500米级钢管混凝土拱桥建造创新技术-合江长江一桥

2.3.1.1　计算概述

1）材料

合江长江一桥主拱肋钢管、桥面格子梁采用Q345钢材，主拱管内混凝土采用C60自密实混凝土，吊杆采用φ15.2 mm预应力钢绞线。

按照规范规定，主拱采用统一理论对钢管混凝土材料进行模拟，相关参数见表2-3。

表2-3　钢管混凝土参数（统一理论）

2）结构

合江长江一桥主孔跨度为530 m（净跨为500 m），净矢跨比为1／4.5，拱轴系数为1.45。主拱、桥面梁、吊杆等结构参数如下：

（1）主拱。采用φ1 320×22（26、30、34）mm、内灌C60混凝土的钢管混凝土桁式弦管，腹管采用φ660×12 mm钢管，主拱弦管通过横联钢管φ762×16 mm和竖向两根腹管φ660×12 mm 钢管连接构成；拱顶截面径向高8.0 m，拱脚截面径向高16.0 m，肋宽4.0 m。主拱一般构造如图2-35所示。

图2-35　主拱一般构造

（2）内横隔。吊杆处竖向两根腹管（拱脚段为立柱处径向两根腹管）间设横隔，横隔采用φ273×8 mm钢管和φ406×10 mm钢管，加强拱肋横向连接。拱肋横隔构造如图2-36所示。

（3）横撑。主拱拱肋中距为28.6 m；两肋间桥面以上采用新型组合式横撑构造，即两肋间桥面以上的拱肋上弦平面设置△形钢管横撑（图2-37），吊杆处间隔设置竖向I形钢管桁架横撑（图2-38），桥面以下的拱脚段设置径向钢管混凝土桁架横撑和下弦X形撑。

（4）桥面梁。由两道主纵梁（吊杆处）、三道次纵梁、吊杆处主横梁、主横梁间设置的四道次横梁组成格子桥面梁；主、次纵横梁均采用工字形截面。格子梁上桥面板采用钢-混凝土组合结构，桥面底面钢板厚8 mm，桥面板总厚度（含混凝土板和钢底板）为14 cm，桥面铺装5 cm 厚的改性沥青混凝土，在水泥混凝土和沥青混凝土间设置防水卷材（纵横梁顶面两侧各80 cm）和防水涂料（格子梁跨中）。桥面梁构造如图2-39所示。

（5）吊杆。吊杆采用φ15.2 mm预应力钢绞线挤压成型吊杆索体，索体自由段至锚固段采用单元式环氧涂层和防腐油脂全隔离、摩擦式无损伤整束挤压成索，极限抗拉强度为1 860 MPa，两端采用定型耐久性锚具，人行道以上的吊杆外套哈佛管保护和装饰。吊杆构造如图2-40所示。

图2-36　拱肋横隔构造形式

图2-37　△形钢管水平面撑

图2-38　拱肋吊杆处平面内l形撑

图2-39　桥面钢格子梁一般构造示意图

图2-40　吊杆构造

（6）下部结构。两岸均采用U形桥台，引桥桥墩基础设计为明挖扩大基础，拱座设计为分离式钢筋混凝土拱座，重庆岸拱座较高，横向放坡成梯形结构，底宽10 m，顶宽7 m，宜宾岸为上下同宽7 m，拱座均为钢筋混凝土结构，基础置于稳定、完整的弱风化基岩上。

3）计算基本规定

（1）一般规定。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG／T D65-06—2015）要求，该算例进行了钢管混凝土拱桥的强度、刚度、稳定验算和动力性能分析。该桥跨度大于300 m，应计入双重（材料、几何）非线性影响。

采用midas Civil建立三维有限元杆系计算模型对合江长江一桥进行分析，计算模型如图2-41所示。在计算模型中，采用梁单元模拟拱肋、纵梁结构，桁架单元模拟吊杆。

图2-41　合江长江一桥有限元计算模型

（2）计算参数。计算参数依照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定，参数取值见表2-4。

表2-4　计算参数取值

（3）设计荷载及荷载组合。设计荷载包括自重、活载、温度荷载和混凝土收缩徐变。自重为结构自重、二期恒载。其中二期恒载考虑桥面铺装、人行道、防撞栏杆以及桥面其他附属设施。

根据《公路桥涵设计通用规范》的规定，针对拱肋主要考虑以下几种荷载组合：

基本组合＝1.2×恒载＋1.4×汽车荷载＋0.6×1.4×［人群荷载＋升（降）温30℃］＋0.6×1.1×风荷载

短期组合＝1.0×恒载＋0.7×汽车荷载＋1.0×人群荷载＋1.0×升（降）温30℃＋0.75×风荷载

长期组合＝1.0×恒载＋0.4×汽车荷载＋0.4×人群荷载＋1.0×升（降）温30℃＋0.75×风荷载

2.3.1.2　承载能力极限状态计算

1）主拱长细比

根据规范对主拱的偏心距要求，

对单管主拱：

e0／r≤1.55

对桁式主拱：

e0／h≤εb

式中 e0——组合截面偏心距，e0＝M／N；

M——组合构件弯矩设计值；

N——组合构件轴力设计值；

r——钢管混凝土截面半径，r＝D／2＝1.32／2＝0.66（m）；

h——在弯矩作用平面内的柱肢重心之间的距离；

εb——界限偏心率，根据规范第4.3.7条：

合江长江一桥单管主拱的内力计算结果及偏心距验算原理，以及桁式主拱的内力计算结果及偏心距验算结果见表2-5、表2-6。

表2-5　合江长江一桥单管主拱内力计算结果及偏心距验算结果

注：e0—单管截面偏心率；r—钢管混凝土的半径。

表2-6　合江长江一桥主拱组合截面内力计算结果及偏心距验算结果（基本组合工况）

注：eo—组合截面偏心率；h—在弯矩作用平面内的柱肢重心之间的距离；εb—界限偏心率。

2）压弯承载力验算

（1）单肢压弯构件验算。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》对单肢钢管混凝土压弯构件（按桁式截面）承载力的规定，其计算公式为

γN≤φlφeKpKtfscAsc单管

式中 γ——桥梁结构的重要性系数，按规范第5.1.3条，取1.1；

Kp——钢管初应力折减系数，根据规范第5.2.4条，取Kp＝1.0-0.15ω，钢管初应力度ω＝

σ0／fsd，其中σ0为钢管初应力，规范要求ω 不宜超过0.65；

Kd——单肢混凝土脱空折减系数，根据规范第5.2.5条，取0.95；

φl——长细比折减系数；

φe——弯矩折减系数。

合江长江一桥单肢构件压弯验算基本原理同示例，具体结果见表2-7。

合江长江一桥拱肋单管压弯验算基本组合工况下，截面验算全部通过。

（2）组合压弯构件计算。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》对组合构件压弯承载能力的规定，压弯承载力计算公式为

式中 φ′l——组合构件换算长细比折减系数，按规范第5.2.3条取值；

——组合构件弯矩折减系数。

合江长江一桥组合构件均为桁式截面，压弯承载力验算结果见表2-8。

合江长江一桥组合构件压弯验算全部通过。(www.xing528.com)

3）节点承载力计算

根据规范对空心主管节点承载力验算要求，各条件下节点承载力见表2-9。

经有限元计算，施工阶段空管受压节点支管最大轴向压力位于拱脚界面内，轴向压力设计值为672.75 kN，对应轴向拉力设计值为225.81 kN，空管节点承载力符合规范要求。运营阶段最大支管轴压力设计值为2 311.72 kN，位于拱顶截面，承载力验算通过。

4）节点及疲劳验算

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》要求对节点及连接疲劳的要求，疲劳荷载采用等效的车道荷载。集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.7qk。Pk和qk按《公路桥涵设计通用规范》取值。

疲劳验算所采用的应力幅Δσ应为钢结构在疲劳荷载作用下的名义应力最大变化幅度，验算可按下式计算：

Δσ＝｜σmax-σmin｜≤σ0

式中 Δσ——疲劳应力幅；

σmax、σmin——最大应力和最小应力；

σ0——疲劳许用应力幅，按规范第5.7.4条取50 MPa。

表2-7　合江长江一桥单肢构件压弯承载力验算结果

（续表）

表2-8　合江长江一桥组合构件压弯承载力验算结果（基本组合）

表2-9　空管节点承载力

节点验算结果：有限元计算节点疲劳最小应力幅位置位于拱脚截面斜腹管，Δσmin＝｜σmaxσmin｜＝｜1.54-（-1.09）｜＝2.63（MPa），有限元计算节点疲劳最大应力幅位置位于拱脚截面斜腹管，Δσmax＝｜σmax-σmin｜＝｜11.8-（-16.7）｜＝28.50（MPa），符合规范第5.7.4条50 MPa的限值要求。

5）吊杆计算

根据规范对吊杆及系杆索的要求，中承式钢管混凝土拱桥的吊杆强度应满足以下公式要求：

式中 N——吊杆、系杆索受轴向力设计值（103kN）；

As——吊杆、系杆索钢丝的截面面积（m2）；

——吊杆应力设计值，σmax短暂＝504.1 MPa，σmax长期＝446.8 MPa；

γs——综合系数，依据规范的表5.8，持久状况取2.5，短暂状况取2.0；

fpk——吊杆抗拉强度标准值，取1 860 MPa，。

合江长江一桥吊杆强度验算如下：

故合江长江一桥吊杆强度验算全部通过。

6）结构稳定性分析

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》对主拱稳定性分析的规定，弹性稳定分析包括使用阶段，计算整体稳定。经有限元软件分析，稳定系数最小值（一阶模态）为5.063 6。规范要求整体结构的稳定系数不小于4.0，局部稳定系数不应小于结构整体稳定系数，说明该桥弹性稳定满足规范要求。

根据规范要求，该桥需进行非线性稳定分析，其稳定极限承载力与设计荷载效应的比值不宜小于1.75。

稳定极限承载力与设计荷载效应的比值计算见表2-10。

表2-10　稳定承载力计算结果

故该桥非线性稳定分析满足规范要求。

2.3.1.3　正常使用极限状态计算

1）一般规定

《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定，正常使用极限状态的计算应采用作用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期效应组合的影响。规范还规定，该桥在正常使用极限状态的计算时应进行变形验算。

2）主拱变形验算

根据规范，主拱在车道荷载（不计冲击力）作用下的最大竖向挠度（正负挠度绝对值之和）不应大于L／1 000＝500／1 000＝0.5（m），桥面板的最大竖向挠度不应大于L／800＝500／800＝0.625（m）。

有限元软件采用线弹性方法计算求得主拱在车道荷载作用下的最大竖向挠度为0.118 m，桥面板的最大竖向挠度为0.189 m，满足规范要求。

3）预拱度设置

根据规范，钢管混凝土主拱应设置预拱度，计算预拱度值为恒载累计变形、钢管混凝土徐变挠度和1／2活载挠度之和。

经midas软件分阶段分析，各阶段恒载＋徐变累计挠度效应预拱度值δ1＝0.785 m，1／2活载效应预拱度值δ2＝0.5×0.074＝0.037（m），主拱计算预拱度值为

δj＝δ1＋δ2＝0.785＋0.037＝0.822（m）

考虑非线性影响后，按以下公式计算：

δs＝Kyδj＝1.25×0.822＝1.03（m）

式中 δs——主拱设计预拱度值；

δj——主拱计算预拱度值；

Ky——预拱度非线性修正系数，取1.25。

合江长江一桥最终设计预拱度为1.25 m，大于上述设计预拱度的计算值。

4）失稳模态

合江长江一桥前10阶的失稳模态如图2-42所示。

合江长江一桥前10阶的失稳以横向失稳为主，弹性稳定系数为5.07，满足规范要求。

图2-42　合江长江一桥失稳模态

2.3.1.4　施工过程计算

1）施工过程

施工阶段从拱圈（拱肋管内混凝土强度已经形成）合龙开始，具体施工阶段见表2-11。

表2-11　合江长江一桥施工阶段

2）主拱钢管节段架设成拱

该桥钢管节段安装选用斜拉扣挂方法，模型计算同时采用了应力叠加法和统一理论两种模型。在应力叠加模型中，即对施工过程钢管和混凝土的应力进行验算，也验算使用阶段的钢管和混凝土应力。在统一理论模型中，同时对钢管混凝土构件进行内力（承载能力）验算和强度（应力）验算。

施工阶段拱肋钢管应力验算及拱圈联系杆件钢管应力验算见表2-12、表2-13。

表2-12　施工阶段拱肋钢管应力验算结果

表2-13　施工阶段拱圈联系杆件应力验算结果

（续表）

合江长江一桥除了对施工阶段构件承载能力进行验算外，在主拱安装过程中也进行了线形拟合设计，满足规范中对于主拱安装的要求。

3）管内灌注混凝土

《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中对管内混凝土灌注过程中主拱钢管最大初应力、拱轴线偏位等进行了严格要求。合江长江一桥主拱灌注混凝土采用C60高性能混凝土，以泵压法自拱脚向拱顶、按设计的横桥向灌注顺序和纵桥向“三级接力灌注法”灌注主拱钢管内混凝土，灌注混凝土时分不同阶段张拉设计制定的扣索和索力。先灌注的混凝土达到设计强度且龄期大于4 d后，才灌注下一根主管，同时也对主拱初应力、拱轴线线形进行了验算，满足规范要求。