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1、茅草街大桥的总体设计与创新技术 陈明宪 （湖南省交通厅 410011） 摘 要 茅草街大桥主桥为三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨跨度 368m，同时宽跨比很小（1/18.5） ，目前同类型桥梁中，两项指标均为世界第一。该桥桥型新颖、技术复杂。在桥梁结构型式、理论分析、试验研究和施工工艺等诸多方面均有较大创新。本文着重介绍茅草街大桥主桥的总体设计、试验研究与施工工艺。 关键词 钢管混凝土拱桥 创新技术 科研 设计 施工 1 概述 1.1 钢管混凝土拱桥发展概述 钢管混凝土在结构形式上能将钢材和混凝土有机地结合在一起； 在受力上， 它能借助内填混凝土提 高钢管的局部稳定性，同时，通过钢管
2、对混凝土的紧箍力作用提高核心混凝土的承载力。因此两种受力 性能优势互补，材料得到充分的利用。在施工方面，钢管架设吊装重量轻，易于安装，又可作为施工支 架和内填混凝土的模板，与全钢拱肋相比，用钢量省，较为经济，且施工速度快。因其在材料性能和施 工方法上的优越性，将这种结构应用于以受压为主的拱桥是十分合理的，对于桥梁结构节约材料、减小 恒载、提高跨越能力、方便施工、缩短工期都有着积极的意义。所以，它对于 50500m 之间的跨越距 离有极强的适应性，同时又具有相当程度的美观效应。 最早将钢管混凝土这种结构应用于拱桥之中的是前苏联。1937 年，前苏联用集束小直径钢管混凝 土做拱肋建造了跨径为 11
3、0m 的跨越涅瓦河的拱梁组合桥；1939 年，前苏联又在西伯利亚建造了跨度达 140m 的上承式钢管混凝土桁肋铁路二铰拱。 目前，世界上逐渐接受和采用这种结构形式的有中国、日本、捷克、俄罗斯、法国以及其他一些西 欧国家，跨径均在 70200m 之间。广东南海紫洞大桥甚至将这种结构应用到斜拉桥的主梁上。 1990 年，中国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥建成。它是跨径为 115m 的下承式预应力钢 管混凝土系杆拱桥。到 2002 年，我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达 200 余座，已建成的钢管混凝 土拱桥中，跨径最大的是 2000 年建成的广州丫髻沙大桥，主跨跨径为 360m ，在建的钢管
4、混凝土拱桥 中跨径最大的是 2001 年开工的重庆市巫山县巫峡长江大桥，主跨净跨径达 460m。 表 1 中国大跨径(L200m)钢管混凝土拱桥一览表 表 2 中国连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥一览表 序 号 桥名 建成年 份 跨径（m） 矢跨 比 (f/L)拱轴线型 拱肋型式 1 湖南茅草街大桥施工中 8036880 1/5 悬链线， m=1.543 4 肢桁式 2 广州丫髻沙大桥2000 7636076 1/4.5悬链线，m=2 6 肢桁式，平 放哑铃形 3 武汉江汉五桥 2002 60.525160.5 1/5 悬链线，m=1.5 4 肢桁式，平 放哑铃形 序号 桥名 建成年份主跨（m
5、）矢跨比(f/L) 1 重庆巫山长江大桥 施工中 460 1/3.8 2 湖南茅草街大桥 施工中 368 1/5 3 广州丫髻沙大桥 2000 360 1/4.5 4 广西南宁大桥 施工中 338 1/5 5 浙江淳安南浦大桥 施工中 308 1/5.5 6 重庆奉节梅溪河桥 施工中 288 1/5 7 武汉江汉三桥 施工中 280 1/5 8 广西三岸邕江桥 1998 270 1/5 9 湖北秭归青干河桥 1998 256 1/4 10 浙江三门健跳桥 施工中 245 1/5 11 武汉江汉五桥 2002 251 1/5 12 浙江铜瓦门桥 施工中 238 1/4.82 13 贵州北盘江铁路
6、桥 施工中 236 1/4 14 江苏邳州运河桥 2000 235 1/4 15 广西六景桥 1999 220 1/5 16 湖北恩施南泥渡 施工中 220 1/5 17 重庆合川嘉陵江桥 施工中 210 1/4 18 湖南湘西王村大桥 施工中 208 1/5 19 四川绵阳涪江三桥 1997 202 1/4.5 20 广东南海三山西桥 1995 200 1/4.5 4 江苏邳州运河桥2000 57.523557.5 1/4 悬链线，m=1.33 4 肢桁式，平 放哑铃形 5 广东南海三山西 桥 1995 4520045 1/4.5悬链线，m=1.3 4 肢桁式，横 哑铃形 6 广西桂江三桥
7、2001 4017540 1/4 悬链线 4 肢桁式，平 放哑铃形 1.2 茅草街大桥概况 正在施工的湖南益阳茅草街大桥是跨越洞庭湖区的一座特大型公路桥梁，总长 2848.64m，充分考 虑湖区的地形及地质情况，主桥采用 80m+368m+80m 三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨跨 度目前为同类型桥梁最大跨径，同时宽跨比很小，仅为 1/18.5。 该桥桥型新颖、技术复杂，在桥梁结构型式、理论分析、科学研究和施工控制等诸多方面均有较大 创新。 图 1 茅草街大桥效果图 茅草街大桥主桥于 2002 年 7 月开工， 大桥预计 2005 年建成通车。 该桥的建成将为洞庭湖区增添一 道亮丽的
8、景观。 2 总体设计： 2.1 主桥结构及技术特点 茅草街大桥主桥设计为 80m+368m+80m 三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥，边跨、主跨拱脚均固 结于拱座，边跨曲梁与边墩之间设置轴向活动盆式支座，在两边跨端部之间设置钢铰线系杆，通过边拱 拱肋平衡主拱拱肋所产生的水平推力。主桥桥型总体布置见图 2。 其结构上的最大特点是充分发挥了材料的性能： 以抗压能力高的钢管混凝土作为拱肋， 以抗拉能力 强的高强钢铰线作为系杆， 通过边拱肋的重量， 随着施工加载顺序逐步张拉系杆中的预应力束以平衡主 拱所产生的水平推力， 最终形成对拱座基础只有较小水平推力的拱桥。 这就大大降低了由于巨大不平衡 拱推力增
9、加的基础费用，从而使拱座基础变得较为轻巧。 主拱拱肋采用中承式双肋悬链线无绞拱，计算跨径 356.00m，计算矢高 71.20m，矢跨比 1/5，拱轴 系数m=1.543， 每片拱肋由4根100020mm的Q345qc钢管组成 （其中局部加强段钢管壁厚加厚至22mm、 28mm） ，内灌 C50 砼作为弦杆，上弦和下弦横向两根钢管之间在拱脚至桥面处用平联钢板（厚 14mm）联 接，在桥面以上用65010mm 平联钢管联接（其中吊杆处平联钢管采用650x16mm） ，在平联板内及 吊杆处平联管内灌注 C50 砼，上、下弦之间用55010（12）mm 钢管作为腹杆，组成桁式拱肋。拱肋 为等宽变高度
10、截面，宽 3.20m，高度在拱脚为 8.00m，在拱顶为 4.00m。两肋中心距为 19.30m，共设 6 组“米”字横撑和 6 组“K”字横撑，每道横撑均为空钢管桁架，由上、下弦70014mm（直撑）和 60014mm（斜撑）及腹杆2998mm 组成，另外在拱肋与桥面交接处，设置一道肋间横撑，主拱肋共 设横撑 14 道。它们与同边拱端部固结的预应力混凝土端横梁一起，组成一个稳定的空间梁系结构，边 拱拱肋与主拱拱肋轴线处于同一直线上，以便于传递水平力。 图 3 主拱肋一般构造图 图 2 主桥桥型总体布置图 图 4 主拱肋横断面布置图 2.2 主桥结构计算与分析 主跨、边跨、系杆及主拱墩为一整体
11、结构，这四部分相互影响、相互依存，选取精确合理的计算 模式非常重要，在选取力学模式中，将主跨、边跨、系杆及主拱墩、桩基模拟为一个整体结构。 主要采用公路桥梁综合计算程序“Bridge”和空间有限元分析程序“Ansys”对结构进行了施工及成桥状态的静、动力特性和稳定性分析。施工加载计算阶段完全模拟施工加载状态，计算中计入施工过程拱肋的弹性压缩、混凝土的收缩徐变、温度、恒活载等因素的影响，温度分别按升降温 20计算。 2.2.1 拱桥静力分析 茅草街大桥静力计算采用空间梁单元进行施工阶段的静力计算，施工过程用 39 个施工阶段来模 拟。全桥计算模型一共布置了 8298 个节点、12713 个单元、
12、5 个单元类型 、实材料常数 99 个、材料号 13 个、耦合方程 674 个，全桥的计算模型见图 5。 图 5 全桥模型图 计算内容考虑了平联板的影响，以及各个施工阶段的内力、应力、位移。 2.2.2 拱桥稳定性分析： 计入横向风荷载作用，考虑主拱由两铰拱状态到管内混凝土分阶段灌注完毕至成桥运营过程，按 弹性和弹塑性两种状态进行了分析，施工及成桥运营阶段最小弹性稳定系数为 5.8，成桥运营阶段最小 弹塑性稳定系数为 2.3，均满足要求。施工过程中拱肋分节段吊装至两铰拱状态各阶段的稳定性分析有待于施工过程中结合施工实际情况进行配合验算。 2.2.3 拱桥动力特性分析 (1)自振特性 将主拱拱肋
13、、边拱拱肋、拱座及基础、边墩、拱肋立柱及吊杆、桥面板、系杆等桥梁构件全部用空间梁单元进行模拟，前 5 阶振型频率及振型特点见表 3。 表 3 主桥前 5 阶振型 阶次 振型特点 频率(Hz) 1 梁拱同向对称侧弯 0.218 2 梁拱反向对称侧弯 0.297 3 梁拱同向反对称竖弯 0.368 4 主拱反对称侧弯 0.424 5 梁拱同向对称竖弯 0.566 (2)抗风分析 茅草街大桥为世界同类型桥梁中最大跨径，为了确保大桥在施工、运营阶段的安全，进行了茅草街大桥拱桥等效风荷载及抗风稳定性研究。 (3)抗震分析 根据湖南省防震减灾工程研究中心“益阳市茅草街大桥地震安全性评价研究报告”提供的地震
14、加速度反应谱、地震加速度时程曲线，分别按 50 年超越概率 10%、2%进行了反应谱分析和行波效应分析。 (4)疲劳分析 茅草街大桥活载与恒载的百分比较大，疲劳设计不可忽视。为保证大桥的使用寿命，对主拱拱肋钢管桁架结构分别按美国 ANSI/AWS D1.1-98 规范、国际焊接协会 IIW(1985)提出的热点应力法进行疲劳检算，结果表明结构满足使用要求。 3 试验研究 3.1 高性能钢管混凝土的受力特性试验 3.1.1 高性能钢管混凝土的收缩、徐变特性试验 钢管混凝土构件核心混凝土处于钢管包围之中， 浇注完混凝土后即封住开口， 混凝土属于密闭保水 养护，与一般条件下进行养护的混凝土相比有着不
15、同的收缩徐变特性。此外，在外荷载作用下，钢管混 凝土中的核心混凝土处于三向受力状态， 这也将导致钢管混凝土与普通的混凝土构件有着不同的徐变规 律。 目前， 在长期荷载作用下， 有关钢管混凝土构件核心混凝土的收缩徐变特性以及由此而导致的应力 重分布研究较少，资料较缺乏。在分析茅草街大桥钢管混凝土的徐变过程中，发现如果用素混凝土的徐 变模式，钢管混凝土产生的应力重分布将导致钢管应力增加近 60MPa，增加 34，而拱顶位移也将增大 34，与此同时，混凝土的应力将大大降低。为了准确的了解钢管混凝土的收缩徐变特性，进行了钢管混凝土的收缩徐变的试验研究。 试验研究两端封闭的钢管混凝土构件核心混凝土的收缩
16、量的随时间发展的变化曲线； 与钢管混凝土 试件中核心混凝土体积及形状相同的素混凝土试件收缩量随时间发展的变化曲线； 不同应力状态下， 钢 管混凝土试件中核心混凝土徐变量随时间发展的变化曲线及其对钢管产生的附加应力的测定； 不同应力 状态下，与钢管混凝土试件中核心混凝土的应力水平相当的素混凝土试件的徐变量随时间发展的曲线。 钢管混凝土收缩和徐变试件制作见图 6。 图 6 钢管混凝土收缩和徐变试件制作示意图(左为收缩试件,右为徐变试件) 试验初步结果： 收缩： 干缩试件与自缩试件相比较，试验初期，在标准养护下二者都表现出微小膨胀，数值相近，开始 自然养护后则出现差异。自缩试件在龄期 14d21d 膨胀率达到最大值（3010-6） ，然后缓慢下降，到龄期约 100d 时接近为零。干缩试件在开始自然养护后即表现出收缩，初期发展很快，而后逐渐减缓， 至今为 23010-6。二者的差异主要是由于钢管混凝土特殊的养护条件以及钢管和混凝
