钢管混凝土拱桥上部结构设计计算分析.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 1 3年 6月 浙 江水利水电专科学校 学报 J Z h e j i a n g Wa t C o n s Hy d r C o l l e g e Vo 1 2 5 No 2 J u n 2 0 1 3 钢管混凝土拱桥上部结构设计计算分析 钱 炜 ， 张飞帆， 蔡 敏 ( 浙江水利水电学院 建筑工程系 ， 浙江 杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要 ： 钢管混凝土拱桥 具有跨度 大、 景观好、 建筑 高等特点 ， 在 国内 E I 趋广泛使用 以浙江省临安 市昌化镇 双塔大 桥 为例 ， 介绍 了其整体设计以及拱 肋、 系梁、 吊杆 等主 要构件 的设计特 点， 并采 用有 限元 分析 软件 Mi d a s C i v i l 进行 了全桥静 力结构分析 计算结果表 明该桥 结构形 式及截 面尺寸合理 ， 满足规 范要 求 关键 词 ： 钢 管混凝土 ； 系杆拱 ； 强度 ； 稳定性 中图分类号 ： T U 3 1 8 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 8 5 3 6 X( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 6 0 4 Upp er Sec t i on St r u c t ur al De s i g n o f Con c r e t e F i l l e d St e el Ar c h Br i d ge Q I AN We i ，Z HANG F e i f a n，C AI Mi n ( A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g D e p t ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ，C h i n a ) Abs t r a c t： Co n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e a r c h br i dg e s a r e wi de l y u s e d d o me s t i c a l l y b e c a u s e o f s e v e r a l a d v a n t a g e o us c h a r a c t e r i s t i c s，i n c l ud i n g l a r g e s pa n，e x c e l l e n t l a n ds c a p e，e l e v a t e d c o n s t r u ct i o n s i t e，e t c Ta k i n g S hu a n g t a Br i dg e i n Li n a n f o r i n s t a n c e，t h e o v e r a l l de s i g n a n d t h e d e s i g n f e a t u r e s o f ma i n p a r t s l i k e a r c h r i b，t i e d b e a m，t i e d b a r ，e t c a r e i n t r o du c e d i n t he a r t i c l e By a do pt i n g Mi da s Ci v i l ，t he s t a t i c a na l y s i s o f o v e r a l l b r i dg e i s c a r r i e d o u t Th e r e s ul t s h o ws t ha t t he s i z e a nd s t r u c t ur e o f t he b r i dg e i s p r o p e r a n d c a n me e t t h e s t a n d a r d Ke y wor d s： c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u be；t i e d a r c h；s t r e n g t h；s t a bi l i t y 0 引 言 钢 管混凝 土拱 桥 自 2 0世 纪 9 O年 代 以来 ， 在 我 国技 术 研 究 日趋 完善 ， 桥 型普 及 也 越 来 越 广 钢 管拱肋借助钢管的套箍作用 ， 使混凝土处于三向受 压状态， 从而显著提高混凝 土的抗压强度 ， 使得钢 管 昆凝土 拱 桥 具 有跨 度 大 、 建 筑 高 度低 、 外 形 优 美 等特 点 一 本文以昌化镇的双塔 大桥为例 ， 介绍 了 双塔 型大桥 上部 结构 设 计分 析 理论 桥 型 立 面布 置 见 图 1 毫 一 ； 响 佣 图 1 昌化 大 桥 立 面 布 置 图 桥位 于临安市 昌化镇 ， 跨越 昌化溪 昌化溪全 长 1 0 6 9 k m， 流域面积 1 4 4 0 2 k m ， 桥位处现状河 床宽度约 1 4 8 m， 规划河床顶宽度 1 6 0 m 桥梁跨径 布置为( 5 2 m+ 7 6 m+ 5 2 m) ， 全长 1 8 2 4 m 主桥横断 面布置为2 5 m( 人行道)+ 1 5 m( 分隔带) +1 5 0 m 收稿 日期： 2 0 1 3 - O 1 2 5 作者简介 ： 钱炜 ( 1 9 7 7一)， 男 ， 安徽 合肥人 ， 讲 师 ， 硕 士 从事 土木工程的教学与科研 ( 行车道)+1 5 m( 分 隔带 )+2 5 m( 人行道) ， 桥 梁全 宽 2 3 m 桥梁设计汽车荷载等级 ： 城 一A级 ； 人群荷载： 4 k N m 设计 洪水 位按 比堤 防提高 一个 等级 设 防 ， 采用 5 0年一遇水位， 即 1 0 3 5 I n 道路等级 ： 城市次 干道 ， 设 计车速 ： 4 0 k m h 第 2期 钱 炜等 ： 钢管混凝 土拱桥上部 结构设 计计 算分析 5 7 1 结构设 计要点 桥 梁采 用三跨 下 承 式钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 ， 主 拱拱 肋计 算跨 径 7 2 m， 矢跨 比 1 4 ， 矢 高 1 8 m； 边 拱 拱肋计算跨径 4 8 m， 矢跨 比 1 4， 矢高 1 2 m 拱轴线 均 为二 次抛 物线 ， 其 方程 为 ： Y= 4 y ( L ) x l L ( 1 ) 式中： 一跨径 矢高 ； 、Y座标 原点 在拱 脚 ， 向右 ， Y向上 1 1 拱 肋 主拱 拱 肋 采 用 竖 向双 肋 式 哑 铃 形 钢 管 混凝 土 结构 ， 钢管外径 0 8 m， 壁厚 1 4 m m， 两腹板间采用 钢板进行 点式连接 ， 以防止腹板侧 向变形 哑铃形 截面总高 2 0 m， 为计算跨径的 1 3 6 拱肋间设置两 组 K形及 一 道单 圆管 横撑 边 拱拱 肋 采 用单 圆钢 管 混凝土结构 ， 钢管外径 1 0 m， 壁厚 1 6 m m 拱肋间 设置三道单 圆钢管横 撑 拱肋 钢材 均采 用 Q 3 4 5 c 钢 ， 壁厚全长不变 ， 拱肋内灌注 c 5 o微膨胀混凝土 拱肋架设采 用分段起 吊就位 ， 逐段 拼装 ， 并采 用 在连结 点 处搭设 支架 连 结 点 的方 法 施 工 施 工 时 采 用泵送 顶 升浇灌 法 灌注 拱肋 混凝 土 1 2 吊 杆 吊杆 间距均 为 4 m， 采用 1 5 2 41 6钢 绞线 ， 标 准强度为 1 8 6 0 MP a ， 配套 O V M G J 1 51 6型专用锚 具 吊杆采用单端张拉， 张拉端设于拱肋内， 锚固端设 于系杆内 吊杆锚垫板上下导管外设加强螺旋筋及钢 筋网格 ， 以弥补吊杆锚固对系梁和拱肋截面的削弱 1 3桥 面 系 主 桥桥 面 系结构 主 要 由系梁 、 中横 梁 以及 强 大 的端横梁组成 两根纵 向系杆将一组横 向中、 端横 梁 串 连 在 一 起 ， 形 成 一 平 面 网格 系 它 承 担 着 拱 脚 的水平推力 ， 并将桥面系恒载及活载通过 吊杆传至 拱肋 ， 同时约束 吊杆下端 的位移 ， 为拱肋提供非保 向力作 用 以增强 其稳 定性 系梁采用预应力混凝土箱形断面， 断面高 2 1 m， 宽 1 5 m， 腹 板厚 0 3 m， 顶底 板厚 0 3 m 在 每根 系 梁 腹板 内沿 形心 轴对 称布 置 1 6束 强度 为 1 8 6 0 MP a 的预应 力钢 束 中横梁采用预应力混凝土实体梁， 由于设置预制行 车道板 、 分隔带块件、 人行道块件 ， 中部 1 6 5 m范 围设置 牛腿 ， 断面高 1 4 7 5 1 5 8 8 m， 梁全长 1 5 m， 顶宽 0 5 5 m 端横 梁 为钢筋 混凝 土箱 形梁 ， 断 面 高 2 4 I 13 ， 宽 3 m， 壁 厚 0 4 m， 计算跨径 ( 横 向两拱肋 间距 离) 1 6 5 m 横梁顶拱 脚处设 预应 力混凝 土拱端 锚 固 块 ， 竖向内设 J L 3 2预应力高强度精轧螺纹粗钢筋 桥面 板采 用预 制 钢筋 混 凝 土 板 ， 板 厚 2 5 0 mm， 先简支后连续 机动车道桥面铺装采用 1 0 0 mm厚 C 4 0钢 筋混 凝土 +1 0 0 m m 厚沥青 混凝 土铺 装 2 主跨结构静力分析 2 1 计算 模型 本次 计 算采 用 mi d a s c i v i l 有 限 元分 析 软 件 ， 按 空 间杆 系对 结 构 进 行 结 构 分 析 拱 肋 、 系 杆 、 横 梁 、 行车道梁 、 风撑 等采用梁 单元 ， 同时拱肋采用施工 阶段联合截 面的办法来模 拟钢管混凝 土结构在不 同施工阶段的截面特性 吊杆采用只受拉桁架单元， 支架采用只受压桁架单元进行模拟 ， 主桥桥面系 全桥的单元划分为边跨的每片拱肋 1 1个杆单 元 ， 四片拱肋 4 4个杆单元 中跨每片拱肋 1 7个杆单 元 ， 两片拱肋 3 4个杆单元 ， 合 计全桥共 7 8个拱单 元 边跨拱每片 1 0根 吊杆 、 中跨拱每片 1 6根吊杆 ， 全桥 7 2根 吊杆 ， 划分 7 2个柔性细杆单元 ， 由于拱桥 结 构计算 时 ， 吊根 不 会 出 现 压 力 ， 所 以无 须 特 殊 处 理 桥面系按梁格法建模 ， 边跨两条纵梁 ， 每条分 1 1 个单 元 ， 另 有 1 1条 横 梁 ； 中跨 两条 纵 梁 ， 每 条 分 1 7 个单元 ， 另有 1 7条横梁 ， 再考虑每跨拱肋上有 1 0根 风撑； 全桥共 1 4 1 个单元 图 2给出了中跨的整体计 算模型 ， 两个边跨模 型与其相似 计算 时共 划分 1 2个施 工 阶段 ： 搭 设 支 架 ， 系 杆 和端横梁在支架上浇筑完成 ， 系杆和横梁第一批钢 束张拉 ； 安装 中横梁， 张拉中横梁第一批钢束 ； 安装 拱肋钢管及 风撑 ， 张拉张拉系杆第二批钢束 ； 下管 昆凝土灌毕 ， 但未形成强度 ； 下管混凝土形成强度 ， 腹腔混凝土灌毕 ， 但未形成强度 ； 腹腔混凝 土形 成 强度， 上管混凝土灌毕 ， 但未形成强度 ； 上管混凝土 形成强度 ， 张拉系杆第三批钢束 ： 安装行车道板 ， 并 完成第二批横 梁钢束 张拉 ； 拆除系杆支架 ； 完成 吊 杆的第 2次张拉 ； 铺装及附属设施施工 ； 十年徐变 图 2 昌化大桥整体计算模型 5 8 浙 江水利水 电专科学校学报 第 2 5卷 2 2拱 肋的计算 拱肋计算包括对单肢钢管 的强度承载力验算 、 单肢钢管的稳定承载力验算 、 对格构式钢管混凝土 构件平面内的整体稳定承载力验算等内容 ； 另外还 考虑拱 肋 的稳定性 问题 当 N A 1 0 2 , 1 一 ( V o ) 。 时 + -o- 3 4 单肢钢管强度承载力满足要求 ； 当 N A 0 2 , 1 一 ( V o ) 时 ( + )+1,4C N o 1 0 4NN M 一 o - 6 ( 一 ) 。 表 1 主拱前 四阶稳定特征值和 失稳模态 图 3一 阶失稳模态空间形状 ( 3 ) 2 5吊杆计 算 单 肢 钢管稳定 承 载力满 足要求 ； 当 ( + ) + (141 N N E A) 2 ： 0 -4 。 ( 一 ) ( 4) 时 ， 主拱肋 整体稳 定性 满足 要求 2 3主拱 应力及 挠 度计算 计算结果表明 ： 各荷 载组合下 ， 钢管拱肋 的组 合应力均小于 1 5 6 MP a ， 符合规范要求 最不利荷载 组合下 ， 各控制点最大挠度如下： 拱肋跨中最大挠 度 ： 一 3 0 2 m m； 系杆跨 中最 大挠 度 为 ： 一1 8 9 m m 挠度 值考 虑 挠 度 长 期 增 长 系 数后 仍 远 小 于规 范 容 许值 ， 说明结构在面内的刚度良好 2 4主桥整体稳定性计算 稳定性分析是根据理想结构假定 的第一类稳 定理论 ， 三维有限元方法建模 ， 采用 m i d a s c i v i l 程序 进行计算 ， 求出系杆拱桥 的侧倾失稳模态 建立 结构计算模型， 模拟钢管混凝土拱桥进行各种工况 下 的弹性 稳定 分析 ， 得 出各 工 况下 模 型 的失 稳 模 态 以及稳定安全系数 ， 探讨影响大跨度钢管混凝土拱 桥施工 过程 及 成 桥 状 态 下 主要 的稳 定 问题 和 各 项 主要 因素 按计算结果表明， 一阶失稳模态为横桥向侧倾 失稳 ， 在恒载作用下的稳定安全系数为 5 7 。 对于稳 定安全系数尚无明确规定 ， 一般认为在恒载下至少 不应低于 4 因此 ， 结构的整体 稳定性符合要 求 稳定特征 值 、 失稳 模 态见 表 1 ， 一 阶 失稳 模 态 空 间形 状见 图 3 主桥跨 两侧 各 设 1 6根 吊杆 ； 边 桥 跨 两 侧 各 设 l 0根吊杆 全桥共有 吊杆 7 2根 计算 中取 吊杆 为柔 性细杆单元 ， 可承受拉力， 但不承受压力， 全桥的吊杆计算拉力参见表 2 表 2 部分 吊杆的设计计算拉 力 考虑设计计算 中结构 的对称性 ， 全桥上、 下游 侧 的拉 力 完 全 对 称 ； 两 个 边 跨 的拉 力 在 对 称 位 置 上 。 也完全相同 因此表 2中仅给出 1 4的吊杆计算 拉 力 最 大吊杆 力 1 1 6 8 k N， 吊杆强 度 4 1 3 7 k N， 安 全 系数 为 3 5 ， 大 于 3 ， 满 足安 全要求 第 2期 钱 炜等 ： 铜 管混凝 土拱桥上部 结构设 计计算分析 5 9 3 施工方案 主桥采 用先 梁后 拱 的施 工 方 案 施 工 时先 开 始 下 部 结 构 施 工 ， 并 预 制 混 凝 土 中横 梁 以及 桥 面 板 搭设支架 ， 现浇 系杆 、 拱端锚 固块 以及端横梁 ， 注 意伸人 拱 端拱肋 钢 管 的预埋 待端 横 梁及 系杆 混凝 土 强度 达 到 9 5 后 ， 张 拉 相 应 的 预 应 力 钢 束 随 后 安 装 预 制 中横 梁 ， 现 浇 中 横 梁湿接 头 和 人 行 道 挑 梁 ， 张 拉 横 梁 第 一 批 钢 束 安装拱肋及风撑 ， 张拉系杆第二批钢束 灌 注拱 肋钢 管 混 凝 土 ， 达 到 设 计 强 度 后 ， 张 拉 系杆第 三批 钢束 随后安装 吊杆 ， 按 次序 对 吊杆进 行第一次张拉 张拉完毕后 ， 安装行车道板 ， 张拉横 梁第二批 钢束 接着就可 以拆除支架 ， 按 次序对 吊 杆进 行第 二 次张 拉 了 最后现 浇桥 面整体 化混 凝土 ， 铺 筑 沥青混 凝 土 ， 安装伸缩缝与人行道栏杆等桥梁附属设施 ， 完 成 全桥施 工 4 结 语 钢 管混凝 土 系 杆 拱 桥 跨 度 大 、 建 筑 高 度 低 、 景 观 效果 突 出 ， 建 成 后 与 周 围环 境 协 调 ， 有 较好 的 经 济效益和社会效益 根据 目前钢管混凝土系杆拱桥 出现 的情况 ， 拱脚 、 吊杆等构件 的耐久性、 安全性尤 为 重要 ， 关 系到整个 结 构 的安 全 ， 要 特别 注意 另 外 桥 梁 的施 工 控 制 也 尤 为 重 要 ， 须 对 应 力 和 线 形 进 行 实 时 监 控 ， 保 证 施 工 安 全 桥 梁 施 工监控是保证桥梁建设 安全 的可 靠保证 对成 桥 目标进行有 效控 制 ， 以达 到设计 的要求 ， 在整 个 施工过程 中对各种影 响成 桥 目标 的 因素 ， 加 以修 正 ， 确 保 成 桥 后 结 构 受 力 与 各 类 线 形 均 能 得 以 满 足 参 考文献 ： 1 陈宝春 钢管混凝土拱桥 M 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 7 2 金成棣 预应力混凝 土拱梁组 合桥梁 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 2 0 0 1 3 匡峰 兴化市野行大桥钢管混凝 土系杆拱设 计 J 交 通标 准化 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 0 01 0 2 4 周昆 高速公路下承式钢管混凝 土系杆拱桥 设计 J 铁道 建筑技术 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 2 2 2 5 5 李新平 ， 罗剑 波 双肋 外斜 式下 承式 系杆拱桥 侧倾 稳定 分析 J 山西建筑 ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 4 61 4 8 6 单 宏伟 ， 韩大章 ， 陈岳 洛社 大桥钢管混凝土系杆拱 主桥设 计与施工 J 上海公路 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 3 2 3 6 7 哈尔滨建筑工程学院 ， 中国建筑科学研究院 C E C S 2 8 ： 9 0钢管 混凝土结 构 设 计与 施 工 规程 S 北 京 ： 中 国计 划 出版 社 ， 1 9 9 0 8 范海军 ， 曹建安 ， 曹 霖 下承式 钢管混凝土系杆拱 桥施 工监 控概述 J 公路工程 ， 2 0 1 2， 3 7 ( 2 ) ： 81 0 ( 上接 第 5 5页 ) O0 5 0 O 0 5 O 0 0 5 0 O - 0 +I Y r - 1 一 J *2 一 Y 2 - J +3 一Y +3 一 J 0 1 00 0 2 00 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 00 0 应变 图 8 各梁 内 5号纵 向受力钢筋荷载一 应变对 比图 4 结 论 通过对钢筋混凝 土梁加 固前后 的试验结果对 比分析之后 ， 可以发现采用高强不锈钢绞线 网一渗 透性聚合加 固梁砂浆钢筋混凝土梁之后 ， 梁 能够有 效抵抗外部荷载作用 ， 在二 次受力 的状态 下， 其承 载能力依旧可以有加大幅度的提升 ； 采用该方法之 后 ， 由于梁 的抗弯刚度得到提升 ， 其挠度 、 变形都有 很 明显 的减 弱 由 此 可 见 ， 该 方 法 是 一 种 行 之 有 效 的加 固方法 ， 加 固效果较 为可靠 ， 实际工程可 以充 分应 用这 一加 固方 法 参 考文献 ： 1 姚继涛 ， 马永欣 ， 董振平 ， 等 建筑物 可靠性 鉴定和加 固 基 本原理和方法 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 6 6 3 2 0 2 沈蒲生 ， 梁兴文 混凝 土结构设计原理 M 北京 ： 高 等教 育出 版社 ， 2 0 0 2 ： 2 2 4 2 2 8 ， 3 田 水 ， 谷 倩 ， 张海 涛 碳纤维布补 强加固钢筋混凝土粱 的 刚度计算 方法 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 4， 2 6 ( 1 2 ) ： 4 95 1 4 赵彤 ， 谢剑 碳纤维 布补强加 固混凝土结构新 技术 M 天 津： 天津大学 出版社 ， 2 0 0 1 5 金琰 ， 康谷贻 一种新的无腹筋梁受 剪承载力计算方法 J 河北理工学院学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 1 ) ： 8 49 0 弓 摒挺