CN106087695B - 充填式混凝土壳板拱桥 - Google Patents

Abstract

充填式混凝土壳板拱桥，是圬工拱桥的创新桥型结构，具有取材简便，受力合理，造价低、适用范围广等优点。而本成果“充填式混凝土壳板拱桥”简介PPT幻灯片与WORD文搞，是在原著算例的基础上，在构造简图、受力原理分析、截面计算方法、侧墙稳定性验算、材料强度设计指标等方面，作了进一步的概括和补充。突出体现该桥型具有的‘五不同’、‘五首先’。即：结构不同、材料不同、受力不同、计算方法不同、施工不同；五首先：首次将稳定土材料用于桥梁结构；首次通过试验提出稳定土材料用于桥梁结构的强度计算指标；首次设计出圬工组合体系拱桥并作了一系列内力与截面强度验算；首次提出拱上建筑参于主拱圈受力计算的计算方法；首次推导出“稳定土‑钢筋混凝土”组合结构按钢筋混凝土结构截面计算方式进行截面强度计算的相关公式。

Description

充填式混凝土壳板拱桥

1、技术领域

圬工拱桥的创新结构设计

2、背景技术

拱桥按其静力体系，可分为‘简单体系拱桥’(主拱以裸拱的型式作为主要承重结构)和‘组合体系拱桥’(行车系结构与主拱联成一体，共同承担上部荷载。如桁架拱桥、刚架拱桥、系杆拱桥等)。此前的圬工拱桥(砖、石及混凝土拱桥等)，只有‘简单体系’而没有‘组合体系’。“充填式混凝土壳板拱桥”一书的出版，填补了这一桥型的空白，属于首项拱上建筑与主拱圈联合受力的‘组合体系’圬工拱桥。“充填式混凝土壳板拱桥”一书，对该桥型的10个桥例，作了详细的结构验算，同时，还破天荒将通常用于公路路基建筑的工业矿渣混合材料-稳定土，用于桥梁结构，并在大量试验的基础之上，提出了工业矿渣混合填充材料用于桥梁结构设计的强度计算指标。而本成果“充填式混凝土壳板拱桥”简介(PPT幻灯片与WORD文搞)，是在该书算例的基础上，在构造简图、受力原理分析、截面计算方法、侧墙稳定性验算、材料强度设计指标等方面，作了进一步的概括和补充。突出体现该桥型具有的五不同’、‘五首先’。即：结构不同、材料不同、受力不同、计算方法不同、施工不同；五首先：首次将稳定土材料用于桥梁结构；首次通过试验提出稳定土材料用于桥梁结构的强度计算指标；首次设计出圬工组合体系拱桥并作了一系列内力与截面强度验算；首次提出拱上建筑参于主拱圈受力计算的计算方法；首次推导出“稳定土-钢筋混凝土”组合结构按钢筋混凝土结构截面计算方式进行截面强度计算的相关公式。

3、发明内容

(一)将工业矿渣、石灰、水泥、砾石、粘土等、经过加水拌制的混合料，充填于少筋混凝土箱体内，使拱上建筑与主拱连为一体，共同受力，共同承担荷载作用的组合体系拱桥，起名为“充填式混凝土壳板拱桥”。其典型截面构造示意。见附图1。“充填式混凝土壳板拱桥”主要由上部结构和下部结构组成。上部结构又称桥跨结构，桥跨结构主要由少筋混凝土箱形壳板、横向联结系、低强度工业矿渣混合填充料、拱铰、伸缩缝和桥面系组成。下部结构包括桥墩、桥台和拱座，其特征是在少筋混凝土箱壳内填筑低强混合料。少筋混凝土箱壳主要由外侧板、内侧板等组成。其拱座和拱铰的构造见附图11～20。

(二)填充料与混凝土箱壳组合体加载时应力应变分析，见附图2～5，其应力应变过程，类似于钢管混凝土，具有一定的‘紧箍力’效应，这在一定程度上提高了结构的整体安全储备(虽然原著中桥例在设计验算时并没有考虑该提高效应)。

(三)“充填式混凝土壳板拱桥”独有的截面强度验算方法概括如下：计算简图示例见附图6。选取主拱拱顶、拱脚及L/4截面作为控制截面，根据一般圬工拱桥的设计原则和方法，按分项安全系数的极限状态法，作截面强度验算。计算恒载与活载产生的内力时，采用拱圈组合截面的几何形心轴；截面强度验算时采用拱圈组合截面折算形心轴。轴向力偏心距小于《桥规》规定的容许偏心距时，按正截面小偏心受压公式进行截面强度和偏心距验算，此时，受拉侧混凝土壳板内配有少量构造配筋，含筋率约为钢筋混凝土结构最小含筋率的四分之一；当轴向力偏心距大于容许偏心距时，则按大偏心受压公式验算，控制受拉一侧边缘的材料拉应力不超过规定值。否则，若不改变截面的设计尺寸，就需增加截面含钢率，按钢筋混凝土结构进行计算(此种情形本书例题基本未出现)，此时，在考虑钢筋混凝土壳板参与受力的同时，也应考虑填充料参与受力。由两种以上材料构成的组合截面，由于材料强度及变形模量不同，其偏心受压区的高度与单一的混凝土结构也不应相同。为此，不能完全套用钢筋混凝土偏心受压公式进行计算，而应在此基础上推导出新的组合截面强度计算公式。本书第五章尝试推导了该计算方法。一般情况下，不宜采用钢筋混凝土结构计算。

(四)上部结构及墩台混凝土壳板的局部变形和稳定性验算。见附图7。

(五)原著中没曾发表的空腹式园弧无铰拱桥各控制截面M、H、V影响线坐标表的编制。见附图8～9。

(六)稳定土用于桥梁结构的强度计算指标(参考值)。见附图10

4、附图说明

(一)附图1为“充填式混凝土壳板拱桥”构造示意图，在少筋混凝土壳板组成的箱体内填筑稳定土混合料，箱体壳板厚度、肋板数量及填充料配比，根据桥跨、桥宽和设计荷载，由计算确定。

(二)附图2为混凝土试件与‘稳定土～混凝土组合构件’的应力应变比较图。在组合构件的应力应变图中，oa段为弹性阶段，构件尚无横向力，填料与混凝土壳板各自单独受力，f_设计值即相当本书例题中的组合截面强度标准值，其值可由下式计算：

式中η_折算-混凝土壳板的材料强度换算系数，其值为

R_填料-填料的立方体抗压强度标准值；R_壳板-壳板混凝土抗压强度标准值。

ac段为增强阶段，构件产生横向力，由于构件核心稳定土的横向变形率大于混凝土壳板的横向变形率，故稳定土受到侧限力作用而处于三向应力状态，且极限强度得到提高，并且将横向压力以及轴向力(通过摩阻力)传给混凝土壳板，直到混凝土壳板在荷载作用下达到极限强度卸载后，稳定土才随之达到承载力极限。稳定土由于混凝土壳板的约束作用而使自身以及组合构件的极限强度最终得到提高。组合构件达到强化阶段的破坏强度按下式计算：

式中κ_提高-稳定土受到侧限力作用后，抗压强度提高系数，其值可由试验确定。

(三)附图3为钢管混凝土试件承载力与其应变的关系图，与钢筋拉伸时的应力应变曲线有许多相似；而稳定土-混凝土壳板’承载力与其应变的关系图，应与图2中混凝土的应力应变图相似。‘钢管混凝土’与‘稳定土-混凝土壳板’它们二者虽然都因其核心材料的横向变形系数增大，提高了承载力，但是前者主要发生在钢管的强化阶段，且承载力提高较大；而后者发生在混凝土壳板的弹塑性工作阶段，承载力提高较小。

(四)附图4为三种不同加载方式钢管混凝土构件的受力分析及荷载与应变的变化情况

A式加载：荷载仅作用在核心混凝土上，钢管不直接承受纵向荷载。通过摩擦力传递纵向力于钢管。

B式加载：荷载同时作用在作用在钢管和核心混凝土上。

C式加载：荷载先作用在钢管上直至压缩齐平后，钢管和核心混凝土共同承载。

如下图所示。

上述三种加载方式虽然不同，但加载方式对构件性能和承载力影响很小，荷载-应变关系曲线很相近，在加载初期，钢管与混凝土都是单独受力，无横向套箍力，加载后期核心混凝土泊松比大于钢管波松比，从而产生套箍作用后，三者受力机理基本相似。

(五)附图5为‘混凝土～稳定土组合构件’加载受力分析图

充填式混凝土壳板拱桥的受力情况应与上述B式(中间槽)或A式(两边槽)加载方式相似，由于稳定土的泊松比大于混凝土泊松比，故侧限力作用将一直存在，在加载初期稳定土填充料的侧限力作用同样相对较小。加载方式如附图5所示。

混凝土箱形壳板的横向约束力作用，主要发生在设有内侧板与横系梁的主拱部位，而拱上建筑部分显然较小。由于本书设计例题均没考虑核心稳定土受到壳板约束力作用的承载力提高效应，故计算结果更应偏于安全。

(六)附图6如前所述，传统的砖石或混凝土圬工拱桥，主要是由单一材料做成，只考虑由主拱圈单独承担全部上部荷载的简单体系拱桥。而本创新桥型，不仅主拱圈是由混凝土箱壳与稳定土组合截面构成，而且考虑了拱上填料的联合受力作用，这使在应用‘桥规’进行截面轴向力和偏心距验算时，其方法必然也要不同。附图6正是该方法的计算简图。图中‘主拱截面几何形心轴’是指由主拱截面外边缘围成的几何矩形形心轴；‘主拱组合截面形心轴’是指主拱部分由混凝土壳板、肋板的横截面面积与主拱截面的填料面积按照各自不同的材料强度折算为同一种材料强度后，计算得出的强度折算形心轴。前者供计算内力时使用，后者供验算强度之用。同理，‘考虑拱顶填料的截面几何形心轴’是指主拱及其上部填充料共同围成的矩形截面形心轴；而‘考虑拱顶填料的组合截面形心轴’是主拱部分由混凝土壳板、肋板的横截面面积与主拱截面的填料面积以及拱顶填料按照各自不同的材料强度折算为同一种材料强度后，计算得出的强度折算形心轴。供强度验算之用。

(七)附图7拱上建筑及墩台混凝土壳板的局部稳定性验算。

计算挂车-100作用于墩台顶部时距桥面以下5米高度范围桥台外侧壳板受到的侧压力(如图7)：挂车-100引起的外侧壳板侧压力，按下式计算

式中：B-顺桥向桥台外侧壳板计算宽度，取挂车-100前、后两轴间距为6.4m；

γ-稳定土容重，取γ＝18.5KN/m³；

H-壳板计算高度，取桥面以下5米高；

-填料的内磨擦角，此处假定(比实际填料的磨擦角偏小，算得的侧压力偏大)；

h-等待土层厚度，按下式计算得

∑G-布置在B×l₀面积内的车轮或履带车重；取∑G＝4×250＝1000kN

l₀-横桥向填土的破坏棱体长度，按下式计算

注：挂车-100横向车轮的间距为3×0.9＝2.7m。

2)假定挂车-100产生的上述侧压力全部由钢筋拉杆承担，需要的拉杆数量设计：

已知热轧II级钢筋的设计强度为σ_拉＝310N/mm²

直俓d＝25mm的计算截面积A＝490.9mm²

一根钢拉杆的设计强度

N_拉杆＝σ_拉×A＝310×490.9＝152KN

故在外侧壳板高5米、宽为6.4米范围内需布置的钢拉杆数(直俓d＝25mm)为

3)稳定土填料自身产生的抗拉、抗剪强度计算：

该范围稳定土填料在顺桥向竖直截面内产生的抗拉强度为

R_抗拉＝(R_L)×A_竖向＝100kPa×5m×6.4m＝3200kN

式中：R_L-由上表1查得的填料抗拉强度标准值，取为0.1MPa；

A_竖向-计算范围顺桥向竖直截面面积5m×6.4m

该范围稳定土填料自身在顺桥向水平截面内产生的抗剪强度为

R_抗剪＝(R_j)×A_水平＝250kPa×5m×4.5m＝5625kN

式中：R_j-由上表1查得的填料抗剪强度标准值，取为0.25MPa；

A_水平-计算范围顺桥向水平截面面积5m×4.5m

计算结果表明：以上计算的拉杆数量(≥3)，可同时满足施工阶段和竣工使用阶段。在使用阶段尚没有计入稳定土填料自身的抗拉、抗剪强度，而此两项强度值，远大于挂车-100产生的对外侧壳板的总侧向压力，因此，从理论上说，在设计荷载的使用阶段，拉杆中拉力为零。并且，在计算挂车-100引起的外侧板侧向压力时，对稳定土内摩擦角的假定亦偏低，故应偏于安全；而在施工阶段虽然没有计算稳定土填料产生的主动土压力作用，但是施工阶段采用挂车-100作为施工荷载显然是偏大、偏安全的。为防止施工时外侧壳板局部变形失稳，可采用加临时支撑等措施，待竣工后稳定土填料达到设计强度时拆除。

(八)附图8、附图9为空腹式园弧无铰拱桥各控制截面的M、H、V影响线坐标表编制图

公路桥涵设计手册《拱桥》上册(人民交通出版社)附录I，给出了实腹式园弧无铰拱桥各控制截面的M、H、V影响线坐标表，对于空腹式园弧无铰拱，当荷载作用于空腹段时需要通过腹拱墩传递至主拱圈。因此，单位力P＝1作用于空腹段时，所引起的控制截面影响线纵坐标的大小，应根据该位置的单位力传递至节点(腹拱墩或实腹段)比例大小予以计算，具体计算方法详述于下。

(1)计算当单位力P＝1作用于空腹段各个位置时，传递于腹拱墩的荷载比例：参见附图8～9

由图8～9可知，若近似地把腹拱视为支承于腹拱墩上的简支曲梁，当单位力P＝1作用于图8所示的位置10时，则由静力平衡条件可算得传递给腹拱墩的荷载比例为：

式中：y_c上-主拱截面形心至上侧边缘的距离。y_c上＝0.7-0.416＝0.284。

同理，由图8、图9-b可知，若把腹拱视为支承于腹拱墩上的简支曲梁，当单位力P＝1作用于图8所示的位置9时，则由静力平衡条件可算得传递给腹拱墩的荷载比

例为：

式中：y_c上-主拱截面形心至上侧边缘的距离。y_c上＝0.7-0.416＝0.284。

当单位力P＝1作用于8、7、位置时传递给腹拱墩的荷载比例为：1。

当单位力P＝1作用于6时，由图9-d可知单位力P＝1将分别传递给腹拱墩与实腹段端的主拱截面，传递给实腹段端主拱截面的荷载比例为：

传递给腹拱墩的荷载比例为：

同理，当单位力P＝1作用于5时，由图9-e可算得传递给实腹段端主拱截面的荷载比例为：

传递给腹拱墩的荷载比例为：

R_a＝＝1-0.701＝0.299

(2)截面内力影响线的计算：

方法是只需将实腹式园弧拱的各内力影响线纵坐标乘以单位力P＝1作用于相应空腹段位置时，传递于腹拱墩与实腹段端主拱的荷载比例，即可得到空腹式园弧无铰拱桥各控制截面M、H、V影响纵坐标线。

例如：求空腹式园弧无铰拱拱脚截面影响线纵坐标，已知矢跨比f/L＝1/5，当单位力P＝1作用于10′位置时，由式5-2-24可知该单位力传递给腹拱墩的荷载比例为0.280；而由公路桥涵设计手册《拱桥》附录I表(I)-21查得相应于腹拱墩位置8′影响线纵座标为0.00983，故相应位置空腹式园弧无铰拱拱脚截面影响线纵坐标应为：0.00983×0.280＝0.00275。

又如：当单位力P＝1作用于6位置时，由式5-2-26、5-2-27可知该单位力，传递给实腹段端主拱截面的荷载比例为0.191，传递给腹拱墩的荷载比例为0.809。由公路桥涵设计手册《拱桥》附录I表(I)-21查得相应于实腹段端主拱截面位置4至5影响线纵坐标为相应于腹拱墩位置6′至7′的影响线纵坐标为故相应6′位置空腹式园弧无铰拱拱脚截面影响线纵坐标应为：0.191×0.04339+0.809×0.02488＝0.02842。

现将经本文修正计算后得到的空腹式园弧无铰拱桥弹性中心多余未知力Z、H、V影响线纵坐标列入下表(表5-2-1)(见PPT幻灯片及WORD文稿)；拱顶、截面及拱脚截面内力影响线纵坐标见表5-2-2、5-2-3、5-2-4、5-2-5、5-2-6、5-2-7、5-2-8。(见PPT幻灯片及WORD文稿)

(九)附图10为六组不同粉煤灰掺量的稳定土试件，在干养7天后浸入水中，其强度随时间变化的情况。试验结果反映，石灰土的初期强度高于粉煤灰土，而后期强度远低于粉煤灰土，粉煤灰含量越高，试块的早期强度越低；由于粉煤灰中含有丰富的活性氧化硅和氧化铝矿物，在石灰的碱性(氢氧化钙)激发作用下能够生成更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙这些类似于硅酸盐水泥的水化产物，从而具有较石灰土更高的后期强度。粉煤灰土的早期强度低，说明其火山灰水化反应速度缓慢，粉煤灰是一种缓凝物质。

根据多组稳定土试块28天抗压强度试验数据，按照数理统计方法并参照道路建材规范，算得稳定土强度标准值、弹性模量、内摩擦角等指标。列如下表可供参考：

稳定土28天强度标准值及弹性模量值(N/mm²)

表1

注：稳定土填料，包括：粉煤灰土、石灰土、水泥土、工业废渣土、以及碎石稳定土等。

稳定土28天强度标准值及弹性模量值(N/mm²)

表2

注：稳定土填料，包括：粉煤灰土、石灰土、水泥土、工业废渣土、以及碎石稳定土等。

稳定土28天强度标准值及弹性模量值(N/mm²)

表3

注：稳定土填料，包括：粉煤灰土、石灰土、水泥土、工业废渣土、以及碎石稳定土等。

稳定土28天强度标准值及弹性模量值(N/mm²)

表4

注：稳定土填料，包括：粉煤灰土、石灰土、水泥土、工业废渣土、以及碎石稳定土等。

稳定土28天强度标准值及弹性模量值(N/mm²)

表5

注：稳定土填料，包括：粉煤灰土、石灰土、水泥土、工业废渣土、以及碎石稳定土等。

(十)附图11～20为在原著中已经登载的10幅设计图。

5、具体实施方式

按照现行国家相关技术规范进行设计或施工。施工方法可采用有支架或无支架施工，由具体情况确定。

Claims (4)

1.一种充填式混凝土壳板拱桥的少筋混凝土箱形壳板的稳定性计算方法，该拱桥主要由桥跨结构和下部结构组成，所述下部结构包括桥墩、桥台、拱座，所述桥跨结构主要由少筋混凝土箱形壳板、横向联结系、低强度工业矿渣混合填充料、拱铰、伸缩缝和桥面系组成，少筋混凝土箱形壳板内填筑低强度工业矿渣混合填充料，该低强度工业矿渣混合填充料属于稳定土材料，所述少筋混凝土箱形壳板包括外侧壳板、内侧壳板， 其特征在于，该方法具体为：

(1)少筋混凝土箱形壳板的外侧壳板侧压力计算：

在桥台顶部布置车辆荷载挂车-100，计算距离桥面以下5米高，挂车-100前后轴间距为6.4米范围内一侧混凝土外侧壳板受到的总侧压力为466KN，平均压强为14.6Kpa；挂车-100引起的外侧壳板侧压力，按下式计算

式中：B-顺桥向桥台外侧壳板计算宽度，取挂车-100前、后两轴间距为6.4m；

γ-稳定土容重，取γ＝18.5KN/m3；

H-壳板计算高度，取桥面以下5米高；

φ-填料的内磨擦角，此处假定φ＝40°；

h-等待土层厚度，按下式计算得

∑G-布置在B×l₀面积内的车轮或履带车重，取∑G＝4×250＝1000kN；

l₀-横桥向填土的破坏棱体长度，按下式计算

挂车-100横向车轮的间距为3×0.9＝2.7m；

(2)假定挂车-100产生的上述侧压力全部由钢筋拉杆承担，需要的拉杆数量设计为：

已知热轧II级钢筋的设计强度为σ_拉＝310N/mm²；

直径d＝25mm的计算截面积A＝490.9mm²；

一根钢拉杆的设计强度N_拉杆＝σ_拉×A＝310×490.9＝152KN；

故在外侧壳板高5米、宽为6.4米范围内需布置的钢拉杆数为

该钢拉杆直径d＝25mm；

(3)稳定土填料自身产生的抗拉、抗剪强度计算：

该范围稳定土填料在顺桥向竖直截面内产生的抗拉强度为

R_抗拉＝(R_L)×A_竖向＝100kPa×5m×6.4m＝3200kN；

式中：R_L-填料抗拉强度标准值，取为0.1MPa；

A_竖向-计算范围顺桥向竖直截面面积5m×6.4m；

该范围稳定土填料自身在顺桥向水平截面内产生的抗剪强度为

R_抗剪＝(R_j)×A_水平＝250kPa×5m×4.5m＝5625kN；

式中：R_j-填料抗剪强度标准值，取为0.25MPa；

A_水平-计算范围顺桥向水平截面面积5m×4.5m；

以上计算的拉杆数量，可同时满足施工阶段和竣工使用阶段，在使用阶段尚没有计入稳定土填料自身的抗拉、抗剪强度，而此两项强度值，远大于挂车-100产生的对外侧壳板的总侧向压力，因此，从理论上说，在设计荷载的使用阶段，拉杆中拉力为零，并且，在计算挂车-100引起的外侧板侧向压力时，对稳定土内摩擦角□的假定亦偏低，故应偏于安全；而在施工阶段虽然没有计算稳定土填料产生的主动土压力作用，但是施工阶段采用挂车-100作为施工荷载显然是偏大、偏安全的，为防止施工时外侧壳板局部变形失稳，可采用加临时支撑等措施，待竣工后稳定土填料达到设计强度时拆除。

2.根据权利要求1所述的充填式混凝土壳板拱桥的少筋混凝土箱形壳板的稳定性计算方法，其特征在于，所述充填式混凝土壳板拱桥将工业矿渣、石灰、水泥、砾石、粘土经过加水拌制而成的低强度工业矿渣混合填充料，填筑于少筋混凝土箱形壳板内，使拱上建筑与主拱连为一体，共同受力，共同承担荷载作用。

3.根据权利要求1所述的充填式混凝土壳板拱桥的少筋混凝土箱形壳板的稳定性计算方法，其特征在于，所述低强度工业矿渣混合填充料在大量不同配合比、龄期和一定环境下进行强度实验，根据统计规律计算，得到的强度设计指标，能够满足一定设计标准的充填式混凝土壳板拱桥的截面强度和稳定性验算要求。

4.根据权利要求1所述的充填式混凝土壳板拱桥的少筋混凝土箱形壳板的稳定性计算方法，其特征在于，所述充填式混凝土壳板拱桥的结构强度设计计算方法为：根据组合结构不同材料所具备的不同强度性质，提出在计算恒载与活载产生的结构内力时，采用组合截面的几何形心轴；在进行结构截面强度验算时，采用组合截面的材料强度折算形心轴。