大跨度钢管混凝土拱桥设计施工技术

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统一理论：：把钢和砼砼考虑为一一种统一的的组合材料料，来计算算截面、材材料特性和和建模，此此法特别适适合于计算算极限承载载力。套箍理论：：即分别按按钢和砼建建立单元，，砼单元考考虑钢管的的套箍作用用，然后再再把两个单单元联接起起来计算，，比较适用用于施工全全过程分析析。这两种理论论，虽然计计算方法不不一样，但但结果差别别不大。我我们课题组组推荐统一一理论。西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果•钢管混凝土土本构关系系试验研究究在已有钢管管混凝土本本构关系研研究基础上上,通过不同管管径钢管混混凝土试件件的试验,建立了大直直径钢管混混凝土在轴轴心受压、、偏心受压压条件下的的本构关系系的修正表表达式，提出了考虑虑管内砼损损伤的大直直径钢管混混凝土本构构关系表达达式西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果通过合成法法建立钢管管混凝土在在偏心受压压条件下的的本构模型型钢管混凝土土本构关系系试验研究究修正后的套套箍系数:任意混凝土土条带的套套箍折减系系数:参数修正公公式:西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果提出了计入入钢管初应应力的钢管管混凝土拱拱桥有限元元计算方法法；建立了单肢肢、哑铃型型和格构型型钢管混凝凝土拱桥考考虑钢管初初应力的承承载力影响响系数计算算公式试验加载示示意图试件破坏图图•钢管初应力力对拱桥结结构行为及及承载力的的影响研究究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管初应力力对拱桥结结构行为及及承载力的的影响研究究开展了不同同初应力系系数和不同同偏心率的的钢管混凝凝土构件承承载力试验验，验证了了钢管初应应力的存在在会降低钢钢管混凝土土构件的承承载力，试试验结果与与理论分析析结果吻合合良好。有初应力的的空钢管试试件西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管初应力力对拱桥结结构行为及及承载力的的影响研究究开展了单肢肢、哑铃型型和四肢格格构型钢管管混凝土拱拱桥在不同同初应力系系数、不同同含钢率、、不同跨径径下的承载载力计算，，结果表明明：钢管初应力力引起钢管管混凝土拱拱桥承载力力降低，最最大降低值值可超过10%，但不同的的拱肋截面面型式（单单肢、哑铃铃型和四肢肢格构型）），最大降降低值不相相同；初应力对单单肢钢管混混凝土拱桥桥承载力影影响最大，，哑铃型截截面次之，，四肢格构构型截面影影响最小；；以拱桥承载载力降低控控制在10%为界限，单单肢拱初应应力系数应应控制在0.3，哑铃型和和四肢格构构型拱初应应力系数控控制在0.6。在开展初应应力对钢管管混凝土拱拱桥承载力力计算时，，必须考虑虑几何非线线性的影响响，即应同同时按材料料非线性和和几何非线线性分析，，否则结果果偏大。西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管初应力力对拱桥结结构行为及及承载力的的影响研究究通过对单肢肢、哑铃型型和格构型型钢管混凝凝土拱桥考考虑钢管初初应力的极极限承载力力分析，应应用回归分分析法得到到了三种截截面型式的的承载力影影响系数计计算公式，，为今后钢钢管混凝土土拱桥设计计提供了依依据。哑铃型承载载力影响系系：四肢格构型型承载力影影响系数：：单肢承载力力影响系数数：西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果进行了长期期（五年））的收缩徐徐变室内模模型试验和和实桥测试试，基本摸摸清了钢管管混凝土徐徐变及其应应力重分布布规律，建建立了考虑虑钢管约束束的徐变系系数和应力力重分布计计算方法和和公式。•大直径钢管管混凝土收收缩、徐变变特性研究究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果经模型试验验和实桥测测试，摸清清了钢管混混凝土的徐徐变规律。。提出了用考考虑钢管徐徐变约束的的徐变系数数，来替代代混凝土徐徐变系数进进行徐变分分析的理论论。提出了用组组合截面法法来模拟钢钢管混凝土土单元，得得到了钢管管与混凝土土的应力重重分布公式式。经实桥检测测，计算结结果与实桥桥检测值相相吻合。大直径钢管管混凝土收收缩、徐变变特性研究究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管混凝土土收缩徐变试试验考虑约束的的徐变系数数压应力拉应力钢管混凝土土收缩徐变试试验重庆交通大大学实验室西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果大直径钢管管混凝土收收缩、徐变变研究根据混凝土土收缩徐变变线性计算算理论中按按龄期调整整有效模量量法，用钢钢管砼组合合截面理论论，并考虑虑钢管约束束的徐变系系数，重新新推出了适适合于钢管管砼徐变计计算的按龄龄期调整有有效模量法法式中称称为按按龄期调整整的有效模模量西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果进行了钢管管混凝土拱拱桥节段、、实桥温度度场测试和和稳定模型型试验，提提出了温度度分析计算算模型和公公式以及温温度、非线线性等因素素影响下钢钢管混凝土土拱桥静力力、稳定性性分析方法法。•钢管混凝土土拱桥温度度场研究试验模型总体布置图西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管混凝土土截面温度度分布函数数如下：式中：y—为计算点沿沿截面直径径方向至混混凝土表面面的距离；；D—为混凝土的的直径；T0—为钢管混凝凝土结构混混凝土沿截截面直径方方向的最大大温差值。。钢管混凝土土拱桥温度度场研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管混凝土土截面温度度梯度示意意图：钢管混凝土土结构截面面混凝土温温度梯度钢管混凝土土拱桥温度度场研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果•钢管混凝土土结构节点点疲劳试验验研究针对主管与与支管相连连接的节点点开展了多多组模型试试验提出了钢管管混凝土节节点设计的的合理构造造形式推荐了确定定节点应力力集中系数数和预估节节点疲劳寿寿命的方法法西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管砼节点点疲劳试件件大样相贯线处单单元划分网网格图钢管混凝土土结构节点点疲劳试验验研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果测点5354555657585960空心管试件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20钢管混凝土试件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35钢管混凝土土试件与空空心管试件件在支管中中截面处应应力比较（（单位：MPa）钢管混凝土土结构节点点疲劳试验验研究钢管混凝土土节点与空空心节点在在支管相贯贯线处的SCF比较西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果提出钢管砼砼节点疲劳劳强度修正正系数推荐：相对对于美国焊焊接学会（（AWS））D1.1ET空心管节点点疲劳曲线线，局部开开坡口的钢钢管砼节点点疲劳强度度容许修正正系数[]＝2.0钢管砼节点点疲劳强度度计算公式式钢管混凝土土结构节点点疲劳试验验研究承受剪应力力的管—板节点的设设计疲劳强强度可采用用80MPa西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果三组试件钢钢管混凝土土节点疲劳劳强度修正正系数试件节点类型疲劳寿命(104)疲劳强度（MPa)疲劳强度修正系数钢管砼节点(试验值)空心管节点（AWS）XCFJ1N26354.4423.242.34XCFJ2Y10660.0129.632.02XCFJ3N29354.4422.582.41钢管混凝土土结构节点点疲劳试验验研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果管内混凝土土脱空对承承载力影响响研究通过多组试试验和分析析，验证了了钢管混凝凝土脱空对对钢管混凝凝土承载力力是有一定定影响的：：脱空率大于于1.2%时，影响较较显著，建建议修补和和灌填；当当脱空率小小于1.2%时，影响很很小，可忽忽略不计，，或者考虑虑脱空率折折减系数kt=0.97。西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果二、钢管混凝土土拱桥结构设计与与合理构造造形式研究究开展了钢管管混凝土拱拱桥设计构构造形式研研究；提出了钢管管混凝土拱拱桥主要构构造的合理理型式和几几何设计参参数的合理理取值范围围西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果混凝土与钢钢材的匹配配钢管混凝土土拱桥结构构设计与合合理构造形形式研究Q235钢配C40级混凝土Q345钢配C40～C60级混凝土Q390钢配C60级及以上的的混凝土西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管最大径径厚比钢管混凝土土拱桥结构构设计与合合理构造形形式研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果钢管最小径径厚比钢管混凝土土拱桥结构构设计与合合理构造形形式研究推荐值:D/t=35径厚比GB50017-2003DL/T5085-1999JCJ01-89CECS28：90CECS104：99BS5400-3：2000BS5400-5：1979Q235-10020-10025-10020-8520-90-90.6-83.7Q345-6833.3-10020-70.220-61.3-61.7-69.1Q390-6020-6620-54.2-54.6-65.0西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果套箍指标考虑可靠度度要求及混混凝土平均均强度等级级C50现状，推荐荐0.6钢管混凝土土拱桥结构构设计与合合理构造形形式研究西部科技项项目钢管混凝土土拱桥设计计方法与计计算理论研研究成果跨高比分布布图钢管混凝土土拱桥结构构设计与合合理构造形形式研究矢跨比通过数值分分析，单肋肋拱第一阶阶失稳模态态为面外屈屈曲，矢跨跨比1/4～1/5时可获得最最大面外稳稳定性上承式拱桥桥矢跨比：：1/5～1/6中承式、飞飞燕式拱桥桥矢跨比：：1/4～1/5下承式刚架架系杆拱、、拱梁组合合体系桥矢矢跨比：1/4.5～1/5.5西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果单管式截面最大跨径以不不超过80m为宜其主弦管直径径钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果哑铃形截面最大跨径以不不超过150m为宜哑铃式截面高高度弦管直径0.37～0.45H哑铃式截面高高度(公路-Ⅰ级)哑铃式截面高高度(公路-Ⅱ级)钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果桁架式截面跨径大于150m，一般只能采采用桁架式截截面截面高度桁宽0.5～0.6H、管径0.19～0.23H跨径大于250m后，宜采用变变高度桁架式式截面拱顶高0.8H、拱脚高1.4H桁架式截面高高度(公路-Ⅰ级)桁架式截面高高度(公路-Ⅱ级)钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果桥道系位置、、多跨拱桥跨跨径比例中承式拱桥桥桥道系位置，，优先考虑0.618黄金比例多跨中承式、、下承式拱桥桥边中跨比取取0.71，符合动态匀匀称级数飞燕式拱桥的的边中跨比0.3～0.2，建议取钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果典型桥道系结结构分类一类二类三类四类五类六类桥道系梁(板)简支于盖梁上桥道系梁(板)与吊杆横梁铰接桥道系梁(板)与横梁先简支后连续刚接横梁之间用加劲纵梁连续贯通，纵梁简支于肋间横梁之上横梁之间用加劲纵梁连续贯通，纵梁与拱肋固接，形成刚梁刚拱横梁之间现浇桥面板形成整体桥面系钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果桥道系研究结结论通过数值分析析，对大跨中中承式拱桥，，桥道系位置置设在0.6～0.8f间可使桥梁具具有较大的横横向稳定性推荐类型:纵向连续体系系能够防止因吊吊杆意外引起起重大安全事事故活载能往远处处传递，吊杆杆、横梁和拱拱圈受力好钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果吊杆及连接构构造的合理形形式双向铰接设置球铰钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究有意加长短吊吊杆长度西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果吊杆（索）安安全系数不小小于3.0短吊杆（索））安全系数不不小于4.0系杆安全系数数不小于2.5肋间横向联接接系以K撑效果最佳西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果拱圈节段接头头外包钢板围焊焊接头高强螺栓接头头内法兰盘连接接钢管混凝土拱拱桥结构设计计与合理构造造形式研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果三、钢管混凝土拱拱桥施工技术研究究开展了大跨径径钢管砼拱桥桥无支架吊装装斜拉扣挂施施工方法的研研究。开展了管内混混凝土材料和和浇筑工艺的的研究西部科技项目目钢管混凝土拱拱桥设计方法法与计算理论论研究成果重点研究了吊吊扣合一的施施工方法，基基本解决了吊吊扣之间相互互干扰问题。。保证了拱肋肋吊装精度。。吊扣合一钢管混凝土拱