钢管混凝土拱桥设计规范课件.ppt

钢管混凝土拱桥设计规范,Chongqing JiaoTong University,向中富,教授,关于桥梁设计,3,充分认识设计的主导地位,大多数工程问题均与设计缺陷、设计不当有关。 如何避免设计缺陷，提高其设计的合理性、可靠性是摆在设计者面前的一个课题，设计者必须充分认识设计的主导地位，将自己的工作视为保证工程质量以及长期使用安全、耐久工作链条的一个关键节点上，不断提高质量意识与设计质量。,4,继承传统，创新技术,桥梁设计中将创新技术理解为摈弃传统的东西是不正确的。 中国桥梁具有优良的技术、工艺传统，具有1400余年历史的赵州桥充分显示了中国桥梁在世界上的崇高地位。然而，最具民族特色，最适合于中小跨径桥梁，承载潜力最大，管养投入最少的拱式桥梁（特别是石拱桥）在一般跨径桥梁建设中所占的比例越来越小，更多的是采用混凝土桥梁。最主要的理由是拱桥施工工序复杂，质量控制困难。事实上，混凝土桥梁建设质量受到“人为因素”影响更多，其长期耐久性能并不比石拱桥强，而因为施工不变或质量控制困难而摒弃经过长期实践检验，长期使用安全、耐久性能更好的拱式桥梁有些难以理解。,5,合理的桥梁结构体系和构造,采用合理的桥梁结构体系和构造是保证桥梁安全耐久的前提。 安全耐久的桥梁结构体系和构造应在工程实践中逐渐定型，在实践中已发现问题较多的桥梁结构体系和构造应予以限制，易断裂、易损坏者则应尽量避免。以中小跨径桥梁为例，我国从简支梁到先简支后桥面连续，从先简支后桥面连续到目前广泛采用的先简支后结构连续梁桥和先简支后墩梁固结梁桥，充分体现了桥梁结构形式的优化。而美国的中小跨径桥梁主要采用墩梁一体化设计，既可增加行车舒适性，也增强了桥梁的抗震性能，同时减少支座养护费用。,6,不断更新设计理念，提高设计可靠性,桥梁设计本身就是一项创造性的工作。桥梁设计是否满足要求的判别标准中，满足规范规定仅是最低要求，更高的要求应是桥梁结构体系、构造设计的合理性以及桥梁长期使用安全、耐久性。设计中，需要重新认识桥梁“最不利”状态，计入一切可能出现的不利因素，提高设计的可靠性。例如，对于通航河流上的桥梁，通常仅强调通航孔桥墩桥墩防撞设计，但事实上，非通航孔并不就等于船只一定不会前往（广东九江桥事故就是一例），且仅靠管理是难以避免的，设计时必须留有足够余地，以便应对难以预料的风险。,7,精细化设计，提高桥梁设计质量,桥梁设计是一项十分细致的技术工作。一般桥梁设计中仅注重桥梁构件强度、桥梁整体刚度等是远远不够的，必须重视每一个构造细节的处理，重视每一个根杆件、部位的受力状态及耐久性，重视桥梁的整体稳定性，实现桥梁精细化设计，从设计上保证桥梁施工质量的可控性。美国明尼阿波利斯大桥垮塌原因被认为是桥梁结构自身属于易断裂的结构（Fracture -critical），或无富余传力途径结构（Non-load-path-redundant），因节点板断裂而发生垮塌。这说明桥梁设计时不仅注意满足规范要求，还应充分考虑桥梁整体及每一构件在设计服役期内的可靠性和耐久性。近年来常见的高架桥、匝道桥整体垮塌也是桥梁精细化设计不足的表现。高架桥、匝道桥整体垮塌的原因之一就是桥梁设计时仅注重强度、刚度，忽略了桥梁整体稳定性的验算，导致支承设计不当或错误。,8,强调桥梁设计的可控性和可靠性,设计的可靠性对保证桥梁在设计服役期内安全运营至关重要。设计的可靠性除与“规范”的正确性有关外，更重要的是要求相关责任人随时注意新技术的发展，确保在桥梁设计、施工、养护过程中的相关人员的责任要求。加拿大地拿康可德桥和美国明尼阿波利斯大桥两例事故中，都因最初的设计失误和后期施工与养护中未能发现问题所致，所以，提高工程技术人员的知识水平和责任感是避免桥梁垮塌的重要一环。,9,强调桥梁设计的可控性和可靠性,桥梁质量的可控性表现在设计中对施工质量可控性的考虑。施工方法与工艺选择中对质量的考虑以及管养策略中对保证桥梁健康状态维持可能性的考虑。以钢筋混凝土桥墩设计为例，个别设计因片面考虑钢筋的作用，致使钢筋过分密集，导致混凝土难以浇筑密实，给结构安全留下隐患，严重者可能引起桥梁垮塌。所以，必须强调设计对施工质量可控性的考虑。,10,桥型方案选定应考虑的因素,桥型方案与设计任务书要求的符合性。包括桥梁的功能、桥下净空、上级主管部门或业主对桥梁型式、施工工期、工程造价等的特殊要求等。 结构体系与构造的合理性。主要从结构体系力学性能与具体构造上考虑桥梁受力是否合理、明确，力学分析与设计上是否存在困难，是否需要进行专门研究，结构体系性能是否具有先进性，是否能保证长期使用安全等。,11,桥型方案选定应考虑的因素,桥梁使用性能良好性。桥梁建成后是否具有良好的使用性能，包括行车舒适性等。 桥梁施工技术可行性。主要考虑所拟桥型方案在施工上是否存在某些困难（结合当时、当地的施工条件及承包商的施工能力考虑），能否满足工期要求、是否存在潜在施工风险以及对投资有何影响等。,12,桥型方案选定应考虑的因素,桥用材料可行性。主要考虑建桥材料的供应情况。桥梁与环境的协调性。桥梁景观及建成后与周围环境是否协调，特别是城市桥梁美观问题往往可能成为方案取舍的关键。桥梁使用维护方便性。考虑桥梁在使用中维护工作量的大小，维修是否方便，对既有交通有何影响、维护费用等。,13,桥型方案选定应考虑的因素,桥梁全寿命成本合理性。所选方案应尽可能实现全寿命成本最低。桥型方案的地域性。在选择方案时还应考虑桥梁所在地区习惯与接受能力等。桥梁耐久性。主要结构材料、关键构造等的寿命必须满足桥梁使用寿命要求。,钢管混凝土拱桥及其建设发展,钢管混凝土？,在钢管中灌入混凝土形成的组合材料构件，一方面增强钢管强度与刚度，另一方面，管内混凝土因受到钢管约束而使其强度更高。钢管混凝土最早用于桥梁是在1879年，英国Severn铁路桥桥墩。,钢管混凝土？,钢管混凝土拱桥？,主拱圈由钢管混凝土形成的拱桥，属于钢混凝土组合结构。钢管兼有纵向主筋、横向套箍作用。钢管约束拱圈受压混凝土膨胀，三向受压，混凝土抗压强度更高。钢管兼做混凝土模板，钢管拱兼做拱架。,钢管混凝土拱桥建设与发展,从1990年在四川旺苍建成跨度115米的国内第一座钢管砼拱桥到至今，已建成同类桥梁300多座，继当时世界最大跨径的巫山长江大桥（标准跨径492米），又建成530米合江长江大桥。,四川宜宾戎州大桥,四川泸州龙西大桥,重庆新龙门大桥,茅草街大桥主桥(80+368+80)m中承式钢管混凝土系杆拱桥,钢管混凝土拱桥建设与发展,钢管混凝土拱桥建设与发展,已建成钢管混凝土拱桥300多座,安徽太平湖大桥（2007年,352m）,杭州钱江四桥（2004年, 190m2+85m9）,世界上已建的10座最大跨径拱桥,钢管混凝土拱桥设计,28,钢管混凝土拱桥基本组成,钢管混凝土拱桥均为肋拱桥，它由钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横联、行车道系、下部结构等组成。 钢管混凝土拱肋是主要承重结构。,29,钢管混凝土拱桥总体布置,钢管混凝土拱桥主拱断面,钢管混凝土拱桥主拱线形与矢跨比,拱轴系数确定目标：使拱在荷载作用下轴向力偏心距最小。上承式拱桥，拱轴线宜采用悬链线，拱轴系数1.42.8；中承式拱、飞燕式拱合理拱轴线为二次抛物线或低拱轴系数的悬链线，拱轴系数一般不超过1.9。拱梁组合体系拱桥的拱轴线宜采用二次抛物线或悬链线，拱轴系数一般不大于1.5。矢跨比，上承式拱桥一般为1/51/6，中承式拱桥和飞燕式拱桥一般为1/41/5，拱梁组合体系拱桥一般为1/4.51/5.5。,钢管混凝土拱桥主拱肋高,单管、哑铃型、桁式截面（变截面、等截面）,钢管混凝土拱桥计算理论,统一理论： 把钢管混凝土视为统一体，是钢管和混凝土组合而成的组合材料。其工作性能随着材料的物理参数、统一体的几何参数和截面型式，以及应力状态的改变而改变。在承载力计算时，应按构件整体的几何特性和统一理论给出的组合设计指标进行。 材料本构关系中已包含套箍力效应，钢混凝土组合结构设计规程（DL/T5085-1999）就是依据统一理论。,钢管混凝土拱桥计算理论,极限平衡理论： 又称极限平衡法，根据结构处于极限状态时的平衡条件直接算出极限状态荷载。该方法绕过了统一理论中必须考虑的弹塑形阶段，无需确定材料的本构关系，概念清楚，方法简单。极限平衡理论属承载力叠加法，它将钢管和混凝土的承载力相叠加，通过引入系数考虑套箍增强效应。 钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28:90）的理论基础是极限平衡理论。,钢管混凝土拱桥计算理论,统一理论与极限平衡理论计算结果基本一致，精度相当。正常使用极限状态下钢管混凝土处于弹性阶段，套箍效应不会发生，因此，两个设计理论和相应规程对刚度取值均按刚度换算法。通常，在计算成桥和运营阶段的结构承载能力时采用“统一理论”较合理，在计算施工阶段结构的强度和刚度时采用“极限平衡理论”比较方便。,主拱承载力及变形主要影响因素,施工过程管内混凝土刚度钢管初应力管内混凝土收缩徐变合龙温度,钢管混凝土拱桥主要问题,钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究,钢管砼拱桥设计理论和计算方法大（中）直径钢管砼结构的受力机理分析研究钢管初应力对钢管砼拱桥承载力的影响钢管砼结构管内砼收缩、徐变特性管内砼脱空机理、以及脱空对结构承载力影响和对付脱空的对策研究钢管砼节点承载能力与疲劳寿命的研究钢管砼拱桥在温度、砼时效和几何、材料非线形因素影响下的静、动力和稳定分析方面研究钢管砼抗震及施工过程中的抗风设计吊杆、系杆疲劳问题研究,钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究,钢管砼拱桥结构设计与构造结构体系（含有推力、无推力）与拱肋截面形式（含横向联结系）研究，确定合理形式和相应的使用条件桥道系合理结构形式与适用范围研究吊杆、系杆和拱肋节点构造的研究接头、拱铰等其他临时构造和检修设施合理形式的研究防腐体系、工艺及其使用条件的研究,钢管砼拱桥存在的主要技术问题,钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究,3、钢管砼拱桥施工工艺技术、管结构制作、焊接工艺及检测、验收技术标准研究、管内混凝土密实度、泵送工艺、减小砼收缩影响的措施等研究、主拱安装中，吊扣一体化技术、锚固和调索技术、瞬时合拢技术等关键技术的研究、施工监控技术和施工允许误差标准研究,钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究,钢管砼拱桥运营期的养护维修技术病害监测技术及病害分类拱肋、吊杆、锚具和桥道系养护技术钢管砼拱桥运营阶段安全评价方法研究,主拱节点疲劳破坏,主拱管内混凝土脱空,钢结构、吊杆疲劳断裂,钢管混凝土拱桥设计规范,钢管混凝土设计拱桥规范制定意义,增强设计主导地位意识 规范结构体系构造设计保障结构质量源头质量 保证结构长期运营安全,钢管混凝土拱桥相关规范、规程、指南,钢混凝土组合结构设计规程（DL/T5085-1999） 钢管混凝土结构设计与施工规范CECS 28 2012 钢管混凝土结构技术规范GB50936-2014 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS2890钢管混凝土拱桥技术规范(GB 50923-2013) 公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南公路钢管混凝土拱桥设计规范（JTG/T2015）,公路钢管混凝土拱桥设计规范章节,1 总则2 术语和符号3 材料4 计算基本规定5 承载能力极限状态计算6 正常使用极限状态计算7 施工过程计算8 总体设计及构造9 附属结构10 防护构造与涂装附录,公路钢管混凝土拱桥设计规范总则,适用于圆形截面钢管形成的钢管混凝土拱 承载力极限状态、正常使用极限状态持久状态、短暂状态、偶然状态、地震状态施工方法设计，施工过程计算主结构100年、吊索及系杆20年、防护15年。吊杆、 系杆可换，全桥可检构造细节完整性设计,钢管混凝土拱桥材料, 钢材质量、防止层状撕裂要求,钢管混凝土拱桥材料, 钢管内混凝土 自密实补偿收缩 力学性能 体积稳定性 工作性能 外加剂,钢管混凝土拱桥材料,钢管外径 300-1500mm钢管壁厚 不小于10mm钢管径厚比 40-90含钢率 0.04-0.20, 钢管混凝土,钢管混凝土拱桥材料, 钢管混凝土组合轴心抗压强度 钢管混凝土组合抗剪强度 考虑壁厚T不利影响,钢管混凝土拱桥基本计算规定, 强度、刚度、稳定验算和动力性能分析 静力方法计算内力和累计变形单管主拱受压构件承载力验算哑铃型主拱组合受压构件承载力验算桁式主拱单支和组合构件承载力验算,钢管混凝土拱桥基本计算规定, 钢管初应力和混凝土脱空对承载力的影响 钢管初应力折减系数：混凝土脱空折减系数： 0.95,钢管混凝土拱桥基本计算规定,活载冲击系数 截面温差梯度,钢管混凝土拱桥基本计算规定,主拱内力计算,钢管混凝土拱桥基本计算规定, 哑铃型钢管混凝土截面中腹腔混凝土作用问题 考虑重力，不考虑参与结构受力多肋拱荷载横向分配问题 杠杆法、偏心受压法,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,一般规定,单管主拱单管受压构件承载力验算哑铃型主拱组合受压构件承载力验算桁式主拱单管和组合受压构件承载力验算,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,单管受压构件,轴心偏心,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,组合受压构件,等截面组合受压等截面哑铃型、桁式主拱,变截面主拱等效为等截面主拱计算,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,轴心受拉构件,受剪构件,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,空心主管节点支管承载力,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,节点疲劳验算 管管连接、管板连接、 管管对接，200万次,钢管混凝土拱桥承载能力极限状态计算,主拱稳定验算施工和使用阶段整体和局部弹性稳定系数不小于4.0。跨径300米以上拱桥使用阶段稳定分析应计入几何、材料 非线性影响，计入非线性的弹性稳定系数不小于1.75几何非线性分析中计入初始结构缺陷材料非线性通过修正轴向刚度计入,钢管混凝土拱桥正常使用极限状态计算,极限状态计算组合 作用短期效应组合、长期效应组合构件变形验算（弹性理论计算） 构件强度验算（可采用应力叠加）主拱预拱度设置,钢管混凝土拱桥施工过程计算,针对钢管或钢管桁架节段安装成拱、管内混凝土 浇筑、拱上或悬吊结构安装等过程进行结构强度、 刚度、稳定及抗风验算。 斜拉扣挂（扣索、锚索、扣塔、锚碇、已成结构） 转体（扣索、锚索、扣塔、转盘体系、牵引体系、锚碇体系、已成结构） 大阶段吊装（提升支架、基础、提升系统、钢管节段）,钢管混凝土拱桥施工过程计算,钢管拱制造、安装线形控制要求。 主拱制造线形=主拱设计线形+主拱预拱度线形 成拱线形：主拱制造线形与空钢管一次落架成拱的自重挠度只差。 主拱安装线形=主拱制造线形+节段安装线形调整值 节段安装线形调整值通过计算确定。,钢管混凝土拱桥施工过程计算,单管管内混凝土应对称、连续灌注。合龙后各管内混凝土灌注顺序根据计算确定 钢管最大初应力不得大于0.65钢材各强度设计值 拱肋轴线最大横向偏位不得大于L/4000 哑铃型主拱腹腔混凝土在主管灌注完成后进行 管与管或管与腹腔混凝土灌注间隔时间以达到设计强度为准,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,结构总体布置应合理 主拱矢跨比：上承式 1/4-1/6 ，中承式 1/3.5-1/5 ，下承式1/4.5-1/5.5 拱轴线形：抛物线、悬链线 飞燕式结构：边中跨比0.18-0.30；中跨矢跨比1/3.5-1/4.5 提篮式拱内倾角：5- 10 等截面主拱：全高H，全宽B，主管外径D 等截面哑铃型主拱高度（0.8-1.0）H，钢管直径600-1500mm 变截面桁式主拱截面高度： （0.6-0.9）H，（1.4-1.6）H 主管壁厚不小于10mm,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,结构总体布置应合理 拱肋断面形式,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,主拱管节点、吊索及系索锚固部位、钢-混凝土结合 部细节及耐久性钢管结构完整性设计 荷载、材料性能、细节构造、制造工艺、安装方法、 使用环境、维修方式 强度、刚度、稳定、损伤,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,钢结构损伤控制 焊缝形式选择、构造细节要求、抗疲劳及断裂评估、制造和焊接工艺、 损伤监测与维修研究单拱及哑铃型拱 吊索穿过主拱处管内环向加劲 哑铃型拱钢腹板厚度与加劲钢管节点构造、桁式构造要求,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,从构造上避免疲劳问题 桁式主拱主管与支管的匹配 细长空管长度与直径匹配 直管与主管间相贯焊接节点避免加劲板肋或插入式节点板形式 板-管节点避免插入式焊缝连接支管 相贯焊缝K节点、相贯焊缝与纵、环焊缝不得交叉焊接接头规定充分体现了对结构耐久性的重视,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,主拱横向支管加劲,钢管混凝土拱桥总体设计及构造,主拱接头 焊接对接。管径大于600时， 设置内法兰临时连接,钢管混凝土拱桥总体设计,主拱接头 拱座预埋钢管，与主拱节段对接焊,钢管混凝土拱桥总体设计,主拱接头 直接固结 临时铰接合龙固结,钢管混凝土拱桥总体设计,主拱接头 主拱焊接合龙,合江桥临时合龙装置,钢管混凝土拱桥总体设计,主拱主管加工制造要求 过去强调成拱构件线形与理论完全一致，采用火焰煨弯工艺，质量控制难度大。 宜以直代曲，折线长度不大于主拱主桁间距和有限元分析模型的梁单元长度较小值。,钢管混凝土拱桥总体设计,主拱肋间横撑对结构横向稳定十分重要 K、X、米式。单管、哑铃、桁架。与拱肋构造匹配。 能栓则不焊，尤其是现场焊接应少，可操作。 强化拱脚段横撑。,谢 谢 ！,