大跨度钢管混凝土拱桥设计、施工技术研究课件.ppt

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1、 大跨度钢管混凝土拱桥 设计、施工技术研究 一、钢管混凝土拱桥发展概况 钢管混凝土拱桥具有受力合理、施工方便、外形美观、造价经济等优点，已成为一种很有竞争力的桥型，在我国得到了较快发展。（1）1930年苏联建造就了第一座钢管砼拱桥年苏联建造就了第一座钢管砼拱桥（2）1991年我国建成了第一座钢管砼拱桥年我国建成了第一座钢管砼拱桥115米的四川米的四川旺苍东河大桥旺苍东河大桥（3）2000年年360米的广州丫髻沙大桥是转体施工的世界最米的广州丫髻沙大桥是转体施工的世界最大跨度钢管砼拱桥大跨度钢管砼拱桥（4）2005年年460米的重庆巫山巫峡长江大桥是世界上最大米的重庆巫山巫峡长江大桥是世界上最大

2、跨度的钢管砼拱桥跨度的钢管砼拱桥（5）2006年年368米的湖南茅草街大桥是世界上最大跨度的米的湖南茅草街大桥是世界上最大跨度的钢管砼系杆拱桥钢管砼系杆拱桥（6）至）至2007年，国外修建钢管混凝土拱桥年，国外修建钢管混凝土拱桥13座，国内修建座，国内修建各类钢管混凝土拱桥各类钢管混凝土拱桥253座；其中跨度座；其中跨度200米以上的有米以上的有23座。座。（7）2009年，主跨年，主跨500米的四川合江长江大桥正在修建。米的四川合江长江大桥正在修建。1991年建成的四川旺仓东河大桥2006年建成的湖南益阳茅草街大桥2005年建成的重庆巫山长江大桥钢管混凝土拱桥优点：钢与砼结合，充分发挥了两种

3、材料的受力特性，跨越能力与适应能力强、承载能力大、经济合理、施工快捷、外形美观。国内外应用情况：十多年间我国设计和建造了200多座不同跨径、不同结构体系、不同截面形式的钢管混凝土拱桥，为拱桥的发展开辟了广阔的应用前景。西部地区特点：西部地区特别是西南地区属山岭重丘区，修建钢管混凝土拱桥可以避免高墩、高塔、上下部结构可同时施工，缩短了建设工期，是经济欠发达的西部地区理想的桥梁结构。二、设计理论和计算方法研究设计计算理论分析研究设计计算理论分析研究钢管混凝土本构关系试验研究钢管混凝土本构关系试验研究钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究大直径钢管混凝土收缩徐变研究钢管混凝土温度场研究钢管混凝土

4、结构节点疲劳试验研究管内混凝土脱空对钢管混凝土承载力影响研究n n统一理论：把钢和砼考虑为一种统一的组合材料，统一理论：把钢和砼考虑为一种统一的组合材料，统一理论：把钢和砼考虑为一种统一的组合材料，统一理论：把钢和砼考虑为一种统一的组合材料，来计算截面、材料特性和建模，此法特别适合于计来计算截面、材料特性和建模，此法特别适合于计来计算截面、材料特性和建模，此法特别适合于计来计算截面、材料特性和建模，此法特别适合于计算极限承载力。算极限承载力。算极限承载力。算极限承载力。n n套箍理论：即分别按钢和砼建立单元，砼单元考虑套箍理论：即分别按钢和砼建立单元，砼单元考虑套箍理论：即分别按钢和砼建立单元

5、，砼单元考虑套箍理论：即分别按钢和砼建立单元，砼单元考虑钢管的套箍作用，然后再把两个单元联接起来计算，钢管的套箍作用，然后再把两个单元联接起来计算，钢管的套箍作用，然后再把两个单元联接起来计算，钢管的套箍作用，然后再把两个单元联接起来计算，比较适用于施工全过程分析。比较适用于施工全过程分析。比较适用于施工全过程分析。比较适用于施工全过程分析。n n这两种理论，虽然计算方法不一样，但结果差别不这两种理论，虽然计算方法不一样，但结果差别不大。我们课题组推荐统一理论。大。我们课题组推荐统一理论。西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果通

6、过合成法建立钢管混凝土在偏心受压条件下的本构模型钢管混凝土本构关系试验研究修正后的套箍系数:任意混凝土条带的套箍折减系数:参数修正公式:西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究 v开展了不同初应力系数和不同偏心率的钢管混凝土构件承载力试验，验证了钢管初应力的存在会降低钢管混凝土构件的承载力，试验结果与理论分析结果吻合良好。有初应力的空钢管试件西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究v开

7、展了单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥在不同初应力系数、不同含钢率、不同跨径下的承载力计算，结果表明：l钢管初应力引起钢管混凝土拱桥承载力降低，最大降低值可超过10%，但不同的拱肋截面型式（单肢、哑铃型和四肢格构型），最大降低值不相同；l初应力对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响最大，哑铃型截面次之，四肢格构型截面影响最小；l以拱桥承载力降低控制在10%为界限，单肢拱初应力系数应控制在0.3，哑铃型和四肢格构型拱初应力系数控制在0.6。l在开展初应力对钢管混凝土拱桥承载力计算时，必须考虑几何非线性的影响，即应同时按材料非线性和几何非线性分析，否则结果偏大。西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设

8、计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果u进行了长期（五年）的收缩徐变室内模型试验和实桥测试，基本摸清了钢管混凝土徐变及其应力重分布规律，建立了考虑钢管约束的徐变系数和应力重分布计算方法和公式。大直径钢管混凝土收缩、徐变特性研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果n n经模型试验和实桥测试，摸清了钢管混凝土的徐变规律。经模型试验和实桥测试，摸清了钢管混凝土的徐变规律。经模型试验和实桥测试，摸清了钢管混凝土的徐变规律。经模型试验和实桥测试，摸清了钢管混凝土的徐变规律。n n提出了用考虑钢管徐变约束的徐变系

9、数，来替代混凝土徐提出了用考虑钢管徐变约束的徐变系数，来替代混凝土徐提出了用考虑钢管徐变约束的徐变系数，来替代混凝土徐提出了用考虑钢管徐变约束的徐变系数，来替代混凝土徐变系数进行徐变分析的理论。变系数进行徐变分析的理论。变系数进行徐变分析的理论。变系数进行徐变分析的理论。n n提出了用组合截面法来模拟钢管混凝土单元，得到了钢管提出了用组合截面法来模拟钢管混凝土单元，得到了钢管提出了用组合截面法来模拟钢管混凝土单元，得到了钢管提出了用组合截面法来模拟钢管混凝土单元，得到了钢管与混凝土的应力重分布公式。与混凝土的应力重分布公式。与混凝土的应力重分布公式。与混凝土的应力重分布公式。n n经实桥检测，

10、计算结果与实桥检测值相吻合。经实桥检测，计算结果与实桥检测值相吻合。经实桥检测，计算结果与实桥检测值相吻合。经实桥检测，计算结果与实桥检测值相吻合。大直径钢管混凝土收缩、徐变特性研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土钢管混凝土收缩徐变试验收缩徐变试验考虑约束的考虑约束的徐变系数徐变系数压应压应力力拉拉应应力力 钢管混凝土钢管混凝土收缩徐变试验收缩徐变试验重庆交通大学重庆交通大学实验室实验室西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果大直径钢管混凝土收缩、徐

11、变研究 u根据混凝土收缩徐变线性计算理论中按龄期调整有效模量法，用钢管砼组合截面理论，并考虑钢管约束的徐变系数，重新推出了适合于钢管砼徐变计算的按龄期调整有效模量法 式中 称为按龄期调整的有效模量西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果u进行了钢管混凝土拱桥节段、实桥温度场测试和稳定模型试验，提出了温度分析计算模型和公式以及温度、非线性等因素影响下钢管混凝土拱桥静力、稳定性分析方法。钢管混凝土拱桥温度场研究试验模型总体布置图西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果 u

12、钢管混凝土截面温度梯度示意图：钢管混凝土结构截面混凝土温度梯度钢管混凝土拱桥温度场研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果 钢管混凝土结构节点疲劳试验研究针对主管与支管相连接的节点开展了多组模型试验提出了钢管混凝土节点设计的合理构造形式推荐了确定节点应力集中系数和预估节点疲劳寿命的方法西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管砼节点疲劳试件大样钢管砼节点疲劳试件大样相贯线处单元划分网格图相贯线处单元划分网格图钢管混凝土结构节点疲劳试验研究西部科技项目西部科技项目

13、钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果提出钢管砼节点疲劳强度修正系数提出钢管砼节点疲劳强度修正系数 推荐：相对于美国焊接学会（推荐：相对于美国焊接学会（AWSAWS）D1.1 ET D1.1 ET空心管节点疲劳空心管节点疲劳曲线，局部开坡口的钢管砼节点疲劳强度容许修正系数曲线，局部开坡口的钢管砼节点疲劳强度容许修正系数 2.02.0钢管砼节点疲劳强度计算公式钢管混凝土结构节点疲劳试验研究承受剪应力的管板节点的设计疲劳强度可采用80MPa西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果三组试件钢管混

14、凝土节点疲劳强度修正系数钢管混凝土结构节点疲劳试验研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果二、二、钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥 结构设计与合理构造形式研究结构设计与合理构造形式研究n n开展了钢管混凝土拱桥设计构造形式研究；开展了钢管混凝土拱桥设计构造形式研究；n n提出了钢管混凝土拱桥主要构造的合理型式和几何设计参提出了钢管混凝土拱桥主要构造的合理型式和几何设计参数的合理取值范围数的合理取值范围西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果混凝土与钢材的匹配混凝土与钢

15、材的匹配 钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究lQ235钢配C40级混凝土lQ345钢配C40C60级混凝土lQ390钢配C60级及以上的混凝土西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管最大径厚比钢管最大径厚比钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管最小径厚比钢管最小径厚比钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究l推荐值:D/t=35西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法

16、与计算理论研究成果套箍指标套箍指标 l l考虑可靠度要求及混凝土平均强度等级考虑可靠度要求及混凝土平均强度等级C50C50现状，推荐现状，推荐0.60.6钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果跨高比分布图跨高比分布图钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究矢跨比矢跨比l l通过数值分析，单肋拱第一阶失稳模态为面外屈曲，矢跨比通过数值分析，单肋拱第一阶失稳模态为面外屈曲，矢跨比1/41/41/51/5时可获得最大面外稳定性时可获得最大面外稳定性l l上承式拱桥矢跨比：上承式拱桥矢跨比：1/5

17、1/51/61/6l l中承式、飞燕式拱桥矢跨比：中承式、飞燕式拱桥矢跨比：1/41/41/51/5l l下承式刚架系杆拱、拱梁组合体系桥矢跨比：下承式刚架系杆拱、拱梁组合体系桥矢跨比：1/4.51/4.51/5.51/5.5西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果单管式截面单管式截面l l最大跨径以不超过最大跨径以不超过80m80m为宜为宜l l其主弦管直径其主弦管直径钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果哑铃形截面哑铃形截

18、面l l最大跨径以不超过最大跨径以不超过150m150m为宜为宜l l哑铃式截面高度哑铃式截面高度l l弦管直径弦管直径0.370.370.45H0.45H哑铃式截面高度哑铃式截面高度(公路公路-级级)哑铃式截面高度哑铃式截面高度(公路公路-级级)钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果桁架式截面桁架式截面l l跨径大于跨径大于150m150m，一般只能采用桁架式截面，一般只能采用桁架式截面l l截面高度截面高度l l桁宽桁宽0.50.50.6H0.6H、管径、管径0.190.190.23H

19、0.23Hl l跨径大于跨径大于250m250m后，宜采用变高度桁架式截面后，宜采用变高度桁架式截面l l拱顶高拱顶高0.8H0.8H、拱脚高、拱脚高1.4H1.4H桁架式截面高度桁架式截面高度(公路公路-级级)桁架式截面高度桁架式截面高度(公路公路-级级)钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果桥道系位置、多跨拱桥跨径比例桥道系位置、多跨拱桥跨径比例l l中承式拱桥桥道系位置，优先考虑中承式拱桥桥道系位置，优先考虑0.6180.618黄金比例黄金比例l l多跨中承式、下承式拱桥边中跨比取多

20、跨中承式、下承式拱桥边中跨比取0.710.71，符合动态匀称级数，符合动态匀称级数l l飞燕式拱桥的边中跨比飞燕式拱桥的边中跨比0.30.30.20.2，建议取，建议取钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果典型桥道系结构分类典型桥道系结构分类一类一类二类二类三类三类四类四类五类五类六类六类桥道系梁桥道系梁(板板)简支于简支于盖梁上盖梁上桥道系梁桥道系梁(板板)与吊杆与吊杆横梁铰接横梁铰接 桥道系梁桥道系梁(板板)与横梁与横梁先简支后连先简支后连续刚接续刚接 横梁之间用横梁之间用加劲纵梁连加

21、劲纵梁连续贯通，纵续贯通，纵梁简支于肋梁简支于肋间横梁之上间横梁之上横梁之间用横梁之间用加劲纵梁连加劲纵梁连续贯通，纵续贯通，纵梁与拱肋固梁与拱肋固接，形成刚接，形成刚梁刚拱梁刚拱 横梁之间现横梁之间现浇桥面板形浇桥面板形成整体桥面成整体桥面系系 钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果桥道系研究结论桥道系研究结论l l通过数值分析，对大跨中承式拱桥，桥道系位置设在通过数值分析，对大跨中承式拱桥，桥道系位置设在0.60.60.8f0.8f间可使桥梁具有较大的横向稳定性间可使桥梁具有较大的横向

22、稳定性l l 推荐类型推荐类型:纵向连续体系纵向连续体系u能够防止因吊杆意外引起重大安全事故能够防止因吊杆意外引起重大安全事故u活载能往远处传递，吊杆、横梁和拱圈受力好活载能往远处传递，吊杆、横梁和拱圈受力好钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果吊杆及连接构造的合理形式吊杆及连接构造的合理形式双向铰接双向铰接设置球铰设置球铰钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究有意加长短吊杆长度有意加长短吊杆长度西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算

23、理论研究成果n n吊杆（索）安全系数不小于吊杆（索）安全系数不小于吊杆（索）安全系数不小于吊杆（索）安全系数不小于3.03.0n n短吊杆（索）安全系数不小于短吊杆（索）安全系数不小于短吊杆（索）安全系数不小于短吊杆（索）安全系数不小于4.04.0n n系杆安全系数不小于系杆安全系数不小于系杆安全系数不小于系杆安全系数不小于2.52.5n n肋间横向联接系以肋间横向联接系以肋间横向联接系以肋间横向联接系以K K撑效果最佳撑效果最佳撑效果最佳撑效果最佳西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果拱圈节段接头拱圈节段接头l l外包钢板围焊

24、接头外包钢板围焊接头l l高强螺栓接头高强螺栓接头l l内法兰盘连接内法兰盘连接钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果 三、钢管混凝土拱桥 施工技术研究开展了大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂施工方法的开展了大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂施工方法的研究。研究。开展了管内混凝土材料和浇筑工艺的研究开展了管内混凝土材料和浇筑工艺的研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果n n重点研究了吊扣合一的施工方法，基本解决了吊扣之间

25、相重点研究了吊扣合一的施工方法，基本解决了吊扣之间相互干扰问题。保证了拱肋吊装精度。互干扰问题。保证了拱肋吊装精度。吊扣合一钢管混凝土拱桥施工关键技术研究吊塔铰支于扣塔上，吊塔铰支于扣塔上，并提出了扣塔控制刚并提出了扣塔控制刚度（塔顶位移小于度（塔顶位移小于3.0cm3.0cm）；）；大大节约了钢构件，大大节约了钢构件，并减少了两者之间的并减少了两者之间的干扰。在最大吊重时，干扰。在最大吊重时，吊塔的最大偏位吊塔的最大偏位21cm21cm，相应的扣塔偏位只，相应的扣塔偏位只有有2cm2cm。西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果

26、管内砼的设计及灌注工艺提出了化学自应力砼微膨胀技术；研究了大直径钢管砼的灌注工艺；形成了“大跨径钢管砼拱桥管内砼施工工法”。混凝土灌注试验装置总体设计图混凝土灌注试验装置总体设计图 钢管混凝土拱桥施工关键技术研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥施工关键技术研究钢管混凝土拱桥施工关键技术研究 高性能化学自应力高强混凝土的研制研制了高性能的化学自应力高强混凝土，其初始坍落度2224cm，初始扩展度60cm；4小时坍落度损失小于4cm，扩展度损失小于50cm；初凝时间20小时以上，膨胀率为万分之三点一，5天强度达到

27、80。满足了特大跨径、大管径的混凝土泵送和密实的需要。西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果拱肋管内砼分段连续压注示意钢管混凝土拱桥施工关键技术研究西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果结束语结束语n n项目研究成果的各方面在依托工程中得到了成功应用，并获得“2009年度国家科技进步二等奖”。n n为现有钢管混凝土拱桥的设计、施工、安全健康运营，以及进一步推广应用奠定了理论基础与技术保障。西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果谢 谢！西部科技项目西部科技项目钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果钢管混凝土拱桥设计方法与计算理论研究成果