钢管混凝土拱桥设计

冯明友

（贵阳市建筑设计院有限公司，贵州贵阳550001）

钢管混凝土拱桥设计

冯明友

（贵阳市建筑设计院有限公司，贵州贵阳550001）

以贵州清镇职教城龙凤大道上的龙凤大桥设计为例，阐述了结合环境保护及景观要求的桥梁选型；并详细介绍了190 m跨径钢管混凝土拱桥的构造处理，结构计算及施工要点。

钢管混凝土拱桥;有限元计算;设计

1 概述

随着社会经济的发展，桥梁作为一种跨越障碍物的建筑物，不仅给人们带来生活上的便利，也给人们带来美的享受。钢管混凝土拱桥造型美观，跨越能力强，充分利用钢材和混凝土两种建筑材料的力学性能，实现跨越和美的组合。采用大跨径桥梁方案有时是地形条件所限，有时是保护环境，避免污染自然水体的要求。清镇职教城龙凤大道上的龙凤大桥亦是后者。龙凤大桥跨越保护水体老马河，不宜在河内设置构筑物，避免污染水源，因而采取大跨桥梁跨越河流。大桥位于高校区和景观区，对桥梁造型要求高，与环境和谐协调，采用钢管混凝土拱桥是最佳桥梁方案[1,2]。

2 桥梁设计

主桥为净跨径190 m的中承式钢管混凝土等截面桁架拱，标准桥宽为35 m，拱肋与桥面系相交位置及跨中设置观景平台，由35 m渐变为最大桥宽42.2 m。桥梁全长209.2 m，计算跨径193.42 m，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.8，矢高h=47.5 m，矢跨比f=1/4。

（1）主拱圈

主拱拱肋为4肢钢管桁架式断面，每一拱肋为两片由腹杆钢管与上、下弦杆钢管焊接形成的桁架片横向连接形成。桁架横向连接采用缀板与横隔板结合方式将两片桁架片连接为一整体，组成一条拱肋。拱肋钢管桁架为等截面布置，拱肋高3.7 m（中到中），单片拱肋宽度1.5 m（中到中）。拱肋上、下弦杆钢管采用900×20～25 mm的直缝焊接管，腹杆采用450×12 mm无缝钢管；横联杆采用550×12～16 mm无缝钢管，桁架中钢管及横向连接钢板均采用Q345C钢焊接连接。

拱肋的上、下弦钢管内灌注C50微膨胀混凝土，形成钢管混凝土组合受力截面。

主桥钢管混凝土拱肋拱脚段，考虑锈蚀及飘浮物撞击等因素，拱肋外包一层C50混凝土。

主跨桥面两个拱肋间共设置6道风撑，风撑布置纵向间距为20 m。跨中采用米字撑，拱座处采用“一”字型风撑，其余均为K形风撑，风撑为钢管桁架，风撑主管采用500×12 mm直缝焊接管，风撑支管采用355×10 mm无缝钢管。风撑钢管均采用Q345C钢管焊接形成桁架。

两个主拱拱肋除通过桥面上的风撑连接外，在桥面与拱肋相交处设置拱肋肋间横梁进行横向连接。

为了使主拱圈在吊装过程中便于调整标高和线型，拱脚接头采用竖向可转动的铰连接方式。拱脚截面中心处设置一弧形铰，上下弦管与拱脚预埋段间留60 cm断缝，待主拱圈吊装完毕，调整好拱肋标高及线型后，首先采用与主拱圈同规格、同材质的钢管进行对接溶透焊后，再采用外包钢板补强焊的形式连接拱脚接头。

节段间采用内法兰加搭接套管形式连接。

拱顶采用内置式瞬间合拢连接构造。

（2）立柱

主拱立柱均为钢管混凝土立柱，立柱截面为Φ800×16 mm断面。立柱内灌注C50混凝土。

（3）吊杆体系

全桥拱肋共23对吊杆，吊杆纵向间距按6.8 m设置，横向轴线距29 m。吊索为15-25高强钢绞线，采用GJ钢绞线整束挤压吊杆体系锚具。吊杆为可更换，更换时可用临时专用构件支撑横梁，拆除旧吊杆，安装新吊杆。

（4）横梁体系

本桥横梁体系包括吊杆横梁、立柱横梁、肋间横梁、伸缩缝端横梁。

吊杆横梁、立柱横梁、肋间横梁均为钢结构构件，伸缩缝端横梁采用钢筋混凝土结构，其余均为为工字型钢结构。顶板设双向1.5%横坡。

（5）纵梁

在吊杆横梁间设置9道钢纵梁以形成较好的结构整体性。纵梁采用焊接工字钢断面，梁高0.8～2.361 m。纵梁与钢横梁采用螺栓连接。

（6）主桥桥面系

16 cm厚预制钢筋混凝土板通过纵、横向湿接缝互相连接，并通过剪力钉与钢纵梁、钢横梁连接，湿接缝混凝土采用微膨胀钢纤维CF50补偿收缩混凝土。10 cm钢纤维混凝土铺装层参与桥面共同受力。

桥面人行道纵梁采用预制C50钢筋混凝土纵梁，通过湿接缝连接，在钢纵梁、钢横梁的地方通过剪力钉连接在其上。

3 桥梁结构计算及分析

3.1 计算模型及荷载

将主拱圈、拱上立柱、钢帽梁及桥面系纵、横梁等按实际结构尺寸离散为空间有限元杆件，并建立三维空间模型，准确模拟杆件的空间尺寸、材料特性、连接方式及初始应力等，利用大型通用计算机软件M IDAS-Ci vi l按施工阶段和成桥状态下的不同荷载组合对结构进行静力、动力及稳定性分析。

施工阶段计算按施工加载顺序进行，考虑了施工过程拱肋的弹性压缩、混凝土的收缩徐变、温度、施工荷载变化等因素的影响。

动力计算进行了结构的自振特性、抗震分析、抗风分析。

稳定计算进行了稳定系数分析。

主拱圈及桥面系均采用梁单元，施工临时扣索、锚索以及吊杆采用桁架单元模拟。全桥共个3840单元，2201个节点。计算模型见图1。

图1 有限元模型图

3.2 结构计算结果

对上部结构中吊杆、横梁及桥面板按单独构件进行计算。

对照组12种药材共鉴定正确10种（83.3%），错误2种，常规组12种药材共鉴定正确11种（91.7%），错误1种，观察组中药材鉴定准确率明显高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

全桥结构按空间杆系结构进行整体计算和构件内力计算分析后进行强度和刚度验算，其结果均满足规范要求。计算中对钢管混凝土拱肋受力行为按容许应力进行考察，应力计算按钢和混凝土分别进行逐阶段应力叠加。按应力叠加法计算出的拱肋混凝土应力、钢管应力均小于材料容许应力规范限制。

整体计算中拱桥稳定性计算进行的空间结构分析。主要进行空钢管灌注混凝土工况和运营工况的结构空间稳定分析，计算结果表明：施工阶段最不利情况的第一类稳定安全系数λ=8.2，失稳模态为拱肋面外侧倾斜失稳；运营阶段最不利情况下的第一类稳定安全系数λ=6.0，失稳模态为面外失稳。上述稳定安全系数均大于4，符合相关规范要求，其空间稳定性可以得到保障。

4 钢管混凝土拱桥施工要点

由于该桥施工条件困难、施工工艺复杂、技术难度高，且采用大型缆索吊装设备及吊机横移工艺，故要求施工方具有优良的技术装备、较强的施工能力、先进的管理水平和从事技术复杂特大桥的丰富的施工经验。

4.1 主桥施工方案简述

主桥主跨上部结构采用缆索吊系统进行吊装施工。

拱肋钢管采用扣索配合的缆索吊装施工方案。拱肋钢管在工厂制造桁架节段，运输至工地后，工地组焊为吊装节段，再采用缆索吊装、斜拉扣挂、单肋拱合拢的施工方案。

4.2 钢管混凝土拱肋施工

（1）钢管混凝土结构兼有钢结构和混凝土结构的长处和特点，钢管拱肋系全焊结构。

（2）先绘制结构施工大样图，和设计文件校核。

（3）放大样图时逐点考虑对应的施工预拱度。

（4）钢管的加工

拱肋及风撑钢管采用Q345C钢钢板卷制的直缝焊接管。

拱肋曲线采用弧线钢管拼接。

长直管采用加热顶压法弯曲成弧形。

管内需进行喷砂除锈，不灌混凝土的管件，需在管内壁进行防护。

（5）拱肋节段的加工

本桥主拱拱肋桁架为4根钢管组合而成的桁式断面。对单片拱肋进行分段加工、组拼。

（6）拱肋吊装合拢

每条拱肋分4段吊装合龙，拉好扣索和浪风，单片拱肋吊装。两拱肋合龙及接头处理完成后须及时吊装横撑，浇筑拱脚封铰混凝土，完成拱肋从两铰到无铰的体系转换。只有在拱肋横撑吊装施工阶段全部完成，拱脚封铰混凝土达到设计强度时才能松吊索、扣索和浪风。拱肋钢管桁架全部吊装完成后，按施工加载程序逐段进行加载。

合拢时间须选择在一天的低温时段内（以清晨为好），合拢时温度不得高于15℃，亦不得低于10℃。

（7）拱肋钢管混凝土灌注：

本桥采用从拱脚到拱顶用泵送混凝土顶升法灌注混凝土。

4.3 吊杆施工

根据设计顺序安装吊杆、吊装横梁到设计标高。

4.4 桥面系施工

车行道板须先制造并放置3个月以上的时间，以减少混凝土徐变的不利影响。

4.5 施工控制

设计中对整个加载过程作了详细规定，施工时须严格按拟定程序进行，并保证加载的对称性和均衡性。吊装施工过程和拱肋加载过程及系杆张拉中必须进行专门的施工监控。

5 结语

龙凤大桥采用中承式钢管混凝土拱桥，结构合理，造型美观。充分利用了地形条件，很好的保护了自然水体，做到了工程与环境的友好协调。通过计算分析，不断的优化构件组合及尺寸，在保证结构及构件安全稳定的前提下，做到经济合理。

[1] 田兴.碳纤维加固技术在旧危桥改造中的应用[J].黑龙江交通科技,2011(10):213.

[2] 杨刚.拱桥施工方法初探[J].民营科技,2008(4):176-177.

U448.22

B

1009-7716（2017）11-0081-03

2017-07-07

冯明友（1977-），男，贵州贵阳人，高级工程师，从事道桥设计工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.023