔为 2 5 米预应力混凝土空心板，桥叫连续。孔跨布置磨川梁岸至蚂蝗坪岸为4 x 2 5 米简 支空，t l , 板+ 7 5 4 - 3 1 2 0 + 7 54 连续刚构+ 3 x 2 5 米简支空心板，全桥k7 0 98 0 米。建 成后的万州大桥如图22 所示。 图22 主桥上部钢管桁架结构 p 电2 2 m a i nb r i d g es t e e lp i p et r u s s $ t r u c t u l e 第二章既有钢管混凝土连续刚