重庆巫山长江钢管混凝土拱桥设计与

巫山长江大桥460米钢管混凝土拱桥ChongqingJiaoTongUniversity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、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（m

＝1.8、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，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.拱肋节段安安装采用内内法兰临时时，再用两两块与弦管管外径项同同的半圆弧弧板对接。。为了顺利利能准确定定位，设计计采用了如如下导向冲冲定销轴。。5、主拱圈安安装方案总总体设计（1）扣塔及索索鞍：安装在两岸岸上，塔高高约100米，塔距576米，以钢管管砼柱拼装装组成，横横向采用门门柱式结构构，便于起起吊单元通通过。扣塔塔顶设置索索鞍，便于于扣索通过过（扣索在在尾端锚梁梁处张拉））。（2）锚碇、锚锚梁及扣点点：锚碇采用锚锚索及桩组组合的结构构形式，扣扣点设计为为锚梁，支支点在拱肋肋节点处。。6、提高稳定定及动力特特性的构造造措施由于本桥跨跨度大，桥桥梁宽度仅仅为19.5米，桥梁宽宽跨比仅为为1：26，为了提高高桥梁横向向稳定、动动力特性，，采取了以以下措施：：①将桥面梁梁设计为先先简支后连连续的结构构体系；②长吊杆和和高立柱处处，设计为为吊杆、立立柱与桥面面梁固接；；③短吊杆和和矮立柱处处，设计为为吊杆、立立柱与桥面面梁四氟滑滑板支座铰铰支。这样样，借助桥桥面梁的抗抗扭刚度，，提高桥梁梁总体刚度度。7、吊杆横梁梁和桥面梁梁的构造设设计吊杆横梁和和钢管砼拱拱肋上立柱柱横梁为预预应力砼Ⅰ形截面梁，，便于就地地预制和安安装，减轻轻自重，降降低工程造造价。行车道梁为为后连续的的预应力砼砼“π”形梁，吊装装就位后，，焊接连接接梁肋上、、下缘主钢钢筋，再现现浇接头砼砼30厘米形成连连续梁。人人行道梁也也为先简支支、后连续续的“π”形连续。8、确定了吊吊杆构造及及耐久性设设计本桥免维修修周期为30年，本桥结结合自身特特点，全面面考虑采用用了多重体体系设防相相结合的综综合防护方方案，同时时，吊杆是是可更换的的。（1）吊杆采用用109φ7毫米预应力力环氧喷涂涂钢丝，防防腐体系为为：镀锌层层＋环氧层层（160um）＋防腐脂脂＋聚乙稀稀护套（双双层）+发泡聚氨脂脂+哈氟管组成成。（2）两端采用用0VMLZMT—109型冷铸锚具具，上下锚锚具分别有有端头防护护板、防护护罩和固化化油脂，同同时，吊杆杆外套哈氟氟管与锚具具间设置热热缩塑料套套连接。（3）吊杆横梁梁处防护处处理措施为了避免大大气、雨等等进入锚头头腐蚀钢丝丝，在横梁梁顶吊杆外外套钢管处处设置了防防水钢板，，并将防水水钢板与外外套钢管焊焊接，确保保密闭。（4）纵向限位位装置设计计为了限制短短吊杆因纵纵向变位而而疲劳破坏坏，在肋间间横撑的端端吊杆处，，设置纵向向撑，并在在横撑及端端吊杆处的的横梁上设设置滑板支支座，这样样既满足了了桥道梁的的自由伸缩缩，又限制制短吊杆的的大应变。。9、拱座构造造设计（1）对不稳定定的危岩块块体进行卸卸载清除；；（2）采用多层层水平台阶阶和带一对对垂直撑的的拱座方案案；（3）采用较完完善的锚杆杆及圬工砌砌体对两案案进行防护护；（4）分离式的的钢筋砼拱拱座，横向向分别设三三道钢筋砼砼横撑。10、钢结构防防腐方案设设计用电弧喷涂涂铝镁合金金长效防腐腐方案，寿寿命按30年以上考虑虑。金属表面处处理等级Sa3涂层组合：：电弧弧喷涂铝镁镁160μm环氧封闭涂涂层（842）二二道（50μm）丙稀酸聚氨氨脂面漆二二道（（50μm）（二）大跨跨钢管砼拱拱桥施工工工艺设计1、拱肋安装装方案的确确定根据本桥位位地形特点点、河道运运输条件、、施工水位位高低及拱拱肋节段组组成重量，，经多种施施工方案论论证比选，，采用无支支架缆索吊吊装工艺安安装拱肋，，是可行、、风险小、、经济的施施工方案。。2、扣、吊体体系设计本桥主拱安安装扣挂系系统和吊装装系统和一一。3、扣塔构造造设计（1）扣塔设计计扣塔（吊塔塔）构造由由钢管杆件件组成桁架架塔柱。（2）扣塔索鞍鞍设计由于扣索张张拉体系张张拉端设置置在锚碇处处，扣索必必须绕过扣扣塔顶，因因此塔顶由由型钢组拼拼成了扣索索索鞍。4、拱肋节段段吊装程序序设计拱肋节段安安装由两岸岸拱座向跨跨中逐段悬悬拼施工。。节段为单单肋安装，，待上、下下游同岸同同一节段吊吊装就位后后，安装节节段内平面面连接横撑撑，即形成成一个双肋肋节段单元元。5、钢管砼灌灌注方案设设计（1）钢管内砼砼接力灌注注采用C60高强补偿收收缩砼，以以泵压法自自拱脚向拱拱顶按设计计的压注顺顺序，按三三级接力灌灌注钢管内内砼。（2）灌注中扣扣索索力调调整值根据钢管内内砼灌注的的不同阶段段张拉扣索索索力，以以控制主拱拱钢管应力力及变位。。施工栈桥布置图6、主跨施工工流程图研究究■计算理理论：有初应力的的钢管混凝凝土极限承承载能力计计算方法钢管混凝土土收缩、徐徐变规律及及其计算方方法钢管混凝土土节点疲劳劳设计方法法■施工技术：：大跨径钢管管拱肋的精精确安装问问题大体积管内内混凝土灌灌注问题管内混凝土土脱空问题题■设计技术：：钢管混凝土土拱桥合理理构造形式式钢管拱肋节节段的连接接短吊杆的使使用寿命背景在巫山桥建建设时，国国内外还没没有钢管混混凝土拱桥桥设计和施施工技术规规范。在计计算理论、、设计技术术和施工技技术方面还还有许多技技术问题亟亟待解决：：■计算理理论：有初应力的的钢管混凝凝土极限承承载能力计计算方法钢管混凝土土收缩、徐徐变规律及及其计算方方法钢管混凝土土节点疲劳劳设计方法法■设计技术：：钢管混凝土土拱桥合理理构造形式式钢管拱肋肋节段的连连接短吊杆的使使用寿命■施工技术：：大跨径钢管管拱肋的精精确安装问问题大体积管内内混凝土灌灌注问题管内混凝土土脱空问题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模型实验，，揭示了钢钢管混凝土土徐变规律律，提出了了用考虑钢钢管约束的的徐变系数数，来替代代砼的徐变变系数进行行徐变分析析的方法。。提出用组合合截面法来来模拟钢管管混凝土单单元，得到到了钢管与与混凝土应应力重分布布公式：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土拱桥设计计计算理论论2.提出了大型型钢管混凝凝土节点设设计计算方方法主要成果钢管混凝土土拱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。■主要成果节点疲劳实实验巫山桥节点点构造（单位：MPa）钢管混凝土土试件与空空心管试件件在支管中中截面处应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提出了有初初应力的钢钢管混凝土土极限承载载能力计算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土拱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主要成果在20种设计参数数组合方式式中进行优优选,提出了全拱拱受力均衡衡、上下弦弦内力接近近和外形轮轮廓变化分分明的空间间钢管混凝凝土桁架肋肋拱。解决决了世界第第一大跨径径钢管混凝凝土拱桥合合理构造形形式。提出了钢管管混凝土拱拱桥合理构构造形式钢管混凝土土拱桥设计计关键技术术1.主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.钢管混凝土土拱桥设计计关键技术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.钢管混凝土土拱桥设计计关键技术术主要成果1.大跨径钢管管砼拱桥无无支架吊装装斜拉扣挂挂工法总结出了大大跨径钢管管砼拱桥无无支架吊装装斜拉扣挂挂工法—获国家级工工法。钢管混凝土土拱桥施工工关键技术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）主要成果点点钢管混凝土土拱桥施工工关键技术术采用了复合式锚锭，大大减小了锚锭砼体积1.大跨径钢