钢管混凝土拱桥

市政公用工程专业一级注册建造师继续教育培训钢管混凝土拱桥天津第六市政公路工程有限公司薛长迁2014年5月主要内容一、钢管混凝土拱桥概述二、钢管混凝土拱桥的基本组成、各部构造三、钢管砼拱肋构件的节点与连接四、钢管混凝土拱桥病理及改造实例一、钢管混凝土拱桥概述1、钢管混凝土工作的基本原理钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管混凝土的原理可类比于螺旋配筋的钢筋混凝土柱来比拟：核心混凝土在密集的螺旋筋的作用下处于三向受压状态，因而使得核心混凝土的抗压强度明显提高。由于钢管对混凝土的紧箍力作用，大大提高管内混凝土的承载力，反之，混凝土对钢管的约束作用，提高了钢管抗失稳的能力，二者结合是完美的。借助内填砼增强钢管壁的稳定性；借助钢管对核心砼的套箍作用提高砼强度2、钢管混凝土的优点（1）构件承载力大大提高（2）具有良好的塑性和韧性（3）结构自重和造价均有降低（4）施工简单、缩短工期（5）防腐、防火性能好（6）结构造型美观特别适合于修建拱桥:拱为压弯构件，钢管砼以受压为主；拱桥施工问题3、钢管砼的主要缺点（1）钢管的接头连接存在的缺陷（2）钢管内灌注砼的密实度问题（3）钢管的养护问题（4）钢管砼的动力性能及疲劳性能结构特点：钢管本身就是耐侧压的模板钢管本身就是钢筋钢管本身又是劲性承重骨架与钢结构相比，省钢材50%，与普通钢筋砼相比，面积省一半（用钢量相同时）钢管混凝土结构充分发挥了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力，主要用于承受轴向压力的构件。早期钢管混凝土结构多用于桥梁工程的基础工程之中。随着对钢管混凝土构件工作性能的深入研究以及计算机技术的不断发展，从八十年代开始钢管混凝土开始用于拱桥结构。我们知道拱桥的拱圈是以承受轴向压力为主的构件，这恰好充分利用了钢管混凝土结构的优点。由于钢管混凝土结构的重量相对较轻，加之拱桥的转体施工技术，使得拱桥的跨径大幅度增加。此外钢管混凝土柱也大量地用于桥梁下部结构，以使得桥梁结构更加秀丽美观。钢管混凝土拱桥（ConcreteFilledSteelTubularArchBridge）简称CFST拱桥，其主跨径一般在40~400m，矢跨比的范围在1/6~1/3。常用跨径在80~280m，常用矢跨比为1/5~1/4。我国第一座钢管混凝土拱桥即四川旺苍东河大桥始建于1990年10月，其跨度为115m，矢跨比为1/6。二十世纪建成的钢管混凝土拱桥中，跨径最大的是广西的三岸桥。其跨径为270m，矢跨比1/5，1999年建成。目前的钢管混凝土拱桥的最大跨径已达400m，是巫峡长江大桥，其矢跨比为1/5。拱轴线：悬链线或抛物线世界最大钢管混凝土拱桥------巫山长江大桥巫山长江大桥位于重庆巫山县长江巫峡入口处，全桥跨径组合为6×12m+492m+3×12m；引桥为预应力混凝土连续梁；主跨为钢管混凝土中承式拱桥，主跨净跨460米，是目前世界跨度最大的钢管混凝土中承式拱桥。值得骄傲四川旺苍东河大桥浙江新安江大桥天津彩虹大桥安徽黄山太平湖大桥2007年3月3日拍摄的主体全部竣工的太平湖提篮拱桥。被称为亚洲第一提篮拱桥的安徽黄山太平湖大桥日前全部竣工。该大桥是合（肥）铜（陵）黄（山）高速公路的重点工程，主跨336米，在亚洲目前同类桥型中跨度位居第一。天津金刚桥金钢桥为双层拱桥，下层桥利用旧桥墩改建为三孔钢与混凝土组合的箱梁桥。上层桥采用三孔中承式无推力拱桥结构，全长600m，宽15m。2、钢管混凝土拱桥的基本组成、各部构造包括：钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道系、下部构造吊杆横撑拱肋1、拱肋构造（1）拱肋的截面形式①单肢圆管适用于跨径小于80m的钢管混凝土拱桥。②双肢哑铃截面常用于80~150m的钢管混凝土拱桥，其拱圈的出平面刚度较小。③三肢构格式适用的跨径在80~120m，但可以考虑取消横桥向风撑。④四肢格构式、四肢梯形单哑铃形及四肢双哑铃形断面常用于100~500m跨径的钢管混凝土拱桥。(b)哑铃形截面(a)圆形截面(c)二肢桁式(d）横哑铃形桁式(e）混合式(f）四肢式(b)哑铃形截面(a)圆形截面(c)二肢桁式(d）横哑铃形桁式(e）混合式(f）四肢式大跨径拱桥一般选择格构式截面，这样一来，每一根弦杆基本上都是轴心受压构件，充分利用钢管混凝土材料。钢管材料：16Mn钢、15Mn、或A3钢；可采用无缝钢管，也可采用钢板卷制而成，钢板厚度不宜小于12mm。混凝土：高标号、高性能混凝土：免振自流平，微膨胀、低收缩、高强度，一般选择C50、C55拱肋施工（1）首先分段加工钢管（2）现场拼装钢管拱（3）灌注管内混凝土管内混凝土的灌注—形成钢管混凝土拱肋，钢管主拱吊装焊接完成后，检测拱轴线和高程符合设计要求后即可进行管芯砼的浇注。主拱肋内砼灌注采用泵送顶升法，自两端拱脚一次对称压注至拱顶。施工流程是：清洗管内污物→人工浇捣拱脚封底砼→润湿内壁→安设压注口和砼闸阀→压注砼→从拱顶排气孔溢出部分砼→从拱顶排气孔振捣混凝土→关闭压注口闸阀稳定→拆除闸阀完成压注。（4）形成钢管混凝土拱桥•1.混凝土未凝固2.上弦杆混凝土凝固3.上、下弦杆混凝土凝固施工中拱肋截面形成过程•四肢管分两批灌注，首先，同时灌注两根上弦管；在上弦管混凝土达到设计强度，上弦管形成钢管混凝土截面以后，再同时灌注两根下弦管。上下游同时进行。钢管混凝土截面分二次形成。在灌注上弦管混凝土时，所有自重由空钢管混凝土承担（图1）；在浇筑下弦管内混凝土，新浇筑的混凝土重量由形成的一期钢管混凝土截面承受（图2）。待下弦管内混凝土也达到强度后，形成最终的钢管混凝土截面（图3），后续发生的荷载都由钢管混凝土截面承受钢管混凝土截面形成过程2、拱圈横向联系构造（1）在桥面以下，可以采用刚度较大的K式或X式横撑，以加强拱脚段的横向刚度，又不致影响美观。K撑布置形式有两种，当为整体式桥台（墩），可采用如图7a式，当桥台（墩）为分离式时，采用图7b式。在中等跨径的中承式拱桥中，桥面以下，拱脚附近也可不设横撑，一般也能满足要求，因为在固定横梁与工作之间的距离一般不大，中间无需再设计横撑，稳定性也能满足要求。（2）固定横梁。固定横梁既是支撑桥面的横梁，同时也是拱肋的横撑。固定横梁受力复杂，构造设计也复杂。可以做成钢结构或钢筋混凝土结构，但必须周密考虑其与拱肋的连接。（3）桥面以上。如图8。桥面以上的横撑一般设成奇数个，因为在拱顶出的横撑所起的作用较大，然后两边对称布置。横撑间距一般是吊杆间距的整数倍，可设置在吊杆的节点处。横撑可以径向布置（与拱轴线垂直）或竖向布置（与水平面垂直）。横撑形式可以设成“一”字横撑和“K”字横撑。拱肋在四分点处的相对搓动较大，因此较多的在四分点处设置强大的“K”撑，能显著的提高拱肋的稳定系数3、桥面系构造桥面系直接承受车辆荷载。纵铺桥面板式（常用）•桥面板的形式4、横梁横梁可以采用混凝土结构或钢结构制作。截面可以采用箱型，也可采用“T”形，“I”型等。桥面宽度在30m以下时可以采用预应力混凝土结构，为缩短横梁计算跨径，可采用简支双悬臂结构。30m以上时，建议采用钢结构，若再采用混凝土结构，截面尺寸太大，横梁自重大，不易吊装，也不利于拱肋的受力，令外粗大的横梁也破坏了桥梁的美观。5、立柱在中承拱桥的上承部分，需设置立柱，用来支承桥面系，是桥面系与拱肋之间的传力结构。主要有三种形式：钢筋混凝土立柱、钢管混凝土立柱和钢结构立柱。6、吊杆吊杆的构造与一般的斜拉索基本相似，常用的就是平行钢丝和平行钢绞线两种，所用的锚具有冷铸锚、钝头锚以及夹片群锚。钢丝一般为Φ5mm和Φ7mm两种。我国已建成了多座专业的制索工厂，拉索的质量达到国际水平，可根据设计人员提供的参数进行生产，大大方便了拱桥的设计吊杆的锚固：设计中，应该注意的就是吊杆的上下端的锚固构造设计。吊杆下端锚固与横梁，在预制横梁时应预留锚固空间及其相应的构造。吊杆上端锚固与拱肋，可以直接穿过弦杆，锚于钢管上，也可设计专门的锚箱。并应该加强其防腐设计•吊杆系统示意图三、钢管砼拱肋构件的节点与连接1、节点与连接的要求（1）连接节点必须满足强度、刚度、稳定性要求（2）节点及连接构件应构造简单、整体性好、安全可靠、节省材料、方便施工（3）钢管砼的连接设计必须保证可靠地传递内力2、拱肋弦杆连接构造常采用法兰盘，螺栓孔对位准确相连3、拱肋弦杆与拱座连接将拱肋上下弦杆插入拱座内1－2倍钢管直径深度，端头与预埋在拱座内的钢板或钢筋连接4、格构式拱肋腹杆、系梁布置与连接构造腹杆与腹杆、腹杆与弦杆、腹杆与系杆之间尽量采取直接对接方式相连。只有连接钢管多且发生冲突时才采用节点板连接方式。5、格构式拱肋缀条的节点构造节点与连接－节点板连接节点构造横向连接四、钢筋混凝土拱桥病理及改造实例峡门口乌江二桥位于武隆县境内国道319线上，建成投入营运已近6年，在县城附近峡门口跨越乌江，大桥上部结构为中承式集束钢管混凝土提篮拱，拱圈内倾13.97º，主拱由5根钢管集束而成，中间管为φ290～1400变直径，外层4根钢管φ700等直径，矢夸比为E/F=1/4，计算跨径140m。桥面设置19对加PE防护套高强钢丝冷铸墩头锚吊杆（吊杆横梁采用预应力混凝土结构），桥面板为跨径10m及5m普通钢筋混凝土空心板简支梁，桥面净宽13.0m，其中车行道宽9m（双车道），两侧人行道各宽2m。设计荷载：汽—20级、挂—100，人群—3.5kN/m2。Ⅱ-ⅡⅠ-Ⅰ拱脚拱顶评估结论通过详细现状检查、结构验算、荷载试验结果仔细研究分析后认为：现有状态下的峡门口乌江二桥存在多种缺陷，包括:主拱钢管表面锈蚀、钢管焊缝质量未达到国家规定的合格标准、管内顶部填充混凝土不密实、主拱圈拱顶标高已低于设计值等，已危及大桥安全。具体表现在：拱脚截面强度严重不足；计入偏心距增大系数则拱圈荷载效应的计算值均大于截面荷载抗力效应计算值，且拱顶截面尺寸不满足最小尺寸要求；部分拱圈混凝土截面拉应力偏大，将影响其承载能力；边吊杆安全储备不足。在静、动试验荷载作用下，主拱圈跨中截面应力及挠度均大于该荷载作用下理论计算值，校验系数偏大，结构工作性能差，主拱圈竖向刚度和强度低于设计值。桥梁改造方案影响因素安全性方面因素适用性方面因素经济性方面因素美观性方面因素社会影响方面因素加固方案1．拱圈主要作为受压体系，外包混凝土能够很好的利用混凝土抗压性能好的优点来增大拱圈受压面积，从而达到加固的目的；2．外包混凝土加固集束钢管混凝土拱圈具有施工可行性的优点。锚喷混凝土方法较外包混凝土施工工艺有很高的要求；而体外预应力加固和贴钢法基本不能用于受压体系的加固；碳纤维加固不能改变已发生变形拱圈的现形且造价昂贵等缺点。3、拱圈最大的病理特征是拱轴线的改变，外包混凝土加固可以在一定程度上形成新的有利于受力、光滑的拱轴线。桥梁维修加固决策大都是从结构的承载力角度研究在役桥梁结构的安全可靠性、适用性和耐久性，进而得出结构是否需要维修加固的结论；或者以可靠度为参数，考虑维修加固费用及失效损失，进行维修加固决策；以及研究使用不同材料、加固方法在加固后的结构可靠性。钢管混凝土拱圈最优选择——外包混凝土加固加固工艺的实施—斜拉扣挂法施工在役桥梁改造方案决策体系分析结论：综合评判最优的方案为评价指标值0.2638所对应的方案三，即新建140米的钢筋混凝土上承式拱桥，这与该桥实际所采取的改造方案是一致的，四种方案综合评价结果优劣排序为：方案三方案二方案一方案四。钢管混凝土拱桥改造方案汇总表方案名称改造措施设计寿命方案一（加固）原拱圈外全包钢筋混凝土加固50年方案二（加固）原拱圈外局部包钢筋混凝土加固50年方案三（新建）新建跨径140米的钢筋混凝土上承式拱桥100年方案四（新建）新建跨径160米的单跨悬索桥100年拱圈分段分环依次拆除法设计思想：考虑节段的拆除顺序对于拆除效果的影响来优化设计。并且分环拆除时预留横撑段拱圈。3320202020202015上环中环下环2015.6512.620.620.612.615.