大跨度钢管拱桥

大跨度钢管拱桥（精选十篇）

大跨度钢管拱桥 篇1

庞村西特大桥是郑州市南出口暨郑州至新郑快速通道上的一座控制性工程, 跨越南水北调干渠;受干渠规划制约, 主桥采用160m下承桁架式钢管混凝土无推力系杆拱桥, 桥梁跨径布置为:25m+164.4m+25m, 桥梁全长220.4m, 采用平面与河道斜交, 斜交角度为50度。主拱拱轴线采用悬链线, 矢跨比f/L=1/5, 拱轴系数m=1.3。单幅桥主孔横桥向平行设置两片钢管混凝土拱肋, 其横向轴线距为23.6m, 拱肋钢管桁架为等截面布置, 拱肋高3.8m, 拱肋宽2.1m。标准段拱肋上、下弦杆钢管均采用φ900×16mm的直缝焊接管, 每道拱肋两拱脚间设置一道刚性系梁, 系梁为箱形结构, 宽1.8米、高3.2米。本桥横梁分为中横梁及端横梁, 中横梁采用T型梁, 马蹄宽50cm, 腹板厚0.36m;梁高1.8m。端横梁采用单箱室, 截面宽4.0m, 跨中梁高4.0m, 顶、底板厚均为50cm, 伸缩缝侧腹板厚80cm, 桥跨中心线侧腹板厚40cm, 均采用C50混凝土;单幅桥共24对吊杆, 吊杆纵向间距按6m设置, 主墩采用实体式桥墩, 方形承台, 钻孔灌注桩群桩基础。

2 上部结构施工流程

主桥上部结构施工顺序如下:①搭支架现场浇筑系梁、端横梁、中横梁及拱肋预埋段;达到强度后张拉第一批系梁、第一批端横梁及中横梁预应力钢束;②浇筑混凝土桥面板, 同时安装拱肋支架, 依次安装拱肋钢管及风撑, 拱肋分9段安装, 其中两段为预埋段;③待拱肋合龙后, 调整拱肋线形, 符合设计要求后, 进行节段之间的焊接;④自下向上两端对称泵送钢管混凝土, 顺序是:下弦内侧管-上弦内侧管-下弦外侧管-上弦外侧管。⑤待钢管混凝土达到强度后拆除拱肋支架, 安装吊杆, 进行初张拉, 一幅桥同一编号的吊杆同步张拉;⑥张拉剩余系梁、横梁预应力钢束;拆除系梁支架;⑦施工桥面铺装、桥梁防撞护栏及栏杆等;⑦调整吊杆索力至成桥索力。

3 施工工艺

3.1 端横梁、系梁及拱脚的施工

端横梁、系梁及拱肋钢管预埋段采用支架现浇。

1) 端横梁、系梁及拱肋钢管预埋段施工:

拱肋钢管预埋段是拱肋线形控制的基础, 施工时注意其几何尺寸、纵向仰角、横向垂直度, 以确保拱肋安装的精度。由于拱肋钢管预埋段与系梁、端横梁部分的混凝土一起施工, 因此, 在浇筑混凝土时, 将拱肋钢管预埋段固定, 防止在施工时移位。

2) 拱脚混凝土的浇筑:

浇筑拱脚混凝土时, 由于拱肋钢管两侧是钢筋、横向竖向波纹管密集区, 混凝土难以从上浇人, 振动棒上部插入困难;且横梁高度高, 使混凝土浇振密实有一定难度。为保证拱脚中下部的浇捣质量, 需要采取必要措施。

3.2 拱肋及风撑制作与施工

依据吊装设备和现场条件的便利性, 本桥每片拱肋分9段预制。

1) 钢管制作:

拱肋及风撑钢管采用Q345C钢钢板卷制的直缝焊接管, 钢管的卷制和焊接由专业厂家进行。卷制前, 应逐张仔细检查使用的钢板以满足设计中对材料的要求。卷制钢管时, 卷管方向应与钢板压延方向一致, 注意根据要求将板端开好坡口。焊接钢管的卷管焊缝应采用埋弧自动焊。

2) 拱肋制作:

主拱拱肋桁架为4根钢管组合而成的桁式断面。根据运输要求、工地节段吊装要求及焊接要求, 对单片拱肋进行分段加工。拱肋制作必修保证其几何尺寸的准确。组拼时, 建议先组拼一段拱肋的上弦杆, 再组拼下弦杆, 然后按设计要求将上、下弦杆定位后再套样制作腹板并与弦杆焊接。

3) 支架设计:

施工支架结构在使用条件下强度、稳定及变形等必须满足预定功能, 支架验算必须考虑风荷载、拱肋自重及混凝土湿重等;经验算支架体系采用Q235材料;钢管柱主肢均采用Φ426mm×8mm的钢管, 横撑采用[20#槽钢, 顶部分配梁采用H型钢440×300×11×18, 斜撑采用∠75×5的角钢, 节点板采用12mm厚钢板, 上人爬梯采用∠50×5角钢, 并安装安全护圈和休息平台;纵向和横向联系梁弦管采用Φ273mm×8mm的钢管, 横撑采用[20#槽钢, 斜撑采用∠75×5的角钢。

4) 拱肋安装:

每条拱肋分7段吊装合龙, 单片拱肋吊装时每段钢管桁架长约25米, 重约45吨。根据现场地形、支墩布置和拱肋安装情况, 拱肋吊装作业半径9～38米, 吊装重量10～60吨, 最后选用QUY350履带吊机, 超起配重, 主臂长60米。吊装时应以拱肋下弦为基准, 先对准两段拱肋的下弦杆, 再调整上弦杆。

3.3 拱肋混凝土的灌注

1) 本桥采用从拱脚到拱顶用泵送混凝土顶升法灌注混凝土。泵送混凝土的压强控制在2MPa内, 最大不超过2.5MPa。在拱脚上下弦管设置灌注孔, 在拱顶管内隔板左右两侧设置出浆孔, 焊接冒浆管以利拱顶段混凝土密实。拱圈混凝土的浇灌程序应按设计要求的工序对称、均衡原则进行施工。拱肋灌注前应压注高强等级砂浆润滑输送甭管、主拱肋钢管的内壁, 用以润滑输送管道, 减小混凝土的泵送阻力。

2) 对于支架法施工的拱肋混凝土灌注, 拱肋的附加应力相对小, 由于桁架式钢拱肋结构刚度大, 在混凝土灌注中钢管变形小, 但由于钢管是多点连续支撑, 钢管应力在纵向有不均匀性, 应加以重视。

3) 混凝土要求采用微膨胀、低水化热的流态混凝土。

4 结语

采用支架法施工的下承式钢管混凝土拱桥对吊装设备要求低, 拱轴线相对容易控制, 施工费用低;其结构轻盈, 造型美观, 适用于跨度较大城市桥梁;但钢管拱桥在施工过程中的重要环节应引起重视;如拱脚混凝土的浇筑、钢管拱肋现场焊接工艺、焊接质量控制及拱肋内混凝土灌注等。随着钢管混凝土拱桥的应用推广, 施工问题会日益受到重视;以上关键环节会在实践中不断总结和完善。本文总结的一些施工经验和方法可供同行在同类桥型设计、施工中参考。

摘要：庞村西特大桥是郑新快速通道上的一座控制性工程, 主桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥, 文章系统介绍了下承式钢管混凝土拱桥支架施工工艺及方法, 对该类桥型在施工中的主要环节作简要介绍并提出了具体施工质量控制标准和措施, 为类似工程提供参考。

大跨度钢管拱桥 篇2

铁路大跨度钢管拱混凝土系杆拱桥拱肋混凝土倒注技术

铁路大跨度钢管拱桥,由于其跨度大,外观美观,在铁路建设中较为常用.但系杆拱拱肋混凝土的倒注施工由于施工难度大,对倒注设备性能要求良好、混凝土坍落度要求合理、倒注时间必须连续,由于高空作业,安全防护要求高,成为铁路大跨度钢管拱混凝土系杆拱桥施工的控制性工序.本文通过对太中银铁路跨石中高速公路特大桥(60+96+60)M三跨连续梁钢管拱内混凝土倒注技术的总结,介绍了大跨度中承式钢管混凝土浇筑的.的方法 及要求.对类似工程的施工有一定的指导作用.

作 者：王登琴 作者单位：中铁二十一局集团第四工程有限责任公司,青海,西宁,810006刊 名：甘肃科技纵横英文刊名：SCIENTIFIC & TECHNICAL INFORMATION OF GANSU年，卷(期)：38(3)分类号：U4关键词：钢管拱 混凝土 系杆拱 倒注 施工技术

大跨度钢管拱桥 篇3

关键词：客运专线 梁拱组合结构 钢管拱

1 工程概况

西宝铁路客运专线咸阳西立交特大桥主桥采用64.15+136+64.15m预应力混凝土连续梁与中孔钢管混凝土加劲拱组合结构上跨西宝高速公路，梁长264.3m，中跨桥面对称布设两道钢管混凝土系杆拱，拱轴线为二次抛物线Y=0.8X-0.00588253X2。拱肋中心间距12.9m，计算跨径为L=136m，计算矢高为f=27.2m，矢跨比1/5，单箱双室变高箱形截面，采用“先梁后拱”方法施工。

每道拱肋截面全高3.0m，采用哑铃型截面形式，内充C55无收缩混凝土。上下弦管为外径φ100cm，壁厚δ=16mm的钢管，上下钢管中心距2.0m，采用厚16mm的腹板连接，腹板腔间腹板距600mm。腹板内除拱脚7m范围及吊杆处和横撑处2m范围内灌注混凝土外，其余部分均不灌注混凝土；拱肋之间共设1道米字横撑、8组K撑。米字撑及K撑的横撑全高1.5m，采用直径φ100cm，壁厚δ=16mm的圆端形空钢管。斜撑为外径φ90cm，壁厚δ=12mm的圆形钢管。两道拱肋共设14对吊杆，吊杆间距8m，采用PES.HY（FD）7-109低应力全防腐索体。

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主拱肋分为26节，其中拱脚4节，中间拼装节22节。K撑、米撑划分为8节横撑和20节斜撑。

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2 梁下及梁部施工工况准备

桥梁主跨以37°斜交上跨西宝高速公路，主墩采用钻孔灌注桩基础，桩径1.8m，桩长78m，梅花群桩18根，并按设计进行了桩后压浆的补强施工以增大承载力。墩身为哑铃形截面，截面混凝土方量58.1立方。

全梁设计情况为：梁拱结合部0#段长17m，边中孔合龙段长2m，边孔直线段6.15m、各标准梁段最大4.5m。直线段在支架上现浇施工，0#段的施工虑及拱脚预埋及挂篮安设因素，在施工中部分变更施工方案，采用将0#段、1#段和2#段同步支架现浇方案，其余节段采用挂篮悬臂浇筑。按常规施工方法于2011年8月19日边跨合龙，于2011年10月12日主跨体系合龙，退卸挂篮，清理桥面，准备进入支架施工。梁部施工期间采用了挂篮自防护体系和既有高速公路行车保畅措施，工程得以顺利实施。

3 拱肋临时支架方案的比选确定

本例连续梁—拱组合结构在目前客运专线建设同类型结构中属较大跨度，钢管拱肋的安装首先应确定拱肋支架方案。综合考虑到拱肋支架搭设及预压、拱节吊装定位、精测精调、撑杆连接、焊接合龙及后期管内混凝土压注等各环节施工工艺要求，对支架施工方案比选情况作以说明：

方案比选

初期确定的三种支架方案：

第1方案：吊车上桥贝雷架立柱吊装方案

采用贝雷架在拱肋节段各连接处搭设门形支架，门形支架纵横向用[16槽钢与[10槽钢组焊成桁架进行连接，吊车上桥组拼。

第2方案：贝雷架立柱拼装桥下吊装方案

拱肋支架为贝雷架，在桥下组装12个门形支架，每个门形支架采用两台260吨大型吊车整体吊装到桥面，为保证支架的稳定性，各支架纵横向采用[16槽钢与[10槽钢组焊成桁架进行连接。

第3方案：轮扣式支架

首先用工字钢及方木在中跨两侧翼缘板搭设钢挑梁平台，并对平台进行防护。用轮扣杆件和φ48钢管搭设满堂架，在支架支座位置用方木及槽钢搭设操作平台拼装拱肋。经过多次方案会议评审，对轮扣支架方案进行了优化，拱肋拼装支座平台位置立杆按照30cm（横）*60cm（纵） 间距布置，各平台之间采用φ48钢管纵、横向连接为整体，检算满足要求。经过方案的优化，支架数量减少为原方案的3/5，减少了支架安装拆除工作量，加快了施工进度，节约了施工成本。

以上方案中，第1方案吊车上桥组装支架，桥下高速公路车流量大，吊装安全隐患较大，操作困难。第2方案吊车桥下整体吊装需长时间占用高速公路，且大型吊车租赁费用较大。第3方案轮扣支架方案搭设简单易行，不需要大型吊装设备和占用高速公路。比选后确定按第3方案实施。

4 拱肋临时支架施工

拱肋拼装支架采用轮扣杆件和φ48钢管搭设满堂架，轮扣及钢管较钢管桩、贝雷片等材料更为轻便，可在连续梁边跨将轮扣杆件及钢管吊运至桥面，沿桥面采用叉车水平运输至搭设位置，采用人工配合滑轮垂直吊运至搭设高度；通过钢绞线对支架预压进行反支点预压，拱肋支架搭设及预压材料上桥困难的问题得以解决。

4.1 支架布置

对于拱肋支架，通常情况下采用轮扣杆件和φ48钢管进行搭设，搭设面积控制在121.2m（纵向）×16.8m（横向），高度1.9～ 28.9m，支架横桥向共设17排，拱肋节段接头处立杆加密为31排，采用轮扣杆件搭设。支座处立杆间距为30cm（横）*60cm（纵），焊接平台处立杆间距为90cm（横）*90cm（纵）。各接头处平台采用φ48钢管纵、横向连接为整体。支架水平杆步距1.2m，具体布置见图4。

4.2 剪刀撑设置

全桥支架设置三向剪刀撑系统，在纵桥向最外排、第5排、第13排设置剪刀撑，横桥向在每个支座位置两侧设置剪刀撑，在垂直桥面方向上每隔6个横杆高度设置水平剪刀撑。剪刀撑与梁面夹角控制在45°～60°，采用φ48mm钢管搭接连接，搭接长度不小于1m，搭接扣件数量3个。

4.3 缆风绳安装

支架搭设宽、高较大，且外设4mm密目钢丝网防护，受风荷载影响较大，通过在梁面上拉设缆风，降低风载对支架稳定性的影响。顺桥向在4个拱座位置分别设置2道缆风绳，在第一个支座位置支架上端横穿一根φ48mm钢管，在钢管两端挂设φ15mm钢丝绳，利用倒链拉设至预埋段拱肋支架上。横桥向在支座位置支架两侧分别设置“X”型缆风绳，一端在支架顶端采用φ15mm钢丝绳固定，另一端采用倒链斜向拉设至另一侧梁面预埋钢筋上。

4.4 分配梁设置

在各管节对接处拼装焊接平台。平台设两层方木，方木间通过钯钉进行连接固定，底层为14×14方木，横桥向布置，间距同立杆间距，上层为满铺9×9方木，纵桥向布置，平台长3.6～8.4m，宽2.7m。将两层[20槽钢搭设在方木上作为分配梁，转化支座承受的集中荷载，进而在一定程度上均匀地作用在支架上，分配梁之间焊接为整体，具体布置见图5。

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4.5 支架预压方案选定及实施

由于本处连续梁作业空间受高速公路行车限制，采用传统预压块、砂袋、水箱等配重的预压方法，材料上桥困难，操作难度较大；钢绞线反支点预压方法在近几年已开始用于高墩0#块支架预压、挂蓝预压，技术经济效果显著，故预压方案选用钢绞线反支点预压法。

对于每个支承平台，分别设置2个预压点，沿纵桥向分布在钢支座中心的两侧，间距控制在60cm，每个受力点的张拉力按1.2倍的二分之一管重考虑。

对于预压用钢绞线下端，在桥体竖向预应力筋精轧螺纹钢上，通过利用精轧螺纹钢与钢绞线连接器进行锚固；上端在钢支座分配梁上设置长40cm、宽40cm、厚2cm钢板，钢板中心开设φ20mm圆孔，利用5孔扁锚及夹片将钢绞线锚固于钢板上。

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通过27t液压穿心式千斤顶进行张拉。通过采用左右侧支架对称分级预压方法进行预压，支座1～4分3级进行加载，第1、2级分别张拉至50KN、100KN，第3级张拉至P，支座5分2级进行加载，第1级分别张拉50KN，第2级张拉至P，持荷48小时后分级对称卸载。

在每个平台上分别设3个观测点，分别对预压前、预压中、预压后进行观测。对于支承平台非弹性变形通过预压可以消除，对支座高度调整量进行确定。

4.6 钢支座安装

完成预压后，将长74cm（横桥向）、宽56cm（纵桥向）、厚2cm钢板焊接在顶层分配梁顶面，钢板上设4个长条孔，通过螺栓与拱肋拼装钢支座进行连接，可以进行相对滑移，拱肋拼装就位后，可以对精确进行定位和调整。采用1块水平钢板、2块弧形钢板、1块端头板及2块连接板焊接成钢支座。（如图8所示）

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4.7 支架拆除

支架拆除程序遵守由上而下，先搭后拆。一般拆除顺序：安全网及缆风→栏杆→作业平台→剪刀撑→横向水平杆→纵向水平杆→立杆→挑梁平台→支架材料吊至桥下→清理梁面。拆下的杆件由上向下传递或用绳吊放，严禁住下投扔。拆除的构配件分类堆放，以便于运输、维护和保管。

5 几处特殊关键技术方案和技术创新点

本桥施工中存在拱脚预埋段无法支撑固定、梁体提供的拱肋拼装平台宽度不够、拱肋支架搭设材料无法直接上桥等问题，钢管拱肋的测量精调、线型控制措施。

5.1 拱座预埋段施工

拱座预埋段位于0#块上，进而在一定程度上确保拱座预埋精度，对于0#块混凝土，我们分两次进行浇筑。第一次浇筑至梁体顶面以下1.5m位置，并埋放拱脚预埋段定位支架的固定预埋件，在固定预埋件上安装拱肋定位支架，解决了0#块无法支撑固定的问题。0#块第一次混凝土浇筑后精确放样拱脚预埋段定位支架位置，在拱脚上、下弦管下管口位置分别安放支架A、支架B，在距拱脚上口56cm处安放支架C，通过与预埋拱肋支架定位钢板进行焊接固定。支架主要由I20工字钢、[10槽钢和钢板组成，见图9。

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采用全站仪测量上、下弦管位置及高程，调整拱肋至设计位置，使各项偏差满足允许误差要求。调整完成后，将支架滑移装置、拱脚与定位支架焊接固定，浇筑拱座混凝土。

5.2 钢挑梁平台搭设

通常情况下，将拱肋外边缘与梁体翼缘板边缘之间的距离控制在10cm，将拱肋拼装支架直接搭设在梁面上，对于梁体来说，如果无法提供相应的拱肋拼装平台，在这种情况下，需要采取相应的措施，对拱肋支架搭设平台进行加宽处理。

对于钢挑梁，通常情况下选用I20工字钢通过悬挑的方式进行搭设，挑梁的长度、外挑长度、梁面上固定长度分别为4.5m、1.6m、2.9m。对于支架加密区来说，顺桥向搭设间距控制在0.6m，对于非加密区，顺桥向搭设间距控制在1.2m。用φ20门型钢筋将钢挑梁伸入梁面一端，进而在一定程度上，通过焊接的方式，与梁体防撞墙预埋钢筋进行相应的固定，进而为钢挑梁的稳定性做好前提准备，在距离梁翼缘板边缘1.07m挑梁顶面上设置一道纵向扁担梁，沿主梁进行全桥贯通，将2根[20槽钢通过背焊方式组成扁担梁，每4m用竖向精轧螺纹钢将挑梁与梁面压紧密贴，经检算其稳定性及刚度满足要求。

安装完钢挑梁后，在其上纵向铺设5排14×14方木，间距16cm，通过铁丝将方木与挑梁进行固定，利用钯钉将两接头方木钉紧，其上满铺竹胶板，在一定程度上防止支架及拱部施工时坠物危及行车安全，同时为桥面以外支架提供支撑平台。

6 拱肋拼装施工

6.1 拱肋加工、运输、存放

钢管拱拱肋节段在工厂制造，试拼合格并且对焊缝检测合格后组织进场。钢管拱节段的装卸、运输在涂膜干燥后进行，运输过程中防止构件变形。节段运输到现场后根据拱肋安装顺序存放于桥下场地。

6.2 拱肋吊装施工分析及确定方案

支架上安装钢管拱肋最大节段重量20.18t，起吊高度最大45m，吊车作业半径最大18m，查吊车技术参数表，拱肋吊装选用260t汽车吊，按对称方式进行吊装作业，工前高速公路半幅封闭。

6.2.1 吊装顺序

吊装从下到上对称进行，拱肋及横撑安装顺序如下：BC节段→BC节段→ML→ML节段→LK节段→LK节段→8号K撑→CD节段→CD节段→1号K撑→DE节段→DE节段→2号K撑→KJ节段→KJ节段→7号K撑→JI节段→JI节段→6号K撑→EF节段→EF节段→3号K撑→FG节段→FG节段→4号K撑→IH节段→IH节段→5号K撑→GH节段→米字撑。

6.2.2 吊装作业

通过捆绑法进行吊装，在吊装前，对吊点位置进行计算，并对吊点进行试吊和调整，选用双股φ30mm及25t卡环钢丝绳捆绑拱肋，260t汽车吊自行完成拱肋翻身、起吊作业，拱肋最低点脱离地面后，观测拱肋角度，满足设计要求后吊装至拱肋支架上进行定位。考虑安全和拱肋的稳定性要求，拱肋吊装前，在拱肋接头处拉缆风绳，拱肋起吊成竖直状后，利用缆风绳将拱肋拉稳。

6.2.3 拱肋定位

通常情况下，在上节已定位拱肋下弦管的下端，对定位马板进行焊接，在支架上方吊装拱肋后，对于拱肋来说，其前端和后端分别落至钢支座上和定位马板上。

6.2.4 拱肋精调

每段钢管拱肋布设3个观测点，通常情况下，这三个观测点分别位于上弦管上管口为1点，下弦管上管口为2点，下弦管下管口为3点。如图11所示：

6.2.5 拱节焊接与拱肋合龙

当后一节段吊装时，对前一节段的接口处进行永久性焊接。接头施焊由拱脚向拱顶上、下游对称进行。拱肋及腹板在接头处采用对接焊缝，坡口型式为Y型，焊接工艺为CO2气体保护焊。外套管与上、下弦管采用贴角焊，焊接工艺为手工电弧焊。

合拢节段在加工时，每端预留10cm富余量。在吊装前一天，对两端缺口标高、坐标、长度进行精确观测，每隔2小时观测一次，以把握不同温度时缺口的变化情况，并连续观测合龙段本身的长度变化情况。

根据观测结果，确定合龙时间、温度要求及合龙口的精确长度，对合龙节多余部分进行切除。在第二天相同环境条件下，进行合龙节段的安装，安装时测量气温在10℃～15℃之间。

6.2.6 撑杆安装

K撑的横、斜撑吊安装随主拱安装对称进行，安装时两侧主拱段接口均已进行了永久焊接。

6.2.7 施工防护措施及实施情况

①支架临边防护：对挑梁顶面进行全封闭，于纵向方木上满铺竹胶板并设挡脚板以防坠物；于最外侧支架张挂双层密目铁丝网。

②拱肋焊接防护：主拱焊接时，焊渣易从安全防护网中穿过，掉落至桥下。高空焊接时为了消除风对焊接质量的影响及保温，我们对焊接部位采用彩钢板进行围护。焊接拱肋时，在焊接平台顶面铺设一层防火布防止焊渣引燃方木。

③道路保畅：吊装时公路半幅封闭，路政单位协助实施。

7 结语

本例连续梁—拱结构已于2012年9月顺利施工完成，过程中安全、质量受控，各项检测合格，本桥钢管拱内混凝土压注、吊杆安装及张拉等施工及相关后期检测本文未及。希望所述钢管拱安装能为同结构施工提供经验和技术借鉴。

参考文献：

[1]TB10752-2010 J1148-2011，高速铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2007.

大跨度钢管拱桥 篇4

茅草街大桥是湖南省省道1831线跨越凇澧洪道、藕池河西支、南茅运河及沱江的一座大型桥梁。主桥为80 m+368 m+80 m三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥,主拱轴线采用悬链线,计算跨径356 m,矢跨比1/5,拱轴系数1.543,计算矢高71.2 m。该桥主跨跨径是同类型钢管混凝土拱桥中的最大跨径。

主拱拱肋采用中承式双肋悬链线无铰拱,每片拱肋由4根钢管组成,内灌C50混凝土作为弦杆,上、下弦之间用钢管作为腹杆,组成桁式拱肋。每条拱肋沿跨度方向分23节预制,加上14道横撑,全桥拱肋共分60段预制,最大吊装质量为65 t。本桥采用的368 m跨扣架吊架合一的缆索吊无支架施工系统较为少见,施工难度大。

考虑结构特点和现场实际情况,确定拱肋吊装的施工总体方案为:拱肋节段安装采用两岸对称悬拼,每半跨拱肋11个节段,共设6个正式扣段和5个临时扣段。第一扣段含三个节段(其中两个为临时扣段)、第二、三、四扣段含两个节段(其中各含一个临时扣段),第五、六扣段为两个永久扣段,待节段就位接头张拉正式扣索后,拆去前面临时扣索(临时扣索采用钢丝绳或钢绞线)。并对临时扣段进行焊接。节段为单肋安装,单肋节段安装就位后拉缆风索,确保横向稳定,待上下游同一节段吊装就位后,安装相应连接横撑。

2 缆索吊装系统[1,2]

2.1 缆索吊装施工系统总体布置

本桥缆索吊装施工现场布置由起吊安装系统、拱肋扣索系统和稳定系统组成。起吊安装系统由吊塔、吊锚及吊装索缆等构成,其中吊塔放置于扣塔之上,通过铰脚与扣塔相连;拱肋扣索系统由扣塔、扣索锚结构及钢绞线扣索等几部分组成。稳定系统由平衡索、缆风索等构成。为提高施工安全及加快施工进度,采用上下游四套(两组主索)吊装系统进行安装,现场总体布置如图1所示。

2.2 吊装索塔

吊装索塔立于扣塔塔顶,吊塔与扣塔的连接形式为铰接。吊塔采用乙型万能杆件组拼成双柱门式,塔高约20 m,每柱截面2 cm×4 cm,每肢为4N1,吊塔纵向宽为4 m,横向宽28 m(塔顶),塔顶设索鞍平台(如图2示)。

2.3 承重主索

主索主跨为371.5 m,后锚端跨径分别约为301 m和285 m(益阳岸)、240 m和190 m(南县岸)。全桥共设四套主索吊装系统(对应上、下游拱肋各二套),上游由2组9ϕ39 mm钢丝绳组成,单根长度为967 m,重载垂度为L/13.7,空载垂度为L/18.2;下游由二套6ϕ47.5 m钢丝绳组成,单根长度为995 m,重载垂度为L/13.7,空载垂度为L/18.3。钢丝绳抗拉强度为1 700 MPa,主索张力安全系数3.5。

2.4 起吊系统

每套主索上布置2个吊点,上游主索(2×9ϕ39 mm钢丝绳)共布置4个吊点,每个吊点采用ϕ22 mm的钢丝绳(抗拉强度为1 700 MPa)走8线。下游同上游布置。每一拱肋节段用每组主索系统上的4个吊点抬吊,每个吊点用1台10 t中速双筒卷扬机作为动力机械,起吊索张力安全系数5.6。

横撑节段用上、下游内侧的2套主索上的其中两个吊点进行抬吊。

2. 5 吊装锚锭

全桥共设4个锚碇,南县岸下游采用桩式地锚,由4×Φ2.2 m,桩长49 m,上游用10 m×10 m×2.5 m承台联系组成,其余采用重力式捆绑地锚,每个地锚砼约为1 300 m3,地锚的抗剪、抗拨等安全系数均大于2.5。

2.6 稳定风缆

为保证施工过程中缆索吊装系统的稳定性,设置横向抗风索,采用ϕ28 mm钢丝绳,在吊装索塔的上、下游两侧各布置两组(每组2ϕ28 mm钢丝绳)。一端系与塔顶,一端与缆风锚碇连接。抗风索单根ϕ28 mm钢丝绳的初张力为80 kN,安全系数3.0。

2.7 缆索吊装系统的调试及试吊

缆索吊装系统布置完成,在吊装拱肋前必须进行试吊运行试验,以检测验证其吊重能力及各种工况下的系统工作状态。为以后拱肋的吊装施工提供可靠的技术保证。缆索吊装系统试吊运行试验主要包括吊重的确定及重物选择,缆索系统的观测、试验数据的收集、整理、分析等工作内容。在调试和试吊的每一个程序中,都必须认真进行主索垂度、主索张力、塔架位移、各类地锚位移等吊装设备、设施、机电的观测。

3 拱肋吊装施工[3,4]

3.1 施工工艺

拱肋缆索吊施工工艺流程如下:

拱肋节段工厂预制→船运至桥位→节段起吊、纵移、就位螺栓连接→节段扣索设置、扣索调整、松吊点→完成同岸上、下游同号节段安装→拱肋间横撑安装、完成一个双肋节段吊装单元→扣索索力及拱肋节段标高的调整→焊接临时扣索接头→完成全桥拱肋节段及相应位置肋间横撑的安装→对称安装上游11号节段→上游拱肋合拢→对称安装下游11号节段→下游拱肋合拢→精调、固定合拢装置,各接头焊接形成无铰拱→逐级松扣。

3.2 拱肋吊装

拱肋吊装施工采用上下游分段吊装、两岸对称悬拼至跨中合拢的总体施工方案。下面介绍拱肋节段吊装的施工方法和和工艺。

3.2.1 第一节段拱肋安装

第一节段分为三个吊段,先用上游主索上四个吊点吊运上游第一吊段至拱座旁,慢慢地将拱肋节段拱脚端置于拱座上,借助拱座上预埋件通过链子滑车逐步调整第一吊段拱脚端铰轴钢管位置,使其与预埋的拱脚铰座接触密贴上好临时扣索并张拉扣索。靠跨中的一端,用横向调位缆风索调整好轴线位置,根据设计标高用临时扣(缆)索调整标高,待力全部交于扣点,拱肋标高、轴线调整满足规范要求后,取下吊点。

按同样方法吊同岸下游第一吊段,对称吊另一岸上、下游第一吊段。然后对称吊完第二吊段、第三吊段,第二吊段采用临时扣(缆)索固定,第三吊段采用设计的1号正式扣索。

第二吊段待同岸上、下游双肋节段安装就位,用缆索吊装系统中的靠内侧两组天线抬吊该吊段肋间横撑进行安装。肋间横撑采用内撑管和插销定位安装,在该节段高程、轴线调整至符合设计要求后及时焊接作业。上、下游同岸两个同一吊段肋间横撑安装时其横向距离的有效控制通过调位设施实现。按同样方法完成第三吊段间横撑的安装。至此,完成拱肋第一节段的安装。

3.2.2 中间节段拱肋安装

中间节段吊装程序参照第一节段的施工方法进行施工。按吊装程序,每一正式扣索挂好后,均须对该扣索之前的扣索进行调索作业。调索作业根据设计方和施工监控方现场共同发布的调索索力和拱肋标高、调索顺序,对每一号索采用张拉设备同步作业,对称、分级张拉。同时用频谱分析仪对索力进行测试,以确保调索顺利开展,确保各吊段间横撑连接焊缝,节段间连接螺栓,节段间连接焊缝结构安全。对每一扣段,均进行一次拱肋轴线、拱肋高程的调整,避免拱肋的线形、标高误差累计到最后而造成调整困难,确保其安装精度的有效控制。

3.2.3 合拢段拱肋安装

拱肋6号节段安装完成后,尽快地实施合拢。

合拢前通过扣索、抗风索,对拱肋进行线形、标高的调整,并根据需要进行温度修正,选择温度稳定时段用设计临时合拢构造实施瞬时合拢。设计合拢温度在15℃左右,不超过20℃。临时合拢构造设在两主弦管间,全桥共4个,通过法兰螺栓旋转对拱圈两侧施力达到弦杆内力调整及定位的目的。合拢施工统一协调指挥,确保合拢时4个临时合拢构件同步完成作业。合拢后对拱肋线形及位置实施精确测量,通过扣索和拱顶合拢装置进行精调,调整合格后固定合拢装置,进行各扣段间连接的焊接工作,完成后拆除临时合拢装置。

3.4 松扣和卸扣

空钢管拱肋合拢、各节段接头焊接完成,封固拱脚(按设计文件实施),由两铰拱转换成无铰拱后,逐级松扣,将扣索拉力转换为拱的推力。松扣程序为:从跨中6号扣索开始,两岸对称分级(扣索拉力分5级,每级放1/5),依次(从6号→1号)放松,各扣索松一级,暂停15至20分钟后,测试拱肋钢管应力、标高、轴线及平面位置,经设计、监理、施工监控方确认后,再进行第二级放松循环。最后一级保留5%左右的扣力暂不放松。

松扣后对拱肋进行全面测试,根据测量结果来决定:①纠偏方式(适当调整缆风索、部分扣索索力等)。②修正管内混凝土灌注方案和灌注顺序。

拱肋钢管内混凝土灌注完成后,彻底放松扣索,并将扣索拆除。

4 结语

茅草街大桥主拱肋采用缆索吊装施工技术,在地质条件复杂和保证桥下河道正常通航的情况下,安全优质地完成了施工任务,取得较好的效果。通过本大跨度拱桥的吊装施工,使缆索吊装施工技术得到了进一步完善,积累了施工经验,对今后类似的工程施工具有较好的借鉴作用。

参考文献

[1]路桥集团第一公路工程局.公路桥涵施工技术规范(JTJ041—2000).北京:人民交通出版社,2000

[2]刘吉士,阎洪河,李文琪.公路桥涵施工技术规范实施手册.北京:人民交通出版社,2002

[3]都昌林,马学峰,龚志刚.大跨径无支架缆索吊吊装系统设计与施工.公路交通科技,2004;21(9):74—77

大跨度钢管拱桥 篇5

复杂山区大跨度公路拱桥的施工组织设计研究

黔东南州三板溪展锦线平复溪大桥复建工程为大跨度钢筋混凝土拱桥,桥址区地势险要、地质构成复杂,采用预制吊装工艺施工.该桥具有预制场地狭窄、缆索体系设置困难、起吊高差极大、材料运输不便等多重技术难点.文章结合缆索吊装特点和地形构造特征,因地制宜,研制相应的施工组织方案,取得良好效果.本桥的`施工工艺可为同类型桥例缆索吊装施工提供重要参考.

作 者：惠小军 HUI Xiao-jun 作者单位：中国中铁五局工程集团,第一工程有限责任公司,湖南,长沙,410116刊 名：企业技术开发(学术版)英文刊名：TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE年，卷(期)：201029(1)分类号：U445关键词：钢筋混凝土拱桥 缆索吊装 施工组织

大跨度钢管拱桥 篇6

1 有限元模型及荷载简介

大跨度钢管混凝土拱桥空间有限元动力模型建立时需要考虑结构的刚度、质量和约束条件等的准确模拟问题。结构的刚度模拟主要指杆件轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度和扭转刚度的模拟, 有时包括翘曲刚度和杆件间连接刚度的模拟等;结构的质量模拟主要指杆件的平动质量和转动质量的模拟;边界条件的模拟应和结构的支承条件相符。

本文采用有限元软件MIDAS Civil 2010建立该桥的空间有限元模型, 钢管混凝土拱肋采用空间梁单元运用双单元法模拟, 其钢管和内填混凝土尺寸按照设计图纸取值;横撑、立柱、平联钢管和桥面系纵横梁按照设计尺寸采用空间梁单元模拟;桥面板采用空间板单元模拟;吊杆采用只受拉的桁架单元模拟。由于该桥拱脚基础采用扩大基础, 直接嵌固于岩石, 所以约束拱脚位置节点的六个方向的自由度来模拟拱脚基础;建模时仅模拟桥面铺装的质量, 而不模拟其刚度, 桥面铺装对主梁的作用考虑在二期恒载中。该桥共建立4480个单元, 其中只受拉桁架单元有42个, 空间梁单元有3686个, 空间板单元有752个, 空间有限元模型如图2所示。

2 动力特性分析

由于桥梁结构自身的阻尼对桥梁自振特性影响较小, 在桥梁自振特性分析时通常忽略阻尼的影响, 桥梁结构的自由振动平衡方程为:

$[\text{Μ}][\ddot{\text{U}}](\text{t})+[\text{Κ}][\text{U}](\text{t})=0(1)$

式中:[M]、[C]和[K]—分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵;

$[\ddot{\text{U}}](\text{t})$、$[\dot{\text{U}}](\text{t})$、[U] (t) —分别为结构体系各节点的加速度矢量、速度矢量以及位移矢量。

与 (1) 式对应的特征值方程可表示为:

([K]-ω${}_{\text{n}}^2$[M]) {Un}=0 (2)

由于位移是任意取值的, (2) 式必须满足

|[K]-ω${}_{\text{n}}^2$[M]|=0 (3)

本文采用子空间迭代法求解特征值方程, 得出该桥前100阶自振频率及主振型。表1中列出了该桥前10阶的频率, 图3中列出了前五阶的振型平视图和侧视图。

通过对自振特性的分析可知:

(1) 该桥的主要振型有主拱肋面外振动、桥梁面内振动和空间扭转。振型阶数越高, 振型越复杂出现耦合振动;

(2) 拱肋面内竖向振动时, 要带动桥面系振动, 使得中承式钢管混凝土拱桥竖向抗弯刚度大于横向抗弯刚度, 该类桥梁设计时应采取优化措施加强拱肋的横向刚度;

(3) 桥面系扭转频率在第四阶出现, 说明该桥的抗扭频率较高, 满足刚度要求。

3 动力特性影响因素分析

由于中承式钢管混凝土拱桥是一种柔性结构, 拱肋横向刚度弱。因此, 在设计时通常设置横撑以增强拱肋的横向稳定性。而拱肋作为桥梁的主要承重构件, 拱肋的材料特性、截面形式和尺寸对桥梁自振特性有着重要的影响。以下分别从变更横撑布置形式和数量、改变拱肋截面尺寸等来探讨大跨度中承式钢管混凝土拱桥的自振动力特性。

3.1 横撑布置形式对自振特性的影响

钢管混凝土拱桥布置横撑的目的是为了改善拱肋的局部稳定性并提高拱肋面外刚度, 提高全桥的稳定性。横撑的布置既要满足桥梁施工各阶段和使用阶段稳定性要求, 又要满足美观和桥面净空需要。常用的横撑样式有“一”字形撑、“X”字形撑、“米”字形撑和“K”字形撑, 本文在横撑布置数量不变的前提下, 改变横撑布置形式, 计算分析了不同横撑布置形式对大跨度中承式钢管混凝土拱桥动力性能的影响, 表2列出分别采用了4种不同横撑形式钢管混凝土拱桥的自振特性。

由表2可见:

(1) 采用一字形横撑拱肋的第一阶面外侧弯频率要小于采用其他三种横撑的钢管混凝土拱桥, 频率值约降低了40%;

(2) X字形撑、米字形撑和K字形撑的各阶自振频率和振型基本相似;

(3) 横撑布置形式并不提供整体竖向刚度, 对桥梁的竖弯和扭转振型的频率值影响不大。

3.2 横撑布置数量对自振特性的影响

钢管混凝土拱桥的横撑布置对桥跨结构竖向静力受力影响不大, 而对稳定性和动力特性有较大影响。布置横撑对提高拱肋的面外自振频率和面外稳定性有很重要的作用。本文不改变拱肋材料和截面尺寸计算分析了以下几种工况:

工况一:去掉所有横撑, 成敞口拱;

工况二:去掉所有上横撑, 只保留下横撑;

工况三:保留下横撑和拱顶两道上横撑, 去掉中间4道上横撑;

工况四:保留下横撑和桥面上四道上横撑, 去掉拱顶2道上横撑;

工况五:全桥设置12道横撑 (原方案) 。

由表3可见:

(1) 各工况下, 该桥的一阶振型均为拱肋侧弯, 随横撑布置数量的增加, 拱肋的横向基频不断增大, 并且上横撑对拱肋横向刚度的影响远大于下横撑, 中承式钢管混凝土拱桥应根据桥面净空和美观的要求布置合理数量的上横撑提高拱肋的面外刚度;

(2) 当横撑数量布置较少时, 拱肋会出现局部扭转的现象, 所以应合理布置横撑间距, 防止拱肋局部失稳;

(3) 由于横撑并不提供桥梁整体竖向刚度, 所以横撑布置数量对桥梁的竖弯和扭转振型频率值影响较小。

3.3 主拱肋对桥梁自振特性的影响

保证钢管材料性质不变, 且钢管混凝土拱肋截面的含钢率保持不变的条件下, 增大钢管的直径, 探讨分析主拱肋截面刚度对中承式钢管混凝土拱桥自振特性的影响。计算结果见表4所示。

由表4可见, 随着拱肋截面尺寸的增大, 桥梁的自振频率不断增大。当桥梁截面尺寸增大一倍时, 一阶自振频率增大了5.3%, 说明适当增大拱肋截面尺寸可以提高全桥的自振频率。

4 结论

中承式钢管混凝土拱桥主要振型有面外振动、面内振动和空间扭转振动, 其中面外振动基频较低, 横向稳定性问题突出。采用合理的横撑布置形式和布置数量可以有效地增加钢管混凝土拱桥的横向刚度;适当增大拱肋截面尺寸可以提高桥梁的自振频率。在实际设计中承式钢管混凝土拱桥时应该综合考虑各影响因素, 提高桥梁的横向刚度。

摘要：以某大跨度中承式钢管混凝土拱桥为例, 采用有限元分析商业软件MIDAS建立了三维有限元模型对其桥跨结构的自振频率进行了计算和分析。得到了其前十阶自振模态, 并计算分析了横撑布置形式和布置数量、拱肋截面尺寸对桥梁动力特性的影响, 计算结果可为该桥的施工以及运营阶段的健康检测和维护提供参考。

关键词：大跨度中承式钢管混凝土拱桥,自振频率,有限元

参考文献

[1]唐志, 马晓锋, 杜镔, 等.钢管混凝土拱连续梁桥的动力特性分析[J].四川建筑, 2011, 31 (2) :138-139.

[2]苏成, 韩大建, 王乐文.大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立[J].华南理工大学学报, 1999, 27 (11) :51-56.

[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社, 2007.

大跨度钢管拱桥 篇7

自1990年四川旺苍东河大桥建成以来,钢管混凝土拱桥在我国应用发展迅猛,到目前为止,已建和在建的钢管混凝土拱桥有230多座[1]。

早期拱桥极限承载力的分析采用线弹性理论,其中具有代表性的是弹性屈曲法,弹性屈曲分析是将拱桥理想化为仅受轴向压力的欧拉杆件,忽略结构的初始缺陷、几何非线性及材料非线性,把结构和材料假定为线性,计算拱桥的临界荷载作为极限荷载[3]。但在工程实践中,拱桥尤其是大跨度拱桥,在受荷情况下,钢管和混凝土的弹性模量会发生变化而非常量;变形为非线性变化;主拱不仅轴向受压,而且也受到较大的扭矩和弯矩。因此,确定拱桥的失稳极限荷载,应采用几何非线性和材料非线性理论,考虑材料的弹塑性和拱的变形影响。

1 极限承载力的分析方法

1.1 弹性屈曲分析

在弹性极限阶段,对结构建立平衡方程:

其中,[K0]为弹性刚度矩阵;[Kσ]为几何刚度矩阵;λ为结构荷载稳定系数;{Δδ}为结构的节点位移增量。

在工程上取用上式的最小特征值作为结构分析的依据,常见的解析方法为逆矢量迭代法以及子空间迭代法。F=λminF0为工程结构设计取用的临界荷载。

1.2 几何非线性分析[4]

该方法的前提是假定结构材料为线弹性的,针对大跨度结构而言,还需考虑结构的大位移效应。常见的斜拉桥及悬索桥几何非线性影响较大。对这类结构建立的U.L列式的平衡方程为:

其中,{δ}为结构的节点位移;{F}为结构的外荷载。

对于非线性平衡方程(2)可以利用迭代法通过反复迭代求得收敛解。

1.3 双重非线性分析[5]

对工程中某些大跨度结构极限承载力的分析,需要同时考虑结构的几何非线性与材料非线性,即双重非线性分析方法。此时对结构建立的U.L列式平衡方程为:

其中,[Kep]为弹塑性刚度矩阵。

由于上式的弹性刚度矩阵随外荷载的加载为变量,因此很难采用常规方法进行求解。针对上式,具体步骤是采用混合法,先将结构的外荷载平分,再将每一等分(每一荷载步)施加于结构上,采用弧长法进行迭代求解。荷载平分的分数根据求解精度的要求来决定。材料非线性关键在于材料本构关系的选取,本文对钢管的本构关系采用陈宝春(2004)[6]提出的四段曲线构成的钢材一维应力—应变曲线,由于要考虑钢管对混凝土的约束作用,因此钢管内混凝土的本构关系不同于一般情况下混凝土的本构关系,本文采用韩林海(2007)[2]建立的核心混凝土的应力—应变关系模型。该模型是根据实验分析得出的受约束混凝土的本构关系。

2 实例分析

2.1 工程概况

某工程为两跨各125 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥,每肢钢管内灌50号微膨胀混凝土。主拱圈线形采用悬链线,拱轴系数m=1.1,结构的矢跨比为1/5;截面高度为3 m,哑铃形截面主拱拱肋截面。吊杆采用109根直径7 mm高强钢丝,每片拱肋17根,全桥共68根吊杆。每跨拱顶设置一道X形风撑,两边对称布置两个K形风撑。端横梁为普通混凝土,中横梁为预应力混凝土结构。

2.2 结构有限元模型

本文选用通用有限元分析软件ANSYS,对该桥极限承载力进行线弹性、几何非线性、双重非线性分析。分析模型为空间结构模型。由于钢管混凝土结构为两种材料的结合,对于这种结构的模拟方法有多种[7],本文采用双单元模型[2],两个单元通过共节点实现结构的一体性。同时在ANSYS选用梁单元Beam188来建立主拱空间模型,由于梁单元Beam188可以考虑大变形、大应变以及剪切变形等效应,基础采用固结处理。吊杆以及系杆采用空间杆单元Link10模拟,其他构件采用能自定义截面的梁单元Beam44模拟,桥墩施加全约束。全桥共分为585个节点,923个单元。有限元模型见图1。

2.3 极限承载力分析

本文基于ANSYS,对结构的极限承载能力分析采取线弹性、几何非线性、双重非线性三种方法来分别进行计算分析,由于主拱为拱桥受力的主要结构,因此双重非线性分析时,本文仅考虑主拱圈的双重非线性,其余单元只计入几何非线性的影响。桥梁荷载采取恒载+全跨双向汽车荷载,汽车荷载采用均布荷载,本文采用加载系数λ(所加荷载与自重的比值)作为结构的稳定安全系数,失稳时的第一阶模态图见图2,拱肋拱顶竖向位移—加载系数关系曲线见图3,计算结果见表1。

从图2第一阶失稳模态可以看出,结构发生面外反对称失稳,表明该钢管混凝土拱桥横向刚度明显小于纵向刚度。根据表1的分析结果可以看出:考虑几何非线性所得出的加载系数和线弹性下求得的加载系数相比,下降了约7%;考虑双重非线性计算的加载系数和考虑线弹性计算的加载系数相比,下降了将近46%,表明几何非线性对极限承载力影响较小,双重非线性对极限承载力影响较大,因此,在分析大跨钢管混凝土拱桥时,应考虑双重非线性。

3 核心混凝土的套箍效应对拱桥极限承载力的影响

钢管混凝土结构的优势使得钢管内的核心混凝土承载力得到提高,应力—应变关系将不会出现下降段或者出现下降段的趋势会减弱[2]。

本文将采用混凝土单轴受压本构关系计算得到的钢管混凝土拱桥极限承载力,同根据文献[2]的核心混凝土本构关系计算得到的钢管混凝土拱桥极限承载力进行比较,分析套箍效应对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响。采用双重非线性分析的拱顶竖向位移—加载系数关系曲线如图4所示,加载系数分别为5.10和3.97。

由图4的分析结果表明,考虑核心混凝土的套箍效应时,钢管混凝土拱桥极限承载力与不考虑核心混凝土的套箍效应时相比,提高将近29%,表明钢管和混凝土在一起工作,可以充分发挥其材料的优良性能,显著提高钢管混凝土拱桥结构的极限承载力。

4 不同的布载方式对拱桥极限承载力的影响

下面分析钢管混凝土拱桥在两种荷载分布情况下结构的极限承载力。

工况一为:

恒载+全跨双向汽车荷载,汽车荷载采用均布荷载;

工况二为:

恒载+半跨双向汽车荷载,汽车荷载采用均布荷载。采用双重非线性分析的拱顶竖向位移—加载系数曲线见图5,加载系数分别为5.10和2.62。

由图5的分析结果表明,与全跨双向汽车荷载相比,半跨双向汽车荷载的极限承载力下降约49%,表明不同的布载方式对结构的极限承载力有很大的影响。

5 结语

1)大跨度钢管混凝土拱桥极限承载力受双重非线性的影响较大,受几何非线性的影响不大,在分析大跨钢管混凝土拱桥时,应进行双重非线性分析。

2)核心混凝土的套箍效应对钢管混凝土拱桥极限承载力有很大的影响,分析钢管混凝土极限承载力时,应考虑套箍效应。

3)钢管混凝土系杆拱桥的极限承载力与荷载的布载方式有关。

摘要：采用线弹性、几何非线性、双重非线性三种方法,对大跨度钢管混凝土系杆拱桥极限承载力进行了分析,并讨论套箍效应和布载方式对极限承载力的影响。计算结果表明,对结构极限承载力分析时应考虑双重非线性和套箍效应,布载方式对极限承载力有很大影响。

关键词：钢管混凝土,拱桥,极限承载力,几何非线性,双重非线性

参考文献

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥实例集(二)[M].北京:人民交通出版社,2008:1-23.

[2]韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践[M].北京:科学技术出版社,2007:67-75.

[3]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,1997:142-182.

[4]赵长军,王锋军,陈强.大跨度钢管混凝土拱桥空间稳定性分析[J].公路,2001(12):15-18.

[5]申明文,李国平.钢管混凝土拱的稳定与极限承载力分析[J].结构工程师,2002(1):24-30.

[6]陈宝春.钢管混凝土偏心受压应力—应变关系模型研究[J].中国公路学报,2004(17):25-28.

[7]韦建刚,陈宝春.钢管混凝土拱材料非线性有限元分析方法[J].福州大学学报,2004(3):344-348.

大跨度钢管拱桥 篇8

太中银铁路ZQ-VII标DK697+043.36 12-32m+1- (60+96+60) m+21-32m石中高速公路特大桥位于宁夏自治区中宁县境内, 该桥为太中银铁路上跨石中高速公路而设。桥全长1316米, 主梁采用1- (60+96+60) m预应力混凝土连续梁和中孔钢管混凝土加筋拱组合结构体系。拱轴线采用二次抛物线, 中跨96m, 矢高16m, 矢跨比1/16。拱截面为哑铃状三腔拱。

拱内混凝土为C50微膨胀混凝土, 若根据一般浇注方法, 采用从上向下浇注管内混凝土, 就需要在钢管拱上开若干孔, 以便分段灌注、分段振捣。这种方案要满足“拱内混凝土必须一次浇注完成”的要求, 就需要边浇注边封开孔。这样不但因开孔多影响美观, 而且, 焊缝多会给钢管拱的质量会带来隐患, 质量无法保证。另外, 该种跨高速公路铁路桥在施工拱内混凝土时, 桥下高速公路不允许封闭, 大量高空作业极易造成高速公路事故, 安全隐患较大。所以采用从拱两侧低端倒注技术进行灌注。

2 钢管拱混凝土倒注施工工艺

钢管拱混凝土倒注施工工艺:清理管内杂物→焊接混凝土入口管→安装入口止流阀→连接泵倒注水润管、试注→放水→倒注混凝土→关上止流装置, 拆泵→拆除注口→清理注口、焊接注口。 (详见图1钢管混凝土倒注施工示意图)

3 设备选择

为满足设计要求, 防止由于单侧灌注混凝土造成拱受力不均, 我们采用2台托泵对同一个拱腔从两侧同时灌注。输送泵还得满足以下条件:

(1) 输送泵的额定扬程应大于1.5倍拱最高点高度。并且输送泵的管内压力不得超过10MPa, 防止灌注时钢管被压裂。

(2) 输送泵的输送量要满足施工要求, 这个根据不同条件要求不同。根据本工程实际情况, 要求其输送量必须大于20M3/h。

根据以上要求, 我们选择采用3台三一重工90型混凝土输送泵, 其中2台正式使用, 一台备用。

4 混凝土配合比设计

根据泵送倒注工艺自下而上施工特点。钢管混凝土宜采用半流动性缓凝性混凝土。

4.1 塌落度选择

混凝土必须具有良好的流动性, 通过实践证明, 到现场混凝土的塌落度必须控制在160-200mm。施工中要充分考虑到由于外加剂等原材料、环境、温度以及运输距离等因素造成的塌落度损失。

4.2 外加剂选择

为了增加混凝土的流动性, 增加和易性, 减少水的用量, 通常采用缓凝性减水剂, 在相同水灰比情况下, 增加水泥用量的1%左右的这种减水剂, 可以增加塌落度10mm, 提高强度约20%。在粗骨料选择上, 我们采用二种机配的粗骨料, 使混凝土和易性更好。

拱内混凝土要求密实, 但混凝土都有收缩的特性, 为解决混凝土收缩问题, 在混凝土内加入微膨胀剂。保证该膨胀量抵消由于其收缩造成的不密实情况。本工程在混凝土中加入微膨胀剂。

钢管拱内的混凝土与一般桥墩台的混凝土所处环境不同, 拱内是一个完全封闭的环境, 混凝土的水化热不宜散失, 而且该C50混凝土采用高标号52.5#水泥, 会产生更大水化热, 为了减少水化热造成混凝土开裂, 还加粉煤灰, 减少水化热。

根据以上钢管拱混凝土要求, 我们最终选择的混凝土配合比为:水:水泥:粉煤灰:石子 (5-10mm) :石子 (10-20mm) :砂子:膨胀剂:减水剂=162:375:125:508:761:519:40:5。塌落度为160～200mm。

5 钢管混凝土倒注施工

5.1 拱下端混凝土入口设置

钢管拱两侧混凝土入口留口位置首先要满足设计要求, 不能距离拱角混凝土面太远, 太远易造成入口以下混凝土不密实。一般要求入口距离既有拱角内混凝土面小于0.8 m。另外, 入口留设的位置主要考虑泵的位置和泵管的连接问题。

入口处预留管一般不采用设计钢管。要根据实际使用的泵管型号决定, 不然会造成连接困难或连接不密等问题。为了减少这些问题出现, 最好采用既有泵管作预留管。焊接时间也改为泵管架设完成后, 根据泵管角度焊接。如果实际操作中, 以上办法无法实行, 输送泵连接比较困难, 可采用一节高压软管作连接。

5.2 拱上端混凝土溢流孔设置

钢管拱的上端需要设置溢流增压管, 起到排气、溢流、增压、填补回落作用。本工程采用Ф250mm×6mm钢管作为溢流管, 管长2 m。另外在溢流管口设置储料盘, 并且储料盘下端用混凝土泵管接到桥面, 保证储料盘的混凝土可以流到桥面。储料盘大小以保证灌注时溢流管内出来混凝土不流到储料盘以外为准。这样不但保证了拱下桥面上施工人员的施工安全, 而且, 防止了由于混凝土由溢流管流出, 落在桥下公路上发生交通事故。另外, 也使混凝土得到有效回收, 避免了以往无储料盘, 拱灌注满时桥面上到处飞溅混凝土, 污染桥面既有设施事情发生。符合环保要求, 减少清理成本。

5.3 拱上混凝土止流装置设置

钢管拱内混凝土倒注完成后, 需要马上拆除泵管进行清洗, 但这时混凝土还没有凝固, 在拆除泵管时, 拱内混凝土就可能从开口处再次倒流出来。为防止混凝土的倒流, 我们在混凝土灌注入口处设一个止流装置。混凝土倒注完成后, 关上止流装置, 就可以放心拆除混凝土泵了。止流装置可采用闸阀, 也可采用打入木楔、钢楔方法。但制作闸阀成本太大, 木楔的方法随成本低但不好操作, 不能保证质量。该工程采用一种两者结合方法。

首先在混凝土入口短管上开15个Ф10mm孔, 5个一组, 分布在短管的三个不同横断面上, 然后在每个孔口上焊接一个螺母, 要保证螺母与小孔同心, 每个螺母配个螺杆, 螺杆长度要大于短管外径, 相应螺杆能够上到管内部 (如图2) 。另外, 准备一些木楔。施工时, 在灌注管内混凝土时, 螺杆只要求拧到螺母上即可, 保证混凝土不从螺母孔中流出就可以。在混凝土灌注完成后, 控制泵压3 min左右, 然后把15个螺杆全部拧进到短管内, 要求螺杆全部顶到管壁。然后拆除泵管, 这时可能有少量水泥浆流出, 但不会由大量混凝土流出, 抓紧把准备好的木楔打入短管管口, 就不会发生混凝土倒流。

5.4 钢管混凝土施工注意事项

(1) 要认真做好拱内垃圾清理, 因为在拱内吊杆处有钢筋, 如果管内垃圾清理不彻底, 可能会导致管内混凝土的灌注失败。

(2) 在灌注混凝土前, 必须对管压入清水进行洗管、润管, 减小混凝土灌注时管壁吸水量和管壁摩擦。

(3) 同一个拱腔灌注必须从两端同时开始。而且, 混凝土灌注速度必须相等。保证拱受力对称。当拱顶溢流口大量流出混凝土, 且没有出气现象时, 停止混凝土灌注, 说明该拱腔混凝土灌注完成。

(4) 施工中需要派专人指挥两端混凝土灌注, 必须保证两端灌注达到同步、一致。

(5) 拱内混凝土灌注时间有非常严的时间限制, 施工中要保证混凝土搅拌站混凝土的供应满足施工要求, 最好联系好另外一家搅拌站备用, 保证混凝土供应。

(6) 施工现场, 需要备用发电机。保证停电后能够保证两台泵正常工作。

(7) 严格控制混凝土塌落度, 对于塌落度达不到要求的混凝土坚决不能灌注。

6 混凝土倒注施工安全防护措施

(1) 高速公路上方必须全部搭设安全防护网, 防护网要求全封闭, 防止由于混凝土等物跌落到公路上造成事故。

(2) 拱内混凝土倒注施工中, 大部分为高空作业, 所有施工人员要严格按照安全操作规程进行施工。

(3) 高速公路上要设专人进行防护, 必要时采取该区段限速。保证施工中桥下高速公路运营安全。

(4) 泵送倒注混凝土的工作压力较大, 极易发生爆管、脱管等事情。派专人进行安全检查, 发现问题及时解决。

(5) 钢管拱桥拱为受力结构, 一般拱内钢管直径较大, 拱内混凝土量大, 施工中在不同阶段拱的应力变化较大, 所以, 为防止拱变形过大, 在倒注施工中派专门技术人员对钢管拱的线形进行不间断观测。

(6) 每个拱腔灌注完成后, 及时派人把拱外表面的混凝土进行清理, 这样不但极易清理, 而且防止由于以后单独清理造成危险。

7 结束语

钢管拱桥梁是我国这几年桥梁发展的趋势, 拱内混凝土的灌注也就相应成为了重要施工内容之一。我们施工的该钢管拱桥梁已于2008年竣工, 通过采取以上措施, 整个拱内混凝土灌注顺利, 安全质量达到设计和规范要求。

摘要：铁路大跨度钢管拱桥, 由于其跨度大, 外观美观, 在铁路建设中较为常用。但系杆拱拱肋混凝土的倒注施工由于施工难度大, 对倒注设备性能要求良好、混凝土坍落度要求合理、倒注时间必须连续, 由于高空作业, 安全防护要求高, 成为铁路大跨度钢管拱混凝土系杆拱桥施工的控制性工序。本文通过对太中银铁路跨石中高速公路特大桥 (60+96+60) M三跨连续梁钢管拱内混凝土倒注技术的总结, 介绍了大跨度中承式钢管混凝土浇筑的的方法及要求。对类似工程的施工有一定的指导作用。

关键词：钢管拱,混凝土,系杆拱,倒注,施工技术

参考文献

【1】TB10201-2005铁路混凝土与砌体工程施工规范

【2】GB50119-2003混凝土外加剂应用技术规范

【3】JGJ/T10-95混凝土泵送施工技术规程

大跨度拱桥施工方法简介 篇9

关键词：大跨度,拱桥,施工,方法

大跨度拱桥具有外形美观、跨越能力较大等优点, 是今后大跨度桥梁发展方向之一。已建成的钢拱桥最大跨度已经达到550 m。钢拱桥和其他大跨桥梁相比, 它的刚度较大, 稳定性和抗震性较好。当桥址处于风速或地震烈度较大的地区, 或桥梁承受铁路荷载且地质条件良好时, 钢拱桥不失为一种较佳的大跨度桥梁方案。

拱桥的施工大致可以归纳为两大类:有支架施工和无支架施工。有支架施工主要用于中小跨径的石拱桥和钢筋混凝土拱桥 (现浇混凝土拱桥及混凝土预制块砌筑的拱桥) ;无支架施工主要用于大跨度拱桥。常用的无支架施工方法有:悬臂施工法、缆索吊装施工法和转体施工法等。

1 悬臂施工法

悬臂施工法是钢拱桥最主要的施工方法, 根据施工中临时辅助设施与拱圈组成的受力结构的不同, 又可分为自由悬臂拼装法、斜拉悬臂法、悬臂桁架法等。

1) 自由悬臂法——实际悬臂半拱仍需要辅助结构, 一般采用少量拉索拉住上弦使拼装过程中半拱能以悬臂曲梁承受拱圈的自重, 只不过这种辅助结构 (如拉索) 与斜拉悬臂法相比非常小, 因而称之为自由悬臂拼装法。由于钢拱桥的构件均为加工好的构件且构件重量不大, 所以施工中常采用自由悬臂拼装法进行架设。狱门桥、悉尼港桥等就采用了这一方法 (如图1所示) 。在采用自由悬臂施工法时, 还可以通过使用独立的临时支承, 来减小自由悬臂长度。贝永桥就是采用了这种方法。

2) 斜拉悬臂施工法——大跨度钢拱桥中广泛使用的施工方法, 此法先在两边搭设施工塔架, 用拉索拉住悬臂的拱肋。主拱肋分节段施工, 节段间接头用拉索扣挂于塔架上。塔架的平衡由背索来维持, 背索锚固于地锚或边跨上。施工时逐渐向拱顶悬拼拱肋节段, 直至全桥合龙。美国Eads桥是最早采用这种施工方法的桥梁 (见图2) 。该桥不仅因首次把钢材应用于桥梁中而在桥梁史上闻名, 更因为它是第一座采用斜拉悬臂法施工的桥梁而载入桥梁史册。它所开创的斜拉悬臂施工法不仅在拱桥中得到广泛的应用, 而且也很快地推广到其他桥梁之中。美国新河谷桥也采用了斜拉悬臂法进行施工。同时, 斜拉悬臂施工中可以先架设主拱, 也可以同时架设主拱和拱上建筑。美国与加拿大交界处的彩虹桥的施工就采用了后者 (见图3) 。

3) 悬臂桁架法——即是将一般桁架拱两端适当位置处的上弦节点断开, 使两端各自成为墩台的一部分的一般悬臂桁架梁, 与墩台整体连接支承中部的桁架拱, 其计算跨径相应就减小, 总的外形使两者成为串联式的梁拱组合体系。施工时, 按桁架T构逐节悬臂拼装 (利用人字钢桅杆吊机) , 直至合龙。最后在上弦杆的两端适当位置处, 放松预应力粗钢筋, 并各自张拉两端的预应力粗钢筋 (去掉部分施工用的粗钢筋) , 完成体系转化而构成悬臂桁架拱。

2 缆索吊装法

缆索吊装施工法一般是由一孔桥的两端向中间对称进行, 在最后一节构件吊装就位, 并将各接头位置调整到规定标高以后, 放松施工吊索, 各接头合龙后撤去扣索的一种施工方法。瑞典的Askerofjord桥在施工过程中采用了这一方法 (如图4所示) 。拱的每段从岸上运到船上, 再运到指定的位置, 然后通过悬索吊起。拱顶先安装, 然后再向两拱座对称地进行安装。

3 转体施工法

转体施工法是将拱圈分为两个半跨, 分别在两岸利用地形作简单支架, 现浇或拼装半拱;接着用扣索一端锚固于拱肋端部 (靠近拱顶) , 另一端经拱上支架至桥台处锚固;之后张紧扣索, 使拱肋脱架;接着借助台身间预设的滑道 (即转盘装置) , 慢速将拱肋平转就位, 最后进行拱肋合龙。这种施工方法转体过程中用扣索拉力代替另一半拱推力, 与肋重及肋上支架的竖直反力、台身自重等形成平衡, 并在该状态下将拱肋的受力状态调整到不出现拉应力。佛山东平大桥是我国桥梁转体施工方法研究成果的集中体现, 该桥首次采用了无扣索竖直提升转体结合平转 (两次转体) 的施工方法 (见图5, 图6) 。

4 组合施工法

一些桥梁根据具体情况选择悬臂拼装法与其他方法相结合的施工方法, 称之为组合施工法。委内瑞拉首都加拉加斯 (Caracas) 附近的三座姐妹桥施工时采用了悬臂拼装与缆索吊装的组合施工法 (如图7所示) 。该桥先在两拱脚处各修建一个塔架, 利用塔架悬臂拼装钢桁架拱肋至1/4跨处, 利用固定在边跨桥墩的后拉索将其悬扣挂住;拱顶段的拱肋部分, 在谷底利用少量支架拼装, 然后用拉索提升, 拼装到指定的位置进行合龙。2003年建成通车被誉为“世界第一拱”的上海卢浦大桥, 550 m的跨度为世界同类桥梁第一, 比排名第二的美国西弗吉尼亚大桥长出32 m, 比悉尼港大桥长47 m, 该桥采用了斜拉悬臂和缆索吊装组合的施工方法。

桥梁的施工方法极大地影响着桥梁技术的进步。钢拱桥在早期除了材料方面的原因外, 在Eads桥中首创的悬臂施工法是其得到快速发展的主要原因。然而, 近现代随着预应力梁式桥的悬臂施工方法的发展、悬索桥与斜拉桥的大量应用, 钢拱桥尤其是大跨度钢拱桥的应用越来越少的主要原因之一是其施工方法复杂和施工费用较高。钢拱桥的施工架设方法与拱的结构、桥址自然条件、造价、工期都有很大的关系。总体而言, 它的发展趋势是从早期的有支架施工朝着少支架或无支架的方向发展。历史上, 钢拱桥中创新的施工方法如悬臂施工法曾被推广至其他桥梁的施工之中, 其他桥梁的施工方法, 如顶推法、悬索吊挂法, 也被大量应用于拱桥施工之中。今后在大跨度钢拱桥的施工技术发展中, 借鉴其他桥型, 尤其是钢筋混凝土拱桥中应用的施工架设方法, 应是其主要发展方向。

参考文献

[1]陈宝春, 高蜻, 吴庆雄.钢拱桥发展概况[J].北京交通大学学报, 2006 (sup) :11.

[2]吴冲.现代钢桥 (上) [M].北京:人民交通出版社, 2006.

[3]钱冬生, 夏建国.铁路钢桥——设计和制造[M].成都:西南交通大学出版社, 1994.

[4]田仲初, 彭涛.佛山东平大桥施工监控的关键技术[A].钢桥科技论坛 (SBSTF2006) 全国学术会议交流论文集[C].2006.

[5]徐伟, 段雪炜.重庆朝天门长江大桥主桥钢桁拱桥设计[A].钢桥科技论坛 (SBSTF2006) 全国学术会议交流论文集[C].2006.

大跨度拱桥抗震研究发展浅析 篇10

关键词：拱桥,大跨度,抗震研究

0 引言

我国的拱桥技术在悠久的历史发展中取得了很高的技术成就, 改革开放以来更是不断创新, 不断进步, 始终保持着世界先进水平。

作为一个地震多发国家, 我国大陆80%以上的破坏性地震集中在西南地区, 特别是近年来我国相继遭受到四川汶川和青海玉树两次特大地震的袭击。据灾后统计, 各级公路、桥梁、涵洞、隧道等“生命线”工程受损情况特别严重, 直接经济损失均高达数百亿元, 这其中尚未统计因公路交通中断而造成的间接经济损失, 以及因道路不通耽误救灾时间造成的人命损失[1], 故应充分认识到保证公路桥梁地震安全的重大意义。而根据有关的震后统计与震害调查, 证明在良好地基条件下的单孔拱桥, 即使是延性较差的圬工拱桥也具有良好的抗震性能[2]。因此对拱桥尤其是大跨度拱桥, 应积极开展抗震性能研究, 特别是非线性抗震性能研究, 探讨其在强震地区应用的可能性, 为其在实际工程中的应用打下坚实的理论基础。

1 桥梁抗震研究的发展

1.1 桥梁抗震分析方法的发展

随着地震工程的不断发展和结构动力学的深入研究, 桥梁结构的地震反应分析方法经历了以下三个阶段:静力法、反应谱理论和动态时程分析法[3]。

目前在桥梁结构抗震分析中, 常用的方法有:线弹性反应谱法、弹塑性动力时程分析法以及等效静力分析法等。线弹性反应谱法由于难以正确反映结构开裂后的非弹性阶段的特性, 其应用范围受到一定限制[4];弹塑性时程分析法虽然可以准确地预测结构在强震作用下的受力和变形性能, 但是技术复杂, 计算工作量大, 结果处理繁杂, 而且其计算结果只是结构地震响应的一次抽样, 不具备普遍意义[5]。因此, 静力非线性抗震分析方法 (pushover analysis) 已经受到了广泛关注[6]。

1.2 桥梁抗震设计方法的发展

桥梁抗震的设计方法也从地震经验中得到了不断的改进和发展, 由起初的单一强度控制到强度、位移双标准控制, 再到多指标的结构性能控制。总的来说, 桥梁的抗震设计方法主要有基于强度设计、基于位移设计、基于性能的抗震设计、基于能量设计以及能力抗震设计方法等[7]。

目前我国尚无大跨度桥梁抗震设计的专用规范。长期以来, 工程界都是参考《铁路工程抗震设计规范》 (GBJ111-87) 和《公路工程抗震设计规范》 (JTJ004-89) (这两本规范直到2006年和2013年才分别进行了修订) 进行大跨度桥梁的抗震设计与计算。但是这两本规范在内容上还是采用“强度设防”的概念 (即“一水准设防, 一阶段设计”) , 在当前研究较多的延性抗震和减、隔震方面极为不足, 与国际上先进的桥梁抗震设计思想相去甚远, 相比之下, 也落后于我国的建筑结构抗震设计规范, 显然已经无法满足我国大跨度桥梁发展的需求。新修订的《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/T B02-01—2008) 采用了两水准设防、两阶段设计的抗震设计思想, 由单一的强度抗震设计修改为强度和变形双重指标控制的抗震设计。同时扩大了适用范围, 对斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m的特大跨径梁桥和拱桥给出了抗震设计原则和相关规定。

2 大跨度拱桥抗震研究的发展

相对于其他桥梁结构而言, 由于大跨度拱桥地震响应本身的复杂性, 目前对大跨度拱桥的抗震性能研究更是不够充分。

2.1 对组合拱圈截面的模拟

在有限元建模中, 对于组合拱桥 (如钢管混凝土拱桥) 拱圈截面的模拟多是采用换算截面法或统一理论来计算组合截面的刚度。

文献[8]针对某大跨度钢管混凝土系杆拱桥的特点, 采用换算截面法模拟钢管混凝土拱肋, 对该桥的线性地震响应进行分析。

文献[9]分析了钢管混凝土提篮拱与平行拱在多维激励作用下的地震响应特性, 在建模中采用换算截面法计算钢管混凝土构件的刚度。

文献[10]采用换算截面法来计算广州丫髻沙大桥的截面特性, 并分别运用反应谱法和时程分析法, 对该钢管混凝土拱桥进行线性地震响应分析。

文献[11-13]以湖南茅草街大桥为研究对象, 建立了该钢管混凝土系杆拱桥的三维有限元模型, 采用统一理论计算钢管混凝土组合截面的刚度。运用反应谱法分析了该钢管混凝土拱桥的线性地震响应。

文献[14, 15]采用统一理论计算了浙江淳安南浦大桥的拱肋刚度, 并采用反应谱方法对该钢管混凝土拱桥进行抗震性能的分析。

文献[16, 17]采用有限元计算软件ANSYS建立了南宁永和大桥的空间结构动力计算模型, 建模中采用统一理论, 视钢管混凝土为单一材料。在此基础上分析了该钢管混凝土拱桥的动力特性, 并对其进行地震反应谱和线性时程反应分析。

采用上述方法模拟组合拱圈截面较为简便, 但这种模拟并不精确, 也无法准确地反映钢与混凝土这两种材料之间的相互作用。为此, 在有些研究中还提出了采用纤维单元模型来计算拱圈截面的刚度。

纤维单元模型是在沿拱轴方向上将拱肋划分为有限个梁单元, 而在拱肋截面上则划分为有限个钢纤维和混凝土纤维, 在求解单元的刚度时, 通过截面数值积分求得截面的刚度, 进而求得梁单元的刚度[18]。由于纤维模型可以直接通过组成材料的应力-应变关系来评价单元刚度的变化及是否发生塑性变形, 因此能较容易地进行轴力、双轴弯矩共同作用等情况下的分析, 也可以较容易且准确地处理轴向刚度、弯曲刚度的变化以及轴力-弯矩相互作用等问题[19], 从而能较好地反映组合结构的非线性地震响应特性。

2.2 非线性地震响应分析

在大跨度拱桥的非线性地震分析中, 现有的研究多是单独考虑材料非线性或者几何非线性的影响。

文献[20]对某大跨度钢管混凝土拱桥进行材料非线性分析, 并与线性分析的结果进行了对比, 表明材料非线性对钢管混凝土拱桥的抗震性能影响显著。

文献[21]考虑材料非线性的影响, 对一座试设计跨径达600m的钢筋混凝土拱桥进行非线性时程分析。结果表明, 对于具有复杂地震响应的大跨度钢筋混凝土拱桥来说, 高阶振型的影响不可忽略。

文献[22]考虑地震波空间效应, 采用Midas/Civil有限元分析程序对新光大桥进行非线性时程反应分析。在分析中考虑了材料非线性的影响。

文献[23]考虑材料非线性的影响, 分析了恒载初始内力影响下某大跨度的钢筋混凝土拱桥的自振特性、多遇地震作用下的反应谱内力和罕遇地震作用下的弹塑性地震反应。

文献[24]采用自编的子空间迭代法程序计算了龙潭河大桥的自振特性, 并考虑轴力-弯矩相互作用以及大位移引起的几何非线性, 分析了该中承式钢管混凝土拱桥在多维激励作用下的地震响应。

文献[25]采用ANSYS软件对茅草街大桥的地震反应进行了时程分析, 考虑几何非线性的影响, 分析比较了不同激励方式对于大跨度钢管混凝土拱桥地震反应的影响。

文献[26]采用时程分析法计算了某大跨度钢管混凝土拱桥的非线性地震响应, 研究了几何非线性对结构地震响应的影响。

但是相关研究也表明, 在大跨度拱桥的抗震计算过程中材料非线性与几何非线性的影响是不能忽略的[3,27,28]。文献[29]用纤维单元法考虑钢管混凝土的材料非线性, 用P-δ效应和动坐标考虑几何非线性, 研究了日本第一座公路钢管混凝土拱桥——主跨230m的新西海桥的非线性地震响应特性。文献[30]则采用时程分析法, 考虑几何和材料双重非线性, 对某大跨度中承式钢箱提篮无铰连拱桥进行了非线性地震反应分析。

3 结语

综上所述, 目前对大跨拱桥的抗震性能研究中主要存在以下几个方面的问题:

(1) 大跨度桥梁, 尤其是拱桥的抗震分析方法与抗震设计方法有待深入研究和不断充实。

(2) 对大跨度拱桥的有限元建模方法和手段需要进行更丰富的研究。