钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究可研报告(湖南省院投标版(编辑修改稿)

钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究可研报告(湖南省院投标版(编辑修改稿)内容摘要：

工作有：施工及成桥阶段应力验算、收缩徐变影响计算、局部构件强度及稳定计算、施工預拱度计算、成桥自振特性计算、施工及成桥阶段第一类稳定计算、成桥阶段第二类稳定计算、两个概率水平的反应谱分析。 抗风抗震性能研究 研究内容包括：桥位处基本风速和大桥设计基准风速的统计分析、拱肋及桥面系节段模型静力三分力系数测定和静风荷载计算、拱肋及桥 面系节段模型测振风洞试验和等效风振荷载组合研究、大桥施工阶段及成桥状态的动力特性计算分析、施工及成桥状态气弹模型风洞试验和抗风稳定性研究。 20 交通部公路科学研究所是本项目的主要参加单位之一。 交通部公路科学研究所是国内较早开展钢管混凝土拱桥应用研究的单位之一，已设计广东省高明大桥、浙江省淳安县南浦大桥（主跨径 308m 钢管混凝土拱桥）、浙江省 03 省道（一级路）杭甬运河大桥（ 88m 三肋下承式钢管混凝土拱桥）、浙江省 07 省道（一级路）焦山门大桥（ 90m 跨下承式钢管混凝土拱桥）、海南省海口市琼州大桥设计（ 88m+98m+ 108m+98m+88m 五跨钢管混凝土下承式系杆拱桥）等多座钢管混凝土拱桥，承担了广州丫髻沙大桥等钢管混凝土拱桥的静动载测试工作，具有丰富的钢管混凝土拱桥工程实践与科研经验与实力。 福州大学为本项目的主要参加单位之一。 福州大学对钢管混凝土拱桥的应用进行了一系列的研究，在钢管混凝土单圆管极限承载力、双重非线性有限元分析、温度问题、施工受力分析等方面均取得了可喜的成果。 出版了《钢管混凝土拱桥设计与施工》、《钢管混凝土拱桥实例集（一）》、《钢 —混凝土组合桥梁设计与研究》、《钢管混凝土力学》、《钢管混凝土结构 》等专著多部，已在国内外发表相关论文 60 余篇。 先后有《钢管混凝土拱桥结构受力性能研究》、《 316 国道福建闽清石潭溪大跨度钢管混凝土拱桥试验研究》、《深圳彩虹（北站）大桥钢 —混凝土组合桥梁设计与研究》等课题获省部级科技进步奖。 目前承担的国家自然科学基金《钢管混凝土拱桥抗震理论研究》进展顺利，成果正在陆续发表之中。 承担了福建省内十余座钢管混凝土拱桥的设计、监理、试验研究等任务，参加了广州丫髻沙大桥、深圳北站大桥（以上工程已建成）、浙江钱江四桥、湖南茅草街大桥、郑州黄河公路二桥等大型钢管混凝 21 土结构的专家组工作、 部分设计工作和部分课题研究，参加了《钢管混凝土拱桥施工技术规范》的编写，在钢管混凝土拱桥的应用研究方面积累了丰富的经验。 近年来，福州大学积极参予西部地区钢管混凝土拱桥的应用与研究，参加了兰州雁盐黄河大桥、西宁北川河桥的设计咨询工作，承担了西宁北川河桥的施工监控和成桥静动载测试。 福州大学结构工程实验室为省重点实验室，拥有美国 MTS 公司生产的液压伺服加载系统、英国 IMP结构数据采集系统，长柱试验机、疲劳试验机、激光全息干涉仪等主要设备，部分设备处于国内一流水平，可承担各类土建结构试验，能满足本项目的试验要求。 福州大学已进行了大量钢管混凝土拱桥与钢管混凝土构件的试验，积累了丰富的试验研究经验。 长沙 交通 学 院 为本项目的主要参加单位之一。 长沙 交通 学 院 较早开展了钢管混凝土拱桥的研究 ， 参加了《钢管混凝土拱桥施工技术规范》的编写，负责长沙市黑石铺湘江大桥、永顺县王村大桥、云南省澜沧江小湾水电工程小湾大桥（ 主跨 130 米的半穿式钢箱拱肋提篮式拱桥） 、益阳市茅草街大桥等多座钢管混凝土拱桥的施工控制及科研等工作，具有钢管混凝土拱桥设计、施工与科研方面丰富的经验。 过去相关研究的工作基础及获奖情况详见 附表 1《投标人相关的科技成果或 产品开发情况表》。 22 项目实施方案 拟解决的 关键技术问题 本项目四个研究专题，涉及设计、施工、施工控制及养护等方面，下面给出本项目研究的关键技术： （ 1）管结点及接头设计构造准则； （ 2）钢管混凝土拱桥的材料非线性模型与双重非线性有限元分析程序； （ 3）钢管混凝土拱桥极限承载力实用算法； （ 4）钢管混凝土拱桥的变形计算与控制； （ 5）钢管混凝土拱桥温度、收缩徐变问题； （ 6）钢管混凝土防脱空技术； （ 7）钢管混凝土拱桥合理的施工容许误差； （ 8）钢管混凝土拱桥施工控制技术； （ 9） 钢管混凝土拱 桥养护技术； （ 10）钢管混凝土拱桥健康诊断和监测系统。 技术创新点 首次系统全面地提出从结构构造、计算理论、施工技术、养护维修等方面进行钢管混凝土拱桥的研究。 抓住钢管混凝土拱桥设计、施工与养护的关键技术展开研究。 研究内容注重试验研究与理论研究的结合，注重钢管混凝土拱桥的共性与依托工程特殊性的结合，注重西部地区的特点与钢管混凝土拱桥在其它地区已取得成果的结 23 合。 以结构的极限承载力作为设计理论研究的核心，提出建立在试验与大型通用程序验证基础上的、能较好地反映结构受力实际情况的、考虑材料非线性 与几何非线性的钢管混凝土拱的有限元计算方法，编制相应的具有自主知识产权的专用分析程序。 在此基础上，通过大量的参数分析，提出钢管混凝土拱桥极限承载力的实用算法。 以极限承载力为核心的钢管混凝土拱桥的设计计算理论的突破将改变我国目前钢管混凝土拱桥设计计算方法混乱、缺乏科学依据的现状，使中国的钢管混凝土拱桥技术，有仅具有丰富的工程应用经验，而且有相当的科技含量。 根据钢管混凝土拱桥的结构特点，首次提出从结构体系、拱肋结构与构造和桥面系结构三个方面研究钢管混凝土拱桥的研究思路，将管结构、钢结构桥梁的研究成果与我国 在拱桥方面的丰富经验相结合，以探讨钢管混凝土拱桥结构与构造的合理形式。 将现代的控制理论应用于钢管混凝土拱桥的施工控制之中。 以结构全寿命的观点进行钢管混凝土拱桥的研究，注重桥梁使用过程中的养护与管理，将正在迅速发展的桥梁健康诊断与使用过程的监测技术应用于钢管混凝土拱桥之中，并强调新技术的实用性与经济性方面的研究与开发，研究成果将用以指导今后的设计、施工与养护。 24 主要研究内容 根据钢管混凝土拱桥目前存在的问题，本项目拟订四个专题进行研究，主要内容如下： 专题一：钢管混凝土拱桥结构体系的研 究，下设三个子题，分别为： 钢管混凝土拱桥结构体系研究 研究内容主要包括钢管混凝土拱桥上承式、中承式和下承式；有推力和无推力结构体系的静力与动力受力特点，合理的结构型式与总体布置，技术经济指标等，重点研究各种结构形式之间、各种结构型式与钢筋混凝土拱桥的不同之处以及刚架系杆拱的受力特点与合理的结构型式。 钢管混凝土拱桥结构形式丰富多样，以车承形式划分，有上承式、中承式和下承式。 三种形式的适用条件、对拱脚水平推力的处理也均不相同。 上承式拱桥构造简单、横向联系容易布置，桥面系支承于立柱上，整体性、横向稳定性 和抗震性均较好。 上承式拱一般是有推力拱，它对地基的要求较高。 下承式拱桥一般带拉杆（系杆拱），它又可分为有支座的拱梁组合结构和无支座的刚架系杆拱。 拱梁组合结构主要应用于中小跨径之中，主要原因是跨径增大以后，它的施工架设较为困难。 与拱梁组合桥不同，刚架系杆拱中拱肋与桥墩固结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。 刚架系杆拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基连成一体，结构的超静定次数 25 较多，受力复杂。 由于系杆抗拉刚度较小，拱的水平 推力的增量主要由桥墩和拱肋自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。 中承式也有采用刚架系杆拱的，主要是带悬臂的三跨式，又称飞鸟式或飞燕式，也有称自平衡或自锚式的。 中承式拱还有相当部分是有推力的结构。 它对地形地质条件的要求同上承式拱。 但其桥面系有上承部分，也有下承部分。 不同的车承形式与有无推力的不同结构体系之间的静力受力特点与抗震性能、结构特点及适用范围，由于拱肋采用了钢管混凝土后与钢筋混凝土拱产生的结构与受力及适用范围方面的变化都是本研究的内容。 由于中下承式刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中特有的桥型，因 此，这类桥型的研究它是本研究的重点。 通过研究，对钢管混凝土拱桥在总体设计方面的结构选型、方案比选、经济评价与初步设计方面为设计人员提出指导意见，少走弯路。 钢管混凝土拱肋结构与构造研究 钢管混凝土拱肋由钢管与管内混凝土组成，含钢量少则钢管对混凝土的套箍作用不明显，含钢量大则钢管加工困难、造价也高，因此，通过对依托工程与其它桥梁的拱肋含钢量对结构受力、施工和养护方面影响的研究，提出合理的含钢率范围，将对今后此类桥梁的修建有重要的指导意义。 钢管混凝土拱肋的截面形式主要有单圆管、哑铃形和桁式，各种截面形式在 受力性能、构造、施工和使用方面均有不同，在跨径适用方面也不同。 单管截面加工简单，但抗弯效率低，主要用于跨径不大 26 的桥梁和人行桥中，且已进行了较多的研究，因此本次研究不将其作为重点。 哑铃形截面较之单圆管截面，截面抗弯刚度较大，但腹腔内的混凝土受钢板横向套箍作用机理复杂，缺乏研究。 腹板与圆管相接的交角较小，加工较为困难，质量不易得到保证。 在灌注混凝土过程中，腹板受混凝土压力的作用容易外鼓，所以需有拉杆对拉或采用其它措施，这使得构造较为复杂。 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，能够充分发挥材料的特性，被广泛应用于大跨度钢管混凝土拱桥之中，但钢管混凝土桁肋是一种管结构，这种管结构过去在我国的桥梁中几乎没有什么应用，因此，对于管结构的合理的结点形式、抗疲劳性能等等都有待我们的研究。 钢管混凝土拱桥的主拱圈一般为拱式，为保证其横向稳定性，通常通过横撑使拱肋形成组拼拱。 研究表明，横撑的布置与结构形式对拱的横向稳定影响很大。 另一方面，拱在地震波作用下横向动力失稳是其最有可能的破坏形式，而加强横撑在提高组拼拱横向弹性一类稳定的同时，也加大了拱在横向地震波的作用力，对于拱的抗震产生不利的影 响，因此如何合理布置横撑使得拱的静力稳定与动力稳定效果最佳，也是一个非常值得研究的问题。 因此，本研究将对哑铃形和桁式钢管混凝土拱肋截面的受力行为和极限承载力开展试验与理论研究，给出哑铃形和桁式短柱极限承载力的实用算法；探讨哑铃形截面的合理构造形式；在国内外管结构结点研究（主要是海上石油平台结构）的基础上，针对钢管混凝土拱桥 27 的特点，对桁式拱肋的管结点进行疲劳试验和理论分析，在此基础上，提出合理的管结点及其合理的构造形式；对形成拱肋的吊装接头、合拢接头进行合理构造形式的研究；对钢管混凝土拱肋的横撑结构合理的布 置与构造形式进行研究。 桥面结构与构造研究 钢管混凝土拱桥由于拱肋截面的轻型化，使得桥面系在恒载中所占的比例上升，材料用量占全桥的比例也在上升。 桥面系的选型与合理构造形式比传统拱桥显得更为突出。 钢管混凝土拱桥中常用的桥面系结构按材料可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和钢 — 混凝土组合结构，这几种型式的结构特点、适用范围与经济性是本研究的一个内容。 中下承式在钢管混凝土拱桥中应用较多，其下承部分桥面系基本上采用以横梁为主的结构型式。 这种结构桥面系的整体性较差、整体刚度较小、车辆荷载作用下桥面系振感明显、遭遇吊杆 破断时常造成落梁和严重的事故。 国外钢拱桥的桥面系较多地采用了以纵梁为主或纵梁具有很大作用的桥面系。 然而这种结构形式在以混凝土结构为主的桥面系中的应用较为困难。 如何在钢筋混凝土与预应力混凝土桥面系结构中加强其整体刚度与整体性；对于钢 混凝土组合结构，以横梁为主的结构与格构式桥面系的优缺点与适用范围等也是本研究要考虑的内容。 此外，中下承式拱桥中桥面系与拱肋相交处的构造（横向限位）、伸缩缝的布置（尤其是多跨钢管混凝土拱桥）、桥面系与立柱及吊杆的联结方式、吊杆的锚固构造等等也是值得探讨的问题。 28 因此，本子课题主要 针对中下承式拱桥中的下承式桥面系的结构与构造形式，研究钢 — 混凝土迭合梁与钢筋混凝土和预应力混凝土梁的结构特点与经济性；研究以横梁为主的桥面系、以纵梁为主的桥面系和格构梁桥面系的合理结构形式、各自的优缺点和适用范围；研究桥面系与拱肋相交处、桥面系传力构造（立柱与吊杆）、伸缩缝的设置等问题。 专题二：钢管混凝土拱桥结构设计理论及设计方法的研究，下设三个子题，分别为： 钢管混凝土拱桥 极限承载力 的研究 研究内容主要包括 钢管混凝土构件的试验研究与极限承载力实用算法研究、钢管混凝土拱桥 面内与面外强度与稳定极限承载力 研究、几何非线性与材料非线性影响、钢管初应力对 极限承载力影响的研究。 钢管混凝土单圆管构件已进行了大量的研究，然而哑铃形构件的受力迄今未进行过试验研究、对桁式拱肋的构件研究在国内也未展开。 本研究首先需要进行钢管混凝土哑铃形构件和桁式构件的极限承载力试验研究，给出钢管混凝土哑铃形构件和桁式构件的极限承载力的实用计算公式，为钢管混凝土拱肋的截面强度验算提供理论依据。 在对钢管混凝土构件进行研究时将注意到 钢管混凝土拱桥的受力特点，如钢管的初应力问题，管内混凝土在收缩作用下以及由于施工质量影响造成的脱空问题对构件极限 承载力的影响。 钢管混凝土拱的拱肋主结构由于强度较高，因此在极限承载力研究时必须考虑材料非线性与几何非线性问题。 而目前在设计计算中， 29 一般强度验算方面采用了应力叠加法计算荷载效应，用容许应力法进行结构效应验算，而稳定计算。