论文部分内容阅读
摘 要：以某山区大跨径中承式钢管混凝土拱桥为例，详细介绍了300 m中承式钢管混凝土拱桥的结构设计要点及施工要点。
关键词：钢管混凝土拱桥;设计;山区;中承式
中图分类号：U442.5 文献标识码：A
0 引言
钢管混凝土是一种高强轻质的材料，钢管管壁对内灌混凝土起到了套箍作用，同时内灌混凝土也提高了钢管受压时的稳定性。正是这种特性，将两种材料可以有机地组合起来，充分发挥材料各自的特性，已被公认是大跨径拱桥的一种理想材料。同时施工时，钢管可以作为内灌混凝土的模板，省掉了模板工程，而钢管吊装重量轻，施工进度快，运输也较为方便，尤为适合山区桥梁建设。
1 总体设计
某高速公路工程需跨越V形河谷，两岸基岩裸露，地质条件好，适合作为有推力拱桥的基础。结合该桥位处的路线线位及山谷地形，采用300 m左右的中承式拱桥是较为适宜的。目前已通车运营的跨径300 m左右及以上的拱桥中，大多数桥梁结构形式为钢箱拱或钢管拱桥，相比较于钢箱拱，钢管拱桥具有明显的造价优势。因此本桥位采用钢管混凝土拱桥方案是适宜的，桥型效果图如图1所示：
2 结构设计
2.1 主拱圈
该桥拱轴线采用悬链线，计算跨径为300 m，计算矢高60 m，计算矢跨比为1/5，其拱轴系数1.384。钢管混凝土四管格构体系，拱肋截面径向高6.1 m，肋宽3.1 m。
考虑吊装能力等因素，主拱拱肋划分为32个节段。单根拱肋弦杆第1、2节段弦杆采用φ1 100×32 mm钢管，第3节段弦杆采用φ1 100×28 mm钢管，第3节段上、下弦杆采用φ1 100×24 mm钢管;其余节段上、下弦杆均采用φ1 100×20 mm钢管。拱肋第一节段弦杆间横向通过缀板连接，缀板厚24 mm，其余拱肋弦杆间横向通过平联钢管连接。吊点及第2节段位置平联采用φ660×16 mm钢管，非吊点位置平联采用φ660×12 mm钢管。弦管及吊杆位置上平联钢管灌注C55微膨胀高性能混凝土。
拱肋上下弦杆竖向通过斜、竖腹杆连接。除前两个节段竖斜、腹杆采用φ500×16 mm钢管外，其余节段斜、竖腹杆均采用φ500×12 mm钢管。拱肋节段对接接头采用管外焊接信使，管内法兰盘栓接形式。拱肋与拱肋横撑间焊接连接。拱肋节段最大的吊装重量约为104 t。
拱肋采用Q345C钢材，全桥共设12道横撑，其中10道K型横撑，2道拱脚X型横撑。K型横撑水平弦杆采用φ660×16 mm钢管，斜向弦杆采用φ660×16 mm。K型横撑竖腹杆、斜腹杆、水平腹杆均采用φ400×10 mm钢管。X型横撑水平弦杆采用φ800×20 mm钢管，斜向弦杆采用φ800×20 mm。
2.2 吊杆
吊杆纵向间距为10 m，共26对，采用GJ15-27、GJ15-37整束挤压成型钢绞线。吊杆上端采用张拉端锚具，上锚头采用球型支座和垫板锚固于拱肋上平联，通过调节螺母位置对吊杆长度进行调整。吊杆下端采用固定端锚具，叉形耳板通过销轴与横梁处耳板连接。
2.3 桥面系
主桥桥面系由钢纵梁、钢横梁及混凝土桥面板三部分组成，这三部分形成了组合梁格构体系。
钢横梁分为吊杆横梁、次横梁、立柱处主横梁及端横梁4种。吊杆横梁横向长度为30.2 m，采用跨中梁高为2.2 m的工字型断面，纵向间距10 m。顶板宽度在吊点范围局部加宽至1.5 m，其余位置宽度为0.7 m，顶板厚28 mm;底板宽1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm。次横梁断面为梁高0.9 m的工字型断面，其顶板全宽0.6 m，厚16 mm，底板宽0.6 m，厚16 mm;腹板厚14 mm。立柱处横梁断面为跨中梁高2.2 m的工字型断面，其顶板全宽0.7 m，厚28 mm，底板宽1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm，支座处腹板加厚至28 mm。端横梁设于纵桥向两端，梁长30.2 m，跨中梁高2.2 m，顶板厚28 mm，宽0.8 m，底板厚32 mm，宽0.8 m，腹板厚18 mm，在支座处腹板加厚至28 mm。
钢纵梁分为边纵梁与中纵梁2种。边纵梁位于主梁两侧，采用工字型结构，边纵梁梁高为1.951 m，顶板宽0.6 m，厚18 mm，底板宽0.6 m，厚32 mm，腹板宽18 mm。边纵梁之间设置3排横向间距5 m的中纵梁，中纵梁采用梁高1.0 m工字型结构，顶板宽0.6 m，厚16 mm，底板宽0.6 m，厚16 mm，腹板厚14 mm。
桥面板采用C50混凝土分块预制。桥面板厚25 cm，尺寸分为4.5 m×4.58 m、4.5 m×4.5 m、4.45 m×4.58 m、4.45 m×4.5 m四类。预制桥面板的最大吊装重量约为16 t。
2.4 拱座
拱座采用扩大基础型式，拱座尺寸为25×35.7×14.475 m，拱座基底阶梯状布置。除拱座与拱脚结合处7 m范围内采用C40混凝土，拱座其余部位均采用C30混凝土。
3 施工方案
采用斜拉扣挂体系进行施工，主要施工步骤分为扣挂吊装体系安装、拱肋加工及安装、钢管混凝土浇筑、桥面系安装几部分，以下分别对各部分进行详细介绍。
3.1 扣挂体系
拱肋钢管桁架扣挂体系由扣塔锚碇、扣塔、扣索、张拉锚箱、锚碇等构成。扣塔安设在两岸拱座外侧，采用格构柱形式。扣索采用φs15.2钢绞线，扣索张拉端采用可调索低应力夹片锚具，锚固端采用挤压锚具，扣索外缠一层玻璃丝布保护。
3.2 吊装体系
吊装体系由吊塔、吊运天线、吊塔锚碇三部分构成。扣塔横向采用门柱式结构形式，吊运天线由两组10Φ52钢丝绳组成。
3.3 拱肋加工及安装
钢管桁架加工在具备良好场地环境、人员及设备满足钢管桁架的加工需求的工厂内进行。钢管桁架节段加工完成后应在厂区进行预拼，合格后运送到现场进行吊装。钢管桁架吊装顺序为每节段内桥中心线左右侧拱肋及对应位置的横撑同步进行。每一吊装节段就位以后，拧紧拱肋接头处内法兰螺栓，调整相应的扣索索力使拱肋轴线位于预定标高。待全桥拱肋合龙并调整拱圈标高至指定位置后，焊接全桥主拱钢管接头并全部检验合格后，均衡、分级卸载扣索，完成拱肋的安装。
3.4 钢管混凝土浇筑
管内灌注混凝土采用C55自密实微膨胀混凝土，采取泵压法自拱脚向拱顶灌注，灌注过程中及时调整扣索位置及索力。这里特别应注意的是，灌注混凝土前，应完成成型后钢拱圈的各项测试，待各项指标满足计算及规范要求后方能灌注上、下弦管和其他指定构件内的混凝土。为了确保钢管内灌注混凝土的密实性，可在C55中应掺入适量减水和膨胀剂，使之具备具有粘聚性好、收缩补偿、延后初凝时间（即初凝時间大于12小时）、流动性好、不泌水等性能。钢管内混凝土灌注后，可敲击、超声波、钻孔等手段检验钢管内混凝土的饱满程度。
3.5 桥面系安装
桥面梁的施工，吊杆横梁及桥面板、人行道板安装要求两岸交替对称，其余施工构件安装方案由施工单位根据现场条件和施工技术特长，在施工组织设计中完善。
4 结语
本文基于钢管拱桥的设计内容，从总体设计、结构设计、施工方案等方面对山区大跨径中承式钢管拱桥设计要点进行了介绍，为同类型结构的设计提供了参考。
参考文献：
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2016.
[2]交通部.公路钢管混凝土拱桥设计规范（JTG/TD65-06-2015）[S].北京：人民交通出版社，2015.
关键词：钢管混凝土拱桥;设计;山区;中承式
中图分类号：U442.5 文献标识码：A
0 引言
钢管混凝土是一种高强轻质的材料，钢管管壁对内灌混凝土起到了套箍作用，同时内灌混凝土也提高了钢管受压时的稳定性。正是这种特性，将两种材料可以有机地组合起来，充分发挥材料各自的特性，已被公认是大跨径拱桥的一种理想材料。同时施工时，钢管可以作为内灌混凝土的模板，省掉了模板工程，而钢管吊装重量轻，施工进度快，运输也较为方便，尤为适合山区桥梁建设。
1 总体设计
某高速公路工程需跨越V形河谷，两岸基岩裸露，地质条件好，适合作为有推力拱桥的基础。结合该桥位处的路线线位及山谷地形，采用300 m左右的中承式拱桥是较为适宜的。目前已通车运营的跨径300 m左右及以上的拱桥中，大多数桥梁结构形式为钢箱拱或钢管拱桥，相比较于钢箱拱，钢管拱桥具有明显的造价优势。因此本桥位采用钢管混凝土拱桥方案是适宜的，桥型效果图如图1所示：
2 结构设计
2.1 主拱圈
该桥拱轴线采用悬链线，计算跨径为300 m，计算矢高60 m，计算矢跨比为1/5，其拱轴系数1.384。钢管混凝土四管格构体系，拱肋截面径向高6.1 m，肋宽3.1 m。
考虑吊装能力等因素，主拱拱肋划分为32个节段。单根拱肋弦杆第1、2节段弦杆采用φ1 100×32 mm钢管，第3节段弦杆采用φ1 100×28 mm钢管，第3节段上、下弦杆采用φ1 100×24 mm钢管;其余节段上、下弦杆均采用φ1 100×20 mm钢管。拱肋第一节段弦杆间横向通过缀板连接，缀板厚24 mm，其余拱肋弦杆间横向通过平联钢管连接。吊点及第2节段位置平联采用φ660×16 mm钢管，非吊点位置平联采用φ660×12 mm钢管。弦管及吊杆位置上平联钢管灌注C55微膨胀高性能混凝土。
拱肋上下弦杆竖向通过斜、竖腹杆连接。除前两个节段竖斜、腹杆采用φ500×16 mm钢管外，其余节段斜、竖腹杆均采用φ500×12 mm钢管。拱肋节段对接接头采用管外焊接信使，管内法兰盘栓接形式。拱肋与拱肋横撑间焊接连接。拱肋节段最大的吊装重量约为104 t。
拱肋采用Q345C钢材，全桥共设12道横撑，其中10道K型横撑，2道拱脚X型横撑。K型横撑水平弦杆采用φ660×16 mm钢管，斜向弦杆采用φ660×16 mm。K型横撑竖腹杆、斜腹杆、水平腹杆均采用φ400×10 mm钢管。X型横撑水平弦杆采用φ800×20 mm钢管，斜向弦杆采用φ800×20 mm。
2.2 吊杆
吊杆纵向间距为10 m，共26对，采用GJ15-27、GJ15-37整束挤压成型钢绞线。吊杆上端采用张拉端锚具，上锚头采用球型支座和垫板锚固于拱肋上平联，通过调节螺母位置对吊杆长度进行调整。吊杆下端采用固定端锚具，叉形耳板通过销轴与横梁处耳板连接。
2.3 桥面系
主桥桥面系由钢纵梁、钢横梁及混凝土桥面板三部分组成，这三部分形成了组合梁格构体系。
钢横梁分为吊杆横梁、次横梁、立柱处主横梁及端横梁4种。吊杆横梁横向长度为30.2 m，采用跨中梁高为2.2 m的工字型断面，纵向间距10 m。顶板宽度在吊点范围局部加宽至1.5 m，其余位置宽度为0.7 m，顶板厚28 mm;底板宽1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm。次横梁断面为梁高0.9 m的工字型断面，其顶板全宽0.6 m，厚16 mm，底板宽0.6 m，厚16 mm;腹板厚14 mm。立柱处横梁断面为跨中梁高2.2 m的工字型断面，其顶板全宽0.7 m，厚28 mm，底板宽1.0 m，厚32 mm，腹板厚18 mm，支座处腹板加厚至28 mm。端横梁设于纵桥向两端，梁长30.2 m，跨中梁高2.2 m，顶板厚28 mm，宽0.8 m，底板厚32 mm，宽0.8 m，腹板厚18 mm，在支座处腹板加厚至28 mm。
钢纵梁分为边纵梁与中纵梁2种。边纵梁位于主梁两侧，采用工字型结构，边纵梁梁高为1.951 m，顶板宽0.6 m，厚18 mm，底板宽0.6 m，厚32 mm，腹板宽18 mm。边纵梁之间设置3排横向间距5 m的中纵梁，中纵梁采用梁高1.0 m工字型结构，顶板宽0.6 m，厚16 mm，底板宽0.6 m，厚16 mm，腹板厚14 mm。
桥面板采用C50混凝土分块预制。桥面板厚25 cm，尺寸分为4.5 m×4.58 m、4.5 m×4.5 m、4.45 m×4.58 m、4.45 m×4.5 m四类。预制桥面板的最大吊装重量约为16 t。
2.4 拱座
拱座采用扩大基础型式，拱座尺寸为25×35.7×14.475 m，拱座基底阶梯状布置。除拱座与拱脚结合处7 m范围内采用C40混凝土，拱座其余部位均采用C30混凝土。
3 施工方案
采用斜拉扣挂体系进行施工，主要施工步骤分为扣挂吊装体系安装、拱肋加工及安装、钢管混凝土浇筑、桥面系安装几部分，以下分别对各部分进行详细介绍。
3.1 扣挂体系
拱肋钢管桁架扣挂体系由扣塔锚碇、扣塔、扣索、张拉锚箱、锚碇等构成。扣塔安设在两岸拱座外侧，采用格构柱形式。扣索采用φs15.2钢绞线，扣索张拉端采用可调索低应力夹片锚具，锚固端采用挤压锚具，扣索外缠一层玻璃丝布保护。
3.2 吊装体系
吊装体系由吊塔、吊运天线、吊塔锚碇三部分构成。扣塔横向采用门柱式结构形式，吊运天线由两组10Φ52钢丝绳组成。
3.3 拱肋加工及安装
钢管桁架加工在具备良好场地环境、人员及设备满足钢管桁架的加工需求的工厂内进行。钢管桁架节段加工完成后应在厂区进行预拼，合格后运送到现场进行吊装。钢管桁架吊装顺序为每节段内桥中心线左右侧拱肋及对应位置的横撑同步进行。每一吊装节段就位以后，拧紧拱肋接头处内法兰螺栓，调整相应的扣索索力使拱肋轴线位于预定标高。待全桥拱肋合龙并调整拱圈标高至指定位置后，焊接全桥主拱钢管接头并全部检验合格后，均衡、分级卸载扣索，完成拱肋的安装。
3.4 钢管混凝土浇筑
管内灌注混凝土采用C55自密实微膨胀混凝土，采取泵压法自拱脚向拱顶灌注，灌注过程中及时调整扣索位置及索力。这里特别应注意的是，灌注混凝土前，应完成成型后钢拱圈的各项测试，待各项指标满足计算及规范要求后方能灌注上、下弦管和其他指定构件内的混凝土。为了确保钢管内灌注混凝土的密实性，可在C55中应掺入适量减水和膨胀剂，使之具备具有粘聚性好、收缩补偿、延后初凝时间（即初凝時间大于12小时）、流动性好、不泌水等性能。钢管内混凝土灌注后，可敲击、超声波、钻孔等手段检验钢管内混凝土的饱满程度。
3.5 桥面系安装
桥面梁的施工，吊杆横梁及桥面板、人行道板安装要求两岸交替对称，其余施工构件安装方案由施工单位根据现场条件和施工技术特长，在施工组织设计中完善。
4 结语
本文基于钢管拱桥的设计内容，从总体设计、结构设计、施工方案等方面对山区大跨径中承式钢管拱桥设计要点进行了介绍，为同类型结构的设计提供了参考。
参考文献：
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2016.
[2]交通部.公路钢管混凝土拱桥设计规范（JTG/TD65-06-2015）[S].北京：人民交通出版社，2015.