[重庆]巫山长江钢管混凝土拱桥设计与研究

1、巫山长江大桥460米钢管混凝土拱桥Chongqing JiaoTong University设 计 一、工程概况 巫山长江大桥是一座跨径460米，一跨跨过巫峡口的中承式钢管混凝土拱桥。其钢管管径达到1.22米，吊装重量达到180t，总投资1.96亿元。是世界上同类桥梁中,跨径和钢管直径最大, 吊重最重,造价最经济的桥梁。二、设计（一）大跨钢管砼拱桥结构构造的创新设计 1、桥位、桥型、孔跨方案设计 通过“工可”三个桥位方案论证，经过地质、地形条件、区域交通网、工程总体造价的综合比较，并经过“工可”、“初设”反复论证，推荐采用了现建桥的巫峡口桥位。 “工可”七种桥型方案比选，从工程造价、与地形匹配

2、、景观等方面考虑，采用大跨钢管砼拱桥方案。 针对400米上承式和净跨460米中承式钢管砼拱桥比较，从多方面综合考虑，采用净跨460米中承式钢管砼拱桥。 2、钢管砼拱圈主要参数设计主要对以下参数进行优选： （1）截面径向高（拱顶为7.0米和8.0米，拱脚截面高为13.0米和14.0米）； （2）拱轴系数（m1.8、1.6、1.4、1.2、1.05）； （3）桁架节间距离（4米、6米、8米）； （4）不同弦管管径、不同腹杆布置形式； 比选后，采用了拱顶径向截面高7.0米，拱脚径向截面高14.0米，桁架节间间距为6米，竖腹杆和径向腹杆组合使用，弦管管径为1220毫米，腹管管径为610毫米，净矢跨比为

3、1/3.8，拱轴系数为1.55的拱圈设计参数。 主拱圈截面由两肋组成，每肋由四根钢管构成组合矩形截面柱；平面上每肋两根钢管由平行腹杆钢管联接，纵面上每肋两根钢管由斜、竖腹杆钢管连接；每肋间距为12米处设置横隔。 3、主拱圈截面构造形式设计 两肋间的横撑桥面以下为“米”字撑，桥面以上为“k”形撑，加强了肋间横向联系，确保了全桥横向稳定。 主拱圈节点处受力肢管最多为三根，一般为两根，且肢管与主管的夹角一般在50左右。肢管与肢管之间的焊缝间距均大于50毫米。（4）吊装系统设计 缆索吊装将扣挂系统和吊装系铰接合一，因吊塔变位大，扣塔要求变位小，为不相互影响，吊塔铰支于扣塔顶端，且限制铰传递的水平分力，

4、以控制扣塔顶的变位。4、拱圈安装接头构造设计 为了便于拱肋悬拼时调整轴线，拱顶合龙前，拱脚处设置了竖转铰. 为了控制拱肋线形及合龙温度影响，拱顶合龙接头设计了瞬时合龙接头.拱肋节段安装采用内法兰临时，再用两块与弦管外径项同的半圆弧板对接。为了顺利能准确定位，设计采用了如下导向冲定销轴。5、主拱圈安装方案总体设计（1）扣塔及索鞍： 安装在两岸上，塔高约100米，塔距576米，以钢管砼柱拼装组成，横向采用门柱式结构，便于起吊单元通过。扣塔顶设置索鞍，便于扣索通过（扣索在尾端锚梁处张拉）。（2）锚碇、锚梁及扣点： 锚碇采用锚索及桩组合的结构形式，扣点设计为锚梁，支点在拱肋节点处。6、提高稳定及动力特

5、性的构造措施由于本桥跨度大，桥梁宽度仅为19.5米，桥梁宽跨比仅为1：26，为了提高桥梁横向稳定、动力特性，采取了以下措施： 将桥面梁设计为先简支后连续的结构体系； 长吊杆和高立柱处，设计为吊杆、立柱与桥面梁固接； 短吊杆和矮立柱处，设计为吊杆、立柱与桥面梁四氟滑板支座铰支。这样，借助桥面梁的抗扭刚度，提高桥梁总体刚度。 7、吊杆横梁和桥面梁的构造设计吊杆横梁和钢管砼拱肋上立柱横梁为预应力砼形截面梁，便于就地预制和安装，减轻自重，降低工程造价。 行车道梁为后连续的预应力砼“”形梁，吊装就位后，焊接连接梁肋上、下缘主钢筋，再现浇接头砼30厘米形成连续梁。人行道梁也为先简支、后连续的“”形连续。

6、8、确定了吊杆构造及耐久性设计 本桥免维修周期为30年，本桥结合自身特点，全面考虑采用了多重体系设防相结合的综合防护方案，同时，吊杆是可更换的。 （1）吊杆采用1097毫米预应力环氧喷涂钢丝，防腐体系为：镀锌层环氧层（160um）防腐脂聚乙稀护套（双层）+发泡聚氨脂+哈氟管组成。（2）两端采用0VMLZMT109型冷铸锚具，上下锚具分别有端头防护板、防护罩和固化油脂，同时，吊杆外套哈氟管与锚具间设置热缩塑料套连接。（3）吊杆横梁处防护处理措施 为了避免大气、雨等进入锚头腐蚀钢丝，在横梁顶吊杆外套钢管处设置了防水钢板，并将防水钢板与外套钢管焊接，确保密闭。（4）纵向限位装置设计 为了限制短吊杆因

7、纵向变位而疲劳破坏，在肋间横撑的端吊杆处，设置纵向撑，并在横撑及端吊杆处的横梁上设置滑板支座，这样既满足了桥道梁的自由伸缩，又限制短吊杆的大应变。9、拱座构造设计 （1）对不稳定的危岩块体进行卸载清除；（2）采用多层水平台阶和带一对垂直撑的拱座方案；（3）采用较完善的锚杆及圬工砌体对两案进行防护；（4）分离式的钢筋砼拱座，横向分别设三道钢筋砼横撑。 10、钢结构防腐方案设计 用电弧喷涂铝镁合金长效防腐方案，寿命按30年以上考虑。 金属表面处理等级Sa3 涂层组合： 电弧喷涂铝镁 160m 环氧封闭涂层（842） 二道（50m） 丙稀酸聚氨脂面漆 二道（50m）（二）大跨钢管砼拱桥施工工艺设计

8、1、拱肋安装方案的确定 根据本桥位地形特点、河道运输条件、施工水位高低及拱肋节段组成重量，经多种施工方案论证比选，采用无支架缆索吊装工艺安装拱肋，是可行、风险小、经济的施工方案。2、扣、吊体系设计 本桥主拱安装扣挂系统和吊装系统和一。3、扣塔构造设计（1）扣塔设计 扣塔（吊塔）构造由钢管杆件组成桁架塔柱。（2）扣塔索鞍设计 由于扣索张拉体系张拉端设置在锚碇处，扣索必须绕过扣塔顶，因此塔顶由型钢组拼成了扣索索鞍。4、拱肋节段吊装程序设计 拱肋节段安装由两岸拱座向跨中逐段悬拼施工。节段为单肋安装，待上、下游同岸同一节段吊装就位后，安装节段内平面连接横撑，即形成一个双肋节段单元。5、钢管砼灌注方案设

9、计 （1）钢管内砼接力灌注 采用C60高强补偿收缩砼，以泵压法自拱脚向拱顶按设计的压注顺序，按三级接力灌注钢管内砼。（2）灌注中扣索索力调整值 根据钢管内砼灌注的不同阶段张拉扣索索力，以控制主拱钢管应力及变位。施工栈桥布置图6、主跨施工流程图研 究 计算理论： 有初应力的钢管混凝土极限承载能力计算方法 钢管混凝土收缩、徐变规律及其计算方法 钢管混凝土节点疲劳设计方法 施工技术： 大跨径钢管拱肋的精确安装问题 大体积管内混凝土灌注问题 管内混凝土脱空问题 设计技术： 钢管混凝土拱桥合理构造形式 钢管拱肋节段的连接 短吊杆的使用寿命背景 在巫山桥建设时，国内外还没有钢管混凝土拱桥设计和施工技术规范

10、。在计算理论、设计技术和施工技术方面还有许多技术问题亟待解决： 计算理论： 有初应力的钢管混凝土极限承载能力计算方法 钢管混凝土收缩、徐变规律及其计算方法 钢管混凝土节点疲劳设计方法 设计技术：钢管混凝土拱桥合理构造形式钢管拱肋节段的连接短吊杆的使用寿命 施工技术： 大跨径钢管拱肋的精确安装问题 大体积管内混凝土灌注问题 管内混凝土脱空问题研究思路以巫山长江大桥为依托，通过大直径钢管混凝土构件试验研究与理论分析，解决了钢管混凝土徐变、节点疲劳以及极限承载能力计算方法等重大理论问题；通过设计参数优化、特殊构造模拟试验，解决了特大跨钢管混凝土拱桥设计关键问题；通过施工实践、工艺优化与改进，解决了施

11、工中存在的关键技术问题；最终形成了一整套先进的钢管混凝土拱桥设计施工技术。并通过巫山长江大桥的工程实践得到验证。考虑约束的徐变系数压应力拉应力 钢管混凝土收缩徐变试验构件主要成果通过节段模型实验，揭示了钢管混凝土徐变规律，提出了用考虑钢管约束的徐变系数，来替代砼的徐变系数进行徐变分析的方法。提出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应力重分布公式：1.提出了钢管混凝土收缩、徐变规律及其计算方法钢管混凝土拱桥设计计算理论2.提出了大型钢管混凝土节点设计计算方法主要成果钢管混凝土拱桥设计计算理论针对特大跨钢管混凝土拱桥的节点进行了疲劳试验，提出了大型钢管混凝土节点设计计算方法。钢管混

12、凝土疲劳强度：修正系数：主管中灌注混凝土后，混凝土约束钢管变形，应力发生重分布，节点应力集中现象已不明显；相贯线处的应力分布趋于均匀；同时也改善了整体结构的应力情况。钢管混凝土节点疲劳寿命较空钢管节点大幅提高；特别指出加肋板的板管节点是一种低寿命的节点类型，其疲劳强度较差。主要成果节点疲劳实验巫山桥节点构造（单位：MPa）钢管混凝土试件与空心管试件在支管中截面处应力比较主要成果测点5354555657585960空心管试件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20钢管砼试件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35提出了有初应

13、力的钢管混凝土极限承载能力计算方法承载力影响系数针对初应力对大直径（1.22m）钢管混凝土构件承载力的影响进行了研究，提出了极限承载力计算方法。 管内混凝土有初始应力对整个钢管砼结构极限承载力有较大的提高，较普通钢管混凝土提高18左右；仅钢管有初始应力对整个钢管混凝土结构极限承载力有一定的影响。主要成果钢管混凝土拱桥设计计算理论3.钢管混凝土承载能力试验主要成果主要成果在20种设计参数组合方式中进行优选,提出了全拱受力均衡、上下弦内力接近和外形轮廓变化分明的空间钢管混凝土桁架肋拱。解决了世界第一大跨径钢管混凝土拱桥合理构造形式。提出了钢管混凝土拱桥合理构造形式 钢管混凝土拱桥设计关键技术1.主

14、要成果首次研发出了力学和施工性能优良的内法兰拱肋接头，既保证了拱肋连接牢靠、安装方便，又保证了拱肋优美外形和管内混凝土灌注通畅。获得国家专利。2. 钢管混凝土拱桥设计关键技术主要成果在短吊杆处首次设计了纵向限位装置，与传统的构造形式相比，改善了短吊杆的受力，延长了使用寿命。3. 钢管混凝土拱桥设计关键技术主要成果1.大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂工法 总结出了大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂工法获国家级工法。 钢管混凝土拱桥施工关键技术首次采用了吊扣铰接合一工艺。吊、扣塔合一复合式锚锭（桩锚加岩锚）主要成果点 钢管混凝土拱桥施工关键技术采用了复合式锚锭，大大减小了锚锭砼体积1.大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂工法承索器构造图低应力夹片锚固系统主要成果 钢管混凝土拱桥施工关键技术研发了扣索可调索低应力夹片锚固系统和主动承索器1.大跨径钢管砼拱桥无支架吊装斜拉扣挂工法主要成果其技术指标如下：膨胀率为万分之三点一，5天强度达到80。改善了大管径混凝土的脱空问题。研制出了高性能化学自应力高强混凝土2. 钢管混凝土拱桥施工关键技术满足了特大跨径、大管径的混凝土泵送的需要初始坍落度2224cm