钢管混凝土拱桥设计与施工技术关键技术

1、钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究 研究报告简本目 录0 引言11 主要研究内容及实施方案21.1 总体目标21.2 主要研究内容21.3 技术路线101.4 依托工程102 主要研究成果及创新点113 项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景124 项目执行情况评价134.1 项目目标、任务完成情况的评价134.2 关键技术、主要科技成果及整体水平的评价134.3 项目实施对依托工程的作用和影响134.4经费使用的合理性评价135 合作者146 致谢15I0 引言拱桥是我们最熟知的一种原始、古老、传统的桥型，而钢管混凝土拱桥作为拱桥家族中的一种新颖特殊的型式，已经象百花丛中的一朵奇葩

2、正含苞怒放。它具有跨越能力强，拱肋自架设性能好，构件加工制作工厂化等优点，对于跨越各种条件下的河流、山谷、道路、建筑物等具有极强的适应性；对于当今既有美学景观又有经济指标双控要求的跨越方式具有很强的竞争性；对于50500m左右跨径的大、中、小桥型桥梁结构形式均具有十分诱人的可选择性。对于它的发展可以预见应当具有极为广阔的前景和强大的生命力。尽管这种结构型式目前应用广泛，但对于它的设计理论与施工技术的深入研究，却远滞后于它的工程应用，迄今为止，我国尚无钢管混凝土拱桥的设计、施工和养护规范。因此，“钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究”成为了交通部2003年第一批通过招投标确定研究单位的西部

3、交通建设科技项目。2003年3月由湖南省交通规划勘察设计院牵头，联合福州大学、长沙理工大学及交通部公路科学研究院等单位组成联合体参加了该项目的投标。根据合同要求，该项目研究大纲于2003年11月16日在长沙通过了由交通部西部交通建设科技项目管理中心主持的专家评审，同时在原有联合体单位的基础上，又增加了湖南路桥建设集团公司、湖南大学、哈尔滨工业大学及益阳市茅草街大桥建设开发有限公司等参加单位。本项目由湖南省交通规划勘察设计院牵头，经过全国80余位专家历时四年多的团结协作,刻苦攻关，终于于2007年6月圆满完成，并征得交通部西部交通建设科技项目管理中心批准同意进行鉴定验收。由设计大师孟凡超、杨高中

4、，钟善桐、聂建国等众多国内桥梁工程界权威组成的鉴定委员会充分肯定了本项目科研成果，并一致认为该项目研究成果整体达到国际领先水平。1 主要研究内容及实施方案1.1 总体目标（1）提出不同构造体系合理的型式与适用范围 ；（2）提出可靠的设计理论、实用算法及应用程序，编写设计指南；（3）形成一套完整的拱肋制作、架设、施工及质量控制技术，编写施工指南；（4）提出合理的养护维修及健康诊断技术，编写养护维修指南。1.2 主要研究内容本项目共设四个专题，十三个子题。1.2.1专题一：钢管混凝土拱桥结构体系的研究，下设三个子题，分别为：子题一：钢管混凝土拱桥结构体系研究；项目研究工程实例：益阳茅草街大桥、湘西

5、王村大桥、重庆巫峡长江大桥、武汉江汉五桥、衡南湘江公路大桥、广州丫髻沙大桥、湖南邵阳西湖大桥。研究目标：合理结构形式、总体布置以及合理经济跨径。茅草街大桥（无推力）巫山长江大桥（有推力）子题二：钢管混凝土拱肋结构与构造研究；（1）拱肋截面形式研究 单圆管结构简单，拱肋制作、施工简便；哑铃形较之单圆管，截面抗弯刚度大；桁式较之哑铃形，纵横向抗弯刚度大，稳定性好；四管桁式抗扭和横向抗弯刚度大，而六管桁式竖向抗弯刚度大；拱肋截面型式对面内动力特性影响显著；横撑型式对横向动力特性和稳定性影响显著，“K”撑效果最佳。（2）管节点分析研究 无横撑设置处桁架节点 K撑直撑处桁架节点 K撑斜撑处桁架节点 子题

6、三：桥面结构与构造研究。项 目整体肋板式桥面简支桥面组合结构桥面特 点纵横梁采用固结构造，可降低桥面系建筑高度，刚度大受力明确，施工方便有效降低结构自重和桥面系建筑高度，刚度大适用范围广泛应用于中承式拱广泛应用于拱支承桥新型结构形式茅草街大桥采用1.2.2专题二：钢管混凝土拱桥结构设计理论及设计方法的研究，下设三个子题，分别为：子题一：钢管混凝土拱桥极限承载力的研究；（1）哑铃形构件研究 哑铃形构件试验装置（2）桁式构件研究 桁式构件试验（3）肋拱模型试验研究 肋拱面内试验 肋拱面外试验 （4）初应力影响研究实际桥梁中初应力度一般小于0.5，其大小随跨径增大而增大；初应力度对塑性和稳定极限承载

7、力影响较小；初应力度 时，对弹性极限荷载影响较大；建议限制钢管初应力度在0.6以下且应保证空钢管结构在施工过程中的安全。子题二：钢管混凝土拱桥正常使用极限状态的研究；在福安群益桥（单圆管）、福鼎新桐山大桥（哑铃形）和闽清石潭溪大桥（桁式）等三座实桥静动载检测数据基础上，建立了有限元分析模型，进行了设计刚度对静动力受力性能影响的分析，提出了取值建议：项 目设计刚度取值单圆管拱肋哑铃型拱肋桁式拱肋内力、应力、动力特性EA=EsAs+EcAcEI=EsIs+EcIcEA=EsAs+EcAcEI=EsIs+EcIcEA=EsAs+0.4EcAcEI=EsIs+EcIc稳定及变形EA=EsAs+EcAc

8、EI=EsIs+0.8EcIcEA=EsAs+EcAcEI=EsIs+0.8EcIcEA=EsAs+0.4EcAcEI=EsIs+0.8EcIc以福鼎新桐山大桥、闽清石潭溪大桥和郑州黄河二桥三座实桥为例，对活载挠度限值问题进行了探讨，研究表明：挠度值不能有效地反映桥梁结构在活载作用下的实际振动和振感，正常行车条件下钢管混凝土拱桥的振动与振感应以行车舒适度为考察点，建议取消挠度限值指标，引入振动加速度响应峰值或振动感觉指标等来评价和控制。 子题三：钢管混凝土拱桥温度、收缩徐变问题研究。（1）收缩试验 收缩试验核心混凝土早期收缩（膨胀）变形很小，不会产生 “脱空”现象在长期荷载作用（1710天后）

9、下，钢管混凝土收缩量为素混凝土收缩量的1/41/5（2）构件徐变试验 徐变试验在长期荷载作用（1710天后）下，钢管混凝土徐变应变为素混凝土徐变应变为的1/51/6；素混凝土徐变早期发展较快，两年后进入稳定期，而钢管混凝土两年后仍在进行，发展趋势缓慢。（3）节段模型徐变试验节段试验模型 核心混凝土徐变导致应力重分布，钢管应力增大，最大增长量21.3，混凝土应力减小，最大卸载量52.7；钢管混凝土具有徐变量值小，前期发展速度较快(但较普通混凝土而言其增长速度要慢得多)，后期逐渐平缓的特点；钢管混凝土前期徐变发展规律符合MC90徐变模型，而后期符合MC78模型。1.2.3专题三：钢管混凝土拱桥施工

10、及施工控制技术的研究，下设四个子题，分别为：子题一：钢管拱肋加工制作技术标准的研究；制定了拱肋钢结构制作验收技术标准，详见钢管混凝土拱桥施工指南。 子题二：钢管拱肋架设技术方法的研究； （1）钢管拱肋架设方法研究 （2）缆吊系统的优化计算方法研究（3）风缆布置方式对扣塔稳定性影响研究 （4）吊塔与扣塔的连接形式研究 益阳茅草街大桥钢管拱肋架设子题三：管内高性能混凝土的研究 管内核心混凝土变形性能试验（1）超细矿物掺合料硅灰和级粉煤灰可以显著减少新拌混凝土的泌水 （2）提出了用L型箱的充填性为指标优化钢管混凝土砂率的方法，利用该方法可使混凝土泵压顶升的距离和高度更大，实现了长距离、大高度的一次泵

11、压顶升（3）掺入膨胀剂对混凝土浇注初期的变形影响不大，后期可有效减小管内混凝土的收缩，对钢管混凝土的脱空现象能起到一定的抑制作用（4）足尺模型试验验证了以上结论。子题四：施工控制技术的研究。（1）施工控制新技术以制作线形作为悬臂拼装过程中各工况目标线形，提出了采用增量比较法一次自动确定调索方案和计算扣索力的方法；提出了空中精确定位预制拱段的二步定位法。（2）开发了钢管混凝土拱桥施工控制专用软件（3）茅草街大桥主拱桥施工过程及施工控制模型试验研究 全桥模型 扣塔模型 1.2.4专题四：钢管混凝土拱桥养护技术研究，下设三个子题，分别为：子题一：既有钢管混凝土拱桥的现状调查及养护、改造技术的研究；

12、（1）从2005年4月到10月，对大量典型钢管混凝土拱桥进行了实地调研，如下表所示：调研省份：15省市调研数量：69座钢管混凝土拱桥，占当时全国数量的30%桥梁类型：公路桥梁、铁路桥梁、市政桥梁桥梁跨径：58m至368m结构类型：上承式4座、中承式36座、下承式29座（2）判别细则及实施方法 等级1：状况完好或良好，正常保养等级2：状况较好，进行小修等级3：状况较差，进行局部中修，酌情进行交通管制等级4：状态差，对病害部位进行大修或改造，及时进行交通管制，限载、 限速通行，缺陷较严重时应关闭交通等级5：危险状况，须彻底全面加固、改建或重建，及时关闭交通（3）加固改造技术研究子题二：新建钢管混凝

13、土拱桥养护技术的研究； （1）各主要构件均需设置养护维修通道 （2）吊杆、系杆必须采用可检查可更换体系 （3）钢结构防腐涂装严格按照国家相关标准 （4）高度重视排水设计 （5）建立完善的监测系统 （6）明确关键部位养护周期子题三：钢管混凝土拱桥健康诊断及监测系统的研究。桥梁整体性态与局部性态监测损伤识别与模型修正桥梁离线安全评定与预测桥梁环境荷载监测运营健康监测系统组成 上游北（茅草街）南（指挥部）系杆 温度补偿传感器 FBG-FRP应变传感器风速仪FBG-FRP应变、温度补偿传感器与主拱风速仪布设位置图传感器传感器传感器传感器传感器传感器 传感器传感器传感器模块化仪器模块化仪器模块

14、化仪器串口通信服务器集线器数据采集系统组成结构图 1.3 技术路线本项目采用理论分析、室内模型实验、现场测试、工程分析、工程验证相结合的研究思路，技术路线如下图所示。1.4 依托工程本项目依托工程共两个：湖南省湘西土家族苗族自治州永顺王村大桥和益阳市茅草街大桥。两依托工程与项目均有良好的时间对应关系，王村大桥于2001年3月开工，2004年5月竣工通车，益阳市茅草街大桥于2002年7月开工，2006年12月竣工通车。研究成果均在依托工程中得到了较好的应用，确保了依托工程的安全顺利完工，建成后各项指标达到设计要求，说明实际工程与科研相结合取得了较好的效果。2 主要研究成果及创新点本项目通过大量的

15、调研、理论分析、数值计算和试验研究，取得了以下重要研究成果：一、本项目通过理论分析、试验研究、软件研发和多座依托工程实践验证，取得了如下国际首创的研究成果：1）开展了钢管混凝土哑铃型、桁式构件以及肋拱多点加载的试验研究，找出了其受力性能规律及破坏机理，填补了该领域基础理论研究的空白，为钢管混凝土拱桥设计理论奠定了基础。2）提出了钢管混凝土格构式结构极限承载力计算的修正法、等效长细比法、等效梁柱法；进行了四年半的钢管混凝土收缩、徐变试验，拟合了收缩、徐变系数计算公式，推导了钢管混凝土截面的内力重分布计算公式，完善了钢管混凝土结构的收缩、徐变计算理论；开发了钢管混凝土拱极限承载力计算专用软件；提出

16、了正常使用极限状态下拱肋设计刚度取值和挠度限值等。研究成果为设计规范的制定提供了理论依据。3）基于茅草街大桥全桥施工控制及相关模型试验，提出了钢管混凝土拱桥缆索吊装的索力增量比较法、预制拱段拼装的二步定位法和横梁定位的相对标高法，开发了钢管混凝土拱桥施工控制专用软件，可显著提高施工控制效率和精度。三、系统提出了一套适合于钢管混凝土拱桥缆索吊装法的施工技术，解决了缆吊系统优化、吊扣塔一体化、管内高性能混凝土等关键技术难题。四、系统地对全国范围内近1/3的钢管混凝土拱桥进行了调研，制定了一套完整的钢管混凝土拱桥养护、维修技术方案，解决了钢管混凝土拱桥管理和养护的关键问题。五、基于该项目的研究成果，

17、率先在湖区极软弱地基条件下，设计并建成了宽跨比为1/19的钢管混凝土拱桥益阳茅草街大桥，其跨径居同类桥型世界第一。六、编制了钢管混凝土拱桥设计指南、钢管混凝土拱桥施工指南、钢管混凝土拱桥养护维修指南，为我国钢管混凝土拱桥设计、施工及养护维修规范的制定奠定了基础。经鉴定委员会专家鉴定：本项目对钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术进行了系统的研究，技术路线正确，研究手段先进，创造性地解决了钢管混凝土拱桥建设、养护等诸多技术难题，取得了显著的经济和社会效益，研究成果具有广阔的推广应用前景。3 项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景本项目 “钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”对钢管混凝土

18、拱桥结构体系、设计、施工与养护四个方面进行系统、深入研究，取得了一系列重要的创新性研究成果，也创造了较好的经济、社会效益，四个专题具体分析见下表。钢管混凝土拱桥结构体系的研究钢管混凝土拱桥结构设计理论及设计方法的研究钢管混凝土拱桥结构施工及施工控制技术的研究钢管混凝土拱桥养护技术研究益阳市茅草街大桥：节省500万元，主要体现在：（1）桥面采用轻型的钢混组合结构设计，大大降低结构自重，节省主拱肋钢材约500吨；（2）采用可更换的环氧喷涂钢绞线系杆和低应力吊杆，大大提高了索的耐久性和防腐可靠性，延长其使用寿命。确保了结构安全、合理，缩短了设计周期及施工工期。（1）益阳市茅草街大桥：节省400万元；

19、（2）福鼎山前大桥：节省50万元；（3）福鼎新桐山大桥：节省200万元；（4）泉州百琦湖大桥：节省200万元。益阳市茅草街大桥：节省1600万元，主要体现在：（1）缆吊架设系统的优化；（2）调索技术；（3）拱段吊装的的二步定位技术；（4）用L型箱的充填性为指标优化混凝土砂率技术。（1）出于养护考虑的合理结构构造形式及管理模式，可节省养护费用；（2）健康监测与诊断系统可节省桥梁定期检测的费用，减少安全事故带来的经济损失。本项目的研究，产生直接经济效益2950万元本项目研究对我国目前钢管混凝土拱桥设计、施工及养护等方面都具有重大的指导意义。这些研究成果将使我国钢管混凝土拱桥跃上一个新台阶，为今后钢

20、管混凝土拱桥相关规范或制度的建立奠定基础，填补了我国钢管混凝土拱桥研究的空白。4 项目执行情况评价4.1 项目目标、任务完成情况的评价 本项目的研究内容虽然范围广、要求高，但课题组成员克服种种困难，认真对待，充分体现了大项目、大协作、大成果，全国钢管混凝土拱桥研究及应用领域处于领先地位的8家科研机构、高等院校、设计单位、施工单位等，包括院士在内的83位科技人员参加科技攻关，共完成了四个专题13个子题的研究，发表了相关方面论文25篇，编写了对钢管混凝土拱桥设计、施工及养护具有指导意义的指南3部，编制了钢管混凝土拱桥设计、施工控制软件2套。4.2 关键技术、主要科技成果及整体水平的评价本项目关键技

21、术、研究成果覆盖了钢管混凝土拱桥力学理论、工程试验、桥梁设计、桥梁建造、桥梁维修及养护等各领域，填补了我国工程界许多的学术空白，将进一步促进钢管混凝土拱桥桥型的繁荣与发展，为钢管混凝土拱桥的技术进步做出重要的贡献。经鉴定委员会专家鉴定鉴定委员会认为：本项目对钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术进行了系统的研究，技术路线正确，研究手段先进，创造性地解决了钢管混凝土拱桥建设、养护等诸多技术难题，取得了显著的经济和社会效益，研究成果具有广阔的推广应用前景。鉴定委员会一致认为本项目研究成果达到国际领先水平。4.3 项目实施对依托工程的作用和影响本项目在钢管混凝土拱桥的设计、施工和养护技术的关键问题上

22、取得了一些重大的突破和系统的研究成果，使钢管混凝土拱桥的技术跃上一个新的台阶。本课题成果通过在益阳市茅草街大桥工程的实际应用，创造性地解决了益阳市茅草街大桥368m主跨钢管混凝土拱桥的诸多技术难题，极大地降低工程成本，提高了工作效率，确保大桥建设过程的安全和整体质量，同时也产生了巨大社会、经济效益，课题研究成果为益阳市茅草街大桥创造直接经济效益共2500万元。4.4经费使用的合理性评价在研究经费的使用过程中，课题组严格遵守了科学性、合理性、互补性、高效性及重点优先的五原则，从实际出发，根据项目定位、各专题的研究内容以及设计、施工及养护之间相互关系等多方面的因素，进行综合分析，客观地制定项目经费

23、的预算计划，并在此基础上合理的分配和使用了经费，从而有力的保障了项目研究在本领域的先进水平。5 合作者本项目的研究面广，涉及的研究范围宽，整个项目由四个专题十三个子题组成，涵盖了钢管混凝土拱桥的设计、施工、养护等多方面的内容，所以研究队伍规模较大，项目研究成员中有院士1人、教授（包括教授级高级工程师、研究员级高级工程师）12人、副教授（包括副研究员、高级工程师）18人、讲师（包括工程师）20人、助理研究员（包括助理工程师）4人、博士研究生、硕士研究生28人，期间，还不断有研究人员充实到研究队伍中来。其中主要研究人员见下表。排名姓 名职 称工作单位主 要 贡 献1陈明宪教授级高工湖南省交通厅项目负责人2胡建华研究员级高工湖南省交通规划勘察设计院项目组织及专题一负责人3李