重慶巫山長江鋼管混凝土拱橋設計與研究

巫山長長江大大橋460米鋼管管混凝凝土拱拱橋ChongqingJiaoTongUniversity設計計一、工工程概概況巫山長長江大大橋是是一座座跨徑徑460米，一一跨跨跨過巫巫峽口口的中中承式式鋼管管混凝凝土拱拱橋。。其鋼鋼管管管徑達達到1.22米，吊吊裝重重量達達到180t，總投投資1.96億元。。是世世界上上同類類橋梁梁中,跨徑和和鋼管管直徑徑最大大,吊重最最重,造價最最經(jīng)濟濟的橋橋梁。。二、設設計（一））大跨跨鋼管管砼拱拱橋結結構構構造的的創(chuàng)新新設計計1、橋位位、橋橋型、、孔跨跨方案案設計計通過““工可可”三三個橋橋位方方案論論證，，經(jīng)過過地質質、地地形條條件、、區(qū)域域交通通網(wǎng)、、工程程總體體造價價的綜綜合比比較，，并經(jīng)經(jīng)過““工可可”、、“初初設””反復復論證證，推推薦采采用了了現(xiàn)建建橋的的巫峽峽口橋橋位。?！肮た煽伞逼咂叻N橋橋型方方案比比選，，從工工程造造價、、與地地形匹匹配、、景觀觀等方方面考考慮，，采用用大跨跨鋼管管砼拱拱橋方方案。。針對400米上承承式和和凈跨跨460米中承承式鋼鋼管砼砼拱橋橋比較較，從從多方方面綜綜合考考慮，，采用用凈跨跨460米中承承式鋼鋼管砼砼拱橋橋。2、鋼管管砼拱拱圈主主要參參數(shù)設設計主要對對以下下參數(shù)數(shù)進行行優(yōu)選選：（1）截面面徑向向高（（拱頂頂為7.0米和8.0米，拱拱腳截截面高高為13.0米和14.0米）；；（2）拱軸軸系數(shù)數(shù)（m＝1.8、1.6、1.4、1.2、1.05）；（3）桁架架節(jié)間間距離離（4米、6米、8米）；；（4）不同同弦管管管徑徑、不不同腹腹桿布布置形形式；；比選后后，采采用了了拱頂頂徑向向截面面高7.0米，拱拱腳徑徑向截截面高高14.0米，桁桁架節(jié)節(jié)間間間距為為6米，豎豎腹桿桿和徑徑向腹腹桿組組合使使用，，弦管管管徑徑為1220毫米，，腹管管管徑徑為610毫米，，凈矢矢跨比比為1/3.8，拱軸軸系數(shù)數(shù)為1.55的拱圈圈設計計參數(shù)數(shù)。主拱圈圈截面面由兩兩肋組組成，，每肋肋由四四根鋼鋼管構構成組組合矩矩形截截面柱柱；平平面上上每肋肋兩根根鋼管管由平平行腹腹桿鋼鋼管聯(lián)聯(lián)接，，縱面面上每每肋兩兩根鋼鋼管由由斜、、豎腹腹桿鋼鋼管連連接；；每肋肋間距距為12米處設設置橫橫隔。。3、主拱拱圈截截面構構造形形式設設計兩肋間間的橫橫撐橋橋面以以下為為“米米”字字撐，，橋面面以上上為““k”形撐，，加強強了肋肋間橫橫向聯(lián)聯(lián)系，，確保保了全全橋橫橫向穩(wěn)穩(wěn)定。。主拱圈圈節(jié)點點處受受力肢肢管最最多為為三根根，一一般為為兩根根，且且肢管管與主主管的的夾角角一般般在50°°左右。。肢管管與肢肢管之之間的的焊縫縫間距距均大大于50毫米。。（4）吊裝裝系統(tǒng)統(tǒng)設計計纜索吊吊裝將將扣掛掛系統(tǒng)統(tǒng)和吊吊裝系系鉸接接合一一，因因吊塔塔變位位大，，扣塔塔要求求變位位小，，為不不相互互影響響，吊吊塔鉸鉸支于于扣塔塔頂端端，且且限制制鉸傳傳遞的的水平平分力力，以以控制制扣塔塔頂?shù)牡淖兾晃弧?、拱圈圈安裝裝接頭頭構造造設計計為了便便于拱拱肋懸懸拼時時調整整軸線線，拱拱頂合合龍前前，拱拱腳處處設置置了豎豎轉鉸鉸.為了控控制拱拱肋線線形及及合龍龍溫度度影響響，拱拱頂合合龍接接頭設設計了了瞬時時合龍龍接頭頭.拱肋節(jié)節(jié)段安安裝采采用內內法蘭蘭臨時時，再再用兩兩塊與與弦管管外徑徑項同同的半半圓弧弧板對對接。。為了了順利利能準準確定定位，，設計計采用用了如如下導導向沖沖定銷銷軸。。5、主拱拱圈安安裝方方案總總體設設計（1）扣塔塔及索索鞍：：安裝在在兩岸岸上，，塔高高約100米，塔塔距576米，以以鋼管管砼柱柱拼裝裝組成成，橫橫向采采用門門柱式式結構構，便便于起起吊單單元通通過。?？鬯斣O設置索索鞍，，便于于扣索索通過過（扣扣索在在尾端端錨梁梁處張張拉））。（2）錨碇、、錨梁及及扣點：：錨碇采用用錨索及及樁組合合的結構構形式，，扣點設設計為錨錨梁，支支點在拱拱肋節(jié)點點處。6、提高穩(wěn)穩(wěn)定及動動力特性性的構造造措施由于本橋橋跨度大大，橋梁梁寬度僅僅為19.5米，橋梁梁寬跨比比僅為1：26，為了提提高橋梁梁橫向穩(wěn)穩(wěn)定、動動力特性性，采取取了以下下措施：：①將橋面面梁設計計為先簡簡支后連連續(xù)的結結構體系系；②長吊桿桿和高立立柱處，，設計為為吊桿、、立柱與與橋面梁梁固接；；③短吊桿桿和矮立立柱處，，設計為為吊桿、、立柱與與橋面梁梁四氟滑滑板支座座鉸支。。這樣，，借助橋橋面梁的的抗扭剛剛度，提提高橋梁梁總體剛剛度。7、吊桿橫橫梁和橋橋面梁的的構造設設計吊桿橫梁梁和鋼管管砼拱肋肋上立柱柱橫梁為為預應力力砼Ⅰ形截面梁梁，便于于就地預預制和安安裝，減減輕自重重，降低低工程造造價。行車道梁梁為后連連續(xù)的預預應力砼砼“π”形梁，吊吊裝就位位后，焊焊接連接接梁肋上上、下緣緣主鋼筋筋，再現(xiàn)現(xiàn)澆接頭頭砼30厘米形成成連續(xù)梁梁。人行行道梁也也為先簡簡支、后后連續(xù)的的“π”形連續(xù)。。8、確定了了吊桿構構造及耐耐久性設設計本橋免維維修周期期為30年，本橋橋結合自自身特點點，全面面考慮采采用了多多重體系系設防相相結合的的綜合防防護方案案，同時時，吊桿桿是可更更換的。。（1）吊桿采采用109φφ7毫米預應應力環(huán)氧氧噴涂鋼鋼絲，防防腐體系系為：鍍鍍鋅層＋＋環(huán)氧層層（160um）＋防腐腐脂＋聚聚乙稀護護套（雙雙層）+發(fā)泡聚氨氨脂+哈氟管組組成。（2）兩端采采用0VMLZMT—109型冷鑄錨錨具，上上下錨具具分別有有端頭防防護板、、防護罩罩和固化化油脂，，同時，，吊桿外外套哈氟氟管與錨錨具間設設置熱縮縮塑料套套連接。。（3）吊桿橫橫梁處防防護處理理措施為了避免免大氣、、雨等進進入錨頭頭腐蝕鋼鋼絲，在在橫梁頂頂?shù)鯒U外外套鋼管管處設置置了防水水鋼板，，并將防防水鋼板板與外套套鋼管焊焊接，確確保密閉閉。（4）縱向限限位裝置置設計為了限制制短吊桿桿因縱向向變位而而疲勞破破壞，在在肋間橫橫撐的端端吊桿處處，設置置縱向撐撐，并在在橫撐及及端吊桿桿處的橫橫梁上設設置滑板板支座，，這樣既既滿足了了橋道梁梁的自由由伸縮，，又限制制短吊桿桿的大應應變。9、拱座構構造設計計（1）對不穩(wěn)穩(wěn)定的危危巖塊體體進行卸卸載清除除；（2）采用多多層水平平臺階和和帶一對對垂直撐撐的拱座座方案；；（3）采用較較完善的的錨桿及及圬工砌砌體對兩兩案進行行防護；；（4）分離式式的鋼筋筋砼拱座座，橫向向分別設設三道鋼鋼筋砼橫橫撐。10、鋼結構構防腐方方案設計計用電弧噴噴涂鋁鎂鎂合金長長效防腐腐方案，，壽命按按30年以上考考慮。金屬表面面處理等等級Sa3涂層組合合：電電弧噴噴涂鋁鎂鎂160μμm環(huán)氧封閉閉涂層（（842）二二道（（50μm）丙稀酸聚聚氨脂面面漆二二道道（50μm）（二）大大跨鋼管管砼拱橋橋施工工工藝設計計1、拱肋安安裝方案案的確定定根據(jù)本橋橋位地形形特點、、河道運運輸條件件、施工工水位高高低及拱拱肋節(jié)段段組成重重量，經(jīng)經(jīng)多種施施工方案案論證比比選，采采用無支支架纜索索吊裝工工藝安裝裝拱肋，，是可行行、風險險小、經(jīng)經(jīng)濟的施施工方案案。2、扣、吊吊體系設設計本橋主拱拱安裝扣扣掛系統(tǒng)統(tǒng)和吊裝裝系統(tǒng)和和一。3、扣塔構構造設計計（1）扣塔設設計扣塔（吊吊塔）構構造由鋼鋼管桿件件組成桁桁架塔柱柱。（2）扣塔索索鞍設計計由于扣索索張拉體體系張拉拉端設置置在錨碇碇處，扣扣索必須須繞過扣扣塔頂，，因此塔塔頂由型型鋼組拼拼成了扣扣索索鞍鞍。4、拱肋節(jié)節(jié)段吊裝裝程序設設計拱肋節(jié)段段安裝由由兩岸拱拱座向跨跨中逐段段懸拼施施工。節(jié)節(jié)段為單單肋安裝裝，待上上、下游游同岸同同一節(jié)段段吊裝就就位后，，安裝節(jié)節(jié)段內平平面連接接橫撐，，即形成成一個雙雙肋節(jié)段段單元。。5、鋼管砼砼灌注方方案設計計（1）鋼管內內砼接力力灌注采用C60高強補償償收縮砼砼，以泵泵壓法自自拱腳向向拱頂按按設計的的壓注順順序，按按三級接接力灌注注鋼管內內砼。（2）灌注中中扣索索索力調整整值根據(jù)鋼管管內砼灌灌注的不不同階段段張拉扣扣索索力力，以控控制主拱拱鋼管應應力及變變位。施工棧橋布置圖6、主跨施施工流程程圖研究究■計算算理論：：有初應力力的鋼管管混凝土土極限承承載能力力計算方方法鋼管混凝凝土收縮縮、徐變變規(guī)律及及其計算算方法鋼管混凝凝土節(jié)點點疲勞設設計方法法■施工技術術：大跨徑鋼鋼管拱肋肋的精確確安裝問問題大體積管管內混凝凝土灌注注問題管內混凝凝土脫空空問題■設計技術術：鋼管混凝凝土拱橋橋合理構構造形式式鋼管拱肋肋節(jié)段的的連接短吊桿的的使用壽壽命背景在巫山橋橋建設時時，國內內外還沒沒有鋼管管混凝土土拱橋設設計和施施工技術術規(guī)范。。在計算算理論、、設計技技術和施施工技術術方面還還有許多多技術問問題亟待待解決：：■計算算理論：：有初應力力的鋼管管混凝土土極限承承載能力力計算方方法鋼管混凝凝土收縮縮、徐變變規(guī)律及及其計算算方法鋼管混凝凝土節(jié)點點疲勞設設計方法法■設計技術術：鋼管混凝凝土拱橋橋合理構構造形式式鋼管拱拱肋節(jié)段段的連接接短吊桿的的使用壽壽命■施工技術術：大跨徑鋼鋼管拱肋肋的精確確安裝問問題大體積管管內混凝凝土灌注注問題管內混凝凝土脫空空問題研究思路路以巫山長江大橋為依托，通過大直徑鋼管混凝土構件試驗研究與理論分析，解決了鋼管混凝土徐變、節(jié)點疲勞以及極限承載能力計算方法等重大理論問題；通過設計參數(shù)優(yōu)化、特殊構造模擬試驗，解決了特大跨鋼管混凝土拱橋設計關鍵問題；通過施工實踐、工藝優(yōu)化與改進，解決了施工中存在的關鍵技術問題；最終形成了一整套先進的鋼管混凝土拱橋設計施工技術。并通過巫山長江大橋的工程實踐得到驗證?？紤]約束的徐變系數(shù)壓應力拉應力鋼管混凝土收縮徐變試驗構件主要成果果通過節(jié)段段模型實實驗，揭揭示了鋼鋼管混凝凝土徐變變規(guī)律，，提出了了用考慮慮鋼管約約束的徐徐變系數(shù)數(shù)，來替替代砼的的徐變系系數(shù)進行行徐變分分析的方方法。提出用組組合截面面法來模模擬鋼管管混凝土土單元，，得到了了鋼管與與混凝土土應力重重分布公公式：1.提出了鋼管混凝土收縮、徐變規(guī)律及其計算方法鋼管混凝凝土拱橋橋設計計計算理論論2.提出了大大型鋼管管混凝土土節(jié)點設設計計算算方法主要成果果鋼管混凝凝土拱橋橋設計計計算理論論針對特大跨鋼管混凝土拱橋的節(jié)點進行了疲勞試驗，提出了大型鋼管混凝土節(jié)點設計計算方法。鋼管混凝土疲勞強度：修正系數(shù)：■主管中灌注混凝土后，混凝土約束鋼管變形，應力發(fā)生重分布，節(jié)點應力集中現(xiàn)象已不明顯；相貫線處的應力分布趨于均勻；同時也改善了整體結構的應力情況?！鲣摴芑炷凉?jié)點疲勞壽命較空鋼管節(jié)點大幅提高；特別指出加肋板的板——管節(jié)點是一種低壽命的節(jié)點類型，其疲勞強度較差?！鲋饕晒?jié)點疲勞勞實驗巫山橋節(jié)節(jié)點構造造（單位：：MPa）鋼管混凝凝土試件件與空心心管試件件在支管管中截面面處應力力比較主要成果果測點5354555657585960空心管試件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20鋼管砼試件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35提出了有有初應力力的鋼管管混凝土土極限承承載能力力計算方方法承載力影響系數(shù)針對初應力對大直徑（1.22m）鋼管混凝土構件承載力的影響進行了研究，提出了極限承載力計算方法?！龉軆然炷劣谐跏紤φ麄€鋼管砼結構極限承載力有較大的提高，較普通鋼管混凝土提高18％左右；僅鋼管有初始應力對整個鋼管混凝土結構極限承載力有一定的影響?！鲋饕晒摴芑炷凉皹驑蛟O計計計算理論論3.鋼管混凝土承載能力試驗主要成果果主要成果果在20種設計參參數(shù)組合合方式中中進行優(yōu)優(yōu)選,提出了全全拱受力力均衡、、上下弦弦內力接接近和外外形輪廓廓變化分分明的空空間鋼管管混凝土土桁架肋肋拱。解解決了世世界第一一大跨徑徑鋼管混混凝土拱拱橋合理理構造形形式。提出了鋼鋼管混凝凝土拱橋橋合理構構造形式式鋼管混凝凝土拱橋橋設計關關鍵技術術1.主要成果果首次研發(fā)出了力學和施工性能優(yōu)良的內法蘭拱肋接頭，既保證了拱肋連接牢靠、安裝方便，又保證了拱肋優(yōu)美外形和管內混凝土灌注通暢。獲得國家專利。2.鋼管混凝凝土拱橋橋設計關關鍵技術術主要成果果在短吊桿處首次設計了縱向限位裝置，與傳統(tǒng)的構造形式相比，改善了短吊桿的受力，延長了使用壽命。3.鋼管混凝凝土拱橋橋設計關關鍵技術術主要成果果1.大跨徑鋼鋼管砼拱拱橋無支支架吊裝裝斜拉扣扣掛工法法總結出了了大跨徑徑鋼管砼砼拱橋無無支架吊吊裝斜拉拉扣掛工工法—獲國家級級工法。。鋼管混凝凝土拱橋橋施工關關鍵技術術首次采用了吊扣鉸接合一工藝。吊