復合鋼管砼系桿拱銜接橋方案

關鍵詞：鋼管砼  復合鋼管砼  系桿拱橋 

一、銜接橋方案

我國海南島瓊州海峽的海水深度較大，單純采用橋梁和隧道形式都有很大的困難。采用設主、付通航孔的<<便航式跨海浮橋>>方案，主、付通航孔采用大跨徑橋梁或潛浮隧道相結合的形式，則困難較小，比較合理和實用。浮橋因為受潮汐水位變化的影響很大，需要隨時自動變化調節較大的路線縱坡，才能與橋梁或潛浮隧道相銜接。瓊州海峽的潮汐水位變化高達3.60m，最大波浪高度3.30m，潛浮隧道的進、出口應在浪高以上，需要較大的長度才能調節縱坡。采用80m長度的銜接橋與浮橋端部100m長度設坡度相配合，利用浮橋端部浮船作銜接橋的一端橋臺，將端部浮船加寬和吃水加深即可解決。

    我國鋼管砼拱橋的應用，已經獲得了很大的發展，80m的跨徑施工比較簡便，外形簡潔美觀，造價經濟合理。鋼管砼這種組合材料，很適合施工和使用。圓形鋼管是很合理的受力形式，具有發揮軸向受壓和環向受拉力的雙向作用，砼處于三向受力狀態，材料的組合強度高。砼對鋼管起到穩定作用，使鋼管的強度能夠充分發揮。鋼管的環向緊箍力，對砼的橫向變形起緊箍作用，砼不易發生開裂破壞，提高了承載力，結構的韌性好。鋼管砼具有兩種材料的性能，發揮了兩種材料的特點，砼已由脆性破壞轉變為塑性破壞，可按極限狀態TRANBBS設計。但是，鋼管有銹蝕的缺點，防護麻煩。現在采用的防護方式屬于臨時性質，簡單的油漆防護為幾年時間；熱噴鋅、鋁能維持25年時間，但是防護費用很高。采用鋼管砼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，將這種外包鋼筋砼與鋼管砼的結合稱作復合（俗稱組合）。復合鋼管砼是兩種以上材料按一定的規則組合成整體受力，實際是一種復合材料。

在鋼管砼拱橋的應用中，鋼管砼的計算方法是以試驗為基礎的經驗公式，反映為綜合的砼名義強度，只適用于單根鋼管截面，物理概念不直觀，使用不方便和受到限制。復合鋼管砼采用分離計算方法，分別按不同材料的計算方法和強度安全系數，計算不同組合材料的強度，按加載組合規則作簡單疊加。故復合鋼管砼的計算方法簡便直觀，施工方便，耐久性能好。復合鋼管砼是鋼管砼應用的發展，復合鋼管砼系桿拱橋作銜接橋是很合理的橋型。所指的系桿拱橋是外部靜定的簡支體系，實際是梁式結構，屬于拱梁組合體系。拱梁組合體系有剛拱剛性梁、剛拱柔性梁和柔拱剛性梁之分，剛拱剛性梁施工簡單方便，適用于復合鋼管砼系桿拱橋。

二、復合鋼管砼系桿拱橋

1、    原理：外部靜定的簡支系桿拱橋是拱梁組合的梁式體系，拱肋的剛度大，以壓彎的形式作功。系桿梁平衡拱的水平推力和拱腳彎矩，承擔和傳遞局部荷載，通過吊桿對拱肋起平衡穩定作用。拱梁組合體系的矢高大，優于實腹和桁架梁，是優秀的結構形式。采用復合鋼管砼材料，分期加載逐步形成，方便施工架設，是很實用的橋型。

2、    橋型：由于道路很寬，適合作成左右分幅的兩座獨立橋梁，以利于橫梁的設計，受力簡單明確，便于施工架設。拱肋矢跨比為1/5，使系桿拉力比較合理。

3、構造：

⑴拱肋：采用復合鋼管砼矩形等截面100x180cm，16Mn鋼管Ø750x10mm，為二管雙肢格構形，以簡化拱肋鋼管的焊接加工。外包復合鋼筋砼采用Ø12箍筋，能夠使拱肋形成整體截面。拱肋、系桿、橫撐、端橫梁鋼管和吊桿在碼頭上組裝好，采用浮船運輸和500噸大型浮吊安裝。以后在鋼管內泵壓砼，立模澆灌外包鋼筋砼。再安裝橫梁和橋面板，作防撞護欄和橋面鋪裝。

⑵系桿：系桿的主要作用是平衡拱肋推力和拱腳彎矩，也承擔和傳遞局部荷載，通過吊桿對拱肋起平衡穩定作用。橋面重量基本上由吊桿直接承受，系桿剛度可以較小。它的剛度僅端部5m加大，中部較小，實際是柔性的。系桿中部截面為100x100cm，端部局部5m長度加高為100x180 cm，采用單根鋼管為Ø750x10mm。系桿預應力索布置在鋼管內的塑料管中，按拱的推力平衡階段需要進行張拉和壓漿處理。

⑶橫撐：采用16Mn空鋼管Ø750x10mm作橫撐，對稱設置5根，以減輕自重。可僅在橫撐鋼管兩端局部1m內灌筑砼，以加大節點的剛度。鋼管采用3 cm厚度的鋼筋和鋼絲網水泥砂漿作防護，人工施工也方便。鋼絲網水泥砂漿的防裂性能好，水泥船的成功應用即先例，是鋼鐵銹蝕防護的簡便和實用措施。

⑷橫梁：橫梁采用預應力砼T形梁，設置間距為5m，橫梁與吊桿位置錯開，兩端設牛腿支承在系桿上，并與縱梁相固結。橫梁的荷載和內力很大，T形梁的上翼緣可設雙根鋼管，利用復合鋼管砼作受壓。橫梁為預應力砼T形梁，其自重較大，采用浮運和浮吊安裝。

⑸端橫梁：端橫梁斷面與拱肋同為100x180cm，以加強拱肋的整體性，便于整體吊裝。兩端加大節點剛度，將拱肋聯結為空間剛架，保持穩定，便于支座的安裝。

⑹吊桿：吊桿直接吊系桿，有豎直和傾斜兩種形式。豎直吊桿計算和調整簡便，傾斜吊桿對拱肋的穩定作用大，但是吊桿的計算和調整麻煩。拱肋的剛度很大時，采用豎直吊桿亦可。吊桿采用Ø7鍍鋅預應力鋼絲，鐓頭錨固和不銹鋼管防護。鐓頭對鋼絲有損傷，對錨頭應采用環氧樹脂粘結和封固防銹。吊桿作用極端重要，鋼絲應留有足夠大的安全度。拱梁體系的系桿拱為外部凈定和內超凈定，吊桿和拱肋的變形對吊桿內力變化有較大影響，故吊桿的內力必須張拉調整到設計值。

⑺橋面板：采用預制鋼筋砼槽形板，其自重輕，剛度較大，便于安裝。在炎熱高溫地區，槽形板頂面應預埋適當的錨固鋼筋，加強與橋面鋪裝砼的結合。

⑻防撞護欄：外側鋼筋砼防撞護欄加高至120cm，確保海上行車的安全。

⑼橋面：橋面預制板上作10 cm砼整體化現澆層，采用瀝青砼橋面鋪裝，便于養護。

⑽支座：采用大型盆式橡膠支座。

⑾伸縮縫：采用標準型鋼伸縮縫。

⑿橋臺：浮橋的端部作系桿拱橋臺，浮船的大小和吃水深度，由復合鋼管砼系桿拱銜接橋半孔的重量而定。可加大浮船的吃水深度，增加承載能力和穩定性。由于橋梁支座壓力集中，浮船桁架需要加密和加強。采用網架形式的板桁結構，縱、橫方向的剛度都大。橋臺支座承臺應采用剛度很大的鋼骨砼格梁，以分散支座集中力。系桿拱它端橋臺，為隧道出口或橋墩。

三、計算

1、  基本資料：

計算跨徑L=80m     矢跨比F/L=1/5      橋面凈寬16m     拱軸線形：園弧曲線

汽車-超20級        掛車-120           升溫Δt=30ºC

2、  計算方法和模式：

采用單片拱肋作建模，考慮活載的偏心影響作用，利用平面桿系程序作計算。吊桿為受拉索單元，作應力剛化處理。

3、  橋型建模：

 

①拱肋和系桿為單一的梁單元，按剛接節點處理。

②吊桿為索單元，按鉸接節點處理。

③橋面和橫梁簡化為集中力加載。

④橫撐簡化為集中力加載。

⑤利用對稱性，僅作半孔單元計算。

4、計算結果：

⑴支座反力：單肋N=8000KN

⑵系桿拉力：單肋N=12583KN，鋼絞線(6x15)90Øj15.24，重量G=8232kg。

            N=8508KN，Q=2432KN， M =-12120KN.m，e=-1.42m。

系桿是預應力鋼絞線受拉，復合鋼管砼實際是受壓，拱腳節點截面已經加強。

⑶吊桿拉力：單根N=1439KN，鍍鋅鋼絲60Ø7，單位重量Q=18.1kg/m。

⑷橫梁強度：Mj =5814KN.m，

按復合鋼管砼T形截面，保證鋼管處于受壓區，分部作強度和疊加組合計算，以減小橫梁高度和自重。采用鋼管2Ø200x6，鋼絞線(2x12)24Øj15.24。 As=73.2 cm²   Ay=33.6cm²   fs=315 mpa  Ry=1860 mpa   bˊ=60 cm   Ra=28.5 mpa   b=20 cm   hjˊ=30 cm 

X=[RyAy-Ra( bˊ-b) hjˊ]/(28.5*60)=[1860*33.6-28.5*(60-20)*40]/28.5*20=29.6cm

鋼管砼短柱承載力：No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(73.2*315+555.2*23.5+555.2*315*0.6/9.4)/10

=4727KN        即(鋼管承載力+砼承載力+徑向力承載力)

M=No(ho-15)/100+(1/rc)Ra*[(20*29.6*(ho-14.8)+(40*29.6-628)*(ho-15))/1000=4727*(135-15)

/100+(1/1.25)*28.5*[1184*(135-14.8)+241*(135-14.8)]/1000=8978N.m>Mj =5814KN.m

⑸拱肋強度：拱腳最大彎矩單元的單肋內力Nj =-12553KN，Qj =1540KN，Mj =-7507KN.m，e=-0.60m，其余單元內力偏心距都小于0.20 m，不必另外加強配筋。

鋼管截面特性：16Mn鋼管Ø750x10  面積A=233cm²  內半徑R=365mm  壁厚t=10mm

設計強度fs=315mpa C50砼Ac=4185cm² 砼強度fc=23.5mpa 鋼筋砼設計強度fgc=28.5mpa

鋼管砼短柱承載力：                                            

No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(233*315+4185*23.5+4185*315*10/365)/10=20786KN即(鋼管承載力+砼承載力+徑向力承載力)

構件縱向力偏心矩增大系數：Lo=0.36S=0.36*90.73=32.66m

Eh=40411mpa    I h=0.486m²*²     rc=1.25     rb=0.95 

    Αe=0.1/(0.3+ eO /h)+0.143=0.1/(0.3+0.60 /1.80)+0.143=0.30                   

    η=1/[1-rc Nj LO²/(10αe Eh I hrb)] =1/[1-1.25*12553*32660²/(10*0.30*4860*

      404200000000*0.95)] =1.003                  

    偏心矩：eOˊ=η eO=1.003*0.60≈0.60m

按壓彎構件求解受壓區高度：根據不同材料設計強度，即鋼管fs、鋼管緊箍力fks、鋼管內填砼fc、外包鋼筋砼fgc的強度，取鋼筋砼矩形截面，按偏心受壓構件計算。                                                                                                                  

e=112.2cm   eˊ=7.8cm    H=180cm    hO=142.2cm    鋼筋14Ø25    Ag =301.8 cm²

Rg=345 mpa    Agˊ=301.8 cm²    Eg=200000mpa    X =ξhO =142.2ξ    ξ=X/142.2

 σg =0.003Eg（0.9/ξ-1）=0.003*200000*（128/ X -1）=600*（128/ X -1）

 fgc *b* X* (e-hO+X/2) =σg*A g* e- fs *A gˊ* eˊ         

      28.5*100* X* (112.2-142.2+X/2)= 600*（128/ X -1）*301.8* 112.2-315 *301.8*7.8                                    

X ³-0.0211X²+14778X-1824981=0   σg =600*（128/ X -1）=600*(128/84-1)=314.3 mpa

X=84 cm   ξ=84/142.2=0.59>ξjg=0. 55       屬于小偏心受壓。

復合鋼管砼承載力：

N= No+( rb / rc ) * fgc *(b*X-As-Ac)+( rb / rs )* (Rgˊ* Agˊ-σg*Ag )=20786+ (0. 95/ 1. 25)* 28.5*(100*84-233-4185)/10+(0. 95/ 1. 25)*(345*301.8-314.3 *301.8)/10=20786+8625+704=

  30115 KN >Nj =-12553KN

四、結束語：

    系桿拱為外部靜定的梁式結構，系桿受拉、拱肋受壓和吊桿起聯接作用的內力平衡，具備有梁的特點，其實是梁拱組合體系，實際不同于外部超靜定的拱，仍用習慣的俗稱系桿拱。本系桿拱方案的各部內力都比較合理，僅拱腳和系桿相接的剛節點單元彎矩最大，節點截面的剛度和配筋需要加強，實際是用節點板將鋼管焊接成很強的鋼箱結構。采用復合鋼管砼作預應力橫梁，使寬橋的橫梁施工簡便。復合鋼管砼作系桿拱，使節點的設計和施工都便于處理，是防護耐久、經濟實用和美觀的梁式橋型，亦可用于引橋。