复合钢管砼系杆拱衔接桥方案

关键词：钢管砼  复合钢管砼  系杆拱桥 

一、衔接桥方案

我国海南岛琼州海峡的海水深度较大，单纯采用桥梁和隧道形式都有很大的困难。采用设主、付通航孔的<<便航式跨海浮桥>>方案，主、付通航孔采用大跨径桥梁或潜浮隧道相结合的形式，则困难较小，比较合理和实用。浮桥因为受潮汐水位变化的影响很大，需要随时自动变化调节较大的路线纵坡，才能与桥梁或潜浮隧道相衔接。琼州海峡的潮汐水位变化高达3.60m，最大波浪高度3.30m，潜浮隧道的进、出口应在浪高以上，需要较大的长度才能调节纵坡。采用80m长度的衔接桥与浮桥端部100m长度设坡度相配合，利用浮桥端部浮船作衔接桥的一端桥台，将端部浮船加宽和吃水加深即可解决。

    我国钢管砼拱桥的应用，已经获得了很大的发展，80m的跨径施工比较简便，外形简洁美观，造价经济合理。钢管砼这种组合材料，很适合施工和使用。圆形钢管是很合理的受力形式，具有发挥轴向受压和环向受拉力的双向作用，砼处于三向受力状态，材料的组合强度高。砼对钢管起到稳定作用，使钢管的强度能够充分发挥。钢管的环向紧箍力，对砼的横向变形起紧箍作用，砼不易发生开裂破坏，提高了承载力，结构的韧性好。钢管砼具有两种材料的性能，发挥了两种材料的特点，砼已由脆性破坏转变为塑性破坏，可按极限状态TRANBBS设计。但是，钢管有锈蚀的缺点，防护麻烦。现在采用的防护方式属于临时性质，简单的油漆防护为几年时间；热喷锌、鋁能维持25年时间，但是防护费用很高。采用钢管砼作劲性骨架，然后外包钢筋砼，将这种外包钢筋砼与钢管砼的结合称作复合（俗称组合）。复合钢管砼是两种以上材料按一定的规则组合成整体受力，实际是一种复合材料。

在钢管砼拱桥的应用中，钢管砼的计算方法是以试验为基础的经验公式，反映为综合的砼名义强度，只适用于单根钢管截面，物理概念不直观，使用不方便和受到限制。复合钢管砼采用分离计算方法，分别按不同材料的计算方法和强度安全系数，计算不同组合材料的强度，按加载组合规则作简单叠加。故复合钢管砼的计算方法简便直观，施工方便，耐久性能好。复合钢管砼是钢管砼应用的发展，复合钢管砼系杆拱桥作衔接桥是很合理的桥型。所指的系杆拱桥是外部静定的简支体系，实际是梁式结构，属于拱梁组合体系。拱梁组合体系有刚拱刚性梁、刚拱柔性梁和柔拱刚性梁之分，刚拱刚性梁施工简单方便，适用于复合钢管砼系杆拱桥。

二、复合钢管砼系杆拱桥

1、    原理：外部静定的简支系杆拱桥是拱梁组合的梁式体系，拱肋的刚度大，以压弯的形式作功。系杆梁平衡拱的水平推力和拱脚弯矩，承担和传递局部荷载，通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。拱梁组合体系的矢高大，优于实腹和桁架梁，是优秀的结构形式。采用复合钢管砼材料，分期加载逐步形成，方便施工架设，是很实用的桥型。

2、    桥型：由于道路很宽，适合作成左右分幅的两座独立桥梁，以利于横梁的设计，受力简单明确，便于施工架设。拱肋矢跨比为1/5，使系杆拉力比较合理。

3、构造：

⑴拱肋：采用复合钢管砼矩形等截面100x180cm，16Mn钢管Ø750x10mm，为二管双肢格构形，以简化拱肋钢管的焊接加工。外包复合钢筋砼采用Ø12箍筋，能够使拱肋形成整体截面。拱肋、系杆、横撑、端横梁钢管和吊杆在码头上组装好，采用浮船运输和500吨大型浮吊安装。以后在钢管内泵压砼，立模浇灌外包钢筋砼。再安装横梁和桥面板，作防撞护栏和桥面铺装。

⑵系杆：系杆的主要作用是平衡拱肋推力和拱脚弯矩，也承担和传递局部荷载，通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。桥面重量基本上由吊杆直接承受，系杆刚度可以较小。它的刚度仅端部5m加大，中部较小，实际是柔性的。系杆中部截面为100x100cm，端部局部5m长度加高为100x180 cm，采用单根钢管为Ø750x10mm。系杆预应力索布置在钢管内的塑料管中，按拱的推力平衡阶段需要进行张拉和压浆处理。

⑶横撑：采用16Mn空钢管Ø750x10mm作横撑，对称设置5根，以减轻自重。可仅在横撑钢管两端局部1m内灌筑砼，以加大节点的刚度。钢管采用3 cm厚度的钢筋和钢丝网水泥砂浆作防护，人工施工也方便。钢丝网水泥砂浆的防裂性能好，水泥船的成功应用即先例，是钢铁锈蚀防护的简便和实用措施。

⑷横梁：横梁采用预应力砼T形梁，设置间距为5m，横梁与吊杆位置错开，两端设牛腿支承在系杆上，并与纵梁相固结。横梁的荷载和内力很大，T形梁的上翼缘可设双根钢管，利用复合钢管砼作受压。横梁为预应力砼T形梁，其自重较大，采用浮运和浮吊安装。

⑸端横梁：端横梁断面与拱肋同为100x180cm，以加强拱肋的整体性，便于整体吊装。两端加大节点刚度，将拱肋联结为空间刚架，保持稳定，便于支座的安装。

⑹吊杆：吊杆直接吊系杆，有竖直和傾斜两种形式。竖直吊杆计算和调整简便，傾斜吊杆对拱肋的稳定作用大，但是吊杆的计算和调整麻烦。拱肋的刚度很大时，采用竖直吊杆亦可。吊杆采用Ø7镀锌预应力钢丝，镦头锚固和不锈钢管防护。镦头对钢丝有损伤，对锚头应采用环氧树脂粘结和封固防锈。吊杆作用极端重要，钢丝应留有足够大的安全度。拱梁体系的系杆拱为外部净定和内超净定，吊杆和拱肋的变形对吊杆内力变化有较大影响，故吊杆的内力必须张拉调整到设计值。

⑺桥面板：采用预制钢筋砼槽形板，其自重轻，刚度较大，便于安装。在炎热高温地区，槽形板顶面应预埋适当的锚固钢筋，加强与桥面铺装砼的结合。

⑻防撞护栏：外侧钢筋砼防撞护栏加高至120cm，确保海上行车的安全。

⑼桥面：桥面预制板上作10 cm砼整体化现浇层，采用沥青砼桥面铺装，便于养护。

⑽支座：采用大型盆式橡胶支座。

⑾伸缩缝：采用标准型钢伸缩缝。

⑿桥台：浮桥的端部作系杆拱桥台，浮船的大小和吃水深度，由复合钢管砼系杆拱衔接桥半孔的重量而定。可加大浮船的吃水深度，增加承载能力和稳定性。由于桥梁支座压力集中，浮船桁架需要加密和加强。采用网架形式的板桁结构，纵、横方向的刚度都大。桥台支座承台应采用刚度很大的钢骨砼格梁，以分散支座集中力。系杆拱它端桥台，为隧道出口或桥墩。

三、计算

1、  基本资料：

计算跨径L=80m     矢跨比F/L=1/5      桥面净宽16m     拱轴线形：园弧曲线

汽车-超20级        挂车-120           升温Δt=30ºC

2、  计算方法和模式：

采用单片拱肋作建模，考虑活载的偏心影响作用，利用平面杆系程序作计算。吊杆为受拉索单元，作应力刚化处理。

3、  桥型建模：

 

①拱肋和系杆为单一的梁单元，按刚接节点处理。

②吊杆为索单元，按铰接节点处理。

③桥面和横梁简化为集中力加载。

④横撑简化为集中力加载。

⑤利用对称性，仅作半孔单元计算。

4、计算结果：

⑴支座反力：单肋N=8000KN

⑵系杆拉力：单肋N=12583KN，钢绞线(6x15)90Øj15.24，重量G=8232kg。

            N=8508KN，Q=2432KN， M =-12120KN.m，e=-1.42m。

系杆是预应力钢绞线受拉，复合钢管砼实际是受压，拱脚节点截面已经加强。

⑶吊杆拉力：单根N=1439KN，镀锌钢丝60Ø7，单位重量Q=18.1kg/m。

⑷横梁强度：Mj =5814KN.m，

按复合钢管砼T形截面，保证钢管处于受压区，分部作强度和叠加组合计算，以减小横梁高度和自重。采用钢管2Ø200x6，钢绞线(2x12)24Øj15.24。 As=73.2 cm²   Ay=33.6cm²   fs=315 mpa  Ry=1860 mpa   bˊ=60 cm   Ra=28.5 mpa   b=20 cm   hjˊ=30 cm 

X=[RyAy-Ra( bˊ-b) hjˊ]/(28.5*60)=[1860*33.6-28.5*(60-20)*40]/28.5*20=29.6cm

钢管砼短柱承载力：No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(73.2*315+555.2*23.5+555.2*315*0.6/9.4)/10

=4727KN        即(钢管承载力+砼承载力+径向力承载力)

M=No(ho-15)/100+(1/rc)Ra*[(20*29.6*(ho-14.8)+(40*29.6-628)*(ho-15))/1000=4727*(135-15)

/100+(1/1.25)*28.5*[1184*(135-14.8)+241*(135-14.8)]/1000=8978N.m>Mj =5814KN.m

⑸拱肋强度：拱脚最大弯矩单元的单肋内力Nj =-12553KN，Qj =1540KN，Mj =-7507KN.m，e=-0.60m，其余单元内力偏心距都小于0.20 m，不必另外加强配筋。

钢管截面特性：16Mn钢管Ø750x10  面积A=233cm²  内半径R=365mm  壁厚t=10mm

设计强度fs=315mpa C50砼Ac=4185cm² 砼强度fc=23.5mpa 钢筋砼设计强度fgc=28.5mpa

钢管砼短柱承载力：                                            

No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(233*315+4185*23.5+4185*315*10/365)/10=20786KN即(钢管承载力+砼承载力+径向力承载力)

构件纵向力偏心矩增大系数：Lo=0.36S=0.36*90.73=32.66m

Eh=40411mpa    I h=0.486m²*²     rc=1.25     rb=0.95 

    Αe=0.1/(0.3+ eO /h)+0.143=0.1/(0.3+0.60 /1.80)+0.143=0.30                   

    η=1/[1-rc Nj LO²/(10αe Eh I hrb)] =1/[1-1.25*12553*32660²/(10*0.30*4860*

      404200000000*0.95)] =1.003                  

    偏心矩：eOˊ=η eO=1.003*0.60≈0.60m

按压弯构件求解受压区高度：根据不同材料设计强度，即钢管fs、钢管紧箍力fks、钢管内填砼fc、外包钢筋砼fgc的强度，取钢筋砼矩形截面，按偏心受压构件计算。                                                                                                                  

e=112.2cm   eˊ=7.8cm    H=180cm    hO=142.2cm    钢筋14Ø25    Ag =301.8 cm²

Rg=345 mpa    Agˊ=301.8 cm²    Eg=200000mpa    X =ξhO =142.2ξ    ξ=X/142.2

 σg =0.003Eg（0.9/ξ-1）=0.003*200000*（128/ X -1）=600*（128/ X -1）

 fgc *b* X* (e-hO+X/2) =σg*A g* e- fs *A gˊ* eˊ         

      28.5*100* X* (112.2-142.2+X/2)= 600*（128/ X -1）*301.8* 112.2-315 *301.8*7.8                                    

X ³-0.0211X²+14778X-1824981=0   σg =600*（128/ X -1）=600*(128/84-1)=314.3 mpa

X=84 cm   ξ=84/142.2=0.59>ξjg=0. 55       属于小偏心受压。

复合钢管砼承载力：

N= No+( rb / rc ) * fgc *(b*X-As-Ac)+( rb / rs )* (Rgˊ* Agˊ-σg*Ag )=20786+ (0. 95/ 1. 25)* 28.5*(100*84-233-4185)/10+(0. 95/ 1. 25)*(345*301.8-314.3 *301.8)/10=20786+8625+704=

  30115 KN >Nj =-12553KN

四、结束语：

    系杆拱为外部静定的梁式结构，系杆受拉、拱肋受压和吊杆起联接作用的内力平衡，具备有梁的特点，其实是梁拱组合体系，实际不同于外部超静定的拱，仍用习惯的俗称系杆拱。本系杆拱方案的各部内力都比较合理，仅拱脚和系杆相接的刚节点单元弯矩最大，节点截面的刚度和配筋需要加强，实际是用节点板将钢管焊接成很强的钢箱结构。采用复合钢管砼作预应力横梁，使宽桥的横梁施工简便。复合钢管砼作系杆拱，使节点的设计和施工都便于处理，是防护耐久、经济实用和美观的梁式桥型，亦可用于引桥。