CN113774780A - 一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元及拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元及拱桥，节段单元包括主管和支管，所述主管包含上弦管和下弦管，所述支管包含斜腹管和竖腹管，所述上弦管和下弦管均设有连接接头，所述支管的抗压刚度与所述主管的抗弯刚度的比值≤0.5，所述节段单元的两端部分别为斜腹管和/或竖腹管，相邻两个所述节段单元的对应端部分别为斜腹管和竖腹管，所述斜腹管和竖腹管位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管和竖腹管位于所述节段单元内的相贯节点间距。吊装单元划分灵活，无需增设腹管，利于降低用钢量，节省工程成本，在同级别吊重情况下利于减少吊装次数，缩短施工工期。

Description

一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元及拱桥

技术领域

本发明涉及钢管混凝土拱桥施工技术领域，特别涉及一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元及拱桥。

背景技术

钢管混凝土拱桥具有经济、耐久、施工方便等特点，跨度适应能力强，能够一孔跨越深峡谷，在西部山区桥梁建设中具有极强的比较优势，未来需求量大，在超过400m跨径方面极具竞争力。目前，钢管混凝土拱桥主拱均是采用缆索吊装若干个节段合龙形成钢管，若节段分段多，则运输设备要求低、吊重轻，但运输次数多，反之，运输次数减少，但运输设备要求高、吊重重。

现有技术中常用的K型节点的主拱拼装节段，为避免“切断斜腹杆”，需采用双竖杆分段方式。如图1所示，仅上弦管1和下弦管2设置连接接头（接头未示出），取消斜腹管3的连接接头，解决了高空焊接作业量大和质量难于控制的难题，避免了切断受拉斜腹管3而影响疲劳寿命。但随着钢管混凝土主拱跨度进一步增大，如以净跨径超过700m的特大桥的试设计为例，主拱拱桁的高度大、管径大、壁厚大，带来主拱拱桁重量超大，如按照图1所示的三个拱桁节间设置一组“双竖杆”，施工吊装设备投入将大幅增加；如施工设备的吊装重量按照300t控制，即便两个拱桁节间设置一组“双竖杆”，节点吊装重量也将超过490t，对施工吊装能力要求高；为了降低每个吊装单元的重量，需要使每一个节间独立成为一个吊装单元，也即是图1中的每个节段需要分成三个吊装单元，使得“双竖杆”数量严重增加，造成用钢量显著提升、造价过高，同时吊装节段数量多、施工效率慢的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服针对超大跨径的钢管混凝土拱桥建设过程中，现有节段单元形式为避免使用超大型的吊装设备而缩短吊装单元时，会导致用钢量过大、吊装节段数量多、高空作业时间长等上述不足，提供一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元及拱桥。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，包括主管和支管，所述主管包含上弦管和下弦管，所述支管包含斜腹管和竖腹管，所述上弦管和下弦管均设有连接接头，所述支管的抗压刚度与所述主管的抗弯刚度的比值≤0.5，所述节段单元的两端部分别为斜腹管和/或竖腹管，相邻两个所述节段单元的对应端部分别为斜腹管和竖腹管，所述斜腹管和竖腹管位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管和竖腹管位于所述节段单元内的相贯节点间距。

每个节段单元内的所述斜腹管和竖腹管与主管为整体加工制造。

所述节段单元即是施工中的吊装单元，划分节段单元并非是单独针对节段本身结构进行形式变化，仅是考虑施工方案，满足施工过程的强度、刚度和稳定性要求，无论如何划分，在主拱合龙之后主拱结构承载力均能满足承载力要求。

所述上弦管和下弦管的刚度一致，所述斜腹管和竖腹管的刚度一致。

所述节段单元的两端部分别为斜腹管和/或竖腹管，即所述节段单元的两端部可以均为斜腹管或均为竖腹管，也可以一端为斜腹管另一端为竖腹管，也就是说，本划分方式下的节段单元，并不限制划分在K型节点之间或K型节点内部，也无需限制每个节段单元包含的节点数相等，划分方式灵活，便于根据实际加工或吊装场景灵活运用。

采用本发明所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，仍不需要在支管断开设置连接接头，采用相邻两个所述节段单元的对应端部分别为斜腹管和竖腹管，所述斜腹管和竖腹管位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管和竖腹管位于所述节段单元内的相贯节点间距，即是无需增设竖杆，仅是节段划分处的相贯节点间距有所扩大，以便所述连接接头的设置和对接安装，使得主拱的所有节点型式保持大致统一，即现有的K型节点的相贯节点间距需要小于或等于1/4D，D为所述主管的管径，因此，按照本申请的节段单元，节段单元内的相贯节点间距仍小于或等于1/4D，相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于1/4D，间距扩大的范围需满足主管抗弯承载能力要求。由于所述支管的抗压刚度与所述主管的抗弯刚度的比值≤0.5，主管刚度明显大于支管刚度，主管能够有效承担支管对主管产生的偏心弯矩影响，使得节段间的相贯节点间距拉大能够可行，因而无需额外增设竖杆来保持相贯节点间距不变，且由于主管的刚度大，主拱钢管在悬拼连接时，可以直接悬拼而悬拼接头不会发生变形。采用本申请的节段单元，能够使得每个吊装单元划分灵活，便于根据主拱的不同位置、吊装场景等进行适应性划分，无需增设腹管，利于降低用钢量，节省工程成本，在同级别吊重情况下利于减少吊装次数，缩短施工工期，同时，每个吊装单元悬拼便利，成拱质量高，尤其适用于600m及以上跨径的钢管混凝土拱桥，为700m以上跨径桥梁的施工提供可行方案。

进一步优选的，所述连接接头为内法兰接头，所述斜腹管和竖腹管位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距g≥50cm。

优选的，相邻两个所述节段单元的所述连接接头与对应相贯节点的间距相等。

即是节段划分对主管呈均分方式，便于标准化加工，同时，也便于吊装作业。

进一步优选的，主拱的截面高度小于或等于22m。

进一步优选的，所述支管的长度小于或等于20m。

一种超大跨径钢管混凝土拱桥，包括若干个如上述任一所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元。

采用本申请的节段单元合龙成型的拱桥，将节段间的节点间距扩大，避免“双竖杆”的设置，节段划分灵活，节点形式相对统一，便于加工，悬拼便利，能在同等吊装重量控制要求下减少吊装次数，还能节省用钢量，降低工程造价，尤其适用于600m以上的跨径。

优选的，还包括拱脚节段单元，所述拱脚节段单元包含拱脚主管和拱脚支管，所述拱脚主管设有拱脚连接接头，所述拱脚支管包含三角形腹管和加劲钢板。

拱脚受力更大，需要更加强劲的连接系连接上弦管和下弦管，但也仍只在上弦管和下弦管设置拱脚连接接头，无需将支管分段连接。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，能够使得每个吊装单元划分灵活，便于根据主拱的不同位置、吊装场景等进行适应性划分，无需增设腹管，利于降低用钢量，节省工程成本，在同级别吊重情况下利于减少吊装次数，缩短施工工期，同时，每个吊装单元悬拼便利，悬拼接头不会发生变形，成拱质量高，尤其适用于600m及以上跨径的钢管混凝土拱桥，为700m以上跨径桥梁的施工提供可行方案。

2、节段划分呈均分方式，便于标准化加工，同时，也便于吊装作业。

3、采用本发明所述的超大跨径钢管混凝土拱桥，将节段间的节点间距扩大，避免“双竖杆”的设置，节段划分灵活，节点形式相对统一，便于加工，悬拼便利，能在同等吊装重量控制要求下减少吊装次数，还能节省用钢量，降低工程造价。

附图说明：

图1为现有技术中的钢管混凝土拱桥主拱的节段划分示意图；

图2为实施例1中的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元的结构示意图；

图3为实施例1中的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段划分示意图一；

图4为实施例1中的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段划分示意图二；

图5为主管抗弯刚度、支管抗压刚度与主拱跨径的关系示意图；

图6为实施例1中位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距g的位置示意图；

图7为实施例2中的超大跨径钢管混凝土拱桥的局部结构示意图；

图8为实施例2中的拱脚节段单元的结构示意图。

附图标记：1-上弦管，2-下弦管，3-斜腹管，4-竖腹管，5-连接接头，6-三角形腹管，7-加劲钢板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明所述的一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，如图2所示，包括主管和支管，所述主管包含上弦管1和下弦管2，所述支管包含斜腹管3和竖腹管4，所述上弦管1和下弦管2均设有连接接头5，所述支管的抗压刚度与所述主管的抗弯刚度的比值≤0.5，所述节段单元的两端部分别为斜腹管3和/或竖腹管4，相邻两个所述节段单元的对应端部分别为斜腹管3和竖腹管4，所述斜腹管3和竖腹管4位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管3和竖腹管4位于所述节段单元内的相贯节点间距。

具体的，每个节段单元内的所述斜腹管3和竖腹管4与主管为整体加工制造。所述节段单元的两端部分别为斜腹管3和/或竖腹管4，即所述节段单元的两端部可以均为斜腹管3，即图2中的左侧节段，也可以均为竖腹管4，即图2中的右侧节段；也可以一端为斜腹管3另一端为竖腹管4，如图4中的节段单元。也就是说，本划分方式下的节段单元，并不限制划分在K型节点之间或K型节点内部，也无需限制每个节点结构包含的节点数相等，参见图3-4所示（未示出连接接头）。当然，相邻两个所述节段单元连接处的节点结构仍为K型结构，而非呈“双竖杆”或“双斜杆”结构。

采用本发明所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，仍不需要在支管断开设置接头，所述斜腹管3和竖腹管4位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管3和竖腹管4位于所述节段单元内的相贯节点间距，即是无需增设竖杆，仅是节段划分处的相贯节点间距有所扩大，以便所述连接接头的设置和对接安装，使得主拱的所有节点型式保持大致统一，参见图2所示，即节段单元内的相贯节点间距仍小于或等于1/4D，相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于1/4D，D为所述主管的管径，以便所述连接接头5的设置和对接安装，间距扩大的范围需满足主管抗弯承载能力要求。由于主管刚度大而支管刚度小，主管能够承担支管对主管产生的偏心弯矩影响，使得节段间的相贯节点间距拉大能够可行，且由于主管的刚度大，主拱钢管在悬拼连接时，可以直接悬拼而悬拼接头不会发生变形。另外，通常随着跨径的增加，主管抗弯刚度和支管的抗压刚度均会有所增加，如图5所示，钢管混凝土拱桥跨径达到600m以上，主管的抗弯刚度急剧增加，远超支管的抗压刚度的增幅，因此，本节段单元在600m及以上跨径的钢管混凝土拱桥上适用时，可以无需提高主管抗弯刚度来满足刚度比值要求，因而对于上述跨径的桥梁节段划分设计更加便利、灵活，应用不存在障碍，经济性更好。对于600m以下跨径的桥梁适用时可通过如增大钢管壁厚、提高混凝土强度等来提高主管抗弯刚度。

优选的，参见图6所示，所述连接接头5为内法兰接头，所述斜腹管3和竖腹管4位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距 g≥50cm，内法兰处外套钢管连接。

优选的，相邻两个所述节段单元的所述连接接头5与对应相贯节点的间距相等，即相邻两个所述节段单元端部悬出的主管长度相等。即是节段划分对主管呈均分方式，便于标准化加工，同时，也便于吊装作业。当然，也可根据实际需要对上弦管1和/或下弦管2进行不等距划分，但不宜过于靠近相贯节点，避免影响连接安装。

优选的，主拱的截面高度小于或等于22m，所述支管的长度小于或等于20m，经济性较好。

采用本发明所述的节段单元，如以净跨径超过750m的特大桥的为例，采用现有技术的节段单元，取一个节间划分为一个吊装单元（图1中每个节段包含三个节间），每个吊装单元有三个支管，两端均为竖杆，则一个吊装单元的最大吊重为276t，节段数量为108个节段（吊装单元）；而采用本申请的节段单元，如图2所示，仍为三个支管，单个节段单元的最大吊重为296t（相对图1，主管长度有所增加），但节段数量为92个节段（吊装单元），能在同等吊装重量控制要求下（300t）减少吊装次数，节省工期；并且，虽然每个节段的主管长度有所增加但节段数量明显减少，全桥主拱约能节省2500t重量，显著降低用钢量。

能够使得每个吊装单元划分灵活，便于根据主拱的不同位置、吊装场景等进行适应性划分，无需增设腹管，利于降低用钢量，节省工程成本，在同级别吊重情况下利于减少吊装次数，缩短施工工期，同时，每个吊装单元悬拼便利，不会发生变形，成拱质量高。

实施例2

本发明所述的一种超大跨径钢管混凝土拱桥，包含若干个如实施例1所述的节段单元，如图7所示，为节段拼接后的拱桥局部结构的示意，即既具有的常规间距的K型相贯节点，还具有“超间距”的K型相贯节点。

还包括拱脚节段单元，由于拱脚受力更大，需要更加强劲的连接系，所述拱脚节段单元包含拱脚主管和拱脚支管，所述拱脚主管即上弦管1和下弦管2，仍只在上弦管1和下弦管2设置拱脚连接接头，无需将支管分段合龙，所述拱脚支管包含三角形腹管6和加劲钢板7，如图8所示，虚线框内的结构为一个吊装单元。

本发明所述的拱桥将节段间的节点间距扩大，避免“双竖杆”的设置，节段划分灵活，节点形式相对统一，便于加工，悬拼便利，能在同等吊装重量控制要求下减少吊装次数，还能节省用钢量，降低工程造价。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，包括主管和支管，所述主管包含上弦管(1)和下弦管(2)，所述支管包含斜腹管(3)和竖腹管(4)，其特征在于，所述上弦管(1)和下弦管(2)均设有连接接头(5)，所述支管的抗压刚度与所述主管的抗弯刚度的比值≤0.5，所述节段单元的两端部分别为斜腹管(3)和/或竖腹管(4)，相邻两个所述节段单元的对应端部分别为斜腹管(3)和竖腹管(4)，所述斜腹管(3)和竖腹管(4)位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距大于所述斜腹管(3)和竖腹管(4)位于所述节段单元内的相贯节点间距。

2.根据权利要求1所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，其特征在于，所述连接接头(5)为内法兰接头，所述斜腹管(3)和竖腹管(4)位于相邻两个所述节段单元间的相贯节点间距g≥50cm。

3.根据权利要求1-2任一所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，其特征在于，相邻两个所述节段单元的所述连接接头(5)与对应相贯节点的间距相等。

4.根据权利要求3所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，其特征在于，主拱的截面高度小于或等于22m。

5.根据权利要求3所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元，其特征在于，所述支管的长度小于或等于20m。

6.一种超大跨径钢管混凝土拱桥，其特征在于，包括若干个如权利要求1-5任一所述的超大跨径钢管混凝土拱桥的节段单元。

7.根据权利要求6所述的超大跨径钢管混凝土拱桥，其特征在于，还包括拱脚节段单元，所述拱脚节段单元包含拱脚主管和拱脚支管，所述拱脚主管设有拱脚连接接头，所述拱脚支管包含三角形腹管(6)和加劲钢板(7)。

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