钢管混凝土拱桥设计规范(报批稿)陈宝春

中华人民共和国行业标准中华人民共和国行业标准 钢管混凝土拱桥设计规范钢管混凝土拱桥设计规范 校审稿 校审稿 钢管混凝土拱桥设计规范编制组钢管混凝土拱桥设计规范编制组 2004 年年 2 月月 1 目目 录录 1 总则总则 1 2 术语和符号术语和符号 2 2 1 术语 2 2 2 主要符号 3 3 材料材料 5 3 1 混凝土 5 3 2 钢材 5 3 3 钢管混凝土 6 4 承载能力极限状态计算承载能力极限状态计算 10 4 1 一般规定 10 4 2 轴心受力构件 11 4 3 偏心受力构件 13 4 4 整体稳定性验算 16 5 正常使用极限状态计算正常使用极限状态计算 17 5 1 一般规定 17 5 2 挠度验算 17 6 施工阶段计算施工阶段计算 18 6 1 一般规定 18 6 2 计算内容 18 6 3 材料的应力限值 19 7 构造要求构造要求 20 7 1 拱肋 20 7 2 吊杆及系杆 21 2 7 3 立柱及拱座 21 7 4 节点构造 22 7 5 拱肋合拢 23 7 6 焊缝连接 23 8 钢管拱肋防腐涂装钢管拱肋防腐涂装 25 附件 钢管混凝土拱桥设计规范条文说明附件 钢管混凝土拱桥设计规范条文说明 26 注 主编单位 重庆交通科研设计院 联系人 许晓锋 023 62653006黄福伟 023 626535221 1 总总 则则 1 0 1为使公路钢管混凝土拱桥的设计符合安全可靠 耐久适用 技术先进 经济 合理的要求 特制定本规范 1 0 2本规范适用于公路钢管混凝土拱桥 钢管为圆形截面 1 0 3采用本规范进行设计时 应同时遵守相关的国家和行业技术规范 1 0 4本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计 1 0 5公路钢管混凝土拱桥应按以下两类极限状态设计 1 承载能力极限状态 对应于公路钢管混凝土拱桥及其构件达到最大承载能力 或出现不适于继续承载的变形或变位的状态 2 正常使用极限状态 对应于公路钢管混凝土拱桥及其构件达到正常使用 或 耐久性的某项限值的状态 1 0 6根据不同种类的作用 或荷载 及其对桥梁的影响 桥梁所处的环境条件 应考虑以下三种设计状况 并进行相应的极限状态设计 1 持久状况 桥梁建成后承受自重 车辆荷载等持续时间很长的状况 应进行 承载能力极限状态和正常使用极限状态设计 2 短暂状况 桥梁施工过程中承受临时性作用 或荷载 的状况 一般仅作承 载能力极限状态设计 必要时才作正常使用极限状态设计 3 偶然状况 在桥梁使用过程中偶然出现的如罕遇地震的状况 仅作承载能力 极限状态设计 1 0 7钢管混凝土结构或构件之间的连接 以及施工安装阶段 混凝土浇注前和混 凝土硬结前 的承载力 变形和稳定 应按钢结构进行设计 2 2 术语和符号术语和符号 2 1 术语术语 2 1 1 钢管混凝土 concrete filled steel tube 在钢管内填充混凝土而形成的组合材料 2 1 2 钢管混凝土结构 concrete filled steel tubular structure 由钢管混凝土材料形成的结构 2 1 3 钢管混凝土拱桥 concrete filled steel tubular arch bridge 主拱为钢管混凝土结构的拱桥 2 1 4 组合轴压强度 composite compressive strength 钢管混凝土组合截面所能承受的最大名义压应力 2 1 5 组合抗剪强度 composite shear strength 钢管混凝土组合截面所能承受的最大名义剪应力 2 1 6 组合轴压弹性模量 composite compressive modulus of elasticity 钢管混凝土组合截面在单向受压 且其纵向名义应力与应变呈线性关系时 截 面上名义正应力与对应的正应变的比值 2 1 8 约束效应系数 constraining coefficient 反映钢管混凝土组合截面的几何特征和组成材料的物理特性的综合参数 标准 值用表示 设计值用表示 ckc ys fA fA 0 cc ss fA fA 0 2 1 9 钢管初应力 initial stress of steel tube 在钢管混凝土形成组合截面前钢管的应力 删除 内 字 3 2 2 主要符号主要符号 2 2 1 力 弯矩设计值 M 轴力设计值 N 剪力设计值 V 2 2 2 计算指标 C30 立方体强度标准值为 30的混凝土强度等级 2 mmN 混凝土的弹性模量 c E 钢材的弹性模量 s E 钢管混凝土的组合轴压弹性模量 sc E 钢管混凝土的组合抗弯弹性模量 msc E 欧拉临界力 E N 钢材的强度标准值 y f 钢材的强度设计值 s f 混凝土的轴心抗压 抗拉强度标准值 ck f tk f 混凝土的轴心抗压 抗拉强度设计值 c f t f 钢管混凝土的组合轴压强度设计值 sc f 钢管混凝土的组合抗剪强度设计值 v sc f 2 2 3 几何参数 钢管内混凝土的截面面积 c A 钢管的截面面积 s A 钢管混凝土构件的截面面积 sc A 钢管混凝土截面的弹性抵抗矩 sc W 钢管内混凝土的弹性抵抗矩 c W 4 钢管的外直径 d 2 2 4 计算系数及其他 截面的含钢率 s cSs AA 等效弯矩系数 m 构件截面抗弯塑性发展系数 m 构件截面抗剪塑性发展系数 v 长细比 钢管混凝土组合轴压强度的徐变折减系数 c k 钢管混凝土组合轴压强度的钢管初应力影响系数 p k 结构的重要性系数 0 轴心受压稳定系数 5 3 材料材料 3 1 混凝土混凝土 3 1 1 公路钢管混凝土拱桥的管内混凝土等级不宜低于 C30 可参照下列材料组合 Q235 钢配 C30 或 C40 级混凝土 Q345 钢配 C40 C50 或 C60 级混凝土 3 1 2 公路钢管混凝土拱桥其他构件的混凝土可参照 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥涵设计规范 JTG D62 选用符合要求的等级 并满足相关规范要求 3 1 3 钢管混凝土拱桥管内混凝土应具有低水灰比 高流动性 低收缩 低水化热 缓凝 早强等特点 宜掺适量减水剂 3 1 4 对于高温和寒冷地区修建公路钢管混凝土拱桥 管内混凝土的性能要求应符合 相关规范的具体要求 3 1 5 混凝土轴心抗压强度标准值 轴心抗压强度设计值 轴心抗拉强度标准 ck f c f 值 轴心抗拉强度设计值 弹性模量按表 3 1 5 采用 tk f t f c E 表 3 1 5 混凝土强度和弹性模量 MPa 抗压强度抗拉强度 强度种类 强度等级 标准值 ck f设计值 c f标准值 tk f设计值 t f 弹性模量 c E C3020 113 82 011 39 3 00 104 C4026 818 42 401 65 3 25 104 C5032 422 42 651 83 3 45 104 C6038 526 52 851 96 3 60 104 3 1 6 混凝土的剪变模量可按表 3 1 5 中弹性模量 Ec的 0 4 倍采用 混凝土的泊松 c G 比可采用为 0 2 C 3 2 钢材钢材 3 2 1 钢管和其它承重结构钢材采用 B 级或 B 级以上级别的 Q235 号钢和 Q345 号钢 钢材的质量应符合相应的现行国家标准 碳素结构钢 GB700 88 低合金结构钢 GB T 1591 94 桥梁用结构钢 GBT714 2000 和 结构用无缝钢管 GB T8162 1999 等有关规定 6 3 2 2 钢管可采用卷制焊接管和无缝钢管 当钢管直径超过 600mm 时应采用卷制焊 接管 3 2 3 钢管拱肋节段应采用对接焊缝 符合建筑钢结构规范的一级焊缝标准 3 2 4 钢材的强度设计值按表 3 2 4 采用 s f 表 3 2 4 钢材的强度设计值 MPa 钢材 钢号组别 厚度或直径 mm 抗拉 抗压 抗弯 s f 抗剪 v f 端面承压 刨平顶紧 ce f 第 1 组 20 215125320 第 2 组 20 40200115320Q235 第 3 组 40 60190110320 第 1 组 16 315185445 第 2 组17 25300175425Q345 第 3 组26 36290170410 3 2 5 钢材的物理性能指标按表 3 2 5 采用 表 3 2 5 钢材的物理性能指标 弹性模量 E 2 mmN 剪变模量 G 2 mmN 线膨胀系数 0C 密 度 3 mkg 泊松比 2 06 1057 9 1041 2 10 57 85 103 0 3 3 3 钢管混凝土钢管混凝土 3 3 1 钢管混凝土组合轴心受压强度设计值按下式计算 sc f 3 3 1 1 csc ff 0 02 1 14 1 3 3 1 2 cc sS fA fA 0 式中 钢管的截面面积 s A 核心混凝土的截面面积 c A 钢管混凝土的约束效应系数设计值 一般不宜小于 0 60 0 分别为钢材的标准强度和设计强度 sy ff 分别为混凝土的抗压强度标准值和设计值 cck ff 采用第一组钢材的值由式 3 3 1 1 计算 采用第二组 第三组钢材的 sc f 7 值应将式 3 3 1 1 计算值乘以换算系数后确定 sc f96 0 1 k 3 3 2对钢管混凝土轴压构件和的偏压构件 其承受永久荷载引起的轴压3 0 0 re 力占全部轴压力的 30 及以上时 应将组合轴压强度设计值乘以混凝土徐变折减 系数 见表 3 3 2 1 构件的长细比计算见式 4 2 3 1 和 4 2 3 2 主拱的计 c k 算长度见表 3 3 2 2 0 L 表 3 3 2 1 徐变折减系数 c k 永久荷载所占比例 构件长细比 305070 及以上 50 70 0 900 850 80 70 120 0 850 800 75 注 表内中间值可采用插入法求得 表 3 3 2 2 主拱计算长度 两端结合情况计算长度 0 L 三铰拱0 58s 双铰拱0 54s 无铰拱0 36s 注 拱轴线长度 s 3 3 3 钢管初应力对钢管混凝土构件承载能力的影响 可以通过将组合轴压强度设计 值乘上钢管初应力影响系数来考虑 的计算公式如下 p k p k 3 3 3 1 1reffkp 3 3 3 2 1 1 07 0 35 0 13 0 02 0 17 0 0 0 0 2 0 0 f 80 0 3 3 3 3 4 0 4 0 16 0 15 0 9 0 05 0 75 0 2 re re re rere ref 3 3 3 4 ssf 0 式中 考虑构件长细比影响的函数 f 考虑构件荷载偏心率影响的函数 ref 钢管中的初应力 0 空钢管的稳定系数 按 钢结构设计规范 GB50017 2003 取值 s 3 3 4 钢管混凝土组合抗剪强度设计值按下式计算 v sc f 8 3 3 4 scs v sc ff 125 0 0 5 1 25 0 385 0 截面的含钢率 宜在 0 05 0 08 s cs AA 钢管混凝土的约束效应系数设计值 0 组合轴心受压强度设计值 sc f 采用第一组钢材的由式 3 3 4 计算 由表 3 3 4 给出 采用第二 第三组 v sc f 钢材的值应按 3 3 4 的计算值乘换算系数后确定 v sc f96 0 1 k 表 3 3 4 值 v sc f 2 mmN 钢材混凝土 S 0 050 060 070 08 8 038 919 7910 69 9 2710 1511 0411 94 10 3311 2312 1313 03 Q235 C30 C40 C50 C60 11 4112 3213 2314 14 10 0311 3212 6313 96 11 2712 5613 8615 17 12 3513 6414 9416 25 Q345 C30 C40 C50 C60 13 4514 7516 0517 37 3 3 5 钢管混凝土轴压刚度按下式计算 3 3 5 scscA EEA 式中 为钢管混凝土组合轴压弹性模量 采用第一组钢材时的计算值见表 sc E 3 3 5 采用第二 第三组钢材的值应按 3 3 5 的计算值乘换算系数EA 后确定 96 0 1 k 表 3 3 5 值 sc E 2 mmN 钢材混凝土 S 0 050 060 070 08 Q235 C30 C40 C50 C60 33139 40423 47619 55686 35346 42609 49793 57850 37517 44755 51924 59971 39653 46862 54014 62048 Q345 C30 C40 C50 C60 30471 36046 41570 47772 33060 38600 44103 50291 35590 41088 46567 52736 38061 43510 48961 55110 3 3 6 钢管混凝土组合弹性抗弯刚度按下式计算 9 1 内力计算时 3 3 6 1 ccss IEIEEI 2 挠度和稳定计算时 3 3 6 2 ccss IEIEEI8 0 式中 钢管和混凝土的弹模 s E c E 钢管和混凝土的弹性抗弯惯矩 s I c I 10 4 承载能力极限状态计算承载能力极限状态计算 4 1 一般规定一般规定 4 1 1 钢管混凝土拱桥进行承载能力极限状态计算时采用统一理论 将钢管混凝土视 为一种复合材料 4 1 2 钢管混凝土拱桥应按承载能力极限状态的要求 对构件进行承载力及稳定计算 在进行上述计算时 作用 或荷载 其中汽车荷载应计入冲击系数 效应应采用其 组合设计值 结构材料性能采用其强度设计值 4 1 3 对承载能力极限状态 应根据桥梁结构破坏可能产生的后果的严重程度 按表 4 1 3 划分的三个安全等级进行设计 对于有特殊要求的桥梁结构 其安全等级可根据具体情况另行确定 表 4 1 3 桥梁结构安全等级 安 全 等 级桥 梁 类 型 一级特大桥 重要大桥 二级大桥 中桥 重要小桥 三级小桥 4 1 4 同座桥梁的各种构件宜取相同的安全等级 必要时部分构件的安全等级可作适 当调整 4 1 5 钢管混凝土拱桥或构件的承载能力极限状态计算 应采用下列表达式 4 1 5 1 RS 0 4 1 5 2 dd afRR 式中 桥梁结构重要性系数 对安全等级为一级 二级 三级的结构或构件 0 应分别取 1 1 1 0 0 9 桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数 作用 或荷载 其中汽车荷载应计入冲击系数 效应的组合设计值 S 按 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 的规定计算 构件承载力设计值 R 构件的承载力函数 R 11 材料强度设计值 d f 几何参数设计值 d a 4 2轴心受力构件轴心受力构件 4 2 1 单肢钢管混凝土轴心受压构件的承载力按下列公式计算 4 2 1 scscA fN 式中 N 轴向压力组合设计值 钢管混凝土的组合轴心受压强度设计值 sc f 钢管混凝土构件的截面面积 sc A4 2 dAsc 钢管的外直径 d 轴心受压稳定系数 按表 4 2 1 采用 构件长细比 dl04 构件的计算长度 按表 3 3 2 2 的规定确定 0 l 表 4 2 1 稳定系数值 构件长细比 10 20 30 40 50 60 70 80 钢 材 Q235 Q345 1 0 0 998 0 989 0 972 0 946 0 912 0 860 0 819 1 0 0 997 0 987 0 966 0 935 0 895 0 844 0 783 构件长细比 90 100 110 120 130 140 150 钢 材 Q235 Q345 0 760 0 692 0 617 0 521 0 444 0 383 0 333 0 712 0 632 0 541 0 455 0 387 0 334 0 291 注 表内中间值可采用插入法求得 4 2 2 单肢钢管混凝土轴心受拉构件的承载力按下列公式计算 4 2 2 ssA fN 式中 钢材的抗拉强度设计值 s f 钢管的截面面积 s A 4 2 3 格构式钢管混凝土轴心受压构件的整体承载力应按公式 4 2 1 计算 其受压 稳定系数根据构件的换算长细比查表 4 2 1 构件的换算长细比按表 4 2 3 的规定 12 确定 13 表 4 2 3 格构式构件的换算长细比 项 目截面型式腹杆类别计算公式 双肢构件 平腹杆 斜腹杆 2 1 2 0 17 yy wsyy AA 5 67 2 0 三肢构件斜腹杆 wsyy AA200 2 0 四肢构件斜腹杆 wsyy AA135 2 0 wsxx AA135 2 0 4 2 3 1 scscsc y y AAaI l 2 0 scscsc x x AAbI l 2 0 4 2 3 2 scsc AI l1 1 式中 整个构件对 Y 轴 X 轴的长细比 y x 构件对 Y 轴 X 轴的计算长度 y l0 x l0 单肢的截面面积和惯性矩 scsc IA As 单肢的钢管截面积 Aw 一根斜腹杆空钢管的截面积 单肢中心到虚轴和的距离 ba yy xx 单肢一个节间的长细比 1 单肢节间距离 1 l 4 2 4 格构式钢管混凝土轴心受压构件除按第 4 2 3 条验算整体稳定承载力外 尚应 按第 4 2 1 条公式 4 2 1 验算单肢稳定承载力 当单肢的节间长细比符合下列 1 条件时 可不再验算单肢稳定承载力 平腹杆格构式构件 及 40 1 max1 5 0 斜腹杆格构式构件 max1 7 0 14 其中是构件在和方向换算长细比的较大值 max xx yy 4 2 5 格构式钢管混凝土轴心受压构件腹杆所受剪力可按下式计算 4 2 5 85 1 sc n scA fV 式中 格构式构件单肢截面积 sc A 肢数 n 4 3偏心受力构件偏心受力构件 4 3 1 单肢钢管混凝土构件承受压力 弯矩 剪力及共同作用时 构件承载力应按下 列公式计算 1 构件的强度承载力按下列公式验算 1 当时 scsc fVVAN 2 0 12 0 4 3 1 1 1 2 0 4 1 00 V V M M N N 2 当时 scsc fVVAN 2 0 12 0 4 3 1 2 1 4 1 2 0 4 1 00 V V M M N N 2 构件的稳定承载力按下列公式验算 1 当时 scsc fVVAN 2 0 12 0 4 3 1 3 1 4 01 2 0 4 1 00 V V MNN M N N E m 2 当时 scsc fVVAN 2 0 12 0 4 3 1 4 1 4 014 1 2 0 4 1 00 V V MNN M N N E m 4 3 1 scscf AN 0 5 4 3 1 6 scscm fWM 0 15 4 3 1 7 scvscv fAV 0 4 3 1 8 22 scscE AEN 式中 N 所计算构件段内的和相应的 组合设计值 以及MV max MNV 和相应的 组合设计值 此时 M 取所计算构件段内的最大值 max NMV NE 欧拉临界力 构件截面抗弯塑性发展系数 m 92 1 48 0 m 构件截面抗剪塑性发展系数 v 30 1 30 0 v 钢管混凝土的套箍系数标准值 ckc ys fA fA 钢管内混凝土的截面面积 c A 钢材的抗拉 抗压 抗弯强度标准值 y f 混凝土的轴心抗压强度标准值 ck f Wsc 构件截面抵抗矩 32 3 dWsc m 等效弯矩系数 按表 4 3 1 采用 表 4 3 1 等效弯矩系数 m 无横向荷载作用的构件 有端弯矩和横向荷载同时作用 的构件 无端弯矩但有横向荷 载作用的构件 荷 载 作 用 情 况 1 N M 2 M 1 N N 2 M 2 M 1 N N NN N 1 等 效 弯 矩 系 数 且 12 35 0 65 0 MM m 其中 4 0 m 1 使构件产生同向曲率时 取同号 1 M 2 M 2 使构件产生反向曲率时 取异号 1 M 2 M 1 使构件产生同向曲率时 0 1 m 2 使构件产生反向曲率时 85 0 m 0 1 m 4 3 2 单肢钢管混凝土拉弯构件的承载力应按下列公式验算 21 MM M 1 N M 2 NN N 1 2 M 1 M 2 Comment TL1 Page 16 单肢钢管混凝土构件无换算长细 比 查 DL 是否为格构规定 16 4 3 2 1 scscmss fW M fA N 4 3 3 格构式钢管混凝土构件承受压力 弯矩 剪力及共同作用时 平面内的整体稳 定承载力按下列公式验算 4 3 3 1 1 24 1 scvscvscscE m scsc fA V fWNN M fA N 式中 格构式轴心受压构件验算平面内的稳定系数 按本标准第 4 2 3 条的相 关规定采用 格构式构件截面总面积和总抵抗矩 sc A sc W NE 欧拉临界力 其计算公式 4 3 1 8 中采用格构式构件的换算长细 比 对斜腹杆格构式构件的单肢 可按桁架的弦杆计算 对平腹杆格构式构件的单 肢 尚应考虑由剪力引起的局部弯矩影响 按偏压构件计算 腹杆所受剪力应取实际剪力和按公式 4 2 5 计算剪力中的较大值 4 3 4 哑铃式钢管混凝土偏压构件 短柱 的承载力按下列公式计算 4 3 4 1 MMM 21 4 3 4 2 N N M h N 21 2 1 1 N N M h N 21 2 1 2 其中 4 3 4 3 2 5 02 1 h csE csE IIn AAn 1 当时 将 N1 代入公式 4 3 1 1 4 3 1 2 其中 V 0 0 21 NN 1 M 按单肢钢管混凝土偏压构件验算其承载力 2 当时 除按 1 款规定验算外 还需将 N2 代入公式 4 3 2 0 0 21 NN 2 M 按单肢钢管混凝土拉弯构件验算其承载力 式中 N 哑铃式构件轴力和相应的弯矩组合设计值 及弯矩M max NM 和相应的轴力组合设计值 max MN N1 N2 分配到两个肢上的轴力 弯矩组合设计值 1 M 2 M h 哑铃式截面两肢中心的距离 单肢钢管混凝土和整个哑铃式构件截面抗弯刚度之比 计算系数 钢管和混凝土弹性模量之比 E n 一个肢钢管的截面面积和惯性矩 ss IA 17 一个肢钢管内混凝土的截面面积和惯性矩 cc IA 4 4 整体稳定性验算整体稳定性验算 4 4 1 钢管混凝土拱桥宜通过空间有限元分析验算其整体稳定性 4 4 2 钢管混凝土拱桥的整体稳定系数按弹性理论计算时不小于 4 0 考虑材料和几 何非线性后不小于 2 0 18 5 正常使用极限状态计算正常使用极限状态计算 5 1 一般规定一般规定 5 1 1 钢管混凝土拱桥应按持久状况正常使用极限状态对结构或构件的应力和变形进 行计算 5 1 2 正常使用极限状态的计算 采用作用 或荷载 的短期效应组合和长期效应组 合 结构或构件的挠度按基本可变荷载验算 并使各项计算值不超过本规范规定的 相应限值 在上述各种组合中 汽车荷载效应不计冲击系数 5 1 3 持久状况下钢管混凝土拱肋的钢管应力应不大于 s s f80 0 5 1 4 中 下承式钢管混凝土拱桥的吊杆在持久状况下应考虑吊杆长度和水平变位的 影响 其安全系数 K 不得小于 3 0 5 1 5 系杆拱桥的系杆安全系数 K 不得小于 2 5 5 1 6 钢管混凝土拱桥的其它钢筋混凝土或预应力混凝土构件的应力 裂缝宽度和挠 度按 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 有关规定验算 钢横梁 钢桥面板的应力和挠度应按 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 JTJ025 86 有关规定验算 5 2 挠度验算挠度验算 5 2 1 钢管混凝土结构或构件的变形可依据线弹性理论按一般结构力学的方法计算 5 2 2 钢管混凝土结构或构件挠度计算应考虑混凝土徐变 收缩的影响 如缺乏可 靠的实测数据时 混凝土收缩可按降温 20 25 计算 徐变按 公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 附录提供的公式计算 5 2 3 汽车荷载作用时 钢管混凝土拱肋在同一工况下的正负挠度最大绝对值之和 不应大于 800 此处 为钢管混凝土拱肋的计算跨径 LL 5 2 4 钢管混凝土拱桥应设置预拱度 拱肋预拱度一般在范围内 预L 600 1 400 1 拱度应取恒载挠度 混凝土收缩 徐变挠度和 1 2 静活载挠度之和 跨度大者取小 值 拱肋预拱度按计算所得的挠度值反向比例设置 6 施工阶段设计和计算施工阶段设计和计算 19 6 1 一般规定一般规定 6 1 1 施工阶段按弹性理论 采用应力叠加原则进行结构计算 按容许应力法进行应 力控制 假定拱肋钢管与混凝土之间有足够的粘结力 能保证二者共同协调受力 符合平截面假定 钢管内混凝土材料不承担拉应力 拉应力全部由钢管承担 6 1 2 施工阶段的结构计算力学模型及加载程序应与设计相符 6 1 3 施工阶段的设计应提出拱肋加载时对该拱肋已浇注混凝土的强度要求 一般要 求不宜低于设计强度的 80 若混凝土的收缩 徐变对结构的受力影响较大时 还 可根据需要提出对混凝土加载龄期的要求 6 1 4 施工阶段对未充填混凝土的空心管桁式拱肋 当其采用腹杆钢管与弦杆钢管直 接焊接的节点时 应参照 钢结构设计规范 GB 50017 2003 第十章 钢管结构 的有关规定进行节点承载力校核 6 1 5 施工阶段的结构整体稳定 应依据施工阶段划分 逐阶段地进行验算 施工各 阶段的整体结构弹性一类稳定荷载系数应不少于 4 0 6 1 6 施工阶段的结构应力 变形计算 一般应计入混凝土的收缩 徐变的影响 6 1 7 采用泵送顶压法浇注钢管内混凝土时 应对钢管的环向应力进行验算 6 1 8 施工和加载程序设计应以使主拱拱肋受力均匀 避免剧烈的反复变形为原则 6 1 9 计算荷载按照 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 89 公路桥涵施工技术规 范 JTJ041 2000 等相关规定根据施工实际情况采用 6 2 计算内容计算内容 6 2 1 施工阶段的设计和计算内容应根据选用的施工方案确定 一般应包括如下内容 1 拱肋构件的运输 安装过程中的应力 变形和稳定计算 2 与拱肋形成有关的附属结构 如拱铰 扣点以及拱段接头等 的设计和计算 3 拱肋形成过程的施工程序设计及拱肋形成过程中自身的应力 变形和稳定计 算 20 4 拱上结构或桥面系的加载程序设计与相应阶段的结构应力 变形和稳定计算 5 系杆拱分阶段预加力的设计和计算 6 对灌注每根钢管内混凝土的施工阶段还应将该阶段再予细分进行计算 6 3 材料的应力限值材料的应力限值 6 3 1 施工阶段钢管内混凝土边缘的法向应力应符合下列规定 1 压应力 ha 0 70 ck f 其中为该施工阶段的混凝土设计要求达到的轴心抗压标准值 ck f 6 3 2 施工阶段钢管的边缘法向应力 弯曲应力 应符合下列规定 w 1 30 w 其中 w 为钢管材料的弯曲容许应力 6 3 3 其他结构或构件在施工阶段的计算应力限值 可分别按 公路桥涵钢结构及木 结构设计规范 JTJ025 86 公路钢筋混凝土及应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 的规定采用 21 7 构造要求构造要求 7 1 拱肋拱肋 7 1 1拱肋截面可根据跨径大小选用以下截面型式的一种 当跨径小于 120m 时 宜选用单圆式或哑铃式 当跨径大于 120m 时 宜选用三肢式 四肢式 横哑铃式 混合式中的一种 a 单圆式 b 哑铃式 c 哑铃式 d 三肢式 e 四肢式 f 横哑铃式 g 混合式 7 1 2 拱肋用钢管直径宜在 550 1200mm 范围内选择 管径一般随主拱跨径增大而 增大 对于跨度大于 300m 的特大跨径桥梁 其拱肋截面型式及钢管直径应特殊考 虑 7 1 3 弦杆钢管的壁厚不宜小于 10mm 弦杆钢管的外直径与壁厚之比宜在 50 d t 80 范围内选用 约束效应系数设计值不宜小于 0 60 常用的截面含钢率宜为 0 0 05 s 0 08 7 1 4弦杆钢管初应力值不宜超过钢材标准强度的 50 y f 7 1 5拱肋矢跨比一般采用 1 4 1 6 拱轴线宜为悬链线或抛物线 悬链线拱轴系 数 m 一般取 1 2 1 8 7 1 6钢管混凝土拱桥拱肋截面的高 宽尺寸的拟定 应充分考虑主拱跨径及拱肋 片数的影响 对于采用单圆式截面的小跨度桥 肋高一般为 0 6 0 8m 对于采用哑 22 铃式或多肢式截面的跨度不大于 300m 的桥 拱肋截面高度尺寸可按下式进行初步 估算 2 1 100100 2 0 0 2 0 21 LL kkH 式中 H 拱肋高度 m L0 拱肋净跨径 m K1 荷载系数 对汽 20 及以下为 0 9 对汽超 20 为 1 0 K2 车行道系数 2 3 行车道时为 0 9 4 行车道时为 1 0 6 行车道时为 1 1 拱肋截面的宽度与拱肋截面形式有关 一般可取其高度 H 的 0 4 1 0 倍 此宽 高比值随拱肋高度的增大而取用低值 对于跨度大于 300m 的特大跨径桥梁 其拱肋截面宜采用变截面 7 1 7 为了保证拱的横向稳定 拱肋间宜设置适当数量的横撑 横撑一般为空心钢 管组成的桁架撑 K 形撑 X 形撑 米字形撑等 在无横撑时 则应通过加强桥面 系的横向刚度或拱肋自身的横向刚度来提高其抵抗横向变形的能力 7 1 8 对于钢管混凝土拱肋 应设置避雷设施 同时 还应随着跨径增大 因检修 与维护的需要 在拱肋上设置检修通道 7 2 吊杆及系杆吊杆及系杆 7 2 1 对于设置吊杆 系杆的钢管混凝土拱桥 应考虑吊杆和系杆的防护措施和耐 久性 还应提出更换吊杆 系杆的具体措施 7 2 2 吊杆及系杆所用防护材料不得含有对钢材有腐蚀作用的成分 7 2 3 吊杆锚具宜采用冷铸锚式的拉锚体系锚具 系杆锚具另可采用经过耐疲劳及 强度试验证明其可靠性的预应力体系常规锚具 但应考虑防止退锚的措施 7 2 4 对外露的锚具部分应设防护罩 对靠边的短吊杆锚端宜设可转动球铰 7 3 立柱及拱座立柱及拱座 7 3 1 钢管混凝土拱桥 主要指上承式 中承式 中的立柱 可采用钢管混凝土构件 23 或钢筋混凝土构件 对于钢管混凝土构件 立柱下端可直接与拱肋钢管焊接形成固结 立柱上端周 边应有钢筋分别伸入立柱和盖梁 钢筋伸入长度应满足锚固长度要求 钢筋截面积 应不小于立柱混凝土计算截面积的 0 4 对于钢筋混凝土构件 立柱下端应通过其主筋与焊接于主拱肋上的钢板焊接 形成固结 上端与盖梁的连接 按一般钢筋混凝土构件处理 7 3 2 钢管混凝土无铰拱应将拱肋伸入拱座内 伸入长度应大于拱肋弦管直径的 1 倍以上 以确保拱肋与拱座固结 在拱脚埋置段内 宜在钢管外缘设置螺旋箍筋或其 它可靠构造措施 7 3 3 拱座内拱脚截面下应设置 2 4 层分布钢筋网 7 4 节点构造节点构造 7 4 1 节点构造应做到构造简单 整体性好 传力明确 安全可靠 节约材料和施 工方便 7 4 2 钢管对接时 宜直接采用与母材等强度的焊缝连接 作为节段间的临时连接 可采用内法兰盘配螺栓连接或其他可靠方式连接 采用法兰盘连接时 法兰盘应为 带孔板 使管内混凝土保持连续 7 4 3 对于多肢拱肋截面 受压弦杆及压力较大的腹杆宜采用钢管混凝土构件 其 它构件可采用空钢管 弦杆 腹杆间的连接节点构造见图 7 4 3 并应符合下列规定 1弦杆和腹杆应直接焊接 腹杆不能穿入弦杆 2相邻的腹杆端部净距不得小于 50mm 3腹杆轴线宜交于节点中心 当不能满足时 允许腹杆轴线不交于弦杆轴线 但偏心距 e 不得大于 d 4 若大于 d 4 应考虑其偏心影响 同时 任意两钢管之间 的夹角不得小于 30 4腹杆钢管直径应不小于弦杆钢管直径的 1 3 5腹杆钢管壁厚应大于钢管直径的 1 50 腹杆钢管壁厚不应超过弦杆钢管壁厚 5050 d 30 50 e 24 a b 图 7 4 3 弦 腹杆连缀节点 7 4 4 钢管连接的其它构造要求及焊缝计算等 可按现行 钢结构设计规范 GB50017 2003 的有关规定进行 7 5 拱肋合拢拱肋合拢 7 5 1 钢管混凝土拱肋宜在空管阶段完成合拢 分段吊装的拱段接头处应设置临时 定位构件 既要能使拱连为一体 又要能便于调节接点高程 7 5 2 为便于拱肋合拢 宜单独设置合拢段 7 5 3 拱肋合拢过程中 为便于拱段准确对位 必要时 可在前段拱肋钢管端部设 置导向管 导向管伸出长度不宜大于 50mm 7 6 焊缝连接焊缝连接 7 6 1 焊缝金属应与主体金属相适应 当不同强度的钢材连结时 可采用与低强度 钢材相适应的焊接材料 7 6 2 在设计中不得任意加大焊缝 避免焊缝立体交叉和在一起集中大量焊缝 7 6 3 钢管的对接环焊缝可采用无衬管的双面熔透焊和有衬管的单面坡口焊 对于 焊工能进入管内施焊的大管径钢管对接 应尽量采用无衬管的双面熔透焊 7 6 4 支管与主管之间的连接 可沿全周用角焊缝或部分采用对接焊缝 部分采用 角焊缝 支管管壁与主管管壁之间的夹角大于或等于 120 的区域宜用对接焊缝或 带坡口的角焊缝 角焊缝的焊脚尺寸 hf不宜大于支管壁厚的 2 倍 7 6 5 支管端部宜使用自动切割机切割 7 6 6 钢管构件在承受较大横向荷载的部位应采取适当的加强措施 防止产生过大 的局部变形 构件的主要受力部位应避免开孔 如必须开孔时 应采取适当的补强 措施 25 8 钢管拱肋防腐涂装钢管拱肋防腐涂装 8 0 1 钢管拱肋防腐涂装的设计使用年限应不小于 10 20 年 8 0 2 钢管拱肋外表面宜优先采用热喷涂金属防腐体系 也可采用重防腐料涂体系 热喷涂金属体系宜采用电弧喷涂锌 铝及其合金 重防腐料涂体系宜以富锌漆 无 机富锌 环氧富锌漆 为底漆 8 0 3 钢管拱肋外表面涂装防腐体系应由底层 中间层 面层组成 8 0 4 热喷涂金属防腐体系的喷涂金属为锌时 喷涂金属层的厚度宜为 150 250 喷涂金属为铝和合金时 喷涂金属层的厚度宜为 150 200 中间m m 层的厚度宜为 60 80 面层的厚度宜为 30 60 m m 8 0 5 重防腐料涂体系的富锌底漆厚度宜为 70 80 中间层的厚度宜为 80 150m 面层的厚度宜为 80 100 m m 8 0 6 采用电弧喷涂金属防腐体系时 钢材表面的除锈等级宜为 Sa3 级 表面清洁度 等级宜为一级 表面粗糙度宜在 25 100范围内 m 8 0 7 采用重防腐料涂体系时 钢材表面的除锈等级宜为 Sa2 5 级 表面清洁度等级 宜为一级 表面粗糙度宜在 25 60范围内 m 8 0 8 灌注混凝土的钢材内表面可不进行涂装 不灌注混凝土的钢材内表面应进行简 易的涂料涂装 8 0 9 除锈应符合 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级 GB 8923 88 规定 表 面净化和粗化应符合 热喷涂金属件表面预处理通则 GB T 11373 89 规定 喷 涂金属层应符合 金属和其它无机覆盖层热喷涂锌 铝及其合金 GB T 9793 1997 规定 其他可参照 铁路钢桥保护涂装 TB T 1527 1995 等 26 附件附件 中华人民共和国交通部行业标准 钢管混凝土拱桥设计规范钢管混凝土拱桥设计规范 条条 文文 说说 明明 27 1 总则总则 1 0 1 从 1990 年我国建成第一座主跨 110m 的钢管混凝土拱桥 四川旺苍东河大桥 以来 由于钢管混凝土拱桥具有材料强度高 施工方便 造型美观等优点 在我国 得以迅速发展 根不完全统计 我国已建和在建钢管混凝土拱桥达 100 座以上 目 前 国内外都没有一本钢管混凝土拱桥设计的技术规范 为了规范公路钢管混凝土 拱桥的设计 确保公路钢管混凝土拱桥的设计质量 制订公路钢管混凝土拱桥设计 规范是非常迫切和必要的 1 0 2 我国的钢管混凝土拱桥一般使用圆形钢管 而且从理论上来说 圆形钢管对混 凝土的约束也是最好的 因此本规范的使用范围为圆形钢管拱肋 1 0 3 采用本规范进行设计时 有关作用 或荷载 及其组合应采用 公路桥涵设计 通用规范 JTJ021 的规定 钢筋混凝土和预应力混凝土构件的设计应采用 公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 钢结构设计应符合 钢结构设 计规范 GB50017 材料和工程质量应符合 公路工程质量检验评定标准 JTJ071 及有关国家标准的要求 结构抗震设计应采用 公路工程抗震设计规范 JTJ004 结构抗风设计应采用 公路桥梁抗风设计指南 3 材料材料 3 1 混凝土混凝土 3 1 1 由于钢管对核心混凝土的约束作用 使钢管混凝土结构不仅具有很高的强度 而且具有很好的塑性和韧性 钢管和混凝土本身的性能对钢管混凝土力学性能的影 响很大 钢管和混凝土如何 匹配 同样对钢管混凝土的力学性能有着重要的影响 为了保证钢管混凝土构件具有良好的力学性能 并具有较好的经济性 特作出此条 规定 3 1 3 由于钢管是封闭的 混凝土内多余的水分不能排除 因此水灰比不宜过大 一 般应控制在 0 45 及以下 目前 大多数钢管混凝土拱桥的施工都采用泵送混凝土的 方法 因此对混凝土的坍落度要求较高 宜保持在 160mm 左右 为了抵消管内混凝 28 土的收缩 保证管内混凝土的密实 应要求管内混凝土具有低收缩性 管内混凝土 的封闭环境 不利于水化热的散发 因此要求低水化热 为了使管内混凝土浇注能 够一次完成 要求混凝土具有缓凝的特点 早强是让混凝土尽早形成强度和参与受 力 以加快施工速度 缩短落裸拱状态时间 要使管内混凝土既有良好的工作性能 又有较好的使用性能 需要填加适量的 外掺剂 常用的外掺剂为减水剂 3 1 5 钢管混凝土拱桥的设计 一般是钢管的应力控制 如果采用极限状态法进行验 算 钢管对混凝土有套箍作用 混凝土的强度也不必要求太高 我国已建成的钢管 混凝土拱桥 钢管内混凝土一般都在 C60 及以下 因此 本规范的钢管内混凝土强 度和弹性摸量表 3 1 5 只列出了标号为 C30 C60 的混凝土 3 1 4 3 1 5 3 1 6 都是参照 公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 编写 3 2 钢材钢材 3 2 1 为了满足悍接性能和承受动力荷载的需要 要求钢管和其它承重结构钢材采用 B 级及或 B 级以上的钢材 3 2 2 当管径较大时 卷制焊接管无论是质量还是经济性方面均优于无缝管 所以优 先选用 3 2 3 本条明确焊缝质量等级为 建筑钢结构规范的一级焊缝标准 建筑钢结构规 范 钢结构设计规范 GB50017 2003 和 钢结构工程施工及验收规范 GB50205 2001 规定的一 二级焊缝 对应于 钢焊缝手工超声波探伤方法和 探伤结果分级法 GB11345 和 钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级 GB3323 的 2 3 级质量等级 3 2 4 由于目前组合材料强度的研究成果 其钢材分类都是基于 钢结构设计规范 GBJ17 88 将钢材分为三组 所以 本规范的钢材也分为三组 而没有按新版 钢结构设计规范 GB 50017 2003 将钢材分为四组 3 3 钢管混凝土钢管混凝土 29 3 3 1 钢 混凝土组合结构设计规程 DL T 5085 1999 的钢管混凝土组合轴压 强度设计值计算公式为 并给出了相应的表格 钢管 csc fCBf 212 1 2 00 混凝土构件实用设计方法 福州大学科研报告 2002 的钢管混凝土组合轴压强度 设计值的计算公式为 经过比较分析 后者的计算更简单 csc ff 02 1 14 1 0 计算结果偏安全 2003 年 11 月 1 日开始实施的福建省工程建设地方标准 钢管混 凝土结构技术规程 DBJ13 51 2003 J10279 2003 也采用了后一个计算公式 因 此 本规范也采用这一比较简单而安全的公式 一般建筑结构的可靠度指标小于桥梁 本规范是通过采用桥梁规范的混凝土设 计强度来调整的 因为同一强度等级的混凝土 桥梁规范采用的设计强度比建 c f c f 筑结构规范的设计强度低 c f 3 3 2 根据试验结果分析 在长期荷载作用下 钢管内混凝土产生徐变 引起钢管 和混凝土的应力重分布 二者的模量发生变化 使构件的稳定承载力降低 其下降 幅度与长期荷载大小 占全部荷载的比例及构件的长细比有关 对长柱和极短柱没 有影响 对偏压构件 只在小偏心率 且时 才考虑混凝土3 0 re12050 徐变的影响 当时 以及 但及时 都可以不考虑3 0 re3 0 re50 120 混凝土徐变的影响 详见钟善桐 钢管混凝土结构 修订版 1994 149 160 页 3 3 3 由于钢管混凝土拱桥一般都是用于大跨径 因此钢管的初应力一般都比较大 根据最新的研究成果 钢管初应力对钢管混凝土压弯构件承载能力的影响研究 土 木工程学报 2003 年 4 月 p9 18 在工程常用参数范围内 钢管初应力的存在 可 使钢管混凝土构件的极限承载能力最多降低 20 左右 因此 应该计入钢管初应力 对钢管混凝土构件的极限承载能力的影响 本条是参照福建省工程建设地方标准 钢管混凝土结构技术规程 DBJ13 51 2003 J10279 2003 第 6 0 2 条编写的 3 3 4 根据钢材和混凝土的本构关系 采用数值计算方法得到构件受纯剪作用时的组 合剪应力 剪应变全过程曲线 以截面边缘最大剪应变为 3500 时对应的剪应力为 组合剪切强度标准值 引入材料分项系数后 即为设计值 详见钟善桐 钢管 vy sc f v sc f 混凝土结构 修订版 1994 254 255 页 本规范的适用对象是钢管混凝土拱 30 桥 故组合轴压强度设计值取自本规范的 3 3 1 条 sc f 3 3 5 根据钢管混凝土轴压构件的组合应力 应变关系 可以得出组合轴压弹性模 量 比例极限 比例极限应变 p sc p scsc fE yk sc yk p sc f f f 488 0 235 192 0 详见钟善桐 钢管混凝土结构 修订版 1994 106 页 s yk p sc E f 67 0 表 3 3 5 详见 钢 混凝土组合结构设计规程 DL T5085 1999 表 6 2 8 3 3 6 钢管混凝土拱桥一般为超静定拱 内力计算时 抗弯刚度越大 弯矩越大 因 此 在内力计算时 组合抗弯刚度按钢管和混凝土刚度直接叠加是偏于安全的 考虑到构件受弯时混凝土开裂的可能性 对混凝土部分的抗弯刚度宜适当折减 研究结果表明 圆形钢管对其核心混凝土的约束效果较好 参照福建省工程建设地 方标准 钢管混凝土结构技术规程 DBJ13 51 2003 J10279 2003 混凝土的刚 度折减系数取 0 8 4 承载能力极限状态承载能力极限状态 4 1 一般规定一般规定 4 1 2 4 1 5 这四条均参照 公路工程可靠度设计统一标准 和 公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范 采用 概率极限状态设计法 所作的相关规定 4 2 轴心受力构件轴心受力构件 4 2 1 对轴心受压构件 按初始弯曲为的偏心受压构件计算其临界应力 1000 0 L cr 跟大量试验结果很吻合 参见钟善桐著 钢管混凝土结构 黑龙江科学