钢管混凝土拱桥结构设计

钢管混凝土拱桥结构设计探讨钢管混凝土拱桥近十年来在我国发展迅速，随着数量的增多，跨径与规模也不断增大，分布区域也越来越广，除了钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点的原因外，与我国正处于大规模的交通基础设施建设时期的大环境有密切的关系[2］。本文将根据钢管混凝土拱桥在我国的应用情况与近几年的发展趋势，对结构的合理设计进行定性的讨论。一、刚架系杆拱桥型钢管混凝土拱桥结构形式丰富多样，承载形式上、中、不承式均有。按拱的推力，又可分为有推力供和无推力供。无推力供又有拱架组合体系和刚架系杯供。钢管混凝土拱桥以中下承式为主，有推力拱和元推力拱均占相当的比重。在无推力拱中，以刚架系杆拱为主。这些都是钢管混凝土拱桥的构造特点，与我国传统的石拱桥、钢管混凝土拱桥均有明显的不同。刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中出现的拱桥新的结构形式。我国建成的第一座钢管混凝土拱桥--四川旺苍东河大桥采用的就是刚架系杆拱。与拱架组合体系不同，刚架系杆供中拱助与桥墩团结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡换的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩连接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱。刚架系杯拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基连成一体，结构的超静定次数较多，受力复杂。由于其系杆刚度与供梁组合体系中的系杯梁刚度相比小很多，特别对于大跨径桥梁，系杆拉力增量将产生很大的变形，而供助、系杆和墩往团结在一起，根据位移交形协调条件，供的水平推力的增量主要由桥墩和拱助自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。系杆的作用是对拱施加预应力以抵消拱的大部分水平推力（主要是恒载产生的水平推力），因此通常把系杯看成预应力体外索。除去系杆承受的水平推力后余下的拱的水平推力一般来说不大，还可以通过适当的超张拉给予最大限度的减小，从这个角度可以看成无推力拱。刚架系杯拱由于系杆的存在，降低了对下部结构和基础的要求，使拱桥的应用范围从山区扩大到了平原和城市。在施工方面，刚架系杆拱的施工可以像固定供一样采用无支架施工，因而桥梁的跨越能力也较大，也能够充分发挥钢管混凝土拱桥施工方便的优越性。由于这些优点，这种桥型出现以后得到较广泛的应用。目前已建成的下承式刚架系杯拱中跨径最大的是深圳北站大桥（150m），在建的跨径最大的是湖北武汉汉江三桥（跨径达280m）；带双悬臂半拱的中承武刚架系杆拱（俗称飞鸟式或飞燕式），已建成的跨径最大的是广东东南海三山西大桥（主跨ZDO刎。在建的大跨径的有主跨达36（）的广州丫警沙大桥、主跨达280米的武汉汉江五桥和主跨达235m的江苏徐州京杭运河大桥。由此可以看出，刚架系杆玖正成为大跨径钢管混凝土拱桥的主要桥型。钢管混凝土拱桥同自架设体系，先架设空钢管供，再准筑管内混凝土，然后上横梁、纵梁等桥系构造，最后进行桥回铺装和人行道、栏杆等附属物。在系杆张拉前的水平推力由洪和下部结构承担。因水平位移对拱的受力的不利影响很大，通常要求下部结构有较大的抗推刚度、承受大部分的水平推力。钢管混凝土拱先期架设的空钢管供的自重较轻，通常情况下其恒载水平推力较小．可以由下部结构承受。但此后加上的恒载，如横梁、纵梁、桥面铺装等自重，应由系杆承受。也就是说系杆应随上部结构的施工逐步张拉。然而，近期出现的一些大跨宽桥，由于桥面纵坡的存在，使得系杆较难在横梁架设之前安装，因而在横梁架设之前的恒载水平推力要靠桥墩来抵抗。对于宽桥，横梁的自重在桥梁恒载中所占比重很大，尤其是混凝土横梁，这就使得桥梁基础工程量急增，未能充分发挥这类桥型对下部结构和基础要求低的优势。因此如何解决这一问题，是这一桥型应用与发展的关键之一。刚架系杆拱供墩团结点的构造较为复杂，俄慢下承式。拱助、桥墩、帽梁汇聚在这里，为不规贝消几何体。其受力也较复杂，各方向的力也都集中于此点，且受系杯强大的集中力作用，容易在主技应力方向发生开裂；此外桥墩内也可能产生较大的主技应力。这些都应引起重视。【3】二、肋拱桥横向结构钢管混凝土拱桥均为助拱桥，由于其材料强度高，随着跨径的增大，横向稳定问题较为突出，所以其横向结构的合理采用至关重要。上承式助供，可采用多助结构（多于二的），横向联系通常布置成等间距的径向根撑（或根系梁），其横向稳定主要取决于整桥的宽跨比。对于中不承式拱，横向联系的布置在桥面附近受到行车空间的限制，同时对横向动力特性和美观也有很大的影响，合理布且尤为重要。有时为加强其横向稳定性，将其两助内倾而成提亚扶。与之相对应，一般助扶则称为平行肋供。当然，对于跨径不是很大的城市桥梁，或出于景观考虑，也有做成无风撑的。l横撑布置横撑布置对结构横向稳定的影响要大于其自身刚度。研究表明，拱顶附近揭撑布置成与拱轴线正交、在其他地方与拱轴线相切，对提高横同稳定效果较好[4]。这是因为，拱助横向先稳向面外恻倾时，拱顶处的债撑主要承受洪助的扭转变形，采用竖向布置的横撑增强了对拱肋在拱顶处的扭转变形的约束，能提高拱的面外稳定性。在其他地方，尤其是L／4附近拱助侧倾时根撑要承受供助的相对错动，对核撑是横向湾矩，因此，采用切向布置（如K撑），对约束拱助的相对错动有较大的作用。横撑在增加横向稳定的同时，由于它使得供的横向整体刚和质量的提高，特别对于中下承式拱桥由于重心的提高，使得拱对横向地震波的响应增大[5]。对于钢管混凝土拱桥来说，在横向受力时，由于结构受力并不以受压为主，因此钢管混凝土抗压强度高的特点并没有得到充分发挥出.相对于宝钢管拱桥来说，钢管混凝土拱桥钢管内混凝土的质量加大了供的横向受力。因此，正确处理钢管混凝土拱桥的横向稳定和抗横向地震作用力这一矛盾显得十分重要。拱桥的横向基频与结构型式和横向构造有关。中不承式拱的横向基频较上承式的低；在下承式中，拱架组合体系的横向基频较刚架系杆拱的低。不同位置的根撑对助供的横向基频也有着不同的影响。拱顶模搜数量和刚度变化较供脚的根撑数量变化，对面外基频影响要明显得多。因此，对于中承式拱在拱脚采用较强的横向联系（如K撑、X撑）、在拱顶采用较少较弱的横撑，既能满足横向稳定要求，又有利于减小横向地震力作用，同时建筑造型也较佳。由于目前钢管混凝土拱桥横向稳定计算和抗震设计方法的还不完善，一些设计者由于担心横向先稳而采用过强的横向联系，既造成浪费，也不利于抗震安全社，这在位于强震区的桥梁尤其有害。捡略两2麦所提篮拱刑提层篮拱（载又阅称帝X取型肋拱蚂）显然照能提高的洪的横筋向稳定捕性。但添提篮供董随着倾原角的增驻加，会签使下部似结构工慈程数量联也相应仰增加。疼对拱应帽直接坐丝落于基研岩时，奸由于可芝采用分伙离式拱允座，工菜程数量勉增加有被限。拱赶肋的倾杏斜也会漂给施工赵带来困凳难，因垮此，应恳选择合尘适的倾高角。有炮关研究纹认为采霜用哥X溉型肋拱眠其横向覆稳定性羽可比平粪性助拱忆提工高备12-畅2输0妥倍，同给时也会县降低供个肋的面现内极限诸承载力膝【个6汤】。所罗以炒，法X雨型肋拱喜的内倾晴角也不身是越大寨越好，会一般控怀制有在瓦3嫁度败岸～是1弯5紫度之间朴，节以嗓1睬0节度附近镜为佳。战尽秩管我国漫一些学须者在研锅究的基同础上，呀提倡采诉用提篮隔拱，但比由于过港去以钢石筋混凝雹土材料窝为主的凯拱桥在侮施工上递的困难哗而极少屡采用体。级199宇3误年竣工呼的四川愚成渝高棉速公路吊上的内伞江新龙邻拗大桥殖，采用己了提篮邪拱。该言桥为单览跨钢管奴混凝土观劲性骨寻架箱助垄拱。目那前在建矿的徐州摔一连云院港高速案公路徐施州京杭陵大运河杂特大桥糠采用了叛提篮拱纯。该桥推为带悬傍臂的中触承武刚姻果系杆圆钢管混温凝土拱晋，跨径傅布置在为肆57.亏5拜米延＋编235狮m姥＋叙57.旷5幕米知陵，主拱问断面为点根哑铃侧形平行育四边形概行式，气拱肋内揭倾帜9.9秒3欲4惑度，成脊提篮状若。遮应肃该指出物，提篮邀拱在提三高横向锹稳定性颠的同时嫩，也使避得造型努较佳，买然而对鸭于宽跨龟比较大惰的桥梁梢，纯粹检为了造铜型的原顺因而采流用提篮轮拱是增映加了下器部结构纽和基础君的工程约量，增欣加了施成工的难怜度，是友不必要路、不合宝理、也抬是不经岭济的。倍唉参3膊窜无风撑偷供刘无绑风撑拱锯指中、肯下承式茄肋拱，扎出于美赶观考虑箩，或当逼桥面较姐宽而跨旗径又不锋大时出敌于经济牺和美观灭考虑，训将两肋功之间的欲横撑（胆或称风谎撑）完仇全取消腹的肋拱鲜桥，也芹有称之质为做四批拱的。赴无风撑叹拱主要痰解决拱讯助的横场向失稳绿问题。阳解决这欺一问题助的途径智主要有令两个。烛一是提夏高拱肋撤自身的供横向抗认弯刚度疯；二是斯提高结诸构体系厘的横向劫稳定性兄。铲采佳用横向奔圆端形不截面（罪加浙江房义乌篁奖园桥、颜杭州新顶塘桥）救、横向痛双圆肋周（如浙伪江义乌逢宾王桥廊）、横霞向底箱恶肋（如酬广东中挎山二桥借）、三尸肢桁肋翁（如黑属龙江依玻兰牡丹叫江大桥广）等等竞，都是活提高拱崖肋自身拖横向抗赔弯能力业而采取施的截面乓形式。勺对念于拱梁过组合体暮系，宜显作成刚斥性系杆丑刚性拱在或刚性却系杆柔女性拱，渠系杆（蠢梁）通讨常采用听箱形梁有，除自翻身有较祖强的抗腔扭、抗塑拉和抗堤弯能力背外，与桥纵梁固醉结的桥截面横梁伏也能极档大地提促高桥面衔系的刚晒度，这糊样为拱觉肋的横剂向稳定淡提供了颗较大的线非保向村力作用愁。捞对植于钢管助混凝土永中下承法式拱桥朗，其桥残面系一兽般为简闻单悬挂消的结构梁，其自筋身的横决向刚度鸟不大，腹吊杆的舟刚度也祝很柔，按所以桥兵面系对泼拱肋横港向稳定统的贡献斗与拱梁伙组合体皮系有很其大的差被别，因艳此，对诸于刚架访系杆拱配应慎用湾无风撑凳供。劲三瘦、拱肋养截面构哲造伯钢皱管混凝砖土拱桥弟的拱助模，当跨迈径不大势时可采催用单管兵截面。颤单管截狂面主要愿有圆形大和国端蝇形，单土圆管加外工简单蜻，抗扭剥性能好歉，抗轴四向力性朴能由于阔紧箍力弟作用显否示出优情越性，箩但抗弯瓶效率较蜓低，主停要用于饱跨径不胡大勒（渡8覆0愿米以下残）的城始市桥梁锡和人行胶桥中。火肋章拱桥中露绝大部刺分为哑躬铃形断梁面，跨著径从几拜十米舟到温160势m衡，肤以明100郊m屑附近为代多。哑庆铃形截胶面较之提单圆管屯截面，旬截面抗我弯刚度胀较大，截类似于扯工字形铃截面，祖但由于躁两圆管湾的直径伴与高度爷之比厌在幸1/2踢.堤5贵附近，选因而不狱能视为崇钢管混脱凝土格孤构式截循面。腹仿腔内的邪混凝土肾受钢板捐横向套哭箍作用醒机理复名杂，缺妙乏研究捞，若采酒用钢管期混凝土厘理论计久算，计须算将很胃复杂。湿由于钢匠管混凝栏土拱桥诚设计理暮论滞后穗，现行躁的计算厚方法常若将其作嘱为钢筋靠混凝土委结构，隔使这一夜矛盾并淘不突出闲，且考冠虑到腹重腔内混闯凝土处绩于中和榆轴附近渔，设计轮计算常扔将其忽僵略，而誓只计及禽自重。毙哑辫铃形截洲面的腹弄板与圆袍管相接秃的交角芦较小，盲而且上腔下两管集弯曲成籍型后，狠腹板的准焊接有聋较大的请残余应朱力，所讽以加工脏较为困改难，质访量不易共得到保泼证。在帆灌注混盾凝土过条程中，值腹板受蔑混凝土两压力的券作用容纵易外鼓棋，所以咸有时需敲有拉杆渴对拉或侮采用其炮他措施周，这使贩得较为督构造复博杂百。盐谊从经济喘角度来暗说，钢准管混凝卸土构件尽中钢管南的作用贩较大、那所占的漏造价比沉重也较被大，理猪应将钢甩材尽可迹能地安稳排在外捏留（即浑不计混五凝土时罗，应是额箱形断重面），倡而哑铃鄙形截面吗并没有扬使所有韵的钢材式都处于迹截面的朋外围。赶这同钢唇筋混凝蓄土构件搞将矩形盆截面变谁形工字参形截面强的效果舌不同。察所以钢晒管混凝侍土拱桥铺，在跨券径较小茅时可采申用单臂镇截面，京在跨径烘增大以叠后应采寇用行武城断面，咐采用哑攀铃形截姑面的跨庆径范围竖不应像阻目前这咱样广泛旁。达似桥拿式拱助帆能够采替用较小询的钢管指直径取字得较大纯的纵横眨向抗弯显刚度，柳且杆件杠以受轴傲向力为伤主，能毅够充分扑发挥材槽料的特悦性，对口跨径超土过贴10德0厘米的钢诞管混凝阶土拱桥蛙，桁肋感是一个两比较合危适的截连面形式皆。前苏慢联拾3估0酒年代建侍造帖的鉴Nce应T孝b躺河铁路辞拱桥，休即为二痛铰变截康面桁拱意。将我毒国较早折出现的危桁拱断碧面为横点向哑铃劝形桥式辆，其上坑下为两峡个横哑辱铃形断挪面，腹风杆用钢着管桁片抹，广东驶南海三筹山西大获桥（主外跨邻20恩0杯米，带治悬臂中献承式刚概架系杆卡拱）、璃陕西延劲安王家喷坪延河扫大桥（称净定跨速l90莫m池，中牌承式）震等桥采钟用这种筹形式。杰这种截球面形式隶，根哑茫铃形缀商板中的伴混凝土府较之前惭述的哑科铃形断截面对加虾大抗弯京刚度有总较大的父作用，佛但这种定截面的堂钢一混钉凝土横创腹板的害受力特暑性与国锈钢管混粒凝土相扩差很大陪，同样护存在着塌设计计谦算上不遗能采用极套箍理芦论的问墙题。因疗此，其讯后又发劣展了混洗合式的马桁式断手面。这袍种断面互，上弦差采取横督哑铃形做，下弦月两根钢磁管采用跑钢管下滋平联联肝结。上终弦为了彼缩短缀该板的长今度，宽榆度较下越弦为短攀而形成哗梯形断找面，河赵南安阳怎文峰立炎交桥（社主需跨候135坏m黎，下承废式刚果设系杆拱败）、四青川高谷救乌江大晶桥（净巩跨尾150中m限，中承确式）等沉桥采用瞒这一形素式。普直铺接采用鹅多肢桁艰式（格东构式）雾断面的夕钢管混旺凝土肋任拱近年员来有较锣多采用袜的趋势户。这种要拱助弦惊杆采用午钢管混增凝土材考料，腹给杆和平坏联均采轿用钢管技，它较遗之横哑懂铃形桥症式截面块，材料先省自重穷轻，跨逼越能力援强。同霞时，由症于各肢搜以受轴集向力为勾主，更君易于采到用钢管蛋混凝土寒理论进食行计算劣。在多典肢桁式逗断面中钓，四肢棚最为常帽见，截洲面的高妨度与宽扔度之比漂在检2赶：回附峰近较为严合理，浙拱肋的锦面外稳汁定性主延要通过忙横向联模系来保依证。福竹建闽清铜石潭溪惜大桥（笑净袍跨点136套m越，中承奥式）、器沈阳浑畜河长青菜大桥（行净城跨呀140丛m滩，中承机式）、然四川眉迈山根江烂大桥（按主俭跨音206哨m陈，带悬步臂中承泳式刚架奥系杆供母）、广垃西三岸卷色江大浇桥（净陶跨株270唉m掉，中承岔式）等聚桥采用脂了完全难桁式断滋面。敢另穴外，还骑有一种础采用集误束钢管纺混凝土毯的肋拱袋桥。这撒种结构裹加工量琴少，材迫料用量蚕比桁拱筝多，未似被桥梁驴界普遍网接受，期其受力岂性能有蝇待实践桐与理论毅验证查。湿委钢侧管混凝胆土材料良的显著照优点之咳一是在辈构件受疫压时，深钢管对为混凝土暴的紧箍探力作用丙使混凝滋土的受庆压强度捎得到提滩高。为样使这一硬优势得司到充分沿发挥，突应采用恭强度较垮高的钢哗材，但杀含铜率银不必太萄大。在采钢管混卷凝土拱职桥中通劣常合钢盗车宴在根5雄％鸣～她1裤2童％之间斗。但日萝前有些罢钢管混女凝土拱间桥的拱盐肋合钢陕车接棍近次2虎0冰％寸爆。通常埋所说的涨钢管混蝶凝土结血构其合碌钢率科在袋2纹0粥％以下抚。接近虎或超左过否2估0修％则其俯受力性易能与钢蝇结构相叶近。钢翅管管壁椒较厚时排，钢管打的局部俘屈曲问淹题并不驱突出，默填充混简凝土的艺必要性恒不足，殊而且钢谋管的加绪工也困金难。因蹲此，采优用太高麦的含铜因率是不判经济、序不合理终的敌。商卵因怖为有钢朵管的套级箍作用豪、而且忙拱式结穷构常以芦稳定控滔制，所槐以管内浮混凝土桨的强度忙不必要氏求太高配，一般惕采租用雁C4词0秀。但由什于现在缩混凝土忘标号的书提高不封会使造裙价成倍仗增加，估所以也可有采钢用潮C5斯0武甚摸至游C60爆o朽四免、桥面端系擦钢宁管混凝剥土拱桥雾除拱梁腰组合体李系桥面嘉系为以溜纵梁为膛主外，窗其余均根以横梁它为主结扛构。它堵将横梁诸设置于厨立柱上泄或吊杆候下，然绳后纵向悠铺设桥壤面板（倘梁）。括活载经疏桥面系辰通常横教梁传给笔立柱或出吊杆，监立柱或筑吊杆再替将荷载黄传给拱哭肋。诸这博种桥面点系不参针与总体邀受力，枕属于局筑部受力披传力结质构，其揪单位自伞重不随岭着桥梁散跨径的虏增加而靠明显增叉加，这切也是这卷类拱桥骨跨径可部以较大际的原因伸之一。暮在已建最成的钢稠管混凝福土中下慰承式拱载桥中，能主拱跨奔径在五桂六十米愉时，吊爽杆间距跑一般熊在签4寄m售左右；分主供跨版径趋在版6那0员～弱150张m砌时，吊则杆间距切在贱5隶～忙10已m厕之间；岗跨径超铁过浮150抖m嘴以后，扎吊杆间圈距宜获在辅12埋m乡附近。裤吊杆间袖距再大坚以后，律桥面板蹦的自重很会增加药较多，辱建筑高追度也会蹈随之增怒大，这碗对中下赶承式供卫，特别鹊是下承膊式拱的排总体经岂济性是的不利的榜。当然恩，无论掩桥梁跨贩径多大长，一成按不变地遣采兵用色4脊m跨，谎5貌米的吊书杆间距奥也是不著合理的任。因为饲在这种温非拱架并组合体想系拱桥枕的桥面辈系中，救桥面板累和横梁牢中活载订占总荷洞载的比虽例较大岁，而吊宾杯及其速错具的柜受力更胸是以活浆载（尤割其是挂浇车荷载蛮）控制恋，杰在壮4牧～晴12金m好的吊杯梳间距范隙围内，蝇吊杆、半横梁、俩桥面板乞的受力础并不随肠着吊杆钞间距的口增大而眉明显增挡大。因批此，随论着桥梁陶跨径的惠增大，为吊杆的航间距适慰当地加习大，总卡体经济草效益是联好的，藏而且也蜻符合审污美的需企要。胁钢赌管混凝诞土拱桥姓由于拱养助截面麻的轻型隙化，使恐得桥面耳系在恒坟载中所或占的比兴例上升孩。无论厨是从结胶构还是昼从施工野方面来歪说，桥出面系的辉轻型化胖问题都驳显得十组分必要布。尤其谢是宽桥鹿，横梁班的受力范很大，荒其重量基在桥面每系自身挺中所占珍的比例穷也很大趣。横梁抢的跨度肌一般等贷于两拱远助的中题距。横喊梁所承纳担的荷籍载长度缓为两吊较杆或立虫柱的间拦距。当脏横梁跨鼻径脑在屠10转m摩附近时税，通常调采用钢枝筋混凝夫土构造唇；稳在痒20据m阅附近时毁，则应扫采用预节应力构竭造；跨茅径更大跟时，可衬以考虑垒采用钢充一混凝砖土或钢鹅一预应帅力混凝罢土叠合庄梁构造羞。荣员广年州丫髻货沙大桥我主索跨祥36塔0暂米，桥碎面侧向舅总宽往度材32永.4陆m很（含分方隔带）该，吊杆芒横梁采衰用了钢克一混凝攻土组合践梁。横座梁计算惹跨遥径裤31.散62封m喉和傍35毁.箱5衔米，钢内横梁为侍二字形病，桥面佳横坡通速常横梁诚腹板的有变化形裳成。一爱根钢横浴梁的自学重坛在湖30罚t照