大跨度上承式钢筋混凝土箱肋拱桥设计.pdf

第 3 1卷 第 1期 2 0 1 0年 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No A h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r V0 1 31 NO 1 Fe b2Ol 0 文章编 号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 O L O ) 0 1 0 0 4 l 一 0 4 大跨度上承 式钢 筋混凝土箱肋拱桥设计 尹 超 ( 安徽省交通规 划设计研 究院 ， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 以金寨县金桃大桥 为例介 绍了大跨度上承式钢管 混凝土箱 肋拱桥 的主要设计 过程 为 了合 理拟定拱 桥的重要尺寸 ， 设计时采用通用 Mi d a s 软 件对 全桥进行 了结 构分析 和计算 结 果表 明 ， 该拱 桥 尺寸 拟定 合适 ， 整体结构安全 可靠 ， 可为 同类 桥粱的设计提供参考 关键词 ： 大跨度桥梁 ； 整体结构 ； 上承式钢筋混凝土肋拱 ； 拱肋结构 ； 主拱圈 中 图分 类 号 ： U 4 4 2 5 2 文 献 标 识 码 ： A 箱肋拱 桥 在竖 向荷 载 作 用 下 ， 主梁 端 部 产 生 负 弯 矩 ， 减少 了跨 中的正 弯矩 ， 跨 中截 面尺 寸可 相应 减 小 其主要 优 点是 外 形 尺 寸 小 、 桥 下 净 空 大 、 桥 下 视 野 开 阔 、 混凝 土用 量较 小 主梁 截 面形状 在 纵方 向可 为等截面、 等高变截面和变高度 3种 为适应 内力 的 变化 和方便 施 工 ， 还 可 把 主梁做 成其 他截 面 形式 其 支 柱有 薄壁 式 和立 柱 式 ， 立 柱 又 可 以分 成 多 柱 和 单 柱 多柱式 的柱顶 通 常 用 横 梁 相 连 ， 形 成 横 向框 架 ， 以承 受侧 向作 用力 当立柱 较 高时 ， 应在 其 中部 用横 撑 将 各柱 连接 起来 箱 肋 拱 桥 的节 点 指 立 柱 与 主梁 相 连 的地 方 ， 又称 角隅 节点 该 节点 必须 具有 很 大 的 刚度 ， 以保 证 主梁 和立 柱 的刚性 连接 笔 者 以金寨 县 金 桃 大桥 为例 ， 介绍 箱肋 拱 桥 的设计 过程 1 桥梁概况 新 建金 寨 县 金 桃 大桥 跨 越 梅 山水 库 ， 结合 桥 位 处地 形 、 地质 条件 ， 采 用 拱 桥 设 计 梅 山水 库 位 于 淮 河支 流 的史河 上 游 ， 集 蓄 洪 、 调 节 洪 峰 流 量 、 灌 溉 及 发 电等 功能 于一体 水 库 坝顶 高 程 1 4 0 m， 一般 正 常 水位 1 0 5 I T I ， 枯水期水位 9 69 7 1 13 ， 1 9 9 1年洪水位 1 3 5 7 5 m 桥 位位 于库 区内 ， 距 溢洪 道 、 泄洪 道较 远 ， 建桥 后 不会 引起 冲刷 金桃 大桥 主 桥采 用二 孔跨 度均 为 1 6 0 1 1 1 的上承 式钢筋混凝土箱肋拱 ， 引桥采用跨度 1 3 m的简支空 心板 ， 桥 梁全 长 4 9 1 m 主跨 计 算 跨 径 1 6 0 i n ， 矢 高 2 0 Il l ， 拱轴 系数 取 1 5 6 ， 桥跨 布 置如 图 1所示 图 1金 桃 大 桥 总体 布 置 图 ( 单 位 ： c m ) 2 技术标 准 设 计 荷 载 ： 汽 车一2 0 ， 挂 车一1 0 0 ， 人 群 为 3 k N m ； 设 计 行 车 速 度 为 6 O k m h ； 桥 面 宽 度 为 0 5 m( 防撞 护 栏 )+8 5 1 30 - ( 行 车 道 )+0 5 m( 防撞 护栏 ) ， 全 宽 9 5 m； 设 计 控 制 水 位 为 百 年 一 遇 水 位 I 3 6 0 7 m； 地 震 烈 度 为 6度 地 区 ， 按 7度 设 防 ； 平 曲 线要 素 ： 桃 岭岸 引 桥 半 径 R=6 5 m， 缓 和 曲线 长 度 3 5 m； 梅 山岸引 桥半 径 R=3 5 0 m， 不设 缓 和 曲线 ； 桥 上最 大纵 坡3 ； 横 坡为 双 向坡 1 5 收 稿 日期 ： 2 0 0 91 11 9 作者简介 ： 尹超 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 江苏徐州人 ， 工程师 ， 硕 士 ， 主要从 事桥梁工程方面 的研究 4 2 华北水利水 电 学院学报 2 0 1 0年 2月 3 结构设计 3 1桥梁 纵 向布 置 ( 桃 岭一 梅 山) 6 m( 桥 台)+ 3 1 3 m( 钢 筋混凝土 简支空 心板 ) + 1 6 0 m( 钢筋混凝 土 上承 式 箱肋 拱 )+ 61 3 m( 钢 筋混凝 土简支 空心板 )+1 6 0 m( 钢 筋混 凝 土上 承式 箱肋拱 )+21 3 m ( 钢 筋 混 凝 土 简 支 空 心 板 )+ 6 IT I ( 桥 台) ， 全长 4 9 1 m 3 2主桥 设计 a 总体 由于 受 到桥 面 高 程及 设 计 水 位 和地 形 的影 响 ， 主桥 采用 计算 跨 度 1 6 0 m 的上 承 式 钢筋 混 凝 土箱肋拱 ， 计算 矢 高 为 2 0 i n ， 矢 跨 比为 1 8 ， 拱 轴 线采 用悬 链 线 ， 拱 轴 系 数 1 5 6 ， 悬链 线方 程 为 Y= f ( e h ( k ) ( m一1 ) ) ； 其 中f= 2 0 ， 7 , =1 5 6 ， k= I n( ， +( m 一1 ) ) 2， =x 8 0 b 主拱 圈 横桥 向主 拱 圈由 2根拱 肋组 成 ， 每根 拱肋 由 2片预制 安装 的拱箱 组成 一个单 箱双 室的箱 形 截面 拱肋 间以横 系梁联 结 主 拱肋采 用等截 面设 计 ， 1 6 0 m跨 径每 片拱肋 高度 3 3 m， 宽 度 3 0 m 为 减轻 吊装重 量 ， 预 制 拱 箱 高度 为 3 1 3 m； 预制 宽 度 为1 4 0 m，采 用C 5 0 号 混 凝 土 拱 轴 弧 长 1 6 5 0 0 5 4 m， 分 9 段 预 制 安 装 ， 边 拱 肋 弧 长 2 1 6 4 2 5 m， 其余每段弧长 1 7 6 4 2 5 m 最大 吊装重 量 7 0 t 经计算 ， 金桃大桥的拱圈最小高度为 3 0 8 m 目前 国外 已建 成 的大跨径 钢筋混 凝土箱 形拱 桥 的拱 圈宽度 一般为跨 径 的 1 5 0 1 7 0 ( 等截 面拱 ) ， 按 国外 的公 式 ， 金 桃 大 桥 的拱 圈高 度 在 2 3 3 2 m， 按 我 国经 验公式 结果偏 小 ， 因此 ， 金桃大 桥在结 合 国 内外 有关桥 梁及 经验 公 式 的 基础 上 ， 拟 定 拱 圈高 度 为 3 3 m， 为跨径 的 1 4 8 5 ， 满 足规 范要 求 箱形拱 桥 的矢 跨 比一般 为 1 61 1 0 ， 一 般 将 矢跨 比大于或 等 于 1 5的拱 称 为 陡 拱 ， 矢跨 比小 于 1 5的拱称 为坦 拱 金 桃 大桥 矢 跨 比为 1 8 ， 在 规 范 的允许 范围之 内， 属 于坦拱 之列 c 横 隔板 为 了加 强箱壁 的局部 稳定 性 ， 提 高箱 拱 的抗扭 刚度 ， 拱箱 内需设 置横 隔板 ， 除 在端头 及 吊 扣点和拱上立柱处必须设置外 ， 其余部分问隔2 0 3 5 m设 置 ， 横 隔板 间距不 宜 大 于 5 m， 横 隔板 厚 度 在 0 0 6 0 0 8 m 左 右 ， 横 隔板 中间 应挖 空 ， 以减 轻 重量 ， 方 便施 工及养 护人 员通行 金桃 大桥拱 箱 内横 隔板按 间距 2 m设 置 ， 厚度 有 0 0 8 m和 0 1 2 r n两 种 ， 其 中 0 1 2 m横 隔板主要 用 于 吊、 扣 点处 金桃 大 桥 的横 隔板 厚度 和 间距符合 规范 的要求 对 于闭 口箱 的横 向连 接 ， 在横 隔板位 置 的顶 板 预埋 钢板 ， 用短钢 筋搭 接焊接 ， 并在底 板 上预 留横 向 分 布钢 筋 ， 待 拱箱 合 龙 后 ， 将 分 布 钢筋 弯起 交 叉 钩 住 ， 再现 浇混凝 土 从 图 2中可 以看 出 ， 金 桃 大桥 预 制拱 箱 间的横 向连 接符合 规范要 求 撞匦 堑墼送旦 壁垂 塑壅 立 面 睦 ， I 、 I 厂 啦董曲钢 I _ 筋网两 屉 _ l l I 1 I l 加 2 0 图 2拱 箱 横 向 连接 构 造 ( 单位 ： c m) d 拱 肋现 浇混凝 土 的构 造处 理 将 拱 箱 之 间 的 混凝 土和顶 板现 浇 混凝 土 一 起 浇注 ， 拱 箱 上 的竖 向 钢筋外 伸 ， 埋 入顶 板 的现浇混 凝土 中 ， 并 沿全拱 宽设 置通 长钢筋 网 ， 浇 注在顶 板 的现浇混 凝 土层 中 考 虑到 拱箱 间 的现 浇混 凝 土 有 3 0 c m 的 宽度 、 3 3 m 的高度 ， 因此 ， 金桃 大桥 在拱 箱 问现 浇混 凝 土 内设置 了 2排 D 8带 肋 钢 筋 网 片 ， 以利 于拱 肋 预制 部 分与现 浇部 分之 间更好地 联合 e 拱上建筑 拱上建筑布置 ： 拱上建筑采用预 制钢 筋混凝 土立 柱 和盖 梁 ， 跨径 8 m 的钢 筋 混凝 土 简支 空心板 ， 在拱 顶处 采用实 腹式设 计 ， 预制横 向桥 面板 立 柱 与拱 圈 ： 拱 上立 柱 采 用 2根 1 0 1 0 m的钢 筋混凝 土 方 柱 ， 采用 预 制 吊装 施 工 ， 最 大 柱 高 1 6 9 6 3 m， 编号第 1 3号 和 1 2 ， 1 3号立 柱长 度 较 长 ， 超 过 1 0 m， 整 根立 柱 吊重较 大 ， 因此分 为两段 预 制 对立 柱 之间 的接头进 行 了加强设 计 ， 立 柱之 间 采 用钢板 焊接 与锚 栓 连接 相 结 合 的方 式 拼 接 ， 立 柱 吊装就位并调整好标高， 立柱顶先涂抹环氧砂浆， 待 立柱 对接 就位 ， 抹 除被 挤压 出来 的多余 环氧砂 浆 ， 从 而避 免接 头结合 面 处 出现 空 洞 ， 之 后先 焊 接 预埋 钢 板 ， 再 拧紧 螺栓并 焊牢 ， 后浇 接头混 凝土要 求采用 微 膨胀混 凝土 ， 如 图 3所示 7 -。 立柱主筋N l ， N 上下对焊 l 5 7 0 1 5 _ J 一 一 一 f 一 禽 ! 二 l 一 f _ 现 浇 立 柱 湿 接 头 LD ( a )c 大样 ( b ) - 嘣 i 面图 图 3金 桃 大 桥 拱 上 立 柱 接 头 ( 单 位 ： c m) 第 3 1 卷第 1 期 尹超 ： 大跨 度上承式钢筋混凝土箱肋拱桥设计 4 3 f 实 腹段 处理 实 腹 段盖 梁 在拱 肋 上 现浇 ， 达 到 设计 强度 后 安装横 向桥 面板 g 拱 座 拱 座 采 用 重 力 式 混 凝 土 拱 座 ， 扩 大 基 础 基础 采用 台阶式 ， 埋 置 于 弱 风 化花 岗岩 中 ， 拱 座 基础 采用 C 2 0混 凝 土 ， 拱 脚 采用 C 4 0混凝 土 4 结构计算 金桃 大 桥结 构计 算 采用 Mi d a s 空 间 有 限元 程 序 进行 计 算 全 桥 模 型共 有 结 点 7 9 3个 ， 9 0 1个 单 元 ， 其 中包括 3 5 1 个板 单 元 ， 5 5 0个 空 间梁 单 元 其 离 散 模 型如 图 4所 示 模 型 以顺 桥 向为 轴 ， 横 桥 向为 l ， 轴 ， 竖 向为 z轴 图 4金 桃 大桥 空 间 模 型 示 意 图 4 1设 计荷 载 a 恒 载 恒 载包 括 一期 恒 载和二 期 恒载 一 期 恒 载 为构件 自重 ， 按 构 件 的面 积 和 对 应 材 料 的 容 重 程 序 自动计 人 二期 恒 载包 括桥 面铺 装 和护栏 的重量 桥 面铺装 及 护栏 荷 载 q=3 3 k N m 19 汽车荷 载及 人 群 荷 载 金 桃 大 桥设 计 为 双 向 二 车道 ， 荷载 等 级 为 按 汽 车 一2 0设 计 ， 验 算 荷 载 为 挂车 一1 0 0 计算 时将 汽 车荷 载在 横桥 向的布 置 分 为 2种 ， 最后结 果 取包 络 ， 汽 车荷 载 在横 桥 向的 布 置 如 图 5所 示 人 群荷 载 按 3 0 k N m C 温度 荷 载 温 度荷 载 考虑 了季 节温 差 ， 分析 时 ( a )汽车荷载横向布莨一 5 0 2 4 5 3 1 O 2 4 5 5 0 ( b )汽车荷 载横 向布 髓二 图 5汽车荷载横 向布 置( 单位 ： c m) 分别按升温 2 0和降温 2 0考虑 4 2主要 计算 结论 a 截面 应力 使 用 阶段 拱 脚 预 制 截 面 上 缘 最 小 压 应力 为 1 0 5 MP a ， 最 大 压应 力 约 1 3 5 0 MP a ； 下 缘 最 小 压应 力 约 3 4 6 MP a ， 最 大压应 力 约 1 8 0 0 M P a ； 拱 顶截 面上 缘 最小 压 应力 约 6 0 6 MP a ， 最 大压 应 力 约 1 8 2 0 MP a ； 下 缘最 大拉 应 力约 0 6 1 MP a ， 最大 压 应 力约 6 8 5 MP a b 挠 度 钢筋 混凝 土 桥 梁 ， 以汽 车 荷 载 ( 不 计 冲 击 力 ) 计 算 的上 部 构 造 最 大 的竖 向 挠 度 ， 对 于桁 架 桥 和拱 桥不 应 超 过 1 8 0 0 L， 此 处 为 计 算 跨 径 ， 用 平 板车 或履 带 车荷 载 验 算 时 ， 上 述 允 许 挠 度 可增 加 2 0 对 于 金 桃 大 桥 ， 在 偏 心 汽 车 荷 载 和 挂 车 作 用 下 ， 拱 肋 的 竖 向 位 移 最 大 值 分 别 为 1 5 c m 和 1 0 c m， 小 于 1 8 0 0 L=2 0 c n l ， 因此 ， 拱 肋 的挠 度 验 算 满足要 求 c 成 桥后 拱肋 截 面强 度见 表 1 表 1 使用 阶段拱肋 主要控制截面 内力验算 结果 从 表 1中数 据 可 以看 出 ， 使 用 阶 段拱 肋 主 要 控 制截 面 承载 能力 极 限状态 满 足规 范要 求 5 结 语 a 拱肋是主要承重结构， 可 由混凝土、 钢筋混凝 土 、 钢 管混 凝 土 、 劲 性 骨架混 凝 土做 成 拱 肋 的数 目、 间距 、 截 面形式 由桥梁 宽度 、 肋 型 、 材 料性 能 、 荷载 等 级 、 施 工条 件 、 拱上 结构 等方 面要 综合 考 虑决定 b 主拱圈矢跨 比是拱桥 的主要设计参数之一 ， 它不但影响主拱圈内力 ， 还影响拱桥 的构造形 式和 华北水利水 电学院学报 2 0 1 0年 2月 施 工方法 的选择 ， 应 从上 下部 结构受 力 、 泄 洪等 综合 因素考虑确 定矢跨 比 拱 桥 的水 平 推 力 与垂 直 反 力 之 比值 ， 随矢跨 比 的减 小而 增 大 当矢跨 比减 小 时 ， 拱 的推力增 大 ， 反之 推力减 小 C 选 择拱轴 线 要求 尽 量 减 小拱 圈 截 面 的 弯矩 ， 使 主拱 圈在计 人弹性 压缩 、 温升 温降 、 混凝 土收缩 徐 变等影 响后 ， 各 主要 截面 的应力较 为均 匀 ， 且 最大 限 度 减小截 面拉应 力 ， 最 好不 出现拉应 力 d 拱 上建筑 能 够提 高 主 拱 圈 的承 载 能 力 ， 但对 主拱圈 的变形又 起 约束 作 用 ， 在 主拱 圈和 拱 上建 筑 内均产生 附加 内力 在相 对 变 形 较大 的位 置设 置伸 缩缝 ， 而在 相对变 形较小 处设 置变形 缝 e 通 过对 该桥 进 行计 算 分 析 ， 结果 表 明该 拱 桥 尺寸 的拟定 是合适 的 ， 整 体结构 是安 全可靠 的 参 考 文 献 1 李廉锟 结构力学 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 1 9 9 4： 8 0 1 20 2 顾懋 清 ， 石绍甫 拱桥设计 手册 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 2 0 0 0： 1 2 52 3 1 3 叶见 曙 结 构设 计 原理 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 1 9 98： 1 3 0 1 7 8 4 范立础 桥 梁工 程 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 1 9 9 8 ： l 4 6 1 98 5 中交公路规划设计院 J T G D 6 2 -2 0 0 4公 路钢筋混凝土 及预应力混凝 土桥涵设计 规范 s 北京 ： 人 民交 通 出 版 社 ， 2 0 0 4： 2 O一7 2 6 路桥集 团第 一公 路工 程局 J T J 0 4 1 -2 0 0 0公路 桥 涵施 工技术规范 s 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 De s i g n on S t e e l Re i nf o r c e d Co nc r e t e - de c k Bo ws t r i ng o f La r g e S pa n Ar c h Br i d g e YI N Ch a o ( A n h u i C o mn mn i c a t i o n s Co n s u l t i n g De s i g n I n s t i t u t e ， He f e i 2 3 0 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： As J i n t a o b r i d g e i n J i n z h a i C o u n t y f o r e x a mp l e ， t h e d e s i g n o n s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e d e c k b o w s t r i n g o f l a r g e s p a n a r c h b r i d g e i s i n t r o d uc e d I n o r d e r t o de c i d e i mpo r t a n t s i z e s o f t hi s a r c h b r i d g e r a t i o na l l y， t h e s t r u c t ur e o f t h e who l e b r i d g e wa s de s i g n e d wi t h t h e s o f t wa r e Mi d a s Th e r e s ul t s s h o w t h a t s i z e s o f t h e a r ch br i d g e a r e r a t i o n a l l y de c i d e d， t h e wh o l e s t r u c t ur e o f t h e b r i d g e i s s e c ur e Th e s e c a n be r e f e r e d f o r s i mi l a r b r i d g e s Ke y wor ds： l a r g e s pa n a r c h br i d g e； c o n c r e t e d e c k bo ws t r i n g br i d g e； a r c h r i b s t r u c t u r e； mi a n a r c h； mo n o l i t hi c c o n s t ruc t i o n