钢管混凝土系杆拱桥设计

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中国市政工程

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钢管混凝土系杆拱桥设计

胡文儿!!郭卓明"

!!"上海沪洋高速公路有限公司#上海$%%$&$"$"上海城市建设设计研究院#上海$%%%!!$

摘要"在几个工程实践的基础上!对钢管混凝土系杆拱桥的设计方法"刚度取值"稳定方面以及总体设计的一些主要参数做了一些探讨#提出对于钢管混凝土拱桥!采用钢筋混凝土的计算方法是比较恰当的$而对于中等跨径钢管混凝土拱桥的系杆安全系数选择则宜介于一般预应力构件与特大桥吊索之间#关键词"钢管混凝土拱桥#计算方法#稳定#总体设计中图分类号"#$$%&""’

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钢管混凝土系杆拱桥与连续梁桥等其他桥梁相比!其主梁梁高较低!而且在横桥向!纵向系梁设置于拱肋位置!不占用车道位置!系梁顶面可高于桥面!因此控制桥面标高实质上是横梁高度#采用系杆拱桥方案带来引桥桥孔缩短所节约的工程造价是相当可观的#

系杆拱桥以其较小的主梁建筑高度!降低了工程总造价!并以简洁美观的建筑造型!使其在与其他桥型方案的竞争中优势比较突出#尤其由于系杆拱桥水平推力的自我平衡!解决了沿海地区软土地基一般无法承受较大水平推力的问题#因此!近年来在桥梁建筑方面对景观要求日益重视的情况下!系杆拱桥的优势显得越发明显#此外!由于钢管混凝土拱桥一方面钢管的约束提高了混凝土的承压能力!另一方面也使拱桥的施工更加便捷#钢管混凝土系杆拱桥的发展目前可以说方兴未艾!是一种值得进一步推广的桥型结构#

川万县长江大桥&广西扈江大桥’以及集束钢管混凝土断面形式#

钢管混凝土拱桥的拱肋断面形式在实际应用中的变化是非常灵活的!除了上述所列的几种类型之外!尚可以采取束管&管中管等其他形式!均应视工程具体情况而定#

"钢管混凝土拱桥的计算方法

钢管混凝土拱桥作为拱桥体系中的一种!其设计过程基本同钢筋混凝土拱桥的设计过程#然而!作为一种应用新材料的桥型!钢管混凝土拱桥的理论研究目前还比较滞后!钢管混凝土拱桥的设计计算理论还需加紧完善#

"0!钢管混凝土拱肋的计算模式

尽管目前国内钢管混凝土拱桥的实践已经进入一个相当繁荣的时期!但是在目前尚没有权威的正式设计规范出台的情况下!对于钢管混凝土结构的计算模式依然有很多争论#下面是几种比较常规的设计计算方法#

!钢管混凝土拱桥拱肋形式

拱肋形式的选取一般根据桥梁跨径而定#一般来

-’钢管混凝土计算模式(按照国内常用有关的三

种规程中提到的计算方法来计算!计入钢管套箍作用引起的强度的提高#该计算模式是钢管混凝土理论研究成果在实际工程中的具体应用!充分利用了钢管混凝土的受力特点#按该模式设计可以优化截面尺寸!减少材料用量#

说!对于刚性系杆刚性拱的拱肋高度一般为主跨的

!"#$%!&’$!刚性系杆柔性拱体系还可适当降低#拱

肋宽度以及拱肋数量则应根据桥梁宽度确定#

对于跨径较小的系杆拱桥!尤其是主跨小于-../的拱桥!一般都采用单支钢管混凝土拱肋#对于跨径较大的钢管混凝土拱桥!拱肋则一般采用桁架形式#其中哑铃形双支拱肋一般在跨径为!$$(%)$$(*的情况下采用#当主跨大于)$$(*!其主拱肋一般采用多支形式#此外!采用钢管混凝土拱桥形式的尚有钢管混凝土劲性骨架外包混凝土箱形断面%如四

收稿日期%$%%’(%$)$!

0’钢筋混凝土计算模式(该计算模式的基本思路

是把钢管混凝土折算成相应的钢筋混凝土!再按钢筋混凝土结构进行计算#该计算模式没有引入套箍理论!依然应用钢筋混凝土结构的设计思想!简化了设计验算过程#

1’素混凝土计算模式(该计算模式的基本出发点

是不考虑套箍作用!不计入钢管对截面刚度的贡献!认

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胡文儿!郭卓明"钢管混凝土系杆拱桥设计

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为钢管只是在施工过程中起模板作用!拱肋按素混凝土计算截面特性!并按该截面特性作相关验算#

承载力破坏是伴随着结构的材料非线性和几何非线性共同发生的!这就使得其极限承载力既有可能发生在弹性屈曲临界荷载范围内!又有可能发生在弹性屈曲临界荷载范围之外%因此!对于钢管混凝土拱桥的工程设计!尤其是大跨度拱桥!仅仅采用弹性稳定分析是不够的!必须进行非线性分析计算!确定其极限稳定承载能力%

!$钢管计算模式"理论上还可以采用钢结构的设

计方法!其中核心混凝土仅作为加强刚度考虑!以提高拱桥的整体稳定安全性%

!"!钢管混凝土拱桥设计计算中的拱肋刚度取值

钢管混凝土由两种材料组成!管内混凝土是在钢管拱合龙后再浇注的!因此在施工加载过程中管内混凝土的刚度取值和管内混凝土达到强度后的拱肋截面的刚度取值都是计算中需要考虑的问题#

钢管混凝土拱肋作为组合材料!其刚度的取值对成桥后的变形和稳定性计算有一定的影响!而且由于钢管混凝土拱桥一般为超静定结构!所以对内力计算也有一定的影响#国内外现有的钢管混凝土的设计规程或规范对组合构件的刚度计算各不相同#

第一种方法按&"#"$%&’()’和英国规范&*$+!))’用钢管和混凝土的刚度直接相加!"

#%!拱桥几何和材料非线性稳定分析

钢管混凝土拱桥的稳定性计算通常是利用通用的有限元计算程序!求解线弹性最小特征值问题%这种方法能够对大跨度钢管混凝土拱桥这样的大型空间结构进行计算!同时由于拱的侧倾稳定问题属于空间问题!因此利用大型有限元分析软件求解更具有优势%但这种方法一般不考虑几何非线性和材料非线性的影响!因此也存在一定的局限性%

目前大型有限元分析程序的使用已经比较普遍!比如$:(;(等都可以考虑结构的材料与几何非线性特征!所以在分析手段上已经解决%在实际使用时!还可以对材料的特性采取一些适当的简化!比如选择双线性模型来进行分析!使得分析的收敛性得到改善%

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式中"#$为钢管混凝土压缩和拉伸刚度(#)"为钢管混凝土弯曲刚度(#&)#("为混凝土和钢管的弹性模量($&)$("为混凝土和钢管的面积()&))("为混凝土

和钢管的惯性矩%

第二种方法按&,",)-*-(&(’对钢管混凝土受

#"#拱桥稳定性的影响因素

经过分析比较!拱肋自身刚度)横撑形式)拱肋侧倾角对拱桥的横向稳定性影响较大%

压构件的弹性模量采用系数折减!"

&+拱肋自身的刚度"拱肋自身刚度对稳定安全系

数的影响显而易见!不必赘述%

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#(&"%",-./012345#&"*"6#(78""""""""""""","@+

式中"#(&"为钢管混凝土弹性模量(9为含钢率%

从这两种方法得到的结果表明!第一种方法算出的刚度大!第二种方法算出的小%根据结构原理!

%+吊杆非保向力的作用"吊杆非保向力对拱桥稳

定的贡献相当显著%另外!吊杆非保向力效应与桥面横向刚度有关!采用桥面板与吊杆横梁固结方式!保证桥面系的整体性!增加桥面系的横向刚度!使得吊杆的非保向力作用得到发挥%

但是对于上承式拱桥!就桥面内稳定而言!若加劲梁承受桥面荷载能产生纵向变形!当拱发生失稳时!由于立柱受到梁施加的水平约束而倾斜!产生的非保向力效应有加速失稳的趋势%对于桥面外稳定而言!当拱肋发生侧倾时!立柱倾斜受桥面荷载作用会对拱肋产生水平向外的推力!也有加速拱肋侧倾的作用%

刚度大则超静定结构产生的附加内力也大!因此内力计算时适合采用第一种方法算出的结果%

#拱桥总体稳定分析#"$稳定分类

稳定包括第一类平衡分支稳定以及第二类弹塑性压溃稳定%理论上第一类稳定是第二类稳定的上限!实际第二类稳定才是拱桥真正的破坏模式%弹性平衡分支失稳总是发生在结构塑性毁坏之后%但在实际工程的具体应用过程中!由于进行结构整体的弹塑性稳定分析相对比较繁复!对于第一类稳定!可以根据求解结构矩阵的特征值来得到!因此在许多工程实际中!尤其是前期设计阶段!一般都在进行第一类临界力安全系数计算的基础上来判别结构的稳定安全性%

与拱的弹性屈曲失稳破坏所不同的是!拱的极限

.+拱肋矢跨比的影响"拱肋矢跨比从-/%)增大到约-/.!横向稳定荷载也随之增大%但当矢跨比继续增大到2?2

!+拱肋间横向风撑的形式与刚度"横向风撑的布

置形式和风撑的刚度均会影响到拱的整体稳定性!其中风撑的布置形式对拱桥的横向稳定性影响更为显

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中国市政工程

胡文儿!郭卓明"钢管混凝土系杆拱桥设计

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著#一般采用!型或者"型风撑可以提供较大的剪切刚度!效果比较理想#对于中小跨径系杆拱桥来说!采用一字型横向风撑即可满足刚度要求#当桥梁跨径较小时!往往不设置横向风撑#

从风撑刚度角度考虑!在拱肋切平面的抗弯刚度对临界荷载的影响最为显著#风撑刚度的提高主要是具有增加对于拱肋自身转动的约束效果而增加拱桥的整体稳定性#但是随着拱肋间距的增大!尤其当桥梁宽跨比较大时!增加风撑刚度对整体稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济!此时以适当增加风撑数量比较合理#

道拱肋形成单拱肋的系杆拱桥%一般对于中小跨径系杆拱桥!单拱肋组合体系一般都是刚性系杆柔性拱!为增强抗扭性能!主梁一般采用闭合箱梁形式%

!"$系梁!横梁尺寸的拟定

在刚性系杆刚性拱结构中!纵向系梁一般都作为纵向系杆预应力的布置区域!因此其尺寸应以可布置预应力为标准!一般不需要很大的刚度!中小跨径的钢管混凝土系杆拱桥的系梁高与宽一般都在

%*(+’*,-)%也可将纵向系梁设置成箱形断面!但如

果放大主梁梁高!一般并不经济%

中横梁的梁高选取应结合拱肋横向间距(吊杆纵向间距!一般在横向跨度的%.%’+%.%/!一般均配置预应力钢束!因此横梁腹板厚度的设置与一般小跨径箱梁类似%

端横梁的设计主要是应该考虑对拱肋的约束作用以提高拱桥整体稳定性!因此一般都将端横梁的梁高适当放大!或设计成箱形截面%

!$端横梁刚度的影响"强大的端横梁可以对拱脚

形成有效的固接作用!因此对提高拱桥的整体稳定性相当有帮助%一般中小跨径系杆拱桥!拱肋之间设置的横向连接比较弱!有的甚至不设风撑!这种情况下!端横梁的刚度显得犹为重要#

"&桥面刚度的影响"非保向力的效果要视桥面的

横向刚度而定%当桥面系仅靠桥面板作为纵向连接和横向刚度的来源时!桥面系的刚度较弱!拱肋横移时!桥面系也会随之横移!非保向力就比较小%桥面系横向刚度较小时!桥面系刚度对临界荷载增大系数的贡献较为明显’当桥面系刚度较大时!逐渐趋于稳定%

!%&水平系杆的估计

由于系杆拱桥主要为桥面均布荷载!活载影响只要考虑一定的放大系数即可)一般在恒载的’,0左右&!所以钢束数量据此估算#水平系杆主要涉及对于系杆安全系数的选取#由于系杆是钢管混凝土系杆拱桥的关键构件!因此!笔者认为应该适当加大安全系数#卢浦大桥设计时选取了’1(的安全系数#鉴于一般系杆拱桥的预应力钢束均为混凝土包裹的体内索!笔者认为!系杆的综合安全系数选择’1,比较恰当#

这样!考虑到系梁也将承受一定的弯矩以及应在系梁内保持一定的永久预压应力!综合考虑后!一般系杆所需的总预应力钢束应为恒载常规计算后所需钢束的两倍左右#这个数据在方案设计时非常有价值!可大大简化计算过程#

!总体设计其他问题

对于钢管混凝土系杆拱桥!尤其是中等跨径钢管混凝土拱桥的设计!除了上述讨论过的内容以外!尚有许多方面需要斟酌%对于钢管混凝土拱桥的总体设计!同济大学金成棣教授#$%$&(福州大学陈宝春教授#$’$&都有经典的论述%在此基础上!笔者结合自己设计的几座桥梁以及其他较多的方案设计谈一点体会%

!"#桥梁横断面布置

根据桥面宽度和道路横断面布置的不同情况!系杆拱桥的横断面布置也比较灵活%一般在道路横向

’结语

本文在几个工程实践的基础上!对钢管混凝土系杆拱桥的设计方法(刚度取值(稳定方面以及总体设计的一些主要参数做了一些探讨!可供在此类桥梁的设计过程中参考#参考文献

#金成棣$预应力混凝土拱梁组合桥梁"设计研究与实践%&’$北京"人民交通出版社!()*#+

%($)左右设置一道拱肋%如果桥梁宽度不是很宽!

一般在道路两侧各设置一道拱肋!形成双拱肋系杆拱桥%对于道路宽度较宽的高等级高速公路!由于一般道路都设置中央分隔带!因此设置三道拱肋的情况比较多%

如桥梁宽度更宽!而且中央分隔带又比较宽的时候!也可以将上下行桥梁分离!设置成两个独立的双拱肋系杆拱桥%这种情况也可以根据道路车道的布置方式设置成四道拱肋的形式%

如在桥宽不宽时!还可以在道路中心位置设置一

(陈宝春$钢管混凝土拱桥设计与施工%&’$北京"人民交通出版社!#,,,$

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