桥梁抗震抗风作业.docx

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桥梁抗震抗风作业

摘要：

本文对钢管混凝土的构造，分类，施工形式以及动力特性和目前仍存在的问题进行了简要的介绍。

关键字：

钢管混凝土拱桥施工形式动力特性构造存在问题

一背景

钢管混凝土拱桥由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效果好和地基适应性强等优点，是发展前景广阔的一种组合桥梁结构。

目前钢管混凝土拱桥在我国已经历了十余年的发展，无论是其应用规模还是跨径增长的速度都是惊人的。

相对而言我国建设钢管混凝士拱桥的技术已经达到国际先进水平，我国对钢管混凝十拱桥的理论研究也取得了很多成果。

但该桥型技术复杂，施工难度大，已经暴露和潜在的问题还很多，仍需要广大工程技术人员在实践中不断探讨和完善。

二钢管混凝土拱桥定义和简介

钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而能显著提高混凝土的抗压强度。

同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑。

施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。

钢管混凝土拱桥的真正发展是在90年代的中国。

1991年5月我国第一座采用钢管混凝土拱肋的拱桥-四川旺苍东河大桥［1、2］建成通车，它为净跨径115m的下承式拱桥，该桥的建成具有深远意义，它揭开了我国大规模修建钢管混凝土拱桥的序幕。

自此以后，钢管混凝土拱桥在我国公路和城市桥梁中发展迅猛，据不完全统计，到2005年，我国己建和在建的钢管混凝土拱桥己达200余座，其中跨径大于100m的有50余座，跨径大于200m的有20余座，跨径大于300m的有接近10余座。

三钢管混凝土拱桥的构造

3.1、主拱肋：

钢管混凝土拱桥主拱圈形式有实体肋式和桁式

实体肋式中又分单管、哑铃形、集束形

桁式中又分横哑铃形、多肢桁式、混合桁式

a.肋拱桥中绝大部分为哑铃形断面，哑铃形断面的特征是由两管组成，且腹腔较薄，两根圆管一般为竖向排列，类似于工字形拱肋。

b.较之单圆管截面，截面抗弯刚度较大。

c.桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够发挥材料的特性。

3.2、桥面系构造

梁板式桥面系的布置形式有三种

a.纵铺桥面板式（悬吊横梁）

纵铺桥面板式主要应用于拱支桥中。

桥面系由横梁和桥面板组成。

大部分钢管混凝土拱桥采用纵铺桥面板式。

纵铺桥面板式——桥面板构造

预制桥面板

可选用实心板、空心板、型板、槽型板和T型板

先简支后连续桥面板:

先简支后连续桥面板，能保证桥面板之间和桥面板与横梁之间的联结，以提高整体性和抗震防落梁的能力。

比简支桥面连续性好

现浇桥面板

b.横铺桥面板式（悬吊纵梁）

c.整体肋板式（悬吊整体板）

•整体肋板式主要用于拱梁组合体系中，由纵梁、横梁以及桥面板组成。

其中纵横梁采用固结构造。

•横梁有端横梁和普通横梁（吊杆横梁）两种。

3.3、立柱

主要形式：

钢筋混凝土立柱和钢管混凝土立柱

3.4、系杆

系杆用于拱梁组合体系和刚架系杆拱中

拱梁组合体系中的系杆为预应力混凝土梁，为拉弯构件

刚架系杆拱中的系杆为预应力拉索

系杆所采用的拉索体系有配夹片群锚的半平行钢绞线索和配墩头锚或冷铸锚的平行高强钢丝索。

系杆防腐通常采用PE防护，高强钢丝有采用镀锌的，也有采用非镀锌的。

系杆箱中可灌以防腐密封材料。

3.5、吊杆

吊杆材料

•中下承式拱桥一般采用柔性吊杆，多采用了斜拉桥中的斜拉索构造。

•吊杆材料有圆钢、高强钢丝和钢绞线。

•采用配冷铸锚或墩头锚的半平行钢丝索或夹片群锚配平行钢绞线索。

拱肋截面吊杆的布置

吊杆的布置有平行式、双吊杆式和斜交叉式

双吊杆式可分为：

纵桥向双吊杆式：

横桥向双吊杆式：

吊杆的防护措施

外包钢管内灌填砂浆或黄油防护，在上端采用套入式，下端可以焊在横梁上。

采用PE防护，在工厂加工成成品索，两端锚头可以完全由工厂加工镦头，也可以一端在现场镦头。

3.6、横撑

各类桥型的横撑构造

•上承式肋拱横向联系通常为等间距的径向横撑（或横系梁）

•中承式拱桥面以上布置少量横撑，以下部分采用刚度较大的K式或X式横撑，以加强拱脚段的横向刚度。

•下承式肋拱不能布置强大的K撑或X撑。

横撑的类型——钢管截面

——桁式截面

四钢管混凝土拱桥的分类

4.1、根据车承形式分类

上承式、中承式和下承式

上承式：

横向联系容易，桥面系支承于立柱上，整体性、横向稳定性和抗震性均较好，常采用单跨形式。

中承式：

常用在主跨，通过边孔小跨采用小的矢跨比和较大的恒载集度比解决不等跨的不平衡推力问题。

也有用系杆平衡水平推力的带悬臂半孔的无推力拱

又可分为带悬臂刚架系杆拱和连续拱梁组合体系。

4.2、根据纵向结构受力体系分类

简单拱：

一般的上承式、中承式无铰拱　

拱梁组合体系：

系杆为纵梁，属弯拉结构，无推力

刚架系杆拱：

系杆为纯拉杆，主要平衡恒载水平推力

拱梁组合体系根据拱肋与系杆（梁）相对抗弯刚度的大小又分为

柔性系杆刚性拱

刚性系杆柔性拱

刚性系杆刚性拱

4.3、根据肋拱横向联系分类

根据横向联系情况：

有风撑和无风撑

有风撑：

平行肋和提篮拱

无风撑拱主要解决拱肋横向失稳问题。

提高拱肋自身的横向抗弯刚度

提高结构体系的横向稳定性。

从施工技术看，我国钢管混凝土拱桥的空钢管拱肋架设由以往的满堂支架上施工发展到无支。

五施工方法分类

5.1支架施工方法：

有支架施工方法就是在桥位处先按钢管拱肋的设计线形和预留拱度值，拼装好膺架，于膺架上就位拼装、焊接成拱的施工方法。

膺架可以采用满堂式或分离式，或者两种方式相结合。

如三峡莲沱大桥的两边跨、天津彩虹大桥等，均采用有支架施工法。

采用有支架施工时，膺架的基础沉降、弹性和非弹性变形等应事先算出，并预留拱度，膺架顶部设置微调装置，如千斤顶、丝杠等，以便对拱肋的标高和平面位置进行调整。

在拱肋吊装过程中，应不断观测各支撑点的沉降，发现问题及时调整。

5.2平转施工方法：

平转施工法就是将两个拱圈分为两个半拱，分别在两岸偏离桥位的位置，利用山体、岸坡或引桥的桥墩设置膺架，拼装拱肋和拱上立柱，形成半拱，然后水平转体就位，再拼装合龙段成拱。

近几年来，平转法在钢管混凝土拱桥施工中应用不少，如三峡的黄柏河大桥、江西德兴太白桥、安阳文峰路立交桥以及贵州北盘江大桥等。

转体重量最大者为北盘江大桥，重达8100t，为钢管混凝土拱桥转体重量世界之最。

由于通常利用两岸山体设置拱肋膺架，因此转体角度大多在100°左右。

如北盘江大桥两侧分别为121°和113°；黄柏河大桥的南侧是74°。

当两岸坡度较平缓时，可以利用引桥桥墩作为膺架。

如黄柏河、安阳文峰路立交桥等均转体180°。

5.3竖转施工法：

竖转施工法就是先在拱顶附近将主拱圈一分为二，并以拱脚为旋转中心，将设计拱轴线垂直向下旋转一定角度，将拱顶合龙端置干地面或浮船上，这样即可在较低的膺架上拼装两个半拱。

待两半拱拼装完成后，由两副墩顶扒秆分别将其拉起，在空中对接合龙。

如新安江望江大桥、三峡莲沱大桥等均采用了竖转吊装施工技术。

5.4缆索吊装法：

缆索吊装悬臂施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。

当这种方法用于钢管混凝土拱桥时，遇到的新考验（当跨径较大时，拱肋节段多、重量大）促使对它进行改造与创新。

经过多年理论与实践的结合，创立了千斤顶、钢绞线斜拉扣挂悬臂拼装和合龙松索技术，并得到广泛的应用与发展。

六钢管混凝土拱桥动力特性

6．1动力分析模型的建立

某钢管混凝土系杆拱桥，跨径组合为76m+360m+76m，主跨两拱脚中心之间的水平距离为344m。

桥道板置于横梁上，横梁由吊杆或立柱支撑，吊杆、立柱的间距均为4lift，桥面总宽（按横梁长度计）38．0iltl，高度（包括钢横梁高度）为2．27iltl。

该桥两主拱肋相对跨中截面对称，但桥面标高略有不对称，如图l中左低右高，主跨两拱脚上方桥面处均设有伸缩缝。

采用有限元方法对该桥进行离散简化，用作者自行研镧的桥梁结构分析软件SEISAPL进行分析计算。

在离散时，为了简化计算，考虑到弦杆与平联板已连接为一体，因而将三根弦杆与平联板一井作为一粱单元处理上下弦杆之问的腹杆也台成一梁单元，而主拱肋的横撑杆、横梁、立柱、边拱肋、边墩等分别采用梁单元离散，吊杆、系杆等用杆单元来模拟，桥面板用板单元来离散，经对全桥离散后，粱单元共l841个，杆单元共390个，三角形板单元l024个，节点在进行有限元离散时，作如下考虑。

（1）拱桥的主拱肋是钢管混凝土杆及钢管组成的杆系结构。

钢管混凝土杆由钢与混凝土两种材料组合而成，在计算时一般可有两种方法来处理一种方法是将钢管和混凝土作为两根杆件计算，保证其节点坐标相同，另一种方法是将钢和混凝土换算成一种材料来计算。

本文中采用第二种方法计算。

如将钢管混凝土截面换算为相当的混凝土截面，则相当截面的抗拉压刚度为EA：

（A+nA），抗弯刚度为E1=（‘+），抗扭刚度为q，=（k+n）。

其中：

n=／；R=G／；E为弹性模量；G为剪切模量；，为惯性矩；‘为扭转惯矩；A表示截面积；下标表示钢材；下标c表示混凝土。

值得一提的是，由于钢管混凝土的力学性能十分复杂，以上方法并非十分精确，但方便易行且偏于安全，尤其是在弹性范围内工作时。

（2）对于长大跨度柔性拱桥来说，分析计算时应考虑系杆、拱肋等的初始轴力对刚度矩阵的影响。

由于该桥立柱或吊杆的纵向间距仅4m，而主拱肋宽有3．45m，相应的梁单元是一短深梁，其剪切变形的影响也应予以考虑HJ。

（3）由于桥面板是支承在横粱上，桥面板中心线与横粱轴中心线不重舍，因而在有限元离散时，如简单地采用相同节点来连接板单元与粱单元必然会带来误差，为解决此问题，采用如下办法处理，即将板节点与横梁节点用刚臂相连，刚臂长度等于横梁轴中心线与板中心面之间的距离为减少计算量，节点编号时横粱节点可不编号，求出粱单元刚度和质量矩阵后，通过坐标变换成对应板节点自由度的梁单元刚度矩阵l4J，然后与板单元刚度矩阵一起组成总刚度矩阵。

另外，桥面在主拱与边拱交界处设置有伸缩缝，因此，计算分析时应将此处板单元断开。

假定边墩底固定，边拱肋、主拱肋和立柱在拱脚处均固定约束，不考虑土与结构的相互作用。

6.2桥梁动力特性

桥粱结构动力特性是进行桥梁动力分析的基本资料，因此首先对该桥的动力特性作分析计算。

地震反应分析输入地震渡采用一组实测的El—Cel'ltto渡，其最大水平加速度调整为0．2g，最大竖向加速度调整为0．12g。

并假定地震动的主轴与桥梁纵、横、竖三轴重合。

地震动输入措桥纵向、横向、竖直三个方向同时输入。

不考虑地基土与桥梁基础的动力相互作用的影响。

桥梁结构的阻尼系数取2％。

分析得出拱圈中心最大地震反应位移措桥梁纵轴向的变化,桥面中心地震反应最大位移沿桥梁纵轴向的变化,在拱肋各截面的最大地震反应位移中，横桥向最大位移发生在主拱拱顶，为0．286nl，纵桥向最大位移发生在主拱／4截面，为0．099nl，竖直向最大位移发生在约3Z／8跨截面处，为0．175m。

桥面中心最大横向位移仍发生在跨中，为0．122m，但注意到中跨拱脚上方桥梁伸缩缝处横向位移有突变。

最大竖向位移则发生在约／／4跨处，为0．190nl。

图2和圈3两图的变化规律可由

其前几阶振型特点得到解释。

主拱拱圈弦杆轴力措桥纵轴向的变化图由图可见轴力最大值发生在摸脚处，且为18．17×103kN或约f／4跨处，为17．48R1kN，而跨中截面的轴力则最小，仅约5．0×103kN。

另外，经分析可得主拱圈弦杆横向挠曲弯矩最大值发生在主拱圈与桥面相交处，为I6．54×lkN·m，其次为主拱拱脚截面，为14．24xlO3kN·m，而剪力及竖向挠曲弯矩则均较小，这说明该桥主拱轴线设计对抗震来说也是合理的。

分别给出了主拱顶位移反应和两典型截面轴力的反应时程，比较图5和图6可得，拱桥在各方向上的最大位移反应主要受其主方向上的基频控制，而截面上的最大轴力反应则不是如此，明显有多阶频率的贡献组合而成

6．3行波效应对地震反应的影响

为了解行波效应对地震反应的影响，本文还计算分析了三种不同行波波速下该桥的地震反应。

为便于比较，分析时仍采用上述地震波输入。

具体结果见表2，表中N表示主拱弦杆轴力，表示主拱弦杆横向挠曲弯矩。

考虑行波效应后，主拱肋最大轴力、主拱脚轴力、跨中轴力均有较大幅度的增加，而最大横向挠曲弯矩却变化不大，不同波速时或有增加或有减少，不同截面处也有增有减。

主拱肋最大内力（包括轴力和横向挠益弯矩）的位置也随波速不同有所不同，=1000m／s时最大轴力发生在l／4跨处，而非拱脚。

：

500m／s和同步激励时的最大横向挠曲弯矩也均非在拱朋。

考虑行波效应后，各典型截面的横向位移均减少，且波速越小，位移越小。

而竖向位移却是增加，且波速越小，位移越大。

七钢管混凝土拱桥存在问题

7.1钢管混凝土拱桥构件脱空问题

与工民建厂房内的钢管混凝土柱不同，钢管混凝土拱桥构件处在大气中，直接承受阳光作用。

在夏天钢管表面温度高达80℃，内部核心混凝土50℃。

钢管混凝土拱经过5～10年，核心混凝土收缩、徐变完成（相当于温降20℃）。

这2种情况共同作用，相当发生约70℃温差，在大直径钢管中导致钢管和核心混凝土脱空（即钢管与核心混凝土分离），特别是在拱顶部位。

这种情况将使整个钢管混凝土拱受力模式产生重大变化。

钢管混凝土受轴压、核心混凝土温度下降、外钢管温度上升等3种因素都将引起脱空

。

7.2套箍力作用问题

钢管混凝土的“套箍作用”，目前己有相当的理论和计算方法，但这些方法多是针对建筑结构提出的。

对于拱桥结构的钢管混凝土，因为钢管混凝土“套箍作用”发生的条件是核心混凝土的泊松比大于钢管的泊松比，要达到这个条件，核心混凝土必须有相当高的应力，而这在桥梁设计中是要极力避免的。

桥梁营运当中也是不能利用的，因此此种效应只能作为一种潜在的强度储备。

7.3侧向稳定问题

大跨度钢管混凝士拱桥在施工中，侧向稳定问题突出。

很多桥例分析表明，在安装吊杆及其横梁、安装中部定位梁及行车道板预制件时，中部行车道形成连续体系，此时稳定安全系数不到3，而按一般的设计、施工经验，安全系数应大于4，因此，研究钢管混凝土拱桥施工期侧向稳定可靠度非常有必要。

7.4温度问题

钢管混凝土拱桥一般为露天，大气温度对钢管影响较快，对核心混凝土影响较慢，因此，在太阳照射下或骤然降温时都会造成内外较大的温差。

从而产生较大的自应力。

另外，钢管混凝土拱桥不存在合拢温度，这是因为空钢管合拢时性能混凝土中掺人10％～15％的硅粉可以有效地抑制碱一集料反应。

硅粉对碱一集料反应的抑制作用可能是降低渗透性和改变孔结构，特别是水泥石与骨料界面的结构。

低渗透性是各种类型的碱一集料反应因水分不足而无法进行。

硅粉的有益作用还在于它能降低全部的CaO：

SiO2。

从水泥石中挤出的溶液分析表明，硅粉能迅速降低孔隙溶液中碱离子浓度，这样就使得碱活性集料无法与碱反应

。

八结语

钢管混凝土中由于钢管及核心混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，使其具备了一系列优越的力学特性，也构成了其力学性能的复杂性。

与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对较新的结构体系。

近年来这种结构在不断发展和完善的过程中应用日趋广泛。

然而，不论是理论研究还是施工工艺、方法的探索都还滞后于工程实践的需要。

因此，还需更加深入系统地研究、不断总结工程经验，为钢管混凝土结构的进一步发展应用创造条件。

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