CN111636289A - 一种新型钢管混凝土拱桥及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种新型钢管混凝土拱桥及其施工方法，包括桥面系主梁、拱座、拱肋和横撑，桥面系主梁的桥头和桥尾分别对称设置多个拱座，且其横向面均匀设置多根吊杆，每根吊杆均分别连接拱肋，每条拱肋的横向面主要由拱肋平联杆、拱肋弦杆和拱肋腹杆构成日字形框架，两拱肋腹杆两端分别连接拱肋弦杆纵向端，拱肋弦杆横向端和拱肋腹杆中部分别连接拱肋平联杆，相邻拱肋之间分别通过横撑连接，每条拱肋的纵向面为拱形，且每条拱肋纵向两端端头分别固定在拱座上。该新型钢管混凝土拱桥增大了横桥向稳定性，提高了交通建筑土地利用率，节约了投入成本和钢管混凝土拱桥运营期的检测维护费用，适合推广。

Description

一种新型钢管混凝土拱桥及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种新型钢管混凝土拱桥及其施工方法。
背景技术
钢管混凝土拱桥是我国的一种重要桥型，目前已建和在建的钢管混凝土拱桥超过了四百座，极大的提升了我国的桥梁建设水平。在双向多车道的道路上，钢管混凝土拱桥做为关键节点通常分为左、右两座钢管混凝土拱桥，其主要由以下缺点或问题：
(1)钢管混凝土拱桥跨径的不断增大，对钢管混凝土拱桥施工阶段的面内和面外稳定性构成严重威胁。在施工过程中，钢管混凝土拱桥处于不完整状态，施工过程中需要更多的横桥向缆风索来保障施工过程中钢管混凝土拱桥的横向稳定性，横桥向位移调控的工作量和难度比较大。
(2)钢管混凝土拱桥跨径的不断增大，对钢管混凝土拱桥成桥阶段的面内和面外稳定性构成了严重威胁。钢管混凝土拱桥成桥的稳定性包括面内稳定性和面外稳定性，跨径的不断增大，使得钢管混凝土拱桥的面内稳定性和面外稳定性问题越来越突出，需要增加钢管混凝土拱桥中的横撑数量以及增大钢管混凝土拱桥中的构件直径来保证稳定性。
(3)左、右两座钢管混凝土拱桥的土地利用率较低。左、右座钢管混凝土拱桥拱脚之间的距离较大，需要分别浇筑拱座基础或构建一个比较大的拱座基础，占用较大用地空间，降低了交通建筑的土地利用率。
(4)左、右两座钢管混凝土拱桥施工过程中消耗的人员、材料和设备比较多，投资比较大。消耗的材料主要包括钢管混凝土拱桥中的钢材、混凝土、吊杆、锚具等，以及防撞墙和人行道等构造的数量。
(5)左、右两座钢管混凝土拱桥需要的运营期维护工作量比较大。吊杆失效、吊杆锚具锈蚀、拱肋混凝土脱粘脱空是钢管混凝土拱桥的常见病害，左、右两座钢管混凝土拱桥的拱肋数量、吊杆数量、锚头数量增大了运营期检测维护的工作量和难度。
(6)左、右两座钢管混凝土拱桥在使用周期内，建设健康监测与状态评估系统需要消耗的传感器数量、接线数量等耗材比较多，健康监测系统的建设成本比较高。
发明内容
针对上述现有技术中的钢管混凝土拱桥中存在的技术问题，本发明提出了一种新型的钢管混凝土拱桥及其施工方法，具体方案如下：
一种新型钢管混凝土拱桥，包括桥面系主梁、拱座、拱肋和横撑，进一步地，所述桥面系主梁的桥头和桥尾分别对称设置多个拱座，且其横向面均匀设置多根吊杆，每根吊杆均分别连接拱肋，每条拱肋的横向面主要由拱肋平联杆、拱肋弦杆和拱肋腹杆构成日字形框架，两拱肋腹杆两端分别连接拱肋弦杆纵向端，拱肋弦杆横向端和拱肋腹杆中部分别连接拱肋平联杆，相邻拱肋之间分别通过横撑连接，每条拱肋的纵向面为拱形，且每条拱肋纵向两端端头分别固定在拱座上。
进一步地，所述拱肋横向面还包括拱肋缀杆，所述拱肋平联杆为上拱肋平联杆、中拱肋平联杆和下拱肋平联杆，所述吊杆一端连接桥面系主梁，另一端连接至上拱肋平联杆，吊杆顶端两侧分别通过拱肋缀杆与中拱肋平联杆顶部两端连接，中拱肋平联杆底部两端分别通过拱肋缀杆连接吊杆与下拱肋平联杆相交处。
进一步地，所述横撑包括横撑弦杆和横撑腹杆，两横撑通过多个横撑弦杆连接，多个横撑弦杆之间分别通过横撑腹杆连接，相邻的两横撑腹杆结构对称。
进一步地，所述桥面系主梁的桥头和桥尾的横向面分别均匀设置多个防撞护栏和路灯，且两端还设置人行道护栏。
一种新型钢管混凝土拱桥的施工方法，包括如下步骤：
(1)通过几何非线线、材料非线性和状态非线性的空间建立有限元模型，在有限元模型中将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为多个吊装的节段；
(2)在预制场地，依次吊装桥头中侧拱肋的第一个节段、桥头右侧拱肋的第一个节段、桥头中侧拱肋第一节段与桥头右侧拱肋的第一个节段之间的横撑、桥头左侧拱肋的第一个节段、吊装桥头中侧拱肋第一节段与桥头左侧拱肋的第一个节段之间的横撑；
(3)在预制场地，依次对称地吊装桥尾中侧拱肋的第一个节段，桥尾右侧拱肋的第一个节段、桥尾中侧拱肋第一节段与桥尾右侧拱肋的第一个节段之间的横撑，桥尾左侧拱肋的第一个节段、吊装桥尾中侧拱肋第一节段与桥尾左侧拱肋的第一个节段之间的横撑；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，依次吊装新型铜管混凝土拱桥的其它拱肋节段，并完成拱肋合拢。
(5)灌注拱肋弦杆内混凝土和拱肋平联杆的混凝土、安装吊杆、安装桥面系、安装人行道护栏、安装防撞护栏、安装路灯和铺设桥面，并调整和优化吊杆索力。
进一步地，所述有限元模型用于模拟新型钢管混凝土拱桥各部件的构造尺寸和验算新型钢管混凝土拱桥的强度、刚度、稳定性、抗风性、抗震性和耐久性。
本发明的优点
本发明的新型钢管混凝土拱桥能适用于现有技术的多座钢管混凝土拱桥通过整合和提炼，形成一座拥有多条拱肋的新型钢管混凝土拱桥，并具有以下优点：
(1)由于大跨度钢管混凝土拱桥多采用缆索吊装斜拉扣挂悬臂拼装法施工，施工过程中钢管混凝土拱桥的横桥向稳定性主要是靠横桥向缆风索和横向联系来保障，本发明中的钢管混凝土拱桥，施工过程中在横桥向方向的刚度远大于普通大跨钢管混凝土拱桥施工过程中横桥向的刚度，增大了钢管混凝土拱桥施工过程中的横桥向稳定性，减少了施工过程中消耗的横桥向缆风索数量，降低了钢管混凝土拱桥横桥向位移调节的工作量和难度。
(2)由于大跨度钢管混凝土拱桥多采用缆索吊装斜拉扣挂悬臂拼装法施工，施工过程中钢管混凝土拱桥的横桥向稳定性主要是靠横桥向缆风索和横向联系来保障，本发明中的钢管混凝土拱桥，施工过程中横桥向刚度远大于普通钢管混凝土拱桥施工过程中横桥向的刚度，在其跨径增大时，可以减少保障钢管混凝土拱桥横桥向稳定性的横撑数量和构件的直径，并且跨径越大，与同类型的钢管混凝土拱桥相比，对钢管混凝土拱桥横桥向稳定性的改善优势就越明显。
(3)本发明中的钢管混凝土拱桥，与普通钢管混凝土拱桥相比，拱座数量减少，降低了钢管混凝土拱桥的占地面积，节约了钢管混凝土拱桥拱座混凝土的浇筑数量和浇筑占地面积，提高了钢管混凝土拱桥的交通建筑土地利用率。
(4)本发明中的钢管混凝土拱桥，与普通钢管混凝土拱桥相比，拱座数量、拱肋数量、吊杆数量等减少，降低了钢管混凝土拱桥施工过程中消耗的人员、材料和设备，尤其是施工过程中消耗的钢材、混凝土、吊杆、锚具、防撞墙和人行道数量等，投资得到降低。
(5)本发明中的钢管混凝土拱桥，与普通钢管混凝土拱桥相比，拱座数量、拱肋数量、吊杆数量等减少，减少了钢管混凝土拱桥运营期检测维护的工作量，便于吊杆失效、吊杆锚具锈蚀、拱肋混凝土脱粘脱空等病害的检测与治理，节约了钢管混凝土拱桥运营期的检测维护费用。
(6)钢管混凝土拱桥整体性主要与横桥向构造和纵桥向构造有关，本发明中的钢管混凝土拱桥，横向联系和多根拱肋等把整个结构形成了一个空间受力整体，横桥向和纵桥向的整体性和相关性得到了增强，整体性比分左、右座分开建立的钢管混凝土拱桥的整体性强。
(7)钢管混凝土拱桥健康监测与状态评估系统的规模、成本等与钢管混凝土拱桥的构件数量和受力等有显著关系，本发明中的钢管混凝土拱桥提高了普通钢管混凝土拱桥的横桥向稳定性，增强了钢管混凝土拱桥的整体受力性能，节约了拱座、吊杆和拱肋的数量，因此降低了运营期间建设健康监测与状态评估系统需要消耗的传感器、接线等耗材的数量，节约了健康监测系统的建设成本。
附图说明
图1为本发明的新型钢管混凝土拱桥的平面结构示意图。
图2为图1的纵断面结构示意图。
图3为图1的横断面结构示意图。
图中：
1、桥面系主梁；2、拱座；3、拱肋；301、拱肋腹杆；302、拱肋弦杆；303、拱肋平联杆；304、拱肋缀杆；4、横撑；401、横撑弦杆；402、横撑腹杆；5、吊杆；6、防撞护栏；7、路灯；8、人行道护栏；9、桥头中侧拱肋的第一个节段；10、桥头右侧拱肋的第一个节段；11、桥头左侧拱肋的第一个节段；12、桥尾中侧拱肋的第一个节段；13、桥尾右侧拱肋的第一个节段；14、桥头左侧拱肋的第一个节段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地解释说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图3所示，本实施例提供的一种新型钢管混凝土拱桥，包括桥面系主梁1、拱座2、拱肋3和横撑4，桥面系主梁1的桥头和桥尾分别对称且均匀设置三个拱座2，且桥面系主梁1的桥头和桥尾的横向面均匀设置三根吊杆5，三根吊杆5分别为左侧吊杆、中侧吊杆和右侧吊杆，左侧吊杆、中侧吊杆和右侧吊杆分别连接左侧拱肋、中侧拱肋和右侧拱肋。
中侧拱肋承担中侧拱肋两端的桥面系荷载，左侧拱肋和右侧拱肋分别承担部分桥面系荷载，中侧拱肋的抗压强度和抗弯强度强于左侧拱肋和右侧拱肋，中侧吊杆抗拉强度和抗疲劳强度强于左侧吊杆和右侧吊杆。
拱肋3是新型钢管混凝土拱桥的关键受力构件，承受吊杆5传递过来桥面系主梁1的荷载。尤其是中侧吊杆和中侧拱肋承担的荷载更多，因此需要选用性能高的中侧拱肋钢管、核心混凝土等级和中侧吊杆。
吊杆5的作用在于将桥面系主梁1的荷载传递给拱肋3。
每条拱肋3的横向面包括拱肋腹杆301、拱肋弦杆302、拱肋平联杆303和拱肋缀杆304，两拱肋腹杆301两端分别连接拱肋弦杆302纵向端，拱肋弦杆302横向端和拱肋腹杆301中部分别连接拱肋平联杆303构成日字形框架，拱肋平联杆303为上拱肋平联杆、中拱肋平联杆和下拱肋平联杆，优选地，每根吊杆5一端连接桥面系主梁1，另一端至上拱肋平联杆，吊杆5顶端两侧分别通过拱肋缀杆304与中拱肋平联杆顶部两端连接，中拱肋平联杆底部两端分别通过拱肋缀杆304连接吊杆5与下拱肋平联杆相交处。
左侧拱肋、中侧拱肋和右侧拱肋之间分别通过横撑4连接，横撑4包括横撑弦杆401和横撑腹杆402，两横撑4通过多个横撑弦杆401连接，多个横撑弦杆401之间分别通过横撑腹杆402连接，相邻的两横撑腹杆402结构对称。
拱肋弦杆302作为拱肋3的主要组成构件，主要起到支撑和传力作用。
拱肋腹杆301、拱肋平联杆303、拱肋缀杆30分别作为拱肋的组成构件，主要起到连接、支撑和传力作用。
横撑4主要起到连接横向结构和增强横向稳定性的作用。
横撑弦杆401和横撑腹杆402为横撑4的主要组成构件，主要起到连接和传力作用，增强横向稳定性的作用。
每条拱肋3的纵向面为拱形，且每条拱肋3纵向两端端头分别固定在拱座2上。
桥面系主梁1的桥头和桥尾的横向面分别均匀设置多个防撞护栏6和路灯7，且两端还设置人行道护栏8。防撞护栏6主要起防护作用，防止车辆冲出车道。路灯7用于提供路面照明。人行道护栏8的作用在于进行人行道和车道分离，保护人行道上的行人安全。
工作原理：
桥面系主梁1通过三根吊杆5传递荷载给三个拱肋3，拱肋3之间通过横撑4连接，增加新型钢管混凝土拱桥的横向稳定性，通过防撞护栏6和人行道护栏8对桥面系主梁1的横向面进行划分，防止车辆冲出车道和保护人行道上的行人安全，路灯7提供桥面系主梁1的路面照明。
一种新型钢管混凝土拱桥的施工方法，包括如下步骤：
(1)根据新型钢管混凝土拱桥的结构特点、施工场地的地理环境特点、施工队伍的施工水平、施工设备的技术等级以及施工方法的特点，通过几何非线线、材料非线性和状态非线性的空间建立有限元模型，在有限元模型中模拟确定新型钢管混凝土拱桥各部件的构造尺寸和验算新型钢管混凝土拱桥的强度、刚度、稳定性、抗风性、抗震性和耐久性，确保满足规范要求，并将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为多个吊装的节段；
(2)根据新型钢管混凝土拱桥的结构特点、施工场地的地理环境特点、施工队伍的施工水平、施工设备的技术等级以及施工方法的特点，在预制场地，依次吊装桥头中侧拱肋的第一个节段9、桥头右侧拱肋的第一个节段10、桥头中侧拱肋第一节段9与桥头右侧拱肋的第一个节段10之间的横撑4、桥头中侧左侧拱肋的第一个节段11、吊装桥头中侧拱肋第一节段9与桥头左侧拱肋的第一个节段11之间的横撑4；
(3)根据新型钢管混凝土拱桥的结构特点、施工场地的地理环境特点、施工队伍的施工水平、施工设备的技术等级以及施工方法的特点，在预制场地，依次对称地吊装桥尾中侧拱肋的第一个节段12，桥尾右侧拱肋的第一个节段13、桥尾中侧拱肋第一节段12与桥尾右侧拱肋的第一个节段13之间的横撑，桥尾左侧拱肋的第一个节段14、吊装桥尾中侧拱肋第一节段12与桥尾左侧拱肋的第一个节段14之间的横撑4；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，依次吊装新型铜管混凝土拱桥的其它拱肋节段，并完成拱肋3合拢。
(5)根据新型钢管混凝土拱桥的结构特点、施工场地的地理环境特点、施工队伍的施工水平、施工设备的技术等级以及施工方法的特点，灌注拱肋弦杆302内混凝土和和拱肋平联杆303的混凝土、安装吊杆5、安装桥面系4、安装人行道护栏8、安装防撞护栏6、安装路灯7和铺设桥面，并调整和优化吊杆5索力。
本具体实施例是针对现有技术中横桥向分别布置两座钢管混凝土拱桥导致拱座占地面积大、施工和运营中结构稳定性弱、建设和维护成本高等问题，提出的将两座钢管混凝土搭桥整合成一座拥有三条拱肋3的新型钢管混凝土拱桥。
本发明的新型钢管混凝土拱桥适用但不局限于桥梁用地紧张、道路横桥向宽度较大、横桥向布置多车道、钢管混凝土拱桥横桥向稳定性要求高、特大和超大跨钢管混凝土拱桥等情况。凡使用本发明的新型钢管混凝土拱桥结构均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型钢管混凝土拱桥，包括桥面系主梁、拱座、拱肋和横撑，其特征在于，所述桥面系主梁的桥头和桥尾分别对称设置多个拱座，且其横向面均匀设置多根吊杆，每根吊杆均分别连接拱肋，每条拱肋的横向面主要由拱肋平联杆、拱肋弦杆和拱肋腹杆构成日字形框架，两拱肋腹杆两端分别连接拱肋弦杆纵向端，拱肋弦杆横向端和拱肋腹杆中部分别连接拱肋平联杆，相邻拱肋之间分别通过横撑连接，每条拱肋的纵向面为拱形，且每条拱肋纵向两端端头分别固定在拱座上。
2.根据权利要求1所述的一种新型钢管混凝土拱桥，其特征在于，所述拱肋横向面还包括拱肋缀杆，所述拱肋平联杆为上拱肋平联杆、中拱肋平联杆和下拱肋平联杆，所述吊杆一端连接桥面系主梁，另一端连接至上拱肋平联杆，吊杆顶端两侧分别通过拱肋缀杆与中拱肋平联杆顶部两端连接，中拱肋平联杆底部两端分别通过拱肋缀杆连接吊杆与下拱肋平联杆相交处。
3.根据权利要求1所述的一种新型钢管混凝土拱桥，其特征在于，所述横撑包括横撑弦杆和横撑腹杆，两横撑通过多个横撑弦杆连接，多个横撑弦杆之间分别通过横撑腹杆连接，相邻的两横撑腹杆结构对称。
4.根据权利要求1所述的一种新型钢管混凝土拱桥，其特征在于，所述桥面系主梁的桥头和桥尾的横向面分别均匀设置多个防撞护栏和路灯，且两端还设置人行道护栏。
5.权利要求1至4任意一项所述的一种新型钢管混凝土拱桥的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过几何非线线、材料非线性和状态非线性的空间建立有限元模型，根据有限元模型的受力分析结果，在有限元模型中将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为多个吊装的节段；
(2)在预制场地，依次吊装桥头中侧拱肋的第一个节段、桥头右侧拱肋的第一个节段、桥头中侧拱肋第一节段与桥头右侧拱肋的第一个节段之间的横撑、桥头左侧拱肋的第一个节段、吊装桥头中侧拱肋第一节段与桥头左侧拱肋的第一个节段之间的横撑；
(3)在预制场地，依次对称地吊装桥尾中侧拱肋的第一个节段，桥尾右侧拱肋的第一个节段、桥尾中侧拱肋第一节段与桥尾右侧拱肋的第一个节段之间的横撑，桥尾左侧拱肋的第一个节段、吊装桥尾中侧拱肋第一节段与桥尾左侧拱肋的第一个节段之间的横撑；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，依次吊装新型铜管混凝土拱桥的其它拱肋节段，并完成拱肋合拢。
(5)灌注拱肋弦杆内混凝土和拱肋平联杆的混凝土、安装吊杆、安装桥面系、安装人行道护栏、安装防撞护栏、安装路灯和铺设桥面，并调整和优化吊杆索力。
6.根据权利要求5所述的一种新型钢管混凝土拱桥的施工方法，其特征在于，所述有限元模型用于模拟新型钢管混凝土拱桥各部件的构造尺寸和验算新型钢管混凝土拱桥的强度、刚度、稳定性、抗风性、抗震性和耐久性。
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