论文部分内容阅读
摘要：以70m跨径的下承式钢管砼简支系杆拱桥设计为依据，探讨此种桥型的结构体系，重点阐述了结构的分析计算、设计要点、施工方法以及注意事项，供同类桥梁的设计借鉴和参考。
关键词：新建 下承式钢管砼简支系杆拱桥 设计
中图分类号： U448.22+5 文献标识码： A 文章编号：
下承式钢管砼简支系杆拱桥美观大方，在城市化进程的背景下，此种桥型越来越多的被使用。但近年来此种桥型发现不少问题，尤其在吊杆、钢管拱等结构上出现的问题比较多，下面以高要市江景綠道景观步行桥新建工程为案例，系统地探讨主桥的设计及施工中的注意问题。
一、工程概况
项目跨新兴江，为江景绿道的重要工程。桥梁长221.25m，总宽8米，净宽5.3米；人群荷载：3.5KN/m2。桥梁设计洪水频率为1/100。通航等级为国家内河VII级航道，底净宽32m，上底净宽27m，净高4.5m，侧高2.8m。跨径组合为2×20m预应力砼空心板桥+1-70m下承式钢管砼系杆拱+5×20预应力砼空心板桥+1-8m钢筋砼板桥。
二、桥梁设计要点
2.1上部结构设计：
主桥结构形式为下承式钢管砼简支系杆拱桥。拱肋理论计算跨径为68m，计算矢高13.6m，矢跨比1/5，理论拱轴线方程为：Y=（4FX/L2）（L-X）（坐标原点为理论起拱点）。桥面结构采用系梁、横梁、桥面板固结体系，以提高结构的整体刚度。系梁与钢管拱预拱度均为4cm。主要结构构造如下：
⑴系梁及横梁
系梁采用预应力混凝土结构，其截面为矩形实体截面，梁高为1.2m，梁宽为1.20m；近支点4m处梁高逐渐增大至2.2m，主桥位于竖曲线内，桥面竖曲线由系梁坐标调节。每个系梁采用8束（每束10根）预应力钢绞线。全桥共设15道预应力混凝土横梁，其中有2道端横梁、13道内横梁。内横梁对应位置设置吊杆。横梁采用T形截面，桥面板与横梁形成一体化。端横梁宽1.5m，平均高1.89m，内横梁宽2.1m，底宽0.7m，平均高0.79m。
⑵拱肋及风撑
全桥共设两道钢管砼拱，拱肋截面为圆形，外径100cm，钢管壁厚14mm，采用泵送混凝土顶升灌注。拱肋钢管设排气孔,在两拱座处各设一个进料口,待泵送混凝土完毕后,封死排气孔及进料口；在两片拱肋之间设置3道钢管风撑，外径D=60cm，钢管壁厚12mm，风撑钢管内不灌混凝土。
⑶吊杆
每片拱肋设13根厂制吊杆，最两端吊杆距离原点4.0m，其余吊杆间距为5.0m。吊杆张拉采用单端张拉，张拉端设于钢管拱顶部，固定端设于系梁底部，吊杆锚垫板上下导管外设加强螺旋筋及钢筋网格，以弥补吊杆锚固对纵梁和拱肋截面的削弱。
2.2下部结构设计
⑴采用双柱式墩，钢筋砼钻孔灌注桩基础，墩桩径为D200cm ，墩柱径D180cm，柱顶及桩顶均设置系梁，桩基按嵌岩桩设计。
⑵为满足抗震设防的要求，主墩内、外侧均设置横向防震抗滑块。
⑶主桥墩按防船舶撞击设计，横桥向撞击作用为400KN，顺桥向撞击作用为350KN。
⑷主桥墩采用水中钻桩平台施工。
三、桥梁结构分析
3.1计算采用程序
结构静力计算按平面有限元的方法进行, 计算程序采用同济大学编制的《桥梁博士结构分析系统》。
3.2验算内容
⑴承载能力极限状态验算
①组合I（基本组合）的强度验算：系梁、钢管砼拱；
②整体稳定性验算；
③钢管砼轴向受压承载力验算；
⑵正常使用极限状态应力验算
①组合III（标准组合）最大法向压应力、最大主压应力验算：系梁、钢管拱内砼；
②组合I（长期效应组合）、II（短期效应组合）最大法向拉应力、主拉应力验算：系梁、钢管拱内砼；
③钢管砼拱、系梁的挠度验算；
④钢管砼拱Q345钢管应力验算；
⑤吊杆应力验算。
⑶施工阶段验算
按公路桥规荷载组合Ⅴ进行。
⑷内河通航船撞验算。
四、施工方法及施工步骤
下部结构完成后采用“先梁后拱”的施工方法施工，支架上现浇系梁、横梁及桥面板→架设钢管拱肋及风撑→泵送管内混凝土成拱→安装并第一次张拉吊杆→二期恒载→第二次张拉吊杆→拆除临时支架→安装伸缩缝。
4.1系梁、横梁及桥面板的施工方法及施工步骤：
①搭设水中施工平台，每条系梁支架下打钢管桩基础，钢管桩需支撑于中或微风化岩面，河床以上搭钢管柱支架，架设贝雷桁架超载预压后现浇系梁砼；钢管桩、柱可采用砂砾填芯，桩顶、柱顶各1.0m采用C20砼填芯。施工完成后，河床底面以上的钢管桩必须切割清除。
②现浇端横梁和内横梁，使之同系梁形成框架，待混凝土达到设计强度的95%后（且龄期不少于7天），张拉系梁、端横梁、内横梁的部分钢束并及时压浆；
③待吊杆第一次张拉完后再张拉系梁内剩余钢束并及时压浆。
4.2拱肋及风撑的施工方法及施工步骤：
①于引桥上分段制作钢管拱肋，拼接成节段，在现场严格按设计要求焊成左、右两段；
②搭设支架以保持拱肋稳定；
③分两段吊装拱肋钢管，并安装风撑；
④泵送拱肋内微膨胀混凝土，浇筑砼时自拱脚推向拱顶，应对称灌注，且两侧钢管同步进行，相差不超过50cm，以避免受力不均；
⑤拆除拱肋支架后安装张拉吊杆。
4.3吊杆的施工方法及施工步骤：
吊杆上端为C型，下端为A型，两端均为螺母式，上、下端需安装保护罩，施工步骤为：
①将吊杆两端锚头拆开包装，检查螺纹是否旋入自如。索体部分的外包装可待施工完成后再拆除；
②将吊杆两端的螺母旋出，待用；
③将保护罩的厚垫板焊接在下端预埋垫板上，注意与垫板孔对中；
④将起吊设备的牵引绳由待穿吊杆的拱上预留孔道放下，穿过球形垫板及球形螺母；
⑤将起吊牵引绳的连接头与吊杆上端锚头内螺纹连接，并将锚头从拱肋上的预埋孔管牵引出预埋垫板，继续向上提，直至下端锚头装入下预埋管，放下吊杆，两端装上球形垫板，旋上球形螺母；
⑥根据工程情况，调节上端或下端锚头；
⑦重复以上步骤，进行下一根吊杆的安装；
⑧在所需张拉的一端设施工平台，安装张拉设备，对吊杆进行张拉；根据施工设计的吊杆张拉顺序及控制应力要求进行吊杆的索力张拉以及标高调整；
⑨张拉到设计吨位后，旋紧螺母，将设备拆下；
⑩下端预埋管内应用灌入设计要求的填充材料，务必将锚头部分全充满，建议填充OVM.PZ型防腐材料，装好上、下减震体，上端的挡板直接焊接在预埋管上，下端防水罩安装要求密封不渗水。
五、施工要点及注意事项
⑴桥面以下系梁、横梁及桥面板皆在支架上现浇，施工单位应高度重视支架的设计与施工，支架应有足够的刚度和强度，并需预压(预压重量应为现浇结构重量的1.2倍)以消除其非弹性变形，防止混凝土开裂。浇注砼前仔细检查吊杆预埋件、横梁预埋钢筋是否放置到位。端横梁牛腿上安放空心板时注意安放顺序，边梁的安放不可阻碍系梁内钢束的张拉。
⑵拱座施工时，要特别注意拱肋预埋段钢管的定位，采取措施，确保钢管的坐标位置及倾角准确无误。
⑶钢管拱肋与风撑的施工
①拱肋、风撑等钢结构均应采用工厂制作，卷管方向与钢板压延方向一致，所有钢管管节均采用直缝坡口焊接。管节与构件制作标准及精度要求应按《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）及《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-2001）办理，组装允许偏差按《铁路钢桥制造及验收规范》（TB10212-98）办理。钢结构应进行喷砂除锈及表面粗糙化，除锈等级应达到GB8923—88标准的Sa2.5级，表面的粗糙度应达到GB9793—88标准的Ra40~60m。钢结构表面防腐涂层工厂加工时采用环氧富锌底漆1道80m，环氧云母氧化铁中间漆1道100m，氯化橡胶厚膜面漆1道45m（橘红色），现场焊接拼装时需对焊缝周围破坏位置重新喷涂此三层油漆，焊接拼装好后整体喷涂氯化橡胶厚膜面漆1道45m（橘红色）。涂装总厚度270m，具体的施工、评定、试验等标准详见《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》JT/T 722-2008等国家标准。钢结构下料切割焊接均应按国家有关规范标准进行。
②所有管节、构件在工厂制作时，应按1：1放大样，出厂前，应将管肋试拼，试拼时的精度要求：拱轴线实测值与设计值在竖向及水平方向的允许偏差值为：拱顶：±5mm；1/4拱肋：±5mm；拱脚：±5mm。。
③拱肋钢管焊接的要求：(a)焊接工人的选择及焊接工艺必须按GBJ205-83的规定办理，工厂焊接应采用自动焊；(b)焊条的选择按JTJ041-89规范办理；(c)钢管的纵、环对接焊缝按GB50205-2001规定的Ⅰ级办理。
④超声波检验：取样数量，取样方法及试验方法应符合GB1991的规定，供货方提交的工厂质量证明书应符合GB2101的规定。
焊缝应按GB/T11345—89、GB/T3323—87的规定做超声检验或射线检验，探伤工艺及验收都应满足规范要求。
⑤焊接拱肋前，仔细检查加劲肋及加固钢筋的焊接。严格计算吊杆对应拱肋的位置，在拱肋对应吊杆位置开孔，安装焊接吊杆预埋钢板及钢管。
⑷拱肋内泵送混凝土必须连续进行，一次完成，中途不得停顿，待上端排气孔正常出浆后方可停止，泵送过程中应始终对拱桥进行监控，防止发生“冒頂”；
钢管内混凝土的配制，应确保施工时具有低热、大流动性、收缩补偿、延后初凝和早强等工程性能，可掺加适量粉煤灰，采用适当的高效缓凝泵送剂、CAS微膨胀剂等外加剂，施工单位可根据自己的施工经验进行配制。此外，掺加微膨胀剂时，管内混凝土在密闭保水情况下的膨胀量和通常养护情况下的膨胀量是不同的，这一点应引起施工单位的注意；膨胀剂的使用，应能补偿混凝土的温缩和干缩，并使其最终具有0.0005％左右的微膨胀效果。
钢管内灌注混凝土后，各开口处的封焊需等到混凝土强度达到50％以后进行，并注意避免高温损伤管内的混凝土。
⑸吊杆的安装，应严格施工工序间的管理和监控，安装时不得磕碰敲击损坏锚具，不得损坏拉索的材质，不得使其变形；应精确计算下料长度，保证一端的锚杯能够满足调节高程的需要，严格控制剥除PE长度，张拉结束后按照要求做好防腐措施。张拉吊杆时，吊杆伸长量以总伸长量10%初张拉为起点到控制张拉吨位时的伸长量，计算长度考虑两端锚固点之间长度,实际伸长量与计算值相差不应大于6%。
六、结束语
通过对下承式钢管砼简支系杆拱桥的设计，系统的掌握了此类桥梁的设计要点，通过计算模型和理论研究计算，掌握此类桥梁的受力特点及验算，对此类桥梁的设计有一定的借鉴作用。
参考文献：
顾安邦 拱桥[M]. 北京：人民交通出版社，2004.
金成棣 预应力混凝土梁拱组合桥—设计研究与实践[M]. 北京：人民交通出版社，2001.
关键词：新建 下承式钢管砼简支系杆拱桥 设计
中图分类号： U448.22+5 文献标识码： A 文章编号：
下承式钢管砼简支系杆拱桥美观大方，在城市化进程的背景下，此种桥型越来越多的被使用。但近年来此种桥型发现不少问题，尤其在吊杆、钢管拱等结构上出现的问题比较多，下面以高要市江景綠道景观步行桥新建工程为案例，系统地探讨主桥的设计及施工中的注意问题。
一、工程概况
项目跨新兴江，为江景绿道的重要工程。桥梁长221.25m，总宽8米，净宽5.3米；人群荷载：3.5KN/m2。桥梁设计洪水频率为1/100。通航等级为国家内河VII级航道，底净宽32m，上底净宽27m，净高4.5m，侧高2.8m。跨径组合为2×20m预应力砼空心板桥+1-70m下承式钢管砼系杆拱+5×20预应力砼空心板桥+1-8m钢筋砼板桥。
二、桥梁设计要点
2.1上部结构设计：
主桥结构形式为下承式钢管砼简支系杆拱桥。拱肋理论计算跨径为68m，计算矢高13.6m，矢跨比1/5，理论拱轴线方程为：Y=（4FX/L2）（L-X）（坐标原点为理论起拱点）。桥面结构采用系梁、横梁、桥面板固结体系，以提高结构的整体刚度。系梁与钢管拱预拱度均为4cm。主要结构构造如下：
⑴系梁及横梁
系梁采用预应力混凝土结构，其截面为矩形实体截面，梁高为1.2m，梁宽为1.20m；近支点4m处梁高逐渐增大至2.2m，主桥位于竖曲线内，桥面竖曲线由系梁坐标调节。每个系梁采用8束（每束10根）预应力钢绞线。全桥共设15道预应力混凝土横梁，其中有2道端横梁、13道内横梁。内横梁对应位置设置吊杆。横梁采用T形截面，桥面板与横梁形成一体化。端横梁宽1.5m，平均高1.89m，内横梁宽2.1m，底宽0.7m，平均高0.79m。
⑵拱肋及风撑
全桥共设两道钢管砼拱，拱肋截面为圆形，外径100cm，钢管壁厚14mm，采用泵送混凝土顶升灌注。拱肋钢管设排气孔,在两拱座处各设一个进料口,待泵送混凝土完毕后,封死排气孔及进料口；在两片拱肋之间设置3道钢管风撑，外径D=60cm，钢管壁厚12mm，风撑钢管内不灌混凝土。
⑶吊杆
每片拱肋设13根厂制吊杆，最两端吊杆距离原点4.0m，其余吊杆间距为5.0m。吊杆张拉采用单端张拉，张拉端设于钢管拱顶部，固定端设于系梁底部，吊杆锚垫板上下导管外设加强螺旋筋及钢筋网格，以弥补吊杆锚固对纵梁和拱肋截面的削弱。
2.2下部结构设计
⑴采用双柱式墩，钢筋砼钻孔灌注桩基础，墩桩径为D200cm ，墩柱径D180cm，柱顶及桩顶均设置系梁，桩基按嵌岩桩设计。
⑵为满足抗震设防的要求，主墩内、外侧均设置横向防震抗滑块。
⑶主桥墩按防船舶撞击设计，横桥向撞击作用为400KN，顺桥向撞击作用为350KN。
⑷主桥墩采用水中钻桩平台施工。
三、桥梁结构分析
3.1计算采用程序
结构静力计算按平面有限元的方法进行, 计算程序采用同济大学编制的《桥梁博士结构分析系统》。
3.2验算内容
⑴承载能力极限状态验算
①组合I（基本组合）的强度验算：系梁、钢管砼拱；
②整体稳定性验算；
③钢管砼轴向受压承载力验算；
⑵正常使用极限状态应力验算
①组合III（标准组合）最大法向压应力、最大主压应力验算：系梁、钢管拱内砼；
②组合I（长期效应组合）、II（短期效应组合）最大法向拉应力、主拉应力验算：系梁、钢管拱内砼；
③钢管砼拱、系梁的挠度验算；
④钢管砼拱Q345钢管应力验算；
⑤吊杆应力验算。
⑶施工阶段验算
按公路桥规荷载组合Ⅴ进行。
⑷内河通航船撞验算。
四、施工方法及施工步骤
下部结构完成后采用“先梁后拱”的施工方法施工，支架上现浇系梁、横梁及桥面板→架设钢管拱肋及风撑→泵送管内混凝土成拱→安装并第一次张拉吊杆→二期恒载→第二次张拉吊杆→拆除临时支架→安装伸缩缝。
4.1系梁、横梁及桥面板的施工方法及施工步骤：
①搭设水中施工平台，每条系梁支架下打钢管桩基础，钢管桩需支撑于中或微风化岩面，河床以上搭钢管柱支架，架设贝雷桁架超载预压后现浇系梁砼；钢管桩、柱可采用砂砾填芯，桩顶、柱顶各1.0m采用C20砼填芯。施工完成后，河床底面以上的钢管桩必须切割清除。
②现浇端横梁和内横梁，使之同系梁形成框架，待混凝土达到设计强度的95%后（且龄期不少于7天），张拉系梁、端横梁、内横梁的部分钢束并及时压浆；
③待吊杆第一次张拉完后再张拉系梁内剩余钢束并及时压浆。
4.2拱肋及风撑的施工方法及施工步骤：
①于引桥上分段制作钢管拱肋，拼接成节段，在现场严格按设计要求焊成左、右两段；
②搭设支架以保持拱肋稳定；
③分两段吊装拱肋钢管，并安装风撑；
④泵送拱肋内微膨胀混凝土，浇筑砼时自拱脚推向拱顶，应对称灌注，且两侧钢管同步进行，相差不超过50cm，以避免受力不均；
⑤拆除拱肋支架后安装张拉吊杆。
4.3吊杆的施工方法及施工步骤：
吊杆上端为C型，下端为A型，两端均为螺母式，上、下端需安装保护罩，施工步骤为：
①将吊杆两端锚头拆开包装，检查螺纹是否旋入自如。索体部分的外包装可待施工完成后再拆除；
②将吊杆两端的螺母旋出，待用；
③将保护罩的厚垫板焊接在下端预埋垫板上，注意与垫板孔对中；
④将起吊设备的牵引绳由待穿吊杆的拱上预留孔道放下，穿过球形垫板及球形螺母；
⑤将起吊牵引绳的连接头与吊杆上端锚头内螺纹连接，并将锚头从拱肋上的预埋孔管牵引出预埋垫板，继续向上提，直至下端锚头装入下预埋管，放下吊杆，两端装上球形垫板，旋上球形螺母；
⑥根据工程情况，调节上端或下端锚头；
⑦重复以上步骤，进行下一根吊杆的安装；
⑧在所需张拉的一端设施工平台，安装张拉设备，对吊杆进行张拉；根据施工设计的吊杆张拉顺序及控制应力要求进行吊杆的索力张拉以及标高调整；
⑨张拉到设计吨位后，旋紧螺母，将设备拆下；
⑩下端预埋管内应用灌入设计要求的填充材料，务必将锚头部分全充满，建议填充OVM.PZ型防腐材料，装好上、下减震体，上端的挡板直接焊接在预埋管上，下端防水罩安装要求密封不渗水。
五、施工要点及注意事项
⑴桥面以下系梁、横梁及桥面板皆在支架上现浇，施工单位应高度重视支架的设计与施工，支架应有足够的刚度和强度，并需预压(预压重量应为现浇结构重量的1.2倍)以消除其非弹性变形，防止混凝土开裂。浇注砼前仔细检查吊杆预埋件、横梁预埋钢筋是否放置到位。端横梁牛腿上安放空心板时注意安放顺序，边梁的安放不可阻碍系梁内钢束的张拉。
⑵拱座施工时，要特别注意拱肋预埋段钢管的定位，采取措施，确保钢管的坐标位置及倾角准确无误。
⑶钢管拱肋与风撑的施工
①拱肋、风撑等钢结构均应采用工厂制作，卷管方向与钢板压延方向一致，所有钢管管节均采用直缝坡口焊接。管节与构件制作标准及精度要求应按《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）及《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-2001）办理，组装允许偏差按《铁路钢桥制造及验收规范》（TB10212-98）办理。钢结构应进行喷砂除锈及表面粗糙化，除锈等级应达到GB8923—88标准的Sa2.5级，表面的粗糙度应达到GB9793—88标准的Ra40~60m。钢结构表面防腐涂层工厂加工时采用环氧富锌底漆1道80m，环氧云母氧化铁中间漆1道100m，氯化橡胶厚膜面漆1道45m（橘红色），现场焊接拼装时需对焊缝周围破坏位置重新喷涂此三层油漆，焊接拼装好后整体喷涂氯化橡胶厚膜面漆1道45m（橘红色）。涂装总厚度270m，具体的施工、评定、试验等标准详见《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》JT/T 722-2008等国家标准。钢结构下料切割焊接均应按国家有关规范标准进行。
②所有管节、构件在工厂制作时，应按1：1放大样，出厂前，应将管肋试拼，试拼时的精度要求：拱轴线实测值与设计值在竖向及水平方向的允许偏差值为：拱顶：±5mm；1/4拱肋：±5mm；拱脚：±5mm。。
③拱肋钢管焊接的要求：(a)焊接工人的选择及焊接工艺必须按GBJ205-83的规定办理，工厂焊接应采用自动焊；(b)焊条的选择按JTJ041-89规范办理；(c)钢管的纵、环对接焊缝按GB50205-2001规定的Ⅰ级办理。
④超声波检验：取样数量，取样方法及试验方法应符合GB1991的规定，供货方提交的工厂质量证明书应符合GB2101的规定。
焊缝应按GB/T11345—89、GB/T3323—87的规定做超声检验或射线检验，探伤工艺及验收都应满足规范要求。
⑤焊接拱肋前，仔细检查加劲肋及加固钢筋的焊接。严格计算吊杆对应拱肋的位置，在拱肋对应吊杆位置开孔，安装焊接吊杆预埋钢板及钢管。
⑷拱肋内泵送混凝土必须连续进行，一次完成，中途不得停顿，待上端排气孔正常出浆后方可停止，泵送过程中应始终对拱桥进行监控，防止发生“冒頂”；
钢管内混凝土的配制，应确保施工时具有低热、大流动性、收缩补偿、延后初凝和早强等工程性能，可掺加适量粉煤灰，采用适当的高效缓凝泵送剂、CAS微膨胀剂等外加剂，施工单位可根据自己的施工经验进行配制。此外，掺加微膨胀剂时，管内混凝土在密闭保水情况下的膨胀量和通常养护情况下的膨胀量是不同的，这一点应引起施工单位的注意；膨胀剂的使用，应能补偿混凝土的温缩和干缩，并使其最终具有0.0005％左右的微膨胀效果。
钢管内灌注混凝土后，各开口处的封焊需等到混凝土强度达到50％以后进行，并注意避免高温损伤管内的混凝土。
⑸吊杆的安装，应严格施工工序间的管理和监控，安装时不得磕碰敲击损坏锚具，不得损坏拉索的材质，不得使其变形；应精确计算下料长度，保证一端的锚杯能够满足调节高程的需要，严格控制剥除PE长度，张拉结束后按照要求做好防腐措施。张拉吊杆时，吊杆伸长量以总伸长量10%初张拉为起点到控制张拉吨位时的伸长量，计算长度考虑两端锚固点之间长度,实际伸长量与计算值相差不应大于6%。
六、结束语
通过对下承式钢管砼简支系杆拱桥的设计，系统的掌握了此类桥梁的设计要点，通过计算模型和理论研究计算，掌握此类桥梁的受力特点及验算，对此类桥梁的设计有一定的借鉴作用。
参考文献：
顾安邦 拱桥[M]. 北京：人民交通出版社，2004.
金成棣 预应力混凝土梁拱组合桥—设计研究与实践[M]. 北京：人民交通出版社，2001.