钢管混凝土拱桥新规范中的设计新理念

钢管混凝土拱桥新规范中的设计新理念钢管混凝土拱桥新规范中的设计新理念钢管混凝土拱桥新规范中的设计新理念龚俊虎(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063)摘要：最新发布的《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/TD65-06-2015)以及《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50923—2013)传达出一些钢管混凝土拱桥的设计新理念,主要包括：(1)钢管混凝土拱桥的钢管应优先采用直缝焊接管；(2)钢管混凝土拱桥的管内混凝土推荐采用自密实补偿收缩混凝土；(3)哑铃形截面钢管混凝土拱腹腔内的混凝土不应计入主拱截面受力；(4)钢管混凝土主拱节段应采用焊接对接接头；(5)钢管混凝土拱桥宜采用以直代曲法形成主拱线形；(6)中、下承式拱桥悬吊桥面系应具有整体强健性且横梁间必须设置加劲纵梁形成连续结构体系。关键词：钢管混凝土；拱桥；设计新理念；哑铃形截面；直缝焊接管；自密实补偿收缩混凝土2015年12月1日，由交通运输部发布的《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/TD65-06—2015)[1]开始施行，该规范由四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院主编，总结了已建钢管混凝土拱桥设计、施工方面的经验和最新的科研成果，较该院之前主编的《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》[2]有了许多新的设计与施工理念，并且以规范的形式进行了发布。在该规范发布之前，2014年6月1日，由住房和城乡建设部和国家质检总局联合发布的《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50923—2013)[3]开始实行，由福州大学联合中建海峡建设发展有限公司主编，适用于城市桥梁与公路桥梁中的钢管混凝土拱桥。因此，目前进行公路钢管混凝土拱桥设计时，有2本规范可以参考。铁路钢管混凝土拱桥目前尚无类似规范可依，进行铁路钢管混凝土拱桥设计时，一般也要参考上述2本规范进行设计。本文主要谈谈这2本规范中一些与以往设计理念不同的新规定。1钢管混凝土拱桥的钢管应优先采用直缝焊接管2008年出版的《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》第1.1.3条中规定：“钢管可采用符合国家及相关行业标准的直缝焊接管、螺旋焊接管或无缝钢管”，将直缝焊接管和螺旋焊接管置于同等位置，均可选用。无缝钢管单价较贵，仅当管径小于350mm时选用。在实际工程中，公路、铁路钢管混凝土拱桥的钢管直径一般为600～1500mm[4]，因此一般选用卷制焊接管，卷制焊接管分为直缝焊接管和螺旋焊接管，如图1和图2所示。以往受限于国内的焊接设备和工艺技术条件，钢管混凝土拱桥的钢管设计时一般参考压力管道的制造方法推荐采用螺旋焊接管。但是螺旋焊接管存在焊接残余应力大、几何尺寸精度较低、焊缝长度较长、焊接质量不易控制且在制作拱肋时螺旋焊缝易与其他焊缝交叉等等诸多缺点。随着国内焊接技术的提高，直缝焊接管因其制造尺寸精度高、质量可靠、残余应力小、成本较低等优势逐渐替代螺旋焊接管和无缝钢管。相关对比研究已经证明，国产直缝焊接管在质量和力学性能上毫不逊色于无缝钢管。因此在新规范JTG/TD65-06—2015和GB50923—2013中有钢管“宜采用卷制焊接直缝管”或“宜采用直缝焊接管”的规定。因此新的设计理念是：钢管混凝土拱桥的钢管一般情况下宜采用直缝焊接管，当钢管径厚比不满足卷制要求时，仍可采用螺旋焊接管，但是应对焊接质量进行严格控制。图1直缝焊接管图2螺旋焊接管2钢管混凝土拱桥的管内混凝土推荐采用自密实补偿收缩混凝土2008年出版的《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》在设计篇中规定：“钢管内混凝土采用普通混凝土，其强度等级不应低于C30级”，在安装篇中规定“钢管混凝土宜采用自密实微膨胀混凝土”。这样的分篇规定易导致设计与施工完全脱节，因此在以往的设计中通常对管内混凝土的性能指标要求不高，往往简单表述为：“微膨胀混凝土”、“无收缩混凝土”等。同时，为了保证管内混凝土的灌注质量，经常采取抽真空灌注的方式。但是即使设计上这样要求，施工时也经常发生管内混凝土灌注后发现较多的脱空或空洞现象。而新发布的JTG/TD65-06—2015第3.3.1条关于混凝土材料作出了新的规定：“钢管内灌注的混凝土应采用自密实补偿收缩混凝土，其强度等级宜为C30～C80”，并且对自密实补偿收缩混凝土的塌落度、扩展度、自由膨胀率等性能指标作了严格要求，图3为自密实混凝土塌落度、扩展度的测定。GB50923—2013在第12.1.2条中亦有“管内混凝土宜采用自密实补偿收缩混凝土”的规定，并要求管内灌注的混凝土满足《自密实混凝土应用技术规程》的相关规定。图3自密实混凝土塌落度、扩展度测定新规范的设计理念可以这样理解：从管内混凝土采用泵送顶升法的施工特征来说，管内混凝土要求具有高流动性，能够依靠自重流动、无需振捣而达到密实，而自密实混凝土恰恰能满足这一要求；从钢管混凝土的受力特性来说，管内混凝土要求有较高的体积稳定性能以确保钢管混凝土结构受力时抱箍作用良好，因此管内混凝土应有一定的自由膨胀率[5,6]。在以往的规定中针对钢管混凝土这一特性要求采用微膨胀混凝土，现在新规范要求采用补偿收缩混凝土，所谓补偿收缩混凝土只是在膨胀剂的掺量上和微膨胀混凝土有所不同，补偿收缩混凝土的膨胀量刚好等于收缩量，即没有干燥变形，而微膨胀混凝土膨胀剂的掺量略大，使膨胀量超过收缩量[7]。综合对自密实性能和补偿收缩性能两方面的要求，管内灌注的混凝土推荐采用自密实补偿收缩混凝土。3哑铃形截面钢管混凝土拱腹腔内的混凝土不应计入主拱截面受力2008年出版的《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》对单肢柱和格构式组合柱等钢管混凝土构件的计算作了规定，并未对哑铃形截面(图4)钢管混凝土拱的计算作单独的规定，但在公路、铁路桥梁实际工程中哑铃形截面的应用非常多，哑铃形截面钢管混凝土拱的设计中常常碰到的问题是腹腔内的混凝土是否应计入主拱截面受力。图5为施工中的哑铃形钢管混凝土主拱。由于钢腹板和腹腔内的混凝土并圆管形钢管混凝土，没有抱箍作用[8]，应该在多大程度上考虑钢腹板和腹腔内的混凝土参与主拱截面受力成为一个需要解决的问题。图4哑铃形钢管混凝土截面图5施工中的哑铃形钢管混凝土主拱在新发布的JTG/TD65-06—2015第4.3.3条中有了明确的规定：“哑铃形钢管混凝土主拱计算时，腹腔内的混凝土不应计入主拱截面受力，而仅计算其自重影响。”在GB50923—2013第5.2.6条和5.2.7条关于钢管混凝土哑铃形构件强度计算公式中，哑铃形截面的强度计算中只考虑了钢管混凝土主肢的连接钢板(钢腹板)的影响，没有考虑腹腔内的混凝土参与主拱截面受力。这主要是因为，腹腔内的混凝土不能采用压力灌注、浇筑密实度难以保证、混凝土收缩等因素，导致混凝土与上下弦主管、腹板无约束作用[9]。研究表明，腹腔内的混凝土对轴压承载力的贡献率约为5%，受弯时的贡献率更小[10]。因此新的设计理念是：哑铃形截面钢管混凝土拱的钢腹板应计入截面受力，而腹腔内的混凝土不应计入截面受力，只能计其自重。这也从另外一个侧面说明哑铃形截面钢管混凝土拱的腹腔内混凝土可以灌注也可不灌。4钢管混凝土主拱节段应采用焊接对接接头2008年出版的《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》中针对钢管拱肋的节段接头规定：“钢管拱肋节段接头，宜采用对接接头和内法兰等构造连接，一般当钢管直径大于800mm时，采用内法兰连接和对接接头，管径小于800mm时，也可采用外法兰盘、外包钢板围焊连接。”在钢管混凝土拱桥设计中，一方面出于美观的考虑基本不用外法兰盘连接，另一方面常用的哑铃形截面采用外法兰盘连接在构造上处理较为困难，因此外法兰盘连接在主拱节段连接中极少采用，普遍采用的是外包钢板围焊连接(图6)和设置内法兰临时连接的对接焊接方式(图7)。图6钢管节段采用外包钢板围焊连接接头图7钢管节段采用内法兰临时连接的对接接头外包钢板围焊连接方式因构造简单、施焊方便，在实际工程中大量应用，部分钢管混凝土拱桥当主拱钢管直径大于800mm时拱肋节段仍然采用了外包钢板围焊连接。但是这种连接方式应用于钢管拱肋的节段接头实际上是存在问题的，其主要原因是：钢管本身属于环状闭口截面，拱肋节段采用外包钢板围焊连接时，对于单个被连接主管而言，一般只能在管外侧焊接一道环形角焊缝，对于纯压或压弯构件而言，这种连接方式属于端角焊缝式搭接连接，搭接连接焊缝应力状态复杂(图8)，承受动力荷载性能差，一般只用于非主要受力构件。而且，根据端角焊缝的破坏形态，可以很容易计算得出采用单侧等厚度钢板作搭接连接时焊缝承载能力约为对接焊缝强度的一半左右，即采用单侧端角焊缝搭接连接时，搭接钢板的厚度将达到2倍以上被搭接钢板厚度，而角焊缝高度过高时，不但焊接残余应力大而且焊缝质量也难以保证。图8端角焊缝式搭接连接及其应力状态示意针对上述问题，在新发布的JTG/TD65-06—2015第8.2.8条中作出了新的规定：“主拱节段应采用焊接对接接头。当主拱主管直径大于600mm时，宜采用内法兰作临时连接。”该规范不再推荐外包钢板围焊连接、外法兰盘连接等连接方式作为钢管拱肋的节段接头。但是考虑到钢管内混凝土灌注施工的可行性，当采用内法兰盘连接时，法兰盘构造应具有使管内混凝土连成一体的通透性[11]，关于这一点，在新发布的GB50923—2013第7.2.12条中作了详细规定。因此新规范传达的新设计理念是：作为承受动力荷载的主要受力构件，钢管混凝土主拱的钢管节段不宜采用外包钢板围焊的连接方式，而应采用焊接对接接头。5钢管混凝土拱桥宜采用以直代曲法形成主拱线形钢管混凝土拱肋的设计线形一般采用悬链线、抛物线或圆曲线，实际施工过程中就存在分节段制造安装的精度控制方式的选择问题，即主拱肋是采用设计曲线节段(图9)还是采用小段直线节段拼接(以直代曲法，如图10所示)形成拱轴线[12]。如采用小段折线代替曲线，就不需要进行弯管加工，钢管节段也不存在因弯管加工而产生的残余应力，省去弯管工序，也可以提高施工效率。但是以直代曲法因钢管对接时有折角，只有当折角较小时，才能采用自动焊接，当折角较大时，难以采用自动焊接，而且还需要控制因折线可能引起的过大施工误差[13]。如采用设计拱轴线的曲线节段进行拼装，则焊接上完全可以自动焊接，但是需要对钢管进行弯曲加工，不但生产效率较低而且会产生残余应力[14]。针对这一问题，《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》和GB50923—2013第8.2.2条和8.2.3条的规定同时肯定曲线法和以直代曲法形成拱轴线形均可行。图9钢管混凝土节段采用设计曲线形成拱轴线图10钢管混凝土节段采用以直代曲法形成拱轴线在以往的设计中，往往从严格控制主拱线形施工精度方面考虑，要求施工时严格采用设计拱轴线的曲线节段形成主拱线形，但是大量施工经验表明弯管工艺在施工中实际上是很难同时保证钢管的制造精度和主拱线形精度要求的。新发布的JTG/TD65-06—2015第8.2.9条则作出了不同的规定：“主拱主管在工厂加工时宜采用折线形成，折线长度不应大于主拱的主桁间距和有限元计算模型的梁单元长度中的较小值。用折线代替曲线时，其主管接头位置应避开主桁的节点位置。主拱制造时不宜采用火焰煨弯的工艺。”该规范推荐优先采用以直代曲法形成主拱线形，并且强调了火焰煨弯工艺会造成钢管圆度、直线度等误差增大，且工艺要求高、控制难度大[15]，不能保证主拱钢管制造质量要求。这说明只要折线长度划分合理以直代曲法即可同时保证钢管的制造精度和主拱线形精度达到规范要求，因此JTG/TD65-06—2015传达的新设计理念是：曲线法过度强调成拱节段线形严格与理论设计线形完全一致，实际施工时反而难以保证施工精度，优先采用以直代曲法形成主拱线形，即可保证钢管混凝土主拱的施工精度达到规范要求。6中、下承式拱桥悬吊桥面系应具有整体强健性且横梁间必须设置加劲纵梁形成连续结构体系在以往的设计理念中，中、下承式拱桥的悬吊桥面系一般认为是以横向受力为主的结构，铁路桥梁设计时出于对结构整体刚度(纵、横向刚度)的要求一般采用下承式拱梁组合结构，其桥面系即为主要进行纵向传力的主梁(系梁)，而公路桥梁对桥面系的纵向刚度要求不高，其中，下承式拱桥的悬吊桥面系一般采用桥面板简支于横梁上的结构形式，未设置主纵梁形成纵桥向连续的结构体系，桥面系的纵向传力性能较差，一旦拱桥的吊杆因为各种原因发生断裂，极易引发简支桥面板和横梁坠落事故。针对这一问题，GB50923—2013第7.5.1条规定：“中承式和下承式拱桥的悬吊桥面系应采用整体性结构，以横梁受力为主的悬吊桥面系必须设置加劲纵梁，并应具有一根横梁两端相对应的吊索失效后不落梁的能力。”新发布的JTG/TD65-06—2015第8.7.2条则作出了更加严格的规定：“中、下承式钢管混凝土拱桥的桥面梁(板)必须采用连续结构体系，连续结构体系的主纵梁应满足2倍吊索跨度的承载能力要求。对于桥面梁(板)与吊杆横梁分离的结构体系，主纵梁应设在吊杆横梁的吊杆对应位置处。”上述2本规范虽然在文字表述上稍有不同，但是都要求在横梁之间必须设置主加劲纵梁，并且要求主加劲纵梁应有足够的强度承担一根横梁的吊杆偶然断裂时的荷载作用。因此新的设计理念是：在采取多种措施加强吊索安全性的同时，加强中、下承式拱桥悬吊桥面系的整体传力性能，使结构具有在偶然状况下避免发生灾难性破坏的能力。7结语最新发布的《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/TD65-06—2015)以及《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50923—2013)传达出一些钢管混凝土拱桥的设计新理念，主要包括：(1)钢管混凝土拱桥的钢管应优先采用直缝焊接管；(2)钢管混凝土拱桥的管内混凝土推荐采用自密实补偿收缩混凝土；(3)哑铃形截面钢管混凝土拱腹腔内的混凝土不应计入主拱截面受力；(4)钢管混凝土主拱节段应采用焊接对接接头；(5)钢管混凝土拱桥宜采用以直代曲法形成主拱线形；(6)中、下承式拱桥悬吊桥面系应具有整体强健性且横梁间必须设置加劲纵梁形成连续结构体系。这些全新的设计理念体现了近年来我国钢管混凝土拱桥的设计、施工经验和最新的研究成果。参考文献：[1]中华人民共和国交通运输部.JTG/TD65-06—2015公路钢管混凝土拱桥设计规范[S].北京:人民交通出版社股份有限公司，2015.[2]四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南[M].北京:人民交通出版社，2008.[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50923—2013钢管混凝土拱桥技术规范[S].北京:中国计划出版社，2013.[4]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社，2000.[5]李晓克.钢管混凝土拱桥高性能混凝土研究[J].甘肃科技，2015(11):91-93.[6]李晖，周雪.补偿收缩混凝土在巫山长江大桥钢管混凝土拱桥中的应用[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2006(2):16-19.[7]葛勇，王起才，耿江伟，等.膨胀剂对钢管混凝土徐变及承载力的影响研究[J].铁道标准设计，2016(9):71-74.[8]吴广明，刘志春，吴晓辉.兰渝铁路96m下承式钢管混凝土拱桥设计[J].铁道标准设计，2013(12):74-78.[9]龚俊虎，王华成，黄北平.V形刚构拱组合桥的梁拱组合效应分析[J].铁道工程学报，2010(6):61-64.[10]李国强，徐升桥.铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究[J].铁道标准设计，2013(4):27-30.[11]徐升桥.铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究[J].铁道标准设计，2011(3):52-55.[12]王建军，韩玉，冯智，等.合江长江一桥200t级钢管拱肋节段拼装工艺[J].西部交通科技，2015(7)：39-42.[13]谢大鹏，胡国伟.高速铁路大跨度梁拱组合桥钢管拱原位拼装方案设计研究[J].高速铁路技术，2014(3):100-104.[14]韦有波.西溪河特大跨度钢管混凝土拱桥转体施工控制[J].铁道建筑，2015(12):15-18.[15]潘寿东.带副拱中承式菱形变截面钢管混凝土系杆拱桥主拱肋安装技术[J].铁道标准设计，2014(6):76-82.NewDesignConceptsintheNewCodeofConcrete-filledSteelTubeArchBridgeGONGJun-hu(ChinaRailwaySIYUANSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,China)Abstract：ThelatestreleaseofSpecificationsforDesignofHighwayConcrete-filledSteelTubularArchBridges(JTG/TD65-06—2015)andTechnicalCodeforConcrete-filledSteelTubeArchBridge(GB50923—2013)offerssomenewconceptsindesigningconcrete-filledsteeltubearchbridges,whichmainlyinclude：(1)thesteeltubeofconcrete-filledsteeltubearchbridgeshouldgiveprioritytothelongitudinally-weldedpipe;(2)theshrinkage-compensatingandself-compactingconcreteisrecommendedforthetubeofconcrete-filledsteeltubearchbridge;(3)theconcretebetweenwebplatesofconcrete-filledsteeltubearchbridgewithdumbbellsectionshouldnotbeincludedinthestres