重庆巫山长江钢管混凝土拱桥设计与研究

巫山长长江大大桥460米钢管管混凝凝土拱拱桥ChongqingJiaoTongUniversity设计计一、工工程概概况巫山长长江大大桥是是一座座跨径径460米，一一跨跨跨过巫巫峡口口的中中承式式钢管管混凝凝土拱拱桥。。其钢钢管管管径达达到1.22米，吊吊装重重量达达到180t，总投投资1.96亿元。。是世世界上上同类类桥梁梁中,跨径和和钢管管直径径最大大,吊重最最重,造价最最经济济的桥桥梁。。二、设设计（一））大跨跨钢管管砼拱拱桥结结构构构造的的创新新设计计1、桥位位、桥桥型、、孔跨跨方案案设计计通过““工可可”三三个桥桥位方方案论论证，，经过过地质质、地地形条条件、、区域域交通通网、、工程程总体体造价价的综综合比比较，，并经经过““工可可”、、“初初设””反复复论证证，推推荐采采用了了现建建桥的的巫峡峡口桥桥位。。“工可可”七七种桥桥型方方案比比选，，从工工程造造价、、与地地形匹匹配、、景观观等方方面考考虑，，采用用大跨跨钢管管砼拱拱桥方方案。。针对400米上承承式和和净跨跨460米中承承式钢钢管砼砼拱桥桥比较较，从从多方方面综综合考考虑，，采用用净跨跨460米中承承式钢钢管砼砼拱桥桥。2、钢管管砼拱拱圈主主要参参数设设计主要对对以下下参数数进行行优选选：（1）截面面径向向高（（拱顶顶为7.0米和8.0米，拱拱脚截截面高高为13.0米和14.0米）；；（2）拱轴轴系数数（m＝1.8、1.6、1.4、1.2、1.05）；（3）桁架架节间间距离离（4米、6米、8米）；；（4）不同同弦管管管径径、不不同腹腹杆布布置形形式；；比选后后，采采用了了拱顶顶径向向截面面高7.0米，拱拱脚径径向截截面高高14.0米，桁桁架节节间间间距为为6米，竖竖腹杆杆和径径向腹腹杆组组合使使用，，弦管管管径径为1220毫米，，腹管管管径径为610毫米，，净矢矢跨比比为1/3.8，拱轴轴系数数为1.55的拱圈圈设计计参数数。主拱圈圈截面面由两两肋组组成，，每肋肋由四四根钢钢管构构成组组合矩矩形截截面柱柱；平平面上上每肋肋两根根钢管管由平平行腹腹杆钢钢管联联接，，纵面面上每每肋两两根钢钢管由由斜、、竖腹腹杆钢钢管连连接；；每肋肋间距距为12米处设设置横横隔。。3、主拱拱圈截截面构构造形形式设设计两肋间间的横横撑桥桥面以以下为为“米米”字字撑，，桥面面以上上为““k”形撑，，加强强了肋肋间横横向联联系，，确保保了全全桥横横向稳稳定。。主拱圈圈节点点处受受力肢肢管最最多为为三根根，一一般为为两根根，且且肢管管与主主管的的夹角角一般般在50°°左右。。肢管管与肢肢管之之间的的焊缝缝间距距均大大于50毫米。。（4）吊装装系统统设计计缆索吊吊装将将扣挂挂系统统和吊吊装系系铰接接合一一，因因吊塔塔变位位大，，扣塔塔要求求变位位小，，为不不相互互影响响，吊吊塔铰铰支于于扣塔塔顶端端，且且限制制铰传传递的的水平平分力力，以以控制制扣塔塔顶的的变位位。4、拱圈圈安装装接头头构造造设计计为了便便于拱拱肋悬悬拼时时调整整轴线线，拱拱顶合合龙前前，拱拱脚处处设置置了竖竖转铰铰.为了控控制拱拱肋线线形及及合龙龙温度度影响响，拱拱顶合合龙接接头设设计了了瞬时时合龙龙接头头.拱肋节节段安安装采采用内内法兰兰临时时，再再用两两块与与弦管管外径径项同同的半半圆弧弧板对对接。。为了了顺利利能准准确定定位，，设计计采用用了如如下导导向冲冲定销销轴。。5、主拱拱圈安安装方方案总总体设设计（1）扣塔塔及索索鞍：：安装在在两岸岸上，，塔高高约100米，塔塔距576米，以以钢管管砼柱柱拼装装组成成，横横向采采用门门柱式式结构构，便便于起起吊单单元通通过。。扣塔塔顶设设置索索鞍，，便于于扣索索通过过（扣扣索在在尾端端锚梁梁处张张拉））。（2）锚碇、、锚梁及及扣点：：锚碇采用用锚索及及桩组合合的结构构形式，，扣点设设计为锚锚梁，支支点在拱拱肋节点点处。6、提高稳稳定及动动力特性性的构造造措施由于本桥桥跨度大大，桥梁梁宽度仅仅为19.5米，桥梁梁宽跨比比仅为1：26，为了提提高桥梁梁横向稳稳定、动动力特性性，采取取了以下下措施：：①将桥面面梁设计计为先简简支后连连续的结结构体系系；②长吊杆杆和高立立柱处，，设计为为吊杆、、立柱与与桥面梁梁固接；；③短吊杆杆和矮立立柱处，，设计为为吊杆、、立柱与与桥面梁梁四氟滑滑板支座座铰支。。这样，，借助桥桥面梁的的抗扭刚刚度，提提高桥梁梁总体刚刚度。7、吊杆横横梁和桥桥面梁的的构造设设计吊杆横梁梁和钢管管砼拱肋肋上立柱柱横梁为为预应力力砼Ⅰ形截面梁梁，便于于就地预预制和安安装，减减轻自重重，降低低工程造造价。行车道梁梁为后连连续的预预应力砼砼“π”形梁，吊吊装就位位后，焊焊接连接接梁肋上上、下缘缘主钢筋筋，再现现浇接头头砼30厘米形成成连续梁梁。人行行道梁也也为先简简支、后后连续的的“π”形连续。。8、确定了了吊杆构构造及耐耐久性设设计本桥免维维修周期期为30年，本桥桥结合自自身特点点，全面面考虑采采用了多多重体系系设防相相结合的的综合防防护方案案，同时时，吊杆杆是可更更换的。。（1）吊杆采采用109φφ7毫米预应应力环氧氧喷涂钢钢丝，防防腐体系系为：镀镀锌层＋＋环氧层层（160um）＋防腐腐脂＋聚聚乙稀护护套（双双层）+发泡聚氨氨脂+哈氟管组组成。（2）两端采采用0VMLZMT—109型冷铸锚锚具，上上下锚具具分别有有端头防防护板、、防护罩罩和固化化油脂，，同时，，吊杆外外套哈氟氟管与锚锚具间设设置热缩缩塑料套套连接。。（3）吊杆横横梁处防防护处理理措施为了避免免大气、、雨等进进入锚头头腐蚀钢钢丝，在在横梁顶顶吊杆外外套钢管管处设置置了防水水钢板，，并将防防水钢板板与外套套钢管焊焊接，确确保密闭闭。（4）纵向限限位装置置设计为了限制制短吊杆杆因纵向向变位而而疲劳破破坏，在在肋间横横撑的端端吊杆处处，设置置纵向撑撑，并在在横撑及及端吊杆杆处的横横梁上设设置滑板板支座，，这样既既满足了了桥道梁梁的自由由伸缩，，又限制制短吊杆杆的大应应变。9、拱座构构造设计计（1）对不稳稳定的危危岩块体体进行卸卸载清除除；（2）采用多多层水平平台阶和和带一对对垂直撑撑的拱座座方案；；（3）采用较较完善的的锚杆及及圬工砌砌体对两两案进行行防护；；（4）分离式式的钢筋筋砼拱座座，横向向分别设设三道钢钢筋砼横横撑。10、钢结构构防腐方方案设计计用电弧喷喷涂铝镁镁合金长长效防腐腐方案，，寿命按按30年以上考考虑。金属表面面处理等等级Sa3涂层组合合：电电弧喷喷涂铝镁镁160μμm环氧封闭闭涂层（（842）二二道（（50μm）丙稀酸聚聚氨脂面面漆二二道道（50μm）（二）大大跨钢管管砼拱桥桥施工工工艺设计计1、拱肋安安装方案案的确定定根据本桥桥位地形形特点、、河道运运输条件件、施工工水位高高低及拱拱肋节段段组成重重量，经经多种施施工方案案论证比比选，采采用无支支架缆索索吊装工工艺安装装拱肋，，是可行行、风险险小、经经济的施施工方案案。2、扣、吊吊体系设设计本桥主拱拱安装扣扣挂系统统和吊装装系统和和一。3、扣塔构构造设计计（1）扣塔设设计扣塔（吊吊塔）构构造由钢钢管杆件件组成桁桁架塔柱柱。（2）扣塔索索鞍设计计由于扣索索张拉体体系张拉拉端设置置在锚碇碇处，扣扣索必须须绕过扣扣塔顶，，因此塔塔顶由型型钢组拼拼成了扣扣索索鞍鞍。4、拱肋节节段吊装装程序设设计拱肋节段段安装由由两岸拱拱座向跨跨中逐段段悬拼施施工。节节段为单单肋安装装，待上上、下游游同岸同同一节段段吊装就就位后，，安装节节段内平平面连接接横撑，，即形成成一个双双肋节段段单元。。5、钢管砼砼灌注方方案设计计（1）钢管内内砼接力力灌注采用C60高强补偿偿收缩砼砼，以泵泵压法自自拱脚向向拱顶按按设计的的压注顺顺序，按按三级接接力灌注注钢管内内砼。（2）灌注中中扣索索索力调整整值根据钢管管内砼灌灌注的不不同阶段段张拉扣扣索索力力，以控控制主拱拱钢管应应力及变变位。施工栈桥布置图6、主跨施施工流程程图研究究■计算算理论：：有初应力力的钢管管混凝土土极限承承载能力力计算方方法钢管混凝凝土收缩缩、徐变变规律及及其计算算方法钢管混凝凝土节点点疲劳设设计方法法■施工技术术：大跨径钢钢管拱肋肋的精确确安装问问题大体积管管内混凝凝土灌注注问题管内混凝凝土脱空空问题■设计技术术：钢管混凝凝土拱桥桥合理构构造形式式钢管拱肋肋节段的的连接短吊杆的的使用寿寿命背景在巫山桥桥建设时时，国内内外还没没有钢管管混凝土土拱桥设设计和施施工技术术规范。。在计算算理论、、设计技技术和施施工技术术方面还还有许多多技术问问题亟待待解决：：■计算算理论：：有初应力力的钢管管混凝土土极限承承载能力力计算方方法钢管混凝凝土收缩缩、徐变变规律及及其计算算方法钢管混凝凝土节点点疲劳设设计方法法■设计技术术：钢管混凝凝土拱桥桥合理构构造形式式钢管拱拱肋节段段的连接接短吊杆的的使用寿寿命■施工技术术：大跨径钢钢管拱肋肋的精确确安装问问题大体积管管内混凝凝土灌注注问题管内混凝凝土脱空空问题研究思路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果通过节段段模型实实验，揭揭示了钢钢管混凝凝土徐变变规律，，提出了了用考虑虑钢管约约束的徐徐变系数数，来替替代砼的的徐变系系数进行行徐变分分析的方方法。提出用组组合截面面法来模模拟钢管管混凝土土单元，，得到了了钢管与与混凝土土应力重重分布公公式：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凝土拱桥桥设计计计算理论论2.提出了大大型钢管管混凝土土节点设设计计算算方法主要成果果钢管混凝凝土拱桥桥设计计计算理论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。■主要成果果节点疲劳劳实验巫山桥节节点构造造（单位：：MPa）钢管混凝凝土试件件与空心心管试件件在支管管中截面面处应力力比较主要成果果测点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提出了有有初应力力的钢管管混凝土土极限承承载能力力计算方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。■主要成果果钢管混凝凝土拱桥桥设计计计算理论论3.钢管混凝土承载能力试验主要成果果主要成果果在20种设计参参数组合合方式中中进行优优选,提出了全全拱受力力均衡、、上下弦弦内力接接近和外外形轮廓廓变化分分明的空空间钢管管混凝土土桁架肋肋拱。解解决了世世界第一一大跨径径钢管混混凝土拱拱桥合理理构造形形式。提出了钢钢管混凝凝土拱桥桥合理构构造形式式钢管混凝凝土拱桥桥设计关关键技术术1.主要成果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.钢管混凝凝土拱桥桥设计关关键技术术主要成果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.钢管混凝凝土拱桥桥设计关关键技术术主要成果果1.大跨径钢钢管砼拱拱桥无支支架吊装装斜拉扣扣挂工法法总结出了了大跨径径钢管砼砼拱桥无无支架吊吊装斜拉拉扣挂工工法—获国家级级工法。。钢管混凝凝土拱桥桥施工关关键技术术首次采用了吊扣铰接合一工艺。吊