牟廷敏公路钢管混凝土拱桥设计规范

四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院牟廷敏13608183074交通行业推荐标准公路钢管混凝土拱桥设计规范宣贯交流一、编制背景二、主要内容三、关键技术四、使用注意汇报提纲公路桥梁百宝箱(QQ：417389906)　　公路桥梁设计施工QQ交流群：232082117一、编制背景1、发展概况（1）1930-1940年前苏联，建造了公路和铁路钢管混凝土拱桥。（2）1990年，中国建成了第一座拱桥-四川旺苍东河大桥。（3）2015年6月，跨度≥50米，已建成400座，≥100米的179座。≥200米的有38座。（4）2005年-460米巫山长江大桥；2013年-主跨530米合江长江一桥。（5）在建主跨507米合江长江三桥，钢管混凝土系杆拱桥。（6）钢筋混凝土板、钢桥面板、叠合桥面板到钢-混凝土组合桥面板。公路桥梁百宝箱(QQ：417389906)　　公路桥梁设计施工QQ交流群：2320821172、建设规模已超过400座，18座/年，而钢筋混凝土拱桥和钢拱桥（7座/年、2座/年）；公路与市政钢管混凝土拱桥约占88％。是在没有规范的基础上建造的，规范颁布已十分必要。市政桥48.2%公路桥39.7%其他5.9%铁路桥6.2%1990199319961999200220052008020406080100120桥数/座年份公路桥市政桥铁路桥其他行业分布比例各行业钢管混凝土拱桥数目增长趋势一、编制背景3、依托工程巫山桥、合江桥、孔雀河桥、成都府南河桥等。4、科技成果国家、部、省等资助，20多年来的科技成果支撑，大量桥梁建设经验。研究成果涉及计算理论、结构构造、施工工艺、材料、质量控制过程与竣工质量检查等。一、编制背景5、编制过程法律法规和编制文件→制定大纲→经验和成果→专题研究→形成报告→编制讨论→征求意见稿→送审稿→总校稿→报批稿（共Ⅳ版）。一、编制背景一、编制背景二、主要内容三、关键技术四、使用注意汇报提纲二、主要内容规范关键词:公路、钢管混凝土拱桥、设计。公路→行驶汽车荷载，交通组成复杂，有疲劳！有损伤！钢管混凝土拱桥→不同于钢管混凝土柱，施工分期形成受力截面，初应力高；不竖直，且混凝土灌注量大，有脱空；空中有接头，质量控制难；吊索断裂，桥面坍塌多次，风险高；施工逐节段形成，体系转换多；设计→规定了主要内容为术语、符号；设计与计算需要的材料参数，构件与结构计算方法，体系稳定与正常状态，主拱及相关结构与构造参数等。因此，该规范应突出的特点，充分体现钢管混凝土桥梁用于行驶汽车，充分研究施工过程与受力行为特点，充分研究我国钢结构桥梁加工制造特点，提出针对性强的技术条款。贯穿规范的主线，统一理论、组合构件、钢结构的完整性、非线性影响等二、主要内容计算特点：①承载能力极限计算、应力法计算等方法,研究了成拱过程的验算方法；②研究了节点疲劳性能及验算方法；③研究了温度荷载的作用形式；④研究了冲击性能的作用；⑤强调了强度、刚度、稳定与动力性能综合计算与评价要求，并计入几何、材料、初应力、脱粘等初始缺陷的影响。构造特点：①引入了完整性的概念设计，强化细节构造要求；②根据实际工程调查，主张合理、先进、易于施工的结构构造，放弃复杂、多次造成工程质量事故的构造；③强化桥面板的整体性能要求；④钢管内混凝土性能要求；⑤吊索与系杆索的耐久性设计；⑥相应的主拱、桥面梁、系杆索、吊索等结构的合理构造。施工特点：①充分考虑施工特点，制订了脱空、初应力折减系数；②制订了成拱的吊装、转体、大节段提升等安装计算，制订了主管内混凝土制备与灌注工艺要求。二、主要内容一、编制背景二、主要内容三、关键技术四、使用注意汇报提纲1、总则1.0.2→本规范设计适用于圆形钢管混凝土截面的公路拱桥。1.0.5→设计，应提出施工方法、步骤和体系转换，其主拱成拱工艺涉及结构设计计算、安装计算等，且施工技术是建设拱桥的关键。1.0.6→施工阶段计算，钢管内混凝土强度低于80%，按照钢结构计算，高于80%时，按钢管混凝土截面计算。1.0.8→施工阶段计算，钢结构构造细节，应满足完整性设计。钢管在制造或服役期形成的局部缺陷，在恶劣环境中，急速恶化扩展，造成病害。钢结构构造连接设计不合理、或钢管焊接连接工艺粗造，造成局部缺陷，影响桥梁完整性和寿命。1.0.9→未涉及部分，应执行相关规范要求。三、关键技术2、术语2.1.2钢管混凝土拱桥→主拱为钢管混凝土构件的拱桥2.1.3自密实补偿收缩混凝土→具有高流动度、不离析、均匀和稳定等特性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实，硬化时依靠膨胀剂及反应水作用，使混凝土微量膨胀而补偿收缩的混凝土。2.1.4组合弹性轴压模量→钢管混凝土构件组合截面在轴心受压且其纵向名义应力与应变呈线性关系时，名义压应力与压应变的比值。2.1.7约束效应系数设计值→反映钢管混凝土组合截面的几何特征和组成材料的物理特性的综合参数设计值。2.1.8钢管初应力→钢管混凝土构件内混凝土达到设计强度前空钢管的应力。2.1.9脱空率→脱空截面积与钢管混凝土组合截面积的比值。三、关键技术2.1.10初应力折减系数→反映钢管初应力对钢管混凝土承载能力影响的程度。2.1.11脱空折减系数→反映钢管内混凝土脱空率对钢管混凝土承载能力影响的程度。2.1.12单管主拱→横截面为单根钢管混凝土的主拱。2.1.13哑铃型主拱→横截面为两根竖向排列的钢管混凝土通过连接钢板组成的主拱。2.1.14桁式主拱→上下钢管混凝土通过支管连接组成桁式受力结构的主拱。2.1.16组合受压构件→由两肢或两肢以上的钢管混凝土主管通过连接件组合形成受压截面的构件。2.1.17完整性设计→在钢管材质、荷载、构造、制造、安装、维护等设计时，既规定构件强度和刚度，又规定构件损伤容限和抗断裂要求，保证达到设计使用目标，具有系统性、整体性和综合性特点。三、关键技术3、材料3.l.1→根据结构的重要性、荷载特征、应力状态、连接方式、环境条件等因素确定钢管强度和质量等级。钢材常用强度等级为Q235、Q345、Q390，钢材质量等级应根据使用环境温度选用B级或B级以上。3.1.3→钢管宜采用卷制焊接直缝管。当钢管径厚比不满足卷制要求时，可采用螺旋焊接管或无缝钢管。卷制焊接直缝管制造精度高、质量可靠、成本较低。3.1.6→钢管强度设计值，壁厚一般小于35mm。三、关键技术3、材料3.3.1→钢管内灌注的混凝土应采用自密实补偿收缩混凝土，其强度等级宜为C30～C80。四川现在已经应用到C100建成磨刀溪桥。三、关键技术3、材料3.3.2→钢内混凝土自密实补偿收缩混凝土要求。1力学性能：应满足设计要求。2体积稳定性能：密闭环境下混凝土自由膨胀率应控制在2×10-4～6×10-4，其稳定收敛期应小于60d。3工作性能：满足表中要求。4外加剂选择：应掺加高效减水剂和膨胀剂。选用的高效减水剂应具有保塑、缓凝的功能，减水率应大于25%，且制备的混凝土拌和物含气量应小于2.5%。选用膨胀剂应对混凝土工作性能影响小、膨胀性能稳定，水中限制膨胀率7d大于0.05%、空气中21d大于0%。三、关键技术3、材料3.3.2→C100自密实钢管混凝土性能演示。三、关键技术密实骨架法复配矿物掺合料多功能高效减水剂高性能钢管混凝土发明的密实骨架法、复配矿物掺合料和多功能高效减水剂技术，攻克了含气量高、流动性差、粘聚性大、自密实性低的技术难题。复配矿物掺合料混凝土高性能化三、关键技术受限变形模型膨胀拟合设计出、放水状态发明的减缩释水聚合物和高能复合膨胀剂等技术，保证膨胀反应需要的水分和孔内张力，实现了持续稳定膨胀和强度发展要求。三、关键技术实现大直径钢管混凝土分段灌注、逐渐形成刚度的目标解决了混凝土灌注的时间长、方量多、阻力大的难题控制大直径钢管混凝土的脱空值高抛灌注接力灌注真空辅助灌注新工艺三、关键技术脱空质量控制技术提出了钢管内混凝土工作性能、力学性能与体积稳定性指标要求。工作性能力学性能体积稳定性能材料性能三、关键技术原材料质量外加剂选择拌合时间投放顺序协调机制质量性能三、关键技术声测法超声波法光纤光栅法钻孔验证法综合协同声测发、超声波法、光纤光栅法和钻孔验证法，形成多级连续断层扫描的多维检测方法，发展了钢管混凝土灌注质量检测技术。三、关键技术三、关键技术3.4.4→钢管混凝土弹性模量应采用组合弹性轴压模量。统一理论→Esc三、关键技术4计算基本规定钢管混凝土结构计算理论:→钢筋混凝土理论，即应力叠加理论→极限平衡理论，即套箍约束理论→统一理论→容限脱空统一理论统一理论：钢管混凝土构件的工作性能，随着材料的物理参数、构件几何参数和截面形式、应力状态的改变而改变，变化是连续的、相关的，计算是统一的。具体内容为：把钢管混凝土视为统一的一种组合材料，用构件的整体几何特性（全截面和抵抗矩等）和钢管混凝土的组合性能指标，来计算构件的承载力，不再区分为钢管和混凝土。大量试验证明，容许脱空量值内的钢管混凝土，其力学规律和刚度符合统一理论，承载能力和刚度影响是有限的，钢管约束效应是存在的。容限脱空统一理论，应用了套箍理论的基本概念和参数等，建立完整的计算体系。三、关键技术4计算基本规定三、关键技术三、关键技术4.3.1→单圆管混凝土主拱，宜采用梁单元计算；哑铃型钢管混凝土主拱，宜采用组合构件的梁单元计算；桁式主拱可采用桁式梁单元或将主拱简化为组合构件的梁单元进行计算。组合构件梁单元指结构计算时，将哑铃型的主管及连接板或桁式的主管及支管视为一个梁单元进行模拟。桁式梁单元指将桁式主拱的上、下主管及支管分别视为梁单元，主管和支管以刚性节点连接。三、关键技术三、关键技术4.3.3→哑铃型，腹腔内的混凝土不应计,而仅计算其自重的影响。三、关键技术5.1.1→钢管混凝土单管主拱应进行单管受压构件承载力验算；哑铃型主拱应进行组合受压构件承载力验算；桁式主拱应分别进行单管受压构件和组合受压构件承载力验算。钢管混凝土拱桥是自架设体系，形成钢管混凝土拱前，钢管已被安装成拱，承受自重和管内逐级混凝土重量，产生初始应力。试验证明，钢管初应力对钢管混凝土构件的极限承载能力和变形有影响。三、关键技术5.2.5→钢管混凝土承载能力极限状态验算时，应计入钢管内混凝土的脱空影响，脱空折减系数取值0.95，并应符合下列要求。1当钢管混凝土球冠型脱空率大于0.6％，或脱空高度大于5mm时，应对钢管内混凝土脱空缺陷进行修补灌注。2钢管混凝土主拱不得出现周边均匀型脱空的缺陷。大直径界面脱空小直径界面密贴大直径界面脱空三、关键技术建立了基础理论通过研究，首次提出了容许范围内脱空的钢管混凝土符合“套箍”作用，提出了“容限脱空”钢管混凝土新理念及其划分标准。三、关键技术球冠型脱空揭示了竖直构件属于周边型脱空，倾斜与水平构件属于球冠型脱空的规律。周边型脱空调查脱空缺陷调查脱空缺陷归纳为归纳为三、关键技术物理模型数学模型数学关系奠定了基础理论()kNfA(,,,,,)kctNfAffer(,,)kdddAfRLW球冠型脱空周边型脱空假定为假定为三、关键技术建立了实用计算方法通过200余件模型试验，分析了钢管混凝土拱桥、梁桥和桥墩不同脱空模型，在轴心受压、偏心受压、抗弯性能、节点疲劳等作用下，脱空对不同受力行为的影响。三、关键技术加载方式首次揭示了脱空对钢管混凝土承载力的影响规律，提出了“容限脱空”钢管混凝土拱桥、梁桥和桥墩的非线性本构关系。本构关系曲线三、关键技术02001.6810623.84.61.386320.60.43yDyDyDyTyDDDyDyDDTTT320=35.40537.94212.5390.124xxxxTTddd①主拱、桁梁和桥墩：②复合结构：00.170.340.510.680.853234363840temp(℃)H(m)横哑铃型竖哑铃型桁式单圆管竖向温度场00.170.340.510.680.8530323436384042temp(℃