鋼管混凝土拱橋

第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第1節(jié)概述鋼管混凝土工作的基本原理鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。鋼管混凝土的原理可類比于螺旋配筋的鋼筋混凝土柱來比擬：核心混凝土在密集的螺旋筋的作用下處于三向受壓狀態(tài)，因而使得核心混凝土的抗壓強度明顯提高。由于鋼管對混凝土的緊箍力作用，大大提高管內(nèi)混凝土的承載力，反之，混凝土對鋼管的約束作用，提高了鋼管抗失穩(wěn)的能力，二者結(jié)合是完美的。借助內(nèi)填砼增強鋼管壁的穩(wěn)定性；借助鋼管對核心砼的套箍作用提高砼強度第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四鋼管混凝土的優(yōu)點構(gòu)件承載力大大提高具有良好的塑性和韌性結(jié)構(gòu)自重和造價均有降低施工簡單、縮短工期防腐、防火性能好結(jié)構(gòu)造型美觀特別適合于修建拱橋:拱為壓彎構(gòu)件，鋼管砼以受壓為主；拱橋施工問題。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)特點：鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板鋼管本身就是鋼筋鋼管本身又是勁性承重骨架與鋼結(jié)構(gòu)相比，省鋼材50%，與普通鋼筋砼相比，面積省一半（用鋼量相同時）第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了混凝土的抗壓能力及鋼材的抗壓、抗拉能力，主要用于承受軸向壓力的構(gòu)件。早期鋼管混凝土結(jié)構(gòu)多用于橋梁工程的基礎(chǔ)工程之中。隨著對鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的深入研究以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，從八十年代開始鋼管混凝土開始用于拱橋結(jié)構(gòu)。我們知道拱橋的拱圈是以承受軸向壓力為主的構(gòu)件，這恰好充分利用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的重量相對較輕，加之拱橋的轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，使得拱橋的跨徑大幅度增加。此外鋼管混凝土柱也大量地用于橋梁下部結(jié)構(gòu)，以使得橋梁結(jié)構(gòu)更加秀麗美觀。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四鋼管混凝土拱橋（ConcreteFilledSteelTubularArchBridge）簡稱CFST拱橋，其主跨徑一般在40~400m，矢跨比的范圍在1/6~1/3。常用跨徑在80~280m，常用矢跨比為1/5~1/4。我國第一座鋼管混凝土拱橋即四川旺蒼東河大橋始建于1990年10月，其跨度為115m，矢跨比為1/6。二十世紀(jì)建成的鋼管混凝土拱橋中，跨徑最大的是廣西的三岸橋。其跨徑為270m，矢跨比1/5，1999年建成。目前的鋼管混凝土拱橋的最大跨徑已達(dá)400m，是巫峽長江大橋，其矢跨比為1/5?？鐝剑?0~400米失跨比：1/3~1/6拱軸線：懸鏈線或拋物線。第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第2節(jié)鋼管混凝土拱橋的基本組成、各部構(gòu)造包括：鋼管混凝土拱肋、立柱或吊桿、橫撐、行車道系、下部構(gòu)造第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四1、拱肋構(gòu)造（1）拱肋的截面形式①單肢圓管適用于跨徑小于80m的鋼管混凝土拱橋。②雙肢啞鈴截面常用于80~150m的鋼管混凝土拱橋，其拱圈的出平面剛度較小。③三肢構(gòu)格式適用的跨徑在80~120m，但可以考慮取消橫橋向風(fēng)撐。④四肢格構(gòu)式、四肢梯形單啞鈴形及四肢雙啞鈴形斷面常用于100~500m跨徑的鋼管混凝土拱橋。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四拱肋構(gòu)造大跨徑拱橋一般選擇格構(gòu)式截面，這樣一來，每一根弦桿基本上都是軸心受壓構(gòu)件，充分利用鋼管混凝土材料。鋼管材料：16Mn鋼、15Mn、或A3鋼；可采用無縫鋼管，也可采用鋼板卷制而成，鋼板厚度不宜小于12mm。混凝土：高標(biāo)號、高性能混凝土：免振自流平，微膨脹、低收縮、高強度，一般選擇C50、C55第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四拱肋施工首先分段加工鋼管現(xiàn)場拼裝鋼管拱灌注管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土拱橋第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四管內(nèi)混凝土的灌注—形成鋼管混凝土拱肋，鋼管主拱吊裝焊接完成后，檢測拱軸線和高程符合設(shè)計要求后即可進(jìn)行管芯砼的澆注。主拱肋內(nèi)砼灌注采用泵送頂升法，自兩端拱腳一次對稱壓注至拱頂。施工流程是：清洗管內(nèi)污物→人工澆搗拱腳封底砼→潤濕內(nèi)壁→安設(shè)壓注口和砼閘閥→壓注砼→從拱頂排氣孔溢出部分砼→從拱頂排氣孔振搗混凝土→關(guān)閉壓注口閘閥穩(wěn)定→拆除閘閥完成壓注。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四二、拱圈橫向聯(lián)系構(gòu)造（1）在橋面以下，可以采用剛度較大的K式或X式橫撐，以加強拱腳段的橫向剛度，又不致影響美觀。K撐布置形式有兩種，當(dāng)為整體式橋臺（墩），可采用如圖7a式，當(dāng)橋臺（墩）為分離式時，采用圖7b式。第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四在中等跨徑的中承式拱橋中，橋面以下，拱腳附近也可不設(shè)橫撐，一般也能滿足要求，因為在固定橫梁與工作之間的距離一般不大，中間無需再設(shè)計橫撐，穩(wěn)定性也能滿足要求。（2）固定橫梁。固定橫梁既是支撐橋面的橫梁，同時也是拱肋的橫撐。固定橫梁受力復(fù)雜，構(gòu)造設(shè)計也復(fù)雜?？梢宰龀射摻Y(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但必須周密考慮其與拱肋的連接。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四（3）橋面以上。如圖8。橋面以上的橫撐一般設(shè)成奇數(shù)個，因為在拱頂出的橫撐所起的作用較大，然后兩邊對稱布置。橫撐間距一般是吊桿間距的整數(shù)倍，可設(shè)置在吊桿的節(jié)點處。橫撐可以徑向布置（與拱軸線垂直）或豎向布置（與水平面垂直）。橫撐形式可以設(shè)成“一”字橫撐和“K”字橫撐。拱肋在四分點處的相對搓動較大，因此較多的在四分點處設(shè)置強大的“K”撐，能顯著的提高拱肋的穩(wěn)定系數(shù)第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四三、橋面系構(gòu)造橋面系直接承受車輛荷載。縱鋪橋面板式（常用）橋面板的形式第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四四、橫梁橫梁可以采用混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)制作。截面可以采用箱型，也可采用“T”形，“I”型等。橋面寬度在30m以下時可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為縮短橫梁計算跨徑，可采用簡支雙懸臂結(jié)構(gòu)。30m以上時，建議采用鋼結(jié)構(gòu)，若再采用混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸太大，橫梁自重大，不易吊裝，也不利于拱肋的受力，令外粗大的橫梁也破壞了橋梁的美觀。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四五、立柱在中承拱橋的上承部分，需設(shè)置立柱，用來支承橋面系，是橋面系與拱肋之間的傳力結(jié)構(gòu)。主要有三種形式：鋼筋混凝土立柱、鋼管混凝土立柱和鋼結(jié)構(gòu)立柱。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四六、吊桿吊桿的構(gòu)造與一般的斜拉索基本相似，常用的就是平行鋼絲和平行鋼絞線兩種，所用的錨具有冷鑄錨、鈍頭錨以及夾片群錨。鋼絲一般為Φ5mm和Φ7mm兩種。我國已建成了多座專業(yè)的制索工廠，拉索的質(zhì)量達(dá)到國際水平，可根據(jù)設(shè)計人員提供的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，大大方便了拱橋的設(shè)計第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四吊桿的錨固設(shè)計中，應(yīng)該注意的就是吊桿的上下端的錨固構(gòu)造設(shè)計。吊桿下端錨固與橫梁，在預(yù)制橫梁時應(yīng)預(yù)留錨固空間及其相應(yīng)的構(gòu)造。吊桿上端錨固與拱肋，可以直接穿過弦桿，錨于鋼管上，也可設(shè)計專門的錨箱。并應(yīng)該加強其防腐設(shè)計圖14吊桿系統(tǒng)示意圖第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系可以做成上乘式中乘式（有推力、無推力）下乘式（系桿拱）第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第3節(jié)設(shè)計計算

自錨式鋼管混凝土拱橋為無鉸拱，是高次超靜定結(jié)構(gòu)。目前對超靜定結(jié)構(gòu)的分析一般都是采用有限單元法。目前有很多成熟的商業(yè)有限元分析軟件，如ANSYS、Sap系列等等。這些軟件功能強大，都能出色的完成結(jié)構(gòu)分析任務(wù)。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四需注意的幾個問題1、截面剛度取值問題按鋼管混凝土統(tǒng)一理論計算剛度EscISC彈性疊加法EcIc+EsIs2、應(yīng)力疊加與內(nèi)力疊加3、截面的分階段形成第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四(1)混凝土未凝固(2)上弦桿混凝土凝固(3)上、下弦桿混凝土凝固圖6施工中拱肋截面形成過程四肢管分兩批灌注，首先，同時灌注兩根上弦管；在上弦管混凝土達(dá)到設(shè)計強度，上弦管形成鋼管混凝土截面以后，再同時灌注兩根下弦管。上下游同時進(jìn)行。鋼管混凝土截面分二次形成。在灌注上弦管混凝土?xí)r，所有自重由空鋼管混凝土承擔(dān)（圖6-1）；在澆筑下弦管內(nèi)混凝土，新澆筑的混凝土重量由形成的一期鋼管混凝土截面承受（圖6-2）。待下弦管內(nèi)混凝土也達(dá)到強度后，形成最終的鋼管

混凝土截面（圖6-3），后續(xù)發(fā)生的荷載都由鋼管混凝土截面承受鋼管混凝土截面形成過程第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四二、拱肋強度驗算

總體上講，整個拱肋屬于壓彎構(gòu)件，將截面內(nèi)力分解到每根弦桿上，弦桿基本上是軸心受力構(gòu)件。因此，對于拱肋的驗算有兩項驗算：（1）整體截面的面內(nèi)整體穩(wěn)定強度驗算，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行。（2）單肢弦桿的強度驗算，按軸心受力構(gòu)件驗算。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四（1）組合截面的面內(nèi)整體穩(wěn)定性驗算①壓彎構(gòu)件的強度承載力按下式計算：當(dāng)N/Asc≥0.2fsc時：當(dāng)N/Asc<0.2fsc時：

第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四②壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定承載力按下式計算當(dāng)N/Asc≥0.2fsc時：當(dāng)N/Asc≥0.2fsc時：第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四式中：N、M——計算截面的最大軸向力和彎矩，用于鋼管混凝土拱橋計算時，應(yīng)按公路橋規(guī)取用計算內(nèi)力即Nj、Mj并應(yīng)同時考慮Njmax→Mj和Mjmax→Nj兩種布載工況；Asc、Wsc——構(gòu)件的截面面積和截面抵抗矩；NE——歐拉臨界力Esc——截面的組合彈性模量；λsc——構(gòu)件長細(xì)比；fsc——構(gòu)件的組合強度設(shè)計值；——穩(wěn)定設(shè)計安全系數(shù)，第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四③格構(gòu)式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)整體穩(wěn)定承載力按下式計算：

——按換算長細(xì)比λo（λox或λoy）查得的驗算平面內(nèi)的穩(wěn)定設(shè)計安全系數(shù)；、——分別為格構(gòu)柱截面總面積和對格構(gòu)截面受壓邊的總抵抗矩；

NE——按換算長細(xì)比λo（λox或λoy）求出的格構(gòu)截面的歐拉臨界力，按下式計算：、

第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四（2）單肢弦桿的強度驗算，按軸心受力構(gòu)件驗算。①軸心受拉構(gòu)件鋼管混凝土軸心受拉時（含空心鋼管混凝土），忽略管內(nèi)混凝土的影響按鋼管受拉計算，其承載力為：

K——鋼管抗拉強度提高系數(shù)ψ——空心率rco、rci——核心混凝土的外半徑和內(nèi)徑；As——鋼管的截面面積，

第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四②軸心受壓構(gòu)件鋼管混凝土柱的抗壓強度與其長細(xì)比有關(guān)。當(dāng)鋼管混凝土短柱承壓時，其承載力按下