CN1341790A - 预应力钢拱桥的设计和施工方法 - Google Patents

Abstract

一种预应力钢拱桥的设计和施工方法,在设计时,根据对钢拱圈因桥面荷载而引起的正弯矩、和因钢拱的轴向压力产生的弹性收缩—形变而引起的正弯矩、此二重正弯矩之和的计算,计算出由桥两端桥面以上拱脚向跨中推动、使拱顶产生与上述正弯矩等值的负弯矩时、拱脚向跨中推动的距离,以该距离确定在施工中钢拱圈拱脚向跨中内移的调整位置。

Description

预应力钢拱桥的设计和施工方法

本发明属于桥梁设计施工方法，特别是在软基础上钢拱桥设计施工方法。

钢拱桥拱肋的受力分为三大类：

1、拱的轴向应力；

2、由桥面体系荷载产生的拱顶正弯矩及拱脚负弯矩；

3、由于荷载引起的拱肋弹性收缩而产生的拱顶正弯矩及拱脚负弯矩。

现有技术在设计钢拱桥时，根据前述之2、3两项产生的拱顶正弯矩与拱脚负弯矩及拱的轴向应力之和来设计拱肋的钢材用量。其中由于弯矩的因素所需要的用钢量约在拱肋的总用钢量的25％左右。

现有技术在钢拱桥施工时，或者是从稳固拱脚开始，再逐段将拱肋连接成拱圈；或者是将拱圈整体成型后再采取吊装的方式将拱脚稳固在岩基础上或桩基础上。

本发明的目的是提出一种预应力钢拱桥的设计施工方法，利用预应力技术，减少钢拱桥拱肋的用钢量。

本发明的内容是：

首先在设计时，根据对钢拱圈因桥面荷载而引起的正弯矩、和因钢拱的轴向压力产生的弹性收缩一形变而引起的正弯矩、此二重正弯矩之和的计算，计算出由桥两端桥面以上拱圈向跨中推动、使拱顶产生与上述正弯矩等值的负弯矩时、拱脚向跨中推动的距离，以该距离确定在施工中拱脚向跨中内移的调整位置；

施工时，先制作整体钢拱圈；

在安装钢拱圈时，根据前述计算的结果将两端拱脚向跨中移动、当拱脚到达确定的调整位置时、用拉索拉紧拱肋、使钢拱圈产生负弯矩，此时拱顶也因该负弯矩而提高；

当全部荷载到位后，正负弯矩即可抵消，拱顶位于设计位置。

本发明在作桩基础中承拱钢拱桥的设计时，可以把两侧的边梁作为钢拱圈的预应力梁，并将边梁的应力与拱脚向跨中推动产生的负弯矩的合力一同计算，来确定施工时拱脚的调整位置；

在施工时，将桥两端边孔近似三角形区域拉索中的部分拉索用预应力锚固的方法连接到拱桥两侧的边梁，并张拉拉索使边梁兼作为预应力梁；再将拱脚推移到桩基础上的调整位置固定；

然后再将钢拱圈与从其中穿过的边梁固定连接。

当全部荷载到位后，正负弯矩即可抵消，拱顶位于设计位置。

本发明在施工时，可以按照施加预应力的计算结果，将钢拱桥的主拱钢拱圈整体制造成型，同时将两端的近似三角形边拱整体制造成型；安装拱桥时，先将两端边拱的拱脚稳定在桩基础的调整位置上，再将主拱圈两端与拱脚部分的拱肋对接，同时将边拱的边梁和主拱圈的边梁部分对接，形成整体的拱桥。

本发明突出的实质性特点和显著的进步是采用先进的预应力技术改进了钢拱桥的传统设计思想，使钢拱桥的拱肋用钢量大幅度降低，减轻了钢拱圈的重量，节约钢材同时降低了成本；钢拱圈各部分在预应力作用下形成稳定的整体。

本发明的实施例如附图所示：

图1是桩基础中承拱钢拱桥构造示意图；

图2是钢拱圈在荷载作用下的变形示意图：钢拱圈在受力状态下拱顶产生向下挠曲及拱脚向外推移，拱圈发生变形；

图3是预应力作用下的结构变形示意图：采用本发明，钢拱圈在预应力作用下使拱顶产生向上、拱脚产生向内的位移，拱圈在预应力作用下产生的变形值应与图2中因荷载产生的变形值近似相等，但方向相反；

图4是边梁的剖面示意图，在箱型的边梁中穿过拉索。

图中的标识符号分别表示：

1、钢拱桥的设计拱圈；2、拱顶；2A、产生正弯矩时的拱顶位移；2B、计算出与2A对应负弯矩的拱顶位移，也就是施加预应力时的拱顶位移；3、拱脚；3A、产生负弯矩的拱脚位移；3B、拱脚的设计位置；3C、预应力施工时拱脚的调整位移；4、基础；5、边梁/桥面拉索；6、边拱。

结合实施例附图对本发明加以具体说明：

本实施例仅以桩基础的中承拱钢拱桥为例，对本发明技术方案加以说明。根据本例的说明也可以明了在上承拱和下承拱时，以及岩面基础时采用本发明的设计和施工方法。

如图1所示：采用本发明设计的中承拱钢拱桥，其中钢拱圈1包括拱顶2和拱脚3，拱脚3安置在桩基础4上，在钢拱圈1中部设置有稳定拱圈的边梁5A，拉索5从边梁5A的箱腔中穿过、拉索5和边梁5A两端与在两岸的边拱6连接，边拱6与主拱圈外的边梁5A、位于边梁5A下部的拱脚3的拱肋构成边孔端近似三交形区域。

如图2所示：没有预应力的情况下，在荷载到位后，钢拱圈的拱顶产生正弯矩变型；其中拱圈1的拱顶2在荷载作用下产生结构变形，形成向下挠曲的拱顶2A，而拱脚3则由于产生负弯矩而从设计拱脚位置3B向外推移，为了克服钢拱圈的弯矩，现有技术采取的措施是加大钢材用量，在总用钢量中用于弯矩的钢材约占25％。

如图3所示：采用本发明，加力将拱脚3向内推移到调整位置3C，在预应力作用下使拱圈1向上挠曲，拱顶2向上位移，形成拱顶2B。在单一的预应力作用下，拱顶会高于设计位置，当荷载到位后，其产生的应力与预应力抵消，使拱圈恢复到设计位置。本发明利用预应力克服拱顶在荷载下产生的弯矩，节省钢材。

在岩面基础上拱脚因弯矩而引起的受压面可以加厚钢板来承受。

本例中的中承拱钢拱桥安置在软土地基的桩基础4上。在桩基础的中承拱钢拱桥两端及边孔三角形区域的桥面必须有拉索5，一般的作法是拉索长度为边孔端至边孔端的全长。现有技术中，桥面两侧的边梁5A主要是为拱桥起稳定作用，同时也承受弯矩应力，但弯矩应力较小。因此该边梁5A在承受弯矩之外还有相当大的多余承载能力。而现有技术设计的桥面拉索没有利用拱桥边梁的这部分承载能力。

本发明将部分拉索5与边梁5A采用预应力锚固连接，利用边梁5A的多余承载能力做预应力梁使用。在本例的各示意图中，拉索5与边梁5A用同一条线表示。在图4中可以看出边梁5A的断面，拉索5是在边梁5A中穿过的。关于部分拉索5与边梁5A用锚具连接，属于常规技术，无须再加以说明。在图3中，边拱6与边梁5A和拱脚3的部分拱肋构成了边孔的近似三角形区域。在该近似三角形区域中，由于边梁的张拉作用会使拱脚3部分的拱肋产生正弯矩，能够抵消拱脚3的负弯矩。

本实施例在把两侧的边梁5A作为钢拱圈1的预应力梁时，将边梁的应力与拱脚向跨中推动使拱顶产生的负弯矩的合力一同计算，来确定施工时拱脚的调整位移；

本发明采用现有技术在施工时，可以有多种实施方式：例如，在整体制作钢拱圈时，可以将桥两端边孔近似三角形区域拉索中的部分拉索用预应力锚固的方法连接到拱桥两侧的边梁，并张拉拉索使边梁兼作为预应力梁；将钢拱圈的拱脚推移到桩基础上的调整位置固定；再将钢拱圈与从其中穿过的边梁固定连接。

本实施例还可以采取另一种分体制作钢拱圈的施工方法：

即在施工时，可以按照施加预应力的计算结果，将钢拱桥的边拱与其上部的主拱钢拱圈整体制造成型，同时将钢拱桥两端的近似三角形边拱整体制造成型；安装拱桥时，先将两端边拱近似三角形的拱脚稳定在桩基础的调整位置上，再将主拱圈两端与拱脚部分的拱肋对接，同时将边拱的边梁和主拱圈的边梁部分对接，形成整体的钢拱圈。当全部荷载到位后，各部位的正负弯矩可以抵消。

本发明创造性地将预应力技术应用到钢拱桥的设计和施工中，可以将现有技术中用于克服钢拱圈在荷载下产生弯矩的大量钢材节约下来，降低钢拱桥的制造和施工成本。

Claims (3)

1、一种钢拱桥的设计和施工方法特别是预应力钢拱桥的设计和施工

  方法，其特征在于：

  首先在设计钢拱桥时，根据对钢拱圈因桥面荷载而引起的正弯矩、

  和因钢拱的轴向压力产生的弹性收缩—形变而引起的正弯矩、此

  二重正弯矩之和的计算，计算出由桥两端桥面以上拱圈向跨中推

  动、使拱顶产生与上述正弯矩等值的负弯矩时、拱脚向跨中推动

  的距离，以该距离确定在施工中拱脚向跨中内移的调整位置；

  施工时，先制作整体钢拱圈；

  在安装钢拱圈时，根据前述计算的结果将两端拱脚向跨中移动、

  当拱脚到达确定的调整位置时、用拉索拉紧拱肋、使钢拱圈产生

  负弯矩，此时拱顶也因该负弯矩而提高；

  当全部荷载到位后，正负二弯矩即可抵消，拱顶位于设计位置。

2、如权利要求1所述的预应力钢拱桥的设计和施工方法，其特征在

  于：

  在作桩基础中承拱钢拱桥的设计时，把两侧的边梁作为钢拱圈的

  预应力梁，并将边梁的应力与拱脚向跨中推动产生的拱顶负弯矩

  的合力一同计算，来确定施工时拱脚的调整位置；

  在施工时，将桥两端边孔近似三角形区域拉索中的部分拉索用预

  应力锚固的方法连接到拱桥两侧的边梁，并张拉拉索使边梁兼作

  为预应力梁；

  将钢拱脚推移到桩基础上的调整位置固定；

  再将钢拱圈与从其中穿过的边梁固定连接；

  当全部荷载到位后，拱顶正负二弯矩即可抵消，拱顶位于设计位

  置。

3、如权利要求2所述的预应力钢拱桥的设计和施工方法，其特征在

  于：

  在施工时，

  可以按照施加预应力的计算结果，将钢拱桥主拱钢拱圈整体制造

  成型，同时将两端的近似三角形边拱整体制造成型；

  安装拱桥时，先将两端近似三角形边拱的拱脚稳定在桩基础的调

  整位置上，再将主拱圈两端与拱脚部分拱肋对接，同时将边拱的

  边梁和主拱圈的边梁部分对接，形成整体的拱桥。

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