中承式无横撑集束钢管混凝土平行肋拱桥

mjj3432 发表于 2009-1-18 22:46:24 | 显示全部楼层 | 阅读模式
【摘要】中承式集束钢管混凝土平行助拱桥,桥道以上无横撑,国内尚不普遍。本文作为"集束钢管混凝土提篮拱桥"研究系列之一,探讨了结构性能、结构参数、设计与实践。拱肋钢管的"无极绳"吊运,桥道横梁"荡提法"安装,具有明显的技术、经济优势,较通常的天线吊装,节省费用50%以上。" b7 l, b5 n1 B9 o! _1 O
【关键词】钢管混凝土 拱桥
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6 P# J7 j4 m7 p  d钢管混凝土(CFST)拱桥,在公路建设中,发展势头很好,无论结构形式还是建设规模,均可谓精彩纷呈。本文研究了三管集束拱肋截面,中承式双肋拱桥,桥道以上无横撑。作为工程实践,于1999年10月建成了洪州大桥,试验及初步运营表明,结构性能、景观效果均获好评。
) @- Z% M% e4 O5 V四川省洪雅县青衣江洪州大桥,全长659m,桥宽16m;孔跨布置由南向北为2@30+100+14@30m。引孔为跨径l=30.0m,拱度f/l=1/6的空腹式石拱桥(图1);全桥设计荷载:汽-20级,挂-100级,人群3.5kN/平方米。( q, |( v( P7 u3 b' t% U. i
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一、主跨集束钢管混凝土拱桥1 g, Q4 {9 `& D0 a; d9 u4 ?
主孔为跨径l=100m,拱度f/l=l/4的中承式肋拱。现择要叙述本桥的技术特点。8 T3 F& O: j  O% Y/ r& [
1.拱肋
% c, x8 P$ W4 E拱肋为三管集束截面,即3φ(700~1200)*(8~10)mm。
$ C+ g( e8 P8 Q9 w2 z. j: d管间以筋板焊接联系为整体,沿管径方向设φ32的联系筋,管间曲边三角形灌注砂浆填充,以保证集束截面的整体性,实现全截面抗力的要求。计算和实践均表明了它的可靠性。$ T; x; Q9 \0 j" L4 \
拱肋钢管材料为Q235b,管心泵灌C40混凝土;拱轴线采取抛物线,优化原则是恒载弯矩为最小;拱肋截面变化规律,取Ritte公式。为了改善拱轴线恒栽变形,钢管直径也可沿跨径方向取抛物线规律变化。& [0 C, R% z8 E9 ?
变截面钢管采用纵向卷制,沿母线焊接为下大上小的圆台形管段,每段长2m左右,然后接长为7~10m的吊装段。上述构思,基于以下考虑:
0 C2 a  @! Q# s$ D: S5 C! x·拱肋为完全的CFST,可以充分利用CFST的强度和刚度优势;
7 l! v7 m: ^& {·最大限度地减少管道节点,特别是活载受力的节点,以避免节点应力集中及活载引起的疲劳损伤。本桥桥道以上无管道节点,桥道以下斜撑节点作了缓和应力集中的构造处理和疲劳设计。
' D! m. }& f" d5 `: M' N1 v·保证结构的整体刚度,对于轻型结构的特大桥,刚度往往控制设计。多管集束截面,整体性强,刚度大。很少小于90°的"死角"连接。减少积水,便于防腐操作和保证防护寿命。
. L" Q% @: p  u+ s1 S·多管集束,管心混凝土分管泵灌,施工荷载集度划分变小,有利于施工安全。多管集束可组合为优越的截面形式。/ O9 [5 N; X) j' w# s, O, p
2.肋间横撑
9 l7 }5 U' \# g8 h3 d( P关于肋间横撑,有的称为“风撑”([3]),笔者曾在文献[1]中,对此表达过见解。现今的拱式体系中,横撑的作用,主要在于刚度贡献,而非只是承受风载的"风撑",其构造尺寸也不是依据风载作用决定,而是根据刚度设计的需要取定的。. E* ~1 ]' @0 Z
洪州大桥主跨桥道以上不设横撑,不仅是为了构造简单和节省材料,主要在于肋间构造经适当处理和正确计算后,可以不设横撑,能够保证结构的刚度及稳定性所必需的安全度,使长大桥的桥面以上,视野畅通,无阻断,轻松,简洁。相应地桥道以下则须布置强劲可靠的横向联系,并特别注意单肋根部(拱肋与桥道相交处)的联系构造(图1)。本桥桥道以下设置了两道K型横撑,截面为2φ1400*(8~10)mm。除以喇叭口与拱肋连接外,管内尚没必要的联结钢筋,以保证必需的联结刚度。6 F7 Q+ K' V' S. a' H, q  s
显然,这里注重拱肋的整体性,特别是联结刚度,力求避免如管道桁架体系中那样,成百上千的管道节点,缓和或避免节点应力集中及疲劳失效的困扰。
/ ~. Z/ z. K5 a" k3 c1 I3.桥道系
' J7 F$ S0 ^) C, ]# L1 R/ m# b桥道系为悬吊横梁加纵向简支-连续桥道板组成。横梁间距5.38m,未设连续纵梁。横梁为P.C混凝土,桥道板为R.C结构。
( k1 P. Z  F& Y1 g自1990年成渝高速公路中承式提篮拱桥研究和应用开始,对于桥道与拱肋相交处就采取了只设横撑不兼横梁,以使拱肋受力明确。分析认为,近年发生的某些重大桥梁事故,与该部位设置模撑兼作横梁的联系构造以及使用加载不当,有一定的关系。$ f2 D4 p: J. a0 v
4.吊杯吊具, M4 k0 C7 B: Q" x, [- q9 l, Z
吊杆为121φ7平行高强钢丝束。本桥吊杆吊具设计的要点是见图2。
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·连接器0 T$ A4 U. D% ]# I' N3 G
拱肋内侧设置吊杆连接器,肋内连接段的钢丝数为吊杆的1.3~1.5倍;拱肋钢管内设固定锚板,连接器下端设连接环与吊杆上端相连接;吊杆之下端,置于横下缘,锚具为冷铸激头锚。8 E7 c% j! M: }2 w
·双吊杯2 ]9 |" `) o1 |4 [% \/ K$ O
横梁两侧各设两根吊杆(即一横梁4根吊杆),按一根承载(至少是恒载)设计,同时布置两根。一则为了安全,再则为了便于吊杯拆换。7 o# h9 U, @9 V
·吊杆间距
5 C+ Z4 _3 h( u笔者倾向于取8m左右为宜,目的在于优化横梁与桥道板设置。本桥基于建筑效果考虑,横梁间距取为5.38m。吊杯及连接器防护与一般无异,不详述。& l5 k0 p1 c7 B/ x& x  C
5.钢管防护
* `) }0 x/ C/ u本桥钢管采用复合材料防护。厚度为1~3mm,防护构造由隔离、强度及耐候胶衣三层组成,如图3所示。+ l. R( h3 {" S. p! _; h& p

; O6 Z, n. x, [" E" L% W' b防护构造含有不低于钢材强度的纤维增强层,以适应钢管受力变形的需要;外层胶衣,抵抗大气、酸雨、盐雾、湿热的腐蚀,可任意配色。耐候胶衣层老化后,尚可重新喷涂覆盖,焕然一新。& @0 e& m% x% N: d' d( r9 l
防护施工,采用专用设备喷涂,只需清除钢管表面异物,清洁、干燥即可,勿须喷砂除锈等费时费事的环节。
. Q7 p& p+ P0 I) Z' |复合材料防护层,成强过程中具有一定的收缩量,因此,防护层与钢管表面除了具有粘结力外,还具有收缩引起的紧箍力。$ G* W- J# y, Z4 |
经中国科学院金属所对比实验表明:复合材料防护之抗酸雨、盐雾、湿热等腐蚀性能,显著地优于喷锌、喷铅防护,防护寿命远比后者长。) O8 H# W4 f: F7 G
已有的工程应用之价格,低于喷锌、喷铅防护。4 p6 b( Z9 a5 x! Y5 S/ I" a! A
6.拱座
  U) c( M0 N! a9 X* J4 o" e拱肋钢管伸入拱座混凝土0.5mm左右,与拱座内预埋钢板相焊接,管内设有埋入拱座的锚固筋。拱座内设有多层钢筋网。& a: T/ C  `- y

2 A+ K% P+ o) K" z$ P9 i二、拱肋计算( W  a, a" r! J& y& H- l. y
桥道以上无横撑集束钢管混凝土肋拱桥,除了通常的设计计算以外,具有特点的是拱肋的稳定性计算及施工计算。
; q. @+ p0 d# ]1.拱肋强度计算
9 ]0 j0 j" O7 M  F  Q8 u! a8 ~, R强度设计验算,按桥规作了不同荷载及其组合工况的计算,控制截面最不利组合的计算成果,均能满足桥规之极限状态设计准则。
, m6 u9 E. m, |, ]; C# X" @2.拱肋稳定性计算
4 h/ e0 K; }1 I8 l0 Z4 q本桥为变截面肋拱,桥道以上没有横撑,单肋独立承载,为全面考查体系的面内、外稳定性,取两种计算模型:全拱模型、桥道以上的单肋模型。
: {, J# ]+ ]! W. n, G计算结果汇总如表1。结构稳定性,满足安全系数k>4~5之判据。
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4.施工计算
. a. H2 \- g- Z对大桥施工中可能出现的各种典型工况进行了验算,即空钢管状态,以及按图4之1→2→3的顺序泵灌混凝土等四种工况。管1泵灌之混凝土成强后,再泵灌2管及3管;泵灌2,3管时,将对拱肋作抗扭计算。
; ~) @7 d* i' ]4 `' x5 c按规范指示,施工验算,取容许应力方法及相应的准则及判据。
$ ?! [) D- w" G: _; O三、施工5 ^  ~/ h/ C; ^: A
横梁吊装亦需进行控制计算,计算不难在内力影响线上实现,计算响应的位移和应力,用以控制施工。
/ v! d0 B! G/ M' H, }本桥主跨拱肋的施工,特点是拱肋钢管的焊接和无极绳运送,以及横梁的'荡提法"吊装。
  v% y  B% p. G8 W1.拱肋钢管) A6 g, I; f5 r- Y% a- U- k
拱肋3根钢管,在同一截面直径相同;沿跨径方向钢管直径取为变量。施工放样所需坐标及参数为管径ri;,截面形心(C)坐标(xc,yc),每个截面的拱腹和拱背坐标,如图4所示。拱管分段(≈2m)卷制焊接、接长、组拼为吊装段。8 t9 b9 D- r0 H. Q; V6 G. l
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2.拱肋钢管吊装
6 u3 A; o5 T4 ?·拱肋钢管吊装程序先将图4之2,3管组拼为吊装段,重量控制在7t左右,逐段吊装接长合龙成拱;再在2,3管组成的拱肋上,铺装1管,最后形成三管集束截面的拱肋。
" I& n: _) Y% {/ }1 [4 i·拱肋钢管吊装拱助钢管的吊运(图5),采用环状封闭的无极绳系统,以小吨位(5t)卷扬机作动力,轻型塔架支撑。钢管吊件的水平运输以无极钢绳的周向运动实现,竖向运输以塔架上的竖向滑车组收、放实现,吊装布置如图5所示。
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3.横梁吊装
0 U6 B# z# W% d5 |- m桥位处江水水位不稳定,大型浮吊无法作业,通常的天线吊装,价格达210万元(包括拱肋及桥道)。本桥桥道横梁用拱肋为支撑,采用"荡提法"吊装。所用设备及工艺均较简便。横梁重量38t左右。吊装布置如图6。2 }8 ]% c2 `& I  H) v* Q& Y; g
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工艺原理,即T1滑车组为横梁的提升系统;T2为水平移动系统。根据设备能力,确定水平荡移的角度≤17.5°,相应的移动平距为10~12m;滑车组竖直提升,可根据设备能力决定。当完成了工序I后,将横梁交付到工序Ⅱ的提升滑车组上,继续荡移,循环移动。具体细节,在此不再赘述。6 K; r, Q% r* @8 E% u$ |
4.效果
1 @, l  y- O$ d! Q# Y4 t吊装所用设备很少,施工操作安全,运行自如,速度不算低。整个吊装费用仅90万元左右。; H( u8 J  V% M) x8 ~" e/ J
本桥原设计为R.C箱肋拱,开工后方才改为现行集束钢管混凝土肋拱方案。原R.C箱肋拱后吊重达70t,吊装费用210万元。两者相比,荡提法吊装横梁及拱肋钢管无极绳吊装,节省吊装费用110万元。
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6 C6 F, [- {7 U/ k5 @) n四、实验检定
7 j) W$ `! g! Z; {洪州大桥的体系、构造及施工均有其特点,按竣工验收要求,进行了实载检定试验。* T& s* i$ s; l& }
现代大跨径桥梁,采用高强材料,体系轻型,按极限状态理论设计:加之一般的电测法,野外观测应变的可行性、可靠性值得商准。因此检定实验,以活载变形(刚度)检测为主,以动载响应为主。在完成了规定的试验工况后,尚作了一定的超越(包括荷载工况及检测内容),以便为体系研究积累资料。
9 D8 V: h6 f, P+ ~/ k( |7 A1.试验设备及方法
$ e- O, H$ |  D4 {; H- \; \) x通常的静载试验及量测为大家所熟知,不详述。% F8 i. \+ D* b- R' l, r) v* s& ~+ O
动载试验采用B&K431三轴向压电式加速度传感器,拾取桥梁竖向和横向信号;用B&K2635双积分电荷放大器转换为电压信号,将方向的信号记录于XR-50C的不同声道上;再以HP3562A动态信号分析仪进行分析处理,得到被测对象的固有频率、振幅、加速度等;进而求得前五阶模态两个方向的频率、阻尼比、振型等。; W+ a! g! c5 L3 Q
2.试验结果
4 p' D9 f! a7 l) k静载试验按设计之最不利加载,荷载效率取η=1.0。其主要响应如表2,表3。
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0 {2 s$ z/ [/ T9 y0 [动载试验之挠度峰值为5.01mm;加速度峰值为0.463cm/s2;平均冲击系数DAF=1.135。
6 C! ]2 ]9 e& X) e8 j: F1 p3.试验分析" L, C6 q3 U) x0 X' _  f3 P
·静载试验分析及结论 8 l) A2 q1 F! ?6 J. `
(1)试验结果,拱顶Mmax工况的设计计算值为Sstat=18.0mm,试验峰值为S=5.4mm;在各种静力工况下,拱顶截面最大(面外)横向挠度为1.0mm,其余各截面测不到读数(即小于1.0mm)。结构的荷载效应η≈1.0时,弹性变形之实测值(Se)与计算值(Sstat)相比,前者仅为后者的1/3左右,系因设计计算模型偏安全取定所致;表明设计和施工均是可靠的。& @, M) B3 A9 G' ?0 ?. l
(2)静载试验非弹性的残余变形很小--小于量测精度,这是因为荷载试验前,桥梁实际已经承受施工活载及非正式运营载荷,非弹性变形已基本消除。
* b: n( ]1 O3 z# \/ h- a4 R. Q(3)拱肋非对称加载,如L/4截面Mmin工况,所发生的拱肋挠度亦为非对称,且与理论预测接近。
6 Y0 x4 m  B% t: Y  h+ t* H(4)对比上下游拱肋在各工况下的变形响应,小有出入,一般为5%~10%左右,且上下游拱肋或高或低并非一致,荷载愈大相差愈小。% A( a( a8 i. K. H9 y3 d. \+ R
(5)试验未发现可见裂缝,拱脚无位移。
! d$ h$ A" S3 ^2 C+ Q' M·动载试验分析与结论
0 p3 n8 {0 e( `& z$ U(1)结构竖向自振一阶频率为0.82,阻尼比为0.16;横向自振一阶频率为0.72,阻尼比为0.03,与一般同类桥梁相近,与结构体系的特点相符。( [2 ]+ Q% K! u
(2)桥梁结构冲击系数平均为1.135,相应的车速为20km/h。这与结构的刚度,桥面的平整度及障碍物有关。当桥面不平整或遇障碍物时,将加大对桥梁的直接冲击,增大振幅,加大冲击系数。# Q' _! q; t" g! N5 `
(3)当汽车以V=40km/h通过时,冲击振幅增大,可能系因行车振频与桥梁低阶频率相近,试验表明冲击系数与车速成非线性关系。
1 Q' k. G  \/ _. Z. k1 Q* y/ `% |(4)由各阶振型曲线可知,桥面振动幅值在0.51~0.32mm之间,属于正常弹性振动。3 N" M$ E9 p7 V( N$ }
(5)桥上行人的有感震动频率为2~6Hz,试验中的感受得到了证实。0 B  K# p# i* ?$ F
大桥已经运行两年,情况良好。
4 R$ l( `# F% k. P( W, T% `  ]6 E先后参加此项工作的还有谢玲玲、姜瑞娟、董海、饶俊勇和张耀等。
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参考文献
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( o  _9 F' _' ]# K[2]钟善桐.钢管混凝土结构.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1994
$ C; c  L/ {' p4 h5 L[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.北京:人民交通出版社,1999
' ?% z% j4 Y0 c" `[4]汤国栋,汤羽.轴向受压钢管混凝土短柱的表观弹塑性本构方程及其极限承载力.中国公路学报,1991年,第13期
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