平钢腹板-混凝土组合拱桥试设计研究

黄卿维， 叶 琳， 陈宝春

(福州大学土木工程学院， 福建 福州　350116)



平钢腹板-混凝土组合拱桥试设计研究

黄卿维， 叶 琳， 陈宝春

(福州大学土木工程学院， 福建 福州350116)

摘要：平钢腹板-混凝土组合拱是由平钢腹板和混凝土顶底板组合而成的新型结构. 以主跨160 m的岭兜大桥为原型进行该新桥型的试设计研究. 结果表明， 试设计满足规范要求. 与原桥相比， 试设计桥梁可减轻拱圈自重约37%， 并方便施工； 与波形钢腹板-混凝土组合拱桥相比， 能发挥钢腹板的抗压与抗拉作用， 提高腹板的材料利用率， 拱圈自重减少约6%， 是一种具有应用前景的新桥型.

关键词：混凝土拱桥； 平钢腹板； 波形钢腹板； 试设计； 悬臂拼装施工

0引言

混凝土拱桥是一种常见的桥型， 在地质、 地形条件较好的山区、 海岛具有广泛的应用. 对于活载比重较大、 动力问题较为突出的高速铁路， 拱桥更因其跨越能力强、 刚度大而成为具有很强竞争力的桥型. 如近期我国在建的沪昆高速铁路南盘江大桥(416 m)、 北盘江大桥(445 m)、 西班牙的Almonte大桥(384 m)以及德国高速铁路VDE8柏林联接纽伦堡和慕尼黑的线路中众多的混凝土拱桥(跨径为90～270 m)[1-2].

混凝土拱桥因其自重大、 施工困难， 制约了其发展. 采用钢-混凝土组合结构是减轻其自重的有效途径之一， 我们于2003年提出了波形钢腹板-混凝土组合箱拱(简称波形钢腹板拱)的构思， 开展了试设计、 极限承载力、 抗震性能等系列研究， 结果表明它较之传统的钢筋混凝土拱， 可大大减轻拱圈结构的自重， 简化施工工艺， 受力性能与钢筋混凝土拱相似， 地震作用力下降， 具有相当的可行性[3-6]. 然而， 对于以受压为主的拱结构来说， 波形板的折迭效应削弱了截面抵抗轴压力的能力. 为此， 又于2005年提出了由平钢腹板和混凝土顶底板组成的组合箱拱的设想， 称之为平钢腹板-混凝土箱形拱(简称平钢腹板拱)[7]. 将波形钢腹板拱、 平钢腹板拱统称为钢腹板-混凝土(组合)拱， 并就此开展了系列的研究.

法国学者最早提出了平钢腹板-混凝土组合箱梁桥， 并建成了Ferte-Saint-Aubin试验桥. 研究发现， 平钢腹板因对顶底混凝土板在纵桥向变形产生较大的约束， 导致本应施加在顶底板的预应力损失严重， 且其自身存在失稳问题. 为此， 法国学者提出用波形钢板代替平钢腹板， 这才产生了波形钢腹板PC组合箱梁[8]. 然而， 在PC组合梁中被否认的平钢腹板， 在混凝土拱中却得到了应用. 原因如下： 一是拱结构以受压为主， 没有施加预应力， 不存在由于钢板与混凝土变形量相差引起预应力损失问题， 且平钢腹板能与顶底板共同抵抗轴压力； 二是拱结构中剪力较小， 腹板的受剪稳定问题不如梁中突出. 基于此， 我们开展了平钢腹板拱的系列研究， 本文是该系列研究中的试设计部分， 以福建岭兜大桥为背景， 进行试设计和设计计算， 并与原桥和波形钢腹板拱桥试设计进行材料、 结构受力性能、 施工性能、 美观与耐久性的比较.

1平钢腹板拱试设计

1.1背景工程简介

选取岭兜大桥为背景工程， 该桥位于福建省宁德市， 桥面宽度为净-9 m+2×0.5 m防撞栏. 设计荷载为汽-超20级， 挂车-120. 主跨为混凝土箱拱， 净跨径为160 m， 净矢跨比为1/4， 拱轴线为悬链线， 拱轴系数m=2.114. 主拱采用单箱四室截面， 拱圈高度为250 cm， 宽度为800 cm， 顶、 底板厚度分别为25和20 cm， 边、 中腹板厚度分别为12和41 cm. 拱圈横隔板每3 m左右设置一道. 主拱采用斜拉悬臂拼装钢筋薄板箱合龙、 浇筑拱圈混凝土的方法施工. 拱上立柱采用等截面薄壁箱形双立柱结构形式. 桥面系主梁为13 m×13 m简支预应力空心板， 桥面铺装连续. 该桥于2007年8月建成通车， 详细设计、 施工资料见文献[9].

为便于与原桥比较， 钢腹板-混凝土拱桥试设计仅将原主拱圈钢筋混凝土截面改为波形钢腹板-混凝土截面和平钢腹板-混凝土截面， 其他结构参数如拱上建筑、 桥面系、 拱座、 基础等均与原桥相同； 波形钢腹板拱桥试设计资料详见文献[4]， 以下仅介绍平钢腹板拱桥不同的部分.

1.2主拱圈构造、 结构尺寸及拱轴线形

试设计拱圈为单箱三室结构， 采用4块平钢板代替原设计中的5片混凝土腹板， 纵向采用等高240 cm， 横向等宽800 cm， 如图1所示. 顶底板采用25 cm厚度混凝土板， 腹板采用Q345平钢板， 其高度为1 700 mm， 厚度为8 mm. 横隔板的位置与厚度不变， 仅尺寸相应进行变动.

本试设计是基于波形钢腹板拱试设计[4]而进行的， 经过试算对拱圈截面进行了适当调整. 为避免腹板出现失稳， 按照规范GB 50017—2003[10]相关规定进行加劲肋的设计， 加劲肋采用厚度10 mm的Q345钢板， 具体构造可见图2.

1.3结合部设计

平钢腹板拱的接合部主要有： 平钢板之间的接合部、 平钢板与混凝土顶底板之间的接合部、 平钢板与横隔板之间的接合部. 试设计中， 平钢板间均采用对接焊(见图3)， 平钢腹板与混凝土顶底板的接合部采用开孔钢板连接件， 即PBL键(见图4)， 平钢腹板与横隔板之间的连接采用圆柱头栓钉连接件， 其具体构造见图5.

1.4施工方法

试设计仍采用与原桥一样的斜拉悬臂拼装施工方法， 将主拱分成两个预制边箱(详见图1阴影部分)和中间现浇段. 单个预制边拱箱沿拱轴线方向分成6段(最大吊重为63 t)， 其高度和宽度分别为225 cm和220 cm， 顶底板厚度均为10 cm. 待两个边拱箱合龙后， 浇筑预制节段间横系梁， 并按对称加载的工序浇筑拱圈中箱顶底板， 最后进行拱上建筑和附属结构的施工.

2试设计桥受力计算

2.1内力计算

试设计采用原设计规范JTG 021—89[11]、 JTG 023—85[12]和JTG 022—85[13]进行设计计算， 以便与原桥进行比较. 运用通用计算软件， 建立平面有限元模型进行计算. 表1给出了试设计桥梁在恒载和可变荷载作用下的内力计算结果， 并按JTJ 023—85[12]的有关规定进行荷载效应组合.

表1　试设计拱圈内力计算表

2.2承载力验算

表2给出了试设计拱圈的验算结果， 假定组合拱圈在进入极限状态时截面达到了完全塑性， 根据截面等效矩形应力图计算弯矩. 由于拱结构中的剪力较小， 结构失效假定是由于受压区混凝土被压碎而造成的. 经过验算， 试设计拱圈控制截面的受力满足规范要求.

表2　拱圈在使用阶段的承载力验算表

2.3施工应力验算

根据规范JTJ 023—85[12]， 进行施工阶段的拱圈应力验算， 选取裸拱和成桥的两个施工工况进行拱圈截面应力验算， 结果见表3. 由表3可知， 试设计桥梁拱圈截面应力满足规范要求.

表3　拱圈在施工阶段的应力验算

2.4稳定验算

裸拱和成桥阶段的稳定性验算结果见表4. 由表4可知， 在未计入拱轴线变形对拱圈面内外稳定性影响的条件下， 其结构抗力效应均大于荷载效应， 试设计桥梁的稳定性能满足规范要求.

表4　稳定性验算结果

3试设计结果分析

3.1拱圈工程量比较

由于依然采用原桥的上部结构， 仅对主拱圈工程数量进行比较， 见表5.

表5　拱圈工程数量表

从表5可知， 与混凝土拱相比， 钢腹板-混凝土组合拱的混凝土用量减少、 钢材用量增加. 具体来说， 波形钢腹板拱和平钢腹板拱的混凝土用量分别为混凝土拱的67%和60%， 钢材用量分别为混凝土拱的134%和148%； 由于钢腹板自重轻， 其拱圈的结构自重均较混凝土拱有大幅度的降低， 波形钢腹板拱和平钢腹板拱分别为混凝土拱的69%和63%. 文献[14]以跨径150 m的钢筋混凝土拱桥实桥为原型， 也进行了平钢腹板拱桥试设计研究. 结果表明， 与原桥相比， 新结构可减轻拱圈自重38%， 试设计结果与本文相近.

粗略地进行经济分析， 若以每吨钢筋和每立方混凝土的工程造价为10 ∶1计算的话， 与混凝土拱桥相比， 钢腹板拱节省的混凝土方量与增加的钢筋吨数也基本为10 ∶ 1， 则主拱圈的材料费用则基本持平. 但考虑到结构自重减轻可使得下部结构工程数量减少， 预制节段减少所带来施工的便利、 施工设备费用的降低和工期的缩短， 以及免除复杂的混凝土腹板施工工艺所带来的人工费用的减小等因素， 钢腹板拱的工程造价将要比传统的钢筋混凝土拱桥低.

至于两种钢腹板拱， 平钢腹板拱与波形钢腹板拱相比， 钢材用量多了15.2 t， 混凝土数量少了92.6 m3， 拱圈结构重量轻了217.8 t， 工程数量与工程造价差异并不明显.

3.2结构受力性能比较

与原设计相比， 两座试设计桥梁的结构内力均有不同程度的降低(见表6)， 其中波形钢腹板拱拱顶轴力为28.99 MN， 降低了17%， 拱脚轴力为43.81 MN， 降低了15%； 平钢腹板拱拱顶轴力为27.93 MN， 降低了20%， 拱脚轴力为41 MN， 降低了20%.

表6　结构自重作用下的拱圈内力计算表

表7所示的为温度效应作用下的拱圈内力计算表. 从表中可知， 与原设计相比， 平钢腹板拱在所有截面的温度内力均比原桥小， 原因是其截面抗弯刚度均比原桥小； 对于波形钢腹板拱， 其拱脚、L/8截面处温度内力较原桥大， 其余截面内力均较小， 原因是波形钢腹板拱的拱脚节段顶、 底板比原桥厚， 导致截面抗弯刚度也较大， 而其他节段截面的刚度比原桥小.

在桥梁设计过程中， 为了方便计算， 常常将收缩徐变按照降温效应来考虑， 而温度效应跟截面抗弯和抗压刚度有关. 因此， 若仅以波形钢板或平钢板来代替拱圈中的混凝土腹板， 而不改变拱圈高度及其顶底板厚度， 则在这三座拱桥中， 传统钢筋混凝土拱桥的温度(收缩徐变)效应内力最大， 波形钢板由于其折迭效应， 并不限制轴向变形， 波形钢腹板拱桥的温度(收缩徐变)内力最小， 平钢腹板拱桥次之.

表7　温度效应作用下的拱圈内力计算表

3.3施工性能比较

原设计采用斜拉悬臂拼装方法施工， 每片拱肋横向分为4个预制拱肋， 拱轴方向分为7段预制(最大起吊重量为65 t). 波形钢腹板拱与平钢腹板拱预制节段的吊装重量分别从65 t降低为60和63 t， 预制节段总数量从28段降低为12段(仅吊装两个边拱肋)， 节省了大量的预制场地以及大量的临时的施工设备(如斜拉索)， 并使得拱圈能较快合龙， 施工安全性获得提高. 合龙后可免除腹板混凝土的浇筑工序， 施工方便， 工期缩短. 值得一提的是， 目前新规范JTG D61—2005[15]规定预制的拱箱最小板厚从旧规范JTG 022—85[13]的50 mm提高到100 mm后， 预制拱箱重量将进一步增大， 导致预制节段数量增加， 施工工序和难度均有所增加， 因此钢腹板-混凝土组合拱桥在悬臂拼装施工性能上的优势将更为明显.

对两种钢腹板-混凝土组合拱桥， 波形钢腹板的制作如采用专门的设备加工， 则制作不难， 否则较难， 此外其较低的弯曲刚度便于拼装， 但在施工吊装过程中需临时加劲. 平钢腹板虽不需要专门的加工设备， 但需要布置纵横向加劲板， 用钢量与焊接工程量均较大， 而且其拼装因刚度大对精度要求较高.

3.4美观与耐久性

两种钢腹板-混凝土组合拱桥的外观比较， 由于腹板与顶底板的材质不同， 较之混凝土拱有更好的立面效果， 波形钢腹板拱的折迭会进一步强化这种效果， 具有更好的表现力.

在耐久性方面， 二者均需要进行钢腹板的防腐， 故需预留后期检查、 涂装的通道， 钢与混凝土结合处的排水需要进行精心的细节设计和施工， 波形钢腹板的折叠处和平钢腹板的加劲构件等均需要引起特别的注意， 如同钢箱拱桥， 平钢腹板加劲构件焊接联接的疲劳也可能是需要特别研究与关注的.

4结语

平钢腹板-混凝土拱桥试设计研究结果表明， 与原设计相比， 主拱圈自质量从原桥的3 495.5 t， 减小到2 209.8 t， 自质量减轻近37%. 拱圈各截面在自质量作用下， 轴力均显著降低， 拱顶轴力比原设计减小了21%； 拱脚轴力比原设计降低了20%. 由此可知， 平钢腹板-混凝土拱桥较混凝土拱可以大幅度降低拱圈自重， 方便施工， 缩短工期， 具有较好的应用可行性.

平钢腹板-混凝土拱桥与波形钢腹板-混凝土拱桥均采用钢腹板代替混凝土拱中的混凝土腹板， 二者主拱材料用量相近， 均具有可行性， 但二者在施工性能、 美观效果与耐久性等方面有细微的差异， 需根据实际工程情况选用.

本文所进行的试设计研究还是初步的， 需对其开展全面深入的应用基础研究， 更需要通过依托工程开展针对性的具体研究， 在总结依托工程经验的基础上， 推广应用.

参考文献：

[1]陈宝春. 2000年以来世界拱桥的发展与技术创新(上)[J]. 桥梁， 2014(3)： 38-44.

[2]陈宝春. 2000年以来世界拱桥的发展与技术创新(下)[J]. 桥梁， 2014(4)： 41-45.

[3]陈宝春， 王远洋， 黄卿维. 波形钢腹板混凝土拱桥新桥型构思[J]. 世界桥梁， 2006(4)： 10-14.

[4]黄卿维， 陈宝春. 160 m跨径波形钢腹板混凝土拱桥试设计[J]. 中外公路， 2007(2)： 78-83.

[5]韦建刚， 黄卿维， 陈宝春. 波形钢腹板-混凝土组合箱拱面内受力全过程试验研究[J]. 工程力学， 2011， 28(5)： 90-96.

[6] 林龙海. 钢腹板(杆)-混凝土组合拱振动台试验研究[D]. 福州： 福州大学， 2014.

[7]叶琳. 平钢腹板-混凝土试设计研究[D]. 福州： 福州大学， 2008.

[8]王福敏. 钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥的发展及其应用现状[J]. 公路交通技术， 1999(2)： 62-65.

[9]张杰. 福建宁德岭兜特大桥设计[J]. 中外公路， 2008， 28(5)： 167-170.

[10]中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范： GB 50017—2003[S]. 北京： 中国计划出版社， 2003.

[11]中华人民共和国交通部. 公路桥涵设计通用规范： JTG 021—89[S]. 北京： 人民交通出版社， 1989.

[12]中华人民共和国交通部. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 023—85[S]. 北京： 人民交通出版社， 1985.

[13]中华人民共和国交通部. 公路砖石及混凝土桥涵设计规范： JTJ 022—85[S]. 北京： 人民交通出版社， 1985.

[14]宋帅， 邵俊虎. 平钢腹板钢筋混凝土新型拱桥试设计[J].重庆交通大学学报(自然科学版). 2011， 30(3)： 372-376.

(责任编辑： 蒋培玉)

Trial-design research on concrete arch bridge with plain steel webs

HUANG Qingwei, YE Lin, CHEN Baochun

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

Abstract:Composite box arch with the section composed of flat steel web plates and concrete flanges is proposed as a new type structure. In this paper, taking the Fujian Lingdou arch bridge with a 160 m span as a prototype, a trial design research on the proposed new composite arch structure is carried out. Design calculation indicated the trial design can meet the design requirement. Compared to the concrete bridge, the trial design can reduce the self-weight of the arch ring by about 37% and make construction convenient. Compared to the concrete bridge with corrugated steel web, the trial design can improve the steel web usage efficiency and reduce the self-weight of the arch ring by about 6%. Therefore this composite box arch is a new structure type with good application future.

Keywords:concrete arch bridge; flat steel web plate; corrugated steel web; trial design; cantilever assembling construction

中图分类号：TU398.9； TU317

文献标识码：A

基金项目：福建省教育厅科技资助项目(JA12043)

通讯作者:黄卿维(1982-)， 副研究员， 博士， 主要从事桥梁与结构工程研究， huangqingwei@fzu.edu.cn

收稿日期:2014-10-09

文章编号：1000-2243(2016)02-0232-06

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0232