重慶巫山長(zhǎng)江鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與

巫山長(zhǎng)江大橋460米鋼管混凝土拱橋ChongqingJiaoTongUniversity設(shè)計(jì)

一、工程概況巫山長(zhǎng)江大橋是一座跨徑460米，一跨跨過(guò)巫峽口的中承式鋼管混凝土拱橋。其鋼管管徑達(dá)到1.22米，吊裝重量達(dá)到180t，總投資1.96億元。是世界上同類(lèi)橋梁中,跨徑和鋼管直徑最大,吊重最重,造價(jià)最經(jīng)濟(jì)的橋梁。二、設(shè)計(jì)（一）大跨鋼管砼拱橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、橋位、橋型、孔跨方案設(shè)計(jì)通過(guò)“工可”三個(gè)橋位方案論證，經(jīng)過(guò)地質(zhì)、地形條件、區(qū)域交通網(wǎng)、工程總體造價(jià)的綜合比較，并經(jīng)過(guò)“工可”、“初設(shè)”反復(fù)論證，推薦采用了現(xiàn)建橋的巫峽口橋位。

“工可”七種橋型方案比選，從工程造價(jià)、與地形匹配、景觀等方面考慮，采用大跨鋼管砼拱橋方案。針對(duì)400米上承式和凈跨460米中承式鋼管砼拱橋比較，從多方面綜合考慮，采用凈跨460米中承式鋼管砼拱橋。2、鋼管砼拱圈主要參數(shù)設(shè)計(jì)主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選：（1）截面徑向高（拱頂為7.0米和8.0米，拱腳截面高為13.0米和14.0米）；（2）拱軸系數(shù)（m

＝1.8、1.6、1.4、1.2、1.05）；（3）桁架節(jié)間距離（4米、6米、8米）；（4）不同弦管管徑、不同腹桿布置形式；比選后，采用了拱頂徑向截面高7.0米，拱腳徑向截面高14.0米，桁架節(jié)間間距為6米，豎腹桿和徑向腹桿組合使用，弦管管徑為1220毫米，腹管管徑為610毫米，凈矢跨比為1/3.8，拱軸系數(shù)為1.55的拱圈設(shè)計(jì)參數(shù)。

主拱圈截面由兩肋組成，每肋由四根鋼管構(gòu)成組合矩形截面柱；平面上每肋兩根鋼管由平行腹桿鋼管聯(lián)接，縱面上每肋兩根鋼管由斜、豎腹桿鋼管連接；每肋間距為12米處設(shè)置橫隔。

3、主拱圈截面構(gòu)造形式設(shè)計(jì)

兩肋間的橫撐橋面以下為“米”字撐，橋面以上為“k”形撐，加強(qiáng)了肋間橫向聯(lián)系，確保了全橋橫向穩(wěn)定。主拱圈節(jié)點(diǎn)處受力肢管最多為三根，一般為兩根，且肢管與主管的夾角一般在50°左右。肢管與肢管之間的焊縫間距均大于50毫米。（4）吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)纜索吊裝將扣掛系統(tǒng)和吊裝系鉸接合一，因吊塔變位大，扣塔要求變位小，為不相互影響，吊塔鉸支于扣塔頂端，且限制鉸傳遞的水平分力，以控制扣塔頂?shù)淖兾弧?、拱圈安裝接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)為了便于拱肋懸拼時(shí)調(diào)整軸線，拱頂合龍前，拱腳處設(shè)置了豎轉(zhuǎn)鉸.為了控制拱肋線形及合龍溫度影響，拱頂合龍接頭設(shè)計(jì)了瞬時(shí)合龍接頭.拱肋節(jié)段安安裝采用內(nèi)內(nèi)法蘭臨時(shí)時(shí)，再用兩兩塊與弦管管外徑項(xiàng)同同的半圓弧弧板對(duì)接。。為了順利利能準(zhǔn)確定定位，設(shè)計(jì)計(jì)采用了如如下導(dǎo)向沖沖定銷(xiāo)軸。。5、主拱圈安安裝方案總總體設(shè)計(jì)（1）扣塔及索索鞍：安裝在兩岸岸上，塔高高約100米，塔距576米，以鋼管管砼柱拼裝裝組成，橫橫向采用門(mén)門(mén)柱式結(jié)構(gòu)構(gòu)，便于起起吊單元通通過(guò)?？鬯斣O(shè)置索索鞍，便于于扣索通過(guò)過(guò)（扣索在在尾端錨梁梁處張拉））。（2）錨碇、錨錨梁及扣點(diǎn)點(diǎn)：錨碇采用錨錨索及樁組組合的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式，扣扣點(diǎn)設(shè)計(jì)為為錨梁，支支點(diǎn)在拱肋肋節(jié)點(diǎn)處。。6、提高穩(wěn)定定及動(dòng)力特特性的構(gòu)造造措施由于本橋跨跨度大，橋橋梁寬度僅僅為19.5米，橋梁寬寬跨比僅為為1：26，為了提高高橋梁橫向向穩(wěn)定、動(dòng)動(dòng)力特性，，采取了以以下措施：：①將橋面梁梁設(shè)計(jì)為先先簡(jiǎn)支后連連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)體系；②長(zhǎng)吊桿和和高立柱處處，設(shè)計(jì)為為吊桿、立立柱與橋面面梁固接；；③短吊桿和和矮立柱處處，設(shè)計(jì)為為吊桿、立立柱與橋面面梁四氟滑滑板支座鉸鉸支。這樣樣，借助橋橋面梁的抗抗扭剛度，，提高橋梁梁總體剛度度。7、吊桿橫梁梁和橋面梁梁的構(gòu)造設(shè)設(shè)計(jì)吊桿橫梁和和鋼管砼拱拱肋上立柱柱橫梁為預(yù)預(yù)應(yīng)力砼Ⅰ形截面梁，，便于就地地預(yù)制和安安裝，減輕輕自重，降降低工程造造價(jià)。行車(chē)道梁為為后連續(xù)的的預(yù)應(yīng)力砼砼“π”形梁，吊裝裝就位后，，焊接連接接梁肋上、、下緣主鋼鋼筋，再現(xiàn)現(xiàn)澆接頭砼砼30厘米形成連連續(xù)梁。人人行道梁也也為先簡(jiǎn)支支、后連續(xù)續(xù)的“π”形連續(xù)。8、確定了吊吊桿構(gòu)造及及耐久性設(shè)設(shè)計(jì)本橋免維修修周期為30年，本橋結(jié)結(jié)合自身特特點(diǎn)，全面面考慮采用用了多重體體系設(shè)防相相結(jié)合的綜綜合防護(hù)方方案，同時(shí)時(shí)，吊桿是是可更換的的。（1）吊桿采用用109φ7毫米預(yù)應(yīng)力力環(huán)氧噴涂涂鋼絲，防防腐體系為為：鍍鋅層層＋環(huán)氧層層（160um）＋防腐脂脂＋聚乙稀稀護(hù)套（雙雙層）+發(fā)泡聚氨脂脂+哈氟管組成成。（2）兩端采用用0VMLZMT—109型冷鑄錨具具，上下錨錨具分別有有端頭防護(hù)護(hù)板、防護(hù)護(hù)罩和固化化油脂，同同時(shí)，吊桿桿外套哈氟氟管與錨具具間設(shè)置熱熱縮塑料套套連接。（3）吊桿橫梁梁處防護(hù)處處理措施為了避免大大氣、雨等等進(jìn)入錨頭頭腐蝕鋼絲絲，在橫梁梁頂?shù)鯒U外外套鋼管處處設(shè)置了防防水鋼板，，并將防水水鋼板與外外套鋼管焊焊接，確保保密閉。（4）縱向限位位裝置設(shè)計(jì)計(jì)為了限制短短吊桿因縱縱向變位而而疲勞破壞壞，在肋間間橫撐的端端吊桿處，，設(shè)置縱向向撐，并在在橫撐及端端吊桿處的的橫梁上設(shè)設(shè)置滑板支支座，這樣樣既滿(mǎn)足了了橋道梁的的自由伸縮縮，又限制制短吊桿的的大應(yīng)變。。9、拱座構(gòu)造造設(shè)計(jì)（1）對(duì)不穩(wěn)定定的危巖塊塊體進(jìn)行卸卸載清除；；（2）采用多層層水平臺(tái)階階和帶一對(duì)對(duì)垂直撐的的拱座方案案；（3）采用較完完善的錨桿桿及圬工砌砌體對(duì)兩案案進(jìn)行防護(hù)護(hù)；（4）分離式的的鋼筋砼拱拱座，橫向向分別設(shè)三三道鋼筋砼砼橫撐。10、鋼結(jié)構(gòu)防防腐方案設(shè)設(shè)計(jì)用電弧噴涂涂鋁鎂合金金長(zhǎng)效防腐腐方案，壽壽命按30年以上考慮慮。金屬表面處處理等級(jí)Sa3涂層組合：：電弧弧噴涂鋁鎂鎂160μm環(huán)氧封閉涂涂層（842）二二道（50μm）丙稀酸聚氨氨脂面漆二二道（（50μm）（二）大跨跨鋼管砼拱拱橋施工工工藝設(shè)計(jì)1、拱肋安裝裝方案的確確定根據(jù)本橋位位地形特點(diǎn)點(diǎn)、河道運(yùn)運(yùn)輸條件、、施工水位位高低及拱拱肋節(jié)段組組成重量，，經(jīng)多種施施工方案論論證比選，，采用無(wú)支支架纜索吊吊裝工藝安安裝拱肋，，是可行、、風(fēng)險(xiǎn)小、、經(jīng)濟(jì)的施施工方案。。2、扣、吊體體系設(shè)計(jì)本橋主拱安安裝扣掛系系統(tǒng)和吊裝裝系統(tǒng)和一一。3、扣塔構(gòu)造造設(shè)計(jì)（1）扣塔設(shè)計(jì)計(jì)扣塔（吊塔塔）構(gòu)造由由鋼管桿件件組成桁架架塔柱。（2）扣塔索鞍鞍設(shè)計(jì)由于扣索張張拉體系張張拉端設(shè)置置在錨碇處處，扣索必必須繞過(guò)扣扣塔頂，因因此塔頂由由型鋼組拼拼成了扣索索索鞍。4、拱肋節(jié)段段吊裝程序序設(shè)計(jì)拱肋節(jié)段安安裝由兩岸岸拱座向跨跨中逐段懸懸拼施工。。節(jié)段為單單肋安裝，，待上、下下游同岸同同一節(jié)段吊吊裝就位后后，安裝節(jié)節(jié)段內(nèi)平面面連接橫撐撐，即形成成一個(gè)雙肋肋節(jié)段單元元。5、鋼管砼灌灌注方案設(shè)設(shè)計(jì)（1）鋼管內(nèi)砼砼接力灌注注采用C60高強(qiáng)補(bǔ)償收收縮砼，以以泵壓法自自拱腳向拱拱頂按設(shè)計(jì)計(jì)的壓注順順序，按三三級(jí)接力灌灌注鋼管內(nèi)內(nèi)砼。（2）灌注中扣扣索索力調(diào)調(diào)整值根據(jù)鋼管內(nèi)內(nèi)砼灌注的的不同階段段張拉扣索索索力，以以控制主拱拱鋼管應(yīng)力力及變位。。施工棧橋布置圖6、主跨施工工流程圖研究究■計(jì)算理理論：有初應(yīng)力的的鋼管混凝凝土極限承承載能力計(jì)計(jì)算方法鋼管混凝土土收縮、徐徐變規(guī)律及及其計(jì)算方方法鋼管混凝土土節(jié)點(diǎn)疲勞勞設(shè)計(jì)方法法■施工技術(shù)：：大跨徑鋼管管拱肋的精精確安裝問(wèn)問(wèn)題大體積管內(nèi)內(nèi)混凝土灌灌注問(wèn)題管內(nèi)混凝土土脫空問(wèn)題題■設(shè)計(jì)技術(shù)：：鋼管混凝土土拱橋合理理構(gòu)造形式式鋼管拱肋節(jié)節(jié)段的連接接短吊桿的使使用壽命背景在巫山橋建建設(shè)時(shí)，國(guó)國(guó)內(nèi)外還沒(méi)沒(méi)有鋼管混混凝土拱橋橋設(shè)計(jì)和施施工技術(shù)規(guī)規(guī)范。在計(jì)計(jì)算理論、、設(shè)計(jì)技術(shù)術(shù)和施工技技術(shù)方面還還有許多技技術(shù)問(wèn)題亟亟待解決：：■計(jì)算理理論：有初應(yīng)力的的鋼管混凝凝土極限承承載能力計(jì)計(jì)算方法鋼管混凝土土收縮、徐徐變規(guī)律及及其計(jì)算方方法鋼管混凝土土節(jié)點(diǎn)疲勞勞設(shè)計(jì)方法法■設(shè)計(jì)技術(shù)：：鋼管混凝土土拱橋合理理構(gòu)造形式式鋼管拱肋肋節(jié)段的連連接短吊桿的使使用壽命■施工技術(shù)：：大跨徑鋼管管拱肋的精精確安裝問(wèn)問(wèn)題大體積管內(nèi)內(nèi)混凝土灌灌注問(wèn)題管內(nèi)混凝土土脫空問(wèn)題題研究思路以巫山長(zhǎng)江大橋?yàn)橐劳校ㄟ^(guò)大直徑鋼管混凝土構(gòu)件試驗(yàn)研究與理論分析，解決了鋼管混凝土徐變、節(jié)點(diǎn)疲勞以及極限承載能力計(jì)算方法等重大理論問(wèn)題；通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、特殊構(gòu)造模擬試驗(yàn)，解決了特大跨鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題；通過(guò)施工實(shí)踐、工藝優(yōu)化與改進(jìn)，解決了施工中存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；最終形成了一整套先進(jìn)的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)。并通過(guò)巫山長(zhǎng)江大橋的工程實(shí)踐得到驗(yàn)證。考慮約束的徐變系數(shù)壓應(yīng)力拉應(yīng)力鋼管混凝土收縮徐變?cè)囼?yàn)構(gòu)件主要成果通過(guò)節(jié)段模模型實(shí)驗(yàn)，，揭示了鋼鋼管混凝土土徐變規(guī)律律，提出了了用考慮鋼鋼管約束的的徐變系數(shù)數(shù)，來(lái)替代代砼的徐變變系數(shù)進(jìn)行行徐變分析析的方法。。提出用組合合截面法來(lái)來(lái)模擬鋼管管混凝土單單元，得到到了鋼管與與混凝土應(yīng)應(yīng)力重分布布公式：1.提出了鋼管混凝土收縮、徐變規(guī)律及其計(jì)算方法鋼管混凝土土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算理論論2.提出了大型型鋼管混凝凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算方方法主要成果鋼管混凝土土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算理論論針對(duì)特大跨鋼管混凝土拱橋的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，提出了大型鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。鋼管混凝土疲勞強(qiáng)度：修正系數(shù)：■主管中灌注混凝土后，混凝土約束鋼管變形，應(yīng)力發(fā)生重分布，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象已不明顯；相貫線處的應(yīng)力分布趨于均勻；同時(shí)也改善了整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。■鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞壽命較空鋼管節(jié)點(diǎn)大幅提高；特別指出加肋板的板——管節(jié)點(diǎn)是一種低壽命的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，其疲勞強(qiáng)度較差?！鲋饕晒?jié)點(diǎn)疲勞實(shí)實(shí)驗(yàn)巫山橋節(jié)點(diǎn)點(diǎn)構(gòu)造（單位：MPa）鋼管混凝土土試件與空空心管試件件在支管中中截面處應(yīng)應(yīng)力比較主要成果測(cè)點(diǎn)5354555657585960空心管試件21.9511.672.5213.2922.5413.011.8211.20鋼管砼試件16.8713.329.9013.5917.8013.548.4813.35提出了有初初應(yīng)力的鋼鋼管混凝土土極限承載載能力計(jì)算算方法承載力影響系數(shù)針對(duì)初應(yīng)力對(duì)大直徑（1.22m）鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響進(jìn)行了研究，提出了極限承載力計(jì)算方法?！龉軆?nèi)混凝土有初始應(yīng)力對(duì)整個(gè)鋼管砼結(jié)構(gòu)極限承載力有較大的提高，較普通鋼管混凝土提高18％左右；僅鋼管有初始應(yīng)力對(duì)整個(gè)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)極限承載力有一定的影響?！鲋饕晒摴芑炷镣凉皹蛟O(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算理論論3.鋼管混凝土承載能力試驗(yàn)主要成果主要成果在20種設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)組合方式式中進(jìn)行優(yōu)優(yōu)選,提出了全拱拱受力均衡衡、上下弦弦內(nèi)力接近近和外形輪輪廓變化分分明的空間間鋼管混凝凝土桁架肋肋拱。解決決了世界第第一大跨徑徑鋼管混凝凝土拱橋合合理構(gòu)造形形式。提出了鋼管管混凝土拱拱橋合理構(gòu)構(gòu)造形式鋼管混凝土土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)1.主要成果首次研發(fā)出了力學(xué)和施工性能優(yōu)良的內(nèi)法蘭拱肋接頭，既保證了拱肋連接牢靠、安裝方便，又保證了拱肋優(yōu)美外形和管內(nèi)混凝土灌注通暢。獲得國(guó)家專(zhuān)利。2.鋼管混凝土土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)主要成果在短吊桿處首次設(shè)計(jì)了縱向限位裝置，與傳統(tǒng)的構(gòu)造形式相比，改善了短吊桿的受力，延長(zhǎng)了使用壽命。3.鋼管混凝土土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)主要成果1.大跨徑鋼管管砼拱橋無(wú)無(wú)支架吊裝裝斜拉扣掛掛工法總結(jié)出了大大跨徑鋼管管砼拱橋無(wú)無(wú)支架吊裝裝斜拉扣掛掛工法—獲國(guó)家級(jí)工工法。鋼管混凝土土拱橋施工工關(guān)鍵技術(shù)術(shù)首次采用了吊扣鉸接合一工藝。吊、扣塔合一復(fù)合式錨錠（樁錨加巖錨）主要成果點(diǎn)點(diǎn)鋼管混凝土土拱橋施工工關(guān)鍵技術(shù)術(shù)采用了復(fù)合式錨錠，大大減小了錨錠砼體積1.大跨徑鋼