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超高性能混凝土刚架拱桥的设计计算及施工分析

来源: 编辑: 时间:2021-08-19
本文对梁式桥、拱式桥等各类桥梁结构进行研究和比较,分析得到刚架拱桥相比其他桥型具有重量较轻、节省材料、整体性能好、外形优美、装配化程度高等优点,但传统的刚架拱桥通常使用普通的钢筋混凝土做材料,桥型也有承载能力较低,横向稳定性差,耐久性差等缺点。将超高性能混凝土(UHPC)材料与刚架拱桥桥型结构相结合, 提出并优化结构得到全透空式超高性能混凝土(UHPC)刚架拱桥结构。

第一章 绪论

1.1 研究背景
1.1.1 刚架拱桥简介
刚架拱桥最早出现在 1976 年,是由我国的交通部下的公路科学研究院的科学研究人员提出的针对我国道路现状的一种桥型(图 1-1),分析桁架、双曲两种拱桥和斜腿刚架桥三个类型各自具备的优缺点,通过试验进行深入研究,最终得到了刚架拱桥的设计思路。外形与斜张桥倒转后类似,由主拱腿、实腹段、刚架、斜撑和横系梁等部件进行组装构成,将上述部件采用反吊模板的方式,将混凝土现浇形成的桥面板与完成的桥体进行组装,拱桥拱片和桥面板共同承受外力,使桥成为组合结构。刚架拱桥具有自身重量小,形状美观、减少材料使用节约成本,同时施工过程中更加方便快捷且易装配等优点。特别是跨径达到 25m-70m 的桥梁,多采用刚架拱桥的结构形式。
刚架拱桥受力介于梁式桥和拱式桥之间,并且在力学方面上结合了两者的优点,刚架拱桥的刚架段主要由受弯构件组成,桥梁中间实腹段、主拱腿及斜腿都是受压构件,中间实腹段属于大偏心构件,主拱腿及斜腿为小偏心构件。刚架拱桥的横向受力靠拱片之间的横系梁和桥面板,且横系梁作用较大,因此横系梁的完整性直接影响桥梁的整体性。
图 1-1 刚架拱桥经典案例 ......................

1.2 超高性能混凝土(UHPC)
1.2.1 超高性能混凝土定义
超高性能混凝土(简称 UHPC),活性粉末混凝土(简称 RPC),这个概念最早出现的时间是 1994 年, Larrard 和 Sedran 提出,是较为先进的纤维增强技术的延伸,混凝土内加入微量的钢纤维以增强其抗拉性能,同时结合最大堆积密度理论,使得该种材料具有超高抗压、抗拉的强度,耐久性以及徐变性均优于一般材料,且收缩量可以达到零的一种多种材料复合组成的水泥。水泥、石英砂、高效减水剂、硅灰和定量水进行搅拌,然后加入定量的钢纤维,其中水灰所占比例较低。
典型的 UHPC 材料及用量见表 1-1。
表 1-1 典型 UHPC 配合比 .......................

第二章 刚架拱桥的设计方法和分析理论

2.1 刚架拱桥的结构特点
刚架拱桥是拱与斜腿刚架的复合结构,其构造结构与这两者有明显的差异性,具体包括下述几个方面:
(1)从刚架拱桥结构的层面综合性分析,钢筋混凝土刚架拱桥根据整体运作需求采用的是多次超静定结构。结构杆件主要是偏心受压构件和无纯拉构件,通过这种设计方式能够尽最大承兑合理利用混凝土的抗拉能力特征,发挥出较强的承载能力。刚架拱桥的主结构是由拱肋通过横系梁按照一定的规范原则构成主拱,拱上建筑采用的是斜腿刚构形式。刚架拱桥在顺桥方向,将常规拱桥的主拱圈和拱上建筑两者有机结合并形成整体受力结构,这就意味着拱上建筑在这种情况下会参与承受荷载,在实践操作中与整个结构在横桥方向共同受力,并利用微弯板将拱肋和现浇桥面按照规范性的要求过程一个整体。
(2)钢筋混凝土刚架拱桥结构具有一定的承载力且十分轻巧,整体运作时对下部结构与地基承载力方面没有过于严格的规范要求,为基础型式选择及软土地基上建桥提供一定的便捷条件。
(3)钢筋混凝土刚架拱桥桥型具有较强的适用性。尽管刚架拱采用的是拱式体系,但整体操作时的恒载推力比较小。为了能够对桥梁建筑的高度有效管控,将矢跨比最初选取的略小一些,其范围通常为 1/7-1/10。刚架拱桥允许桥台产生适量的位移。刚架拱桥施工方式具有极强的适用性和价值性,能够针对实际情况合理的预制吊装,其中涉及到支架现浇、转体施工等专业性的操作方法。
(4)钢筋混凝土刚架拱桥结构线条简单、整个结构美观、便于各个阶段的施工与部署,预制具有较高的装配化(如果按体积比综合性分析,则预制装配率会超过 80%),安装速度迅速且整个项目的工期十分短。
(5)钢筋混凝土刚架拱桥材料用量指标比较低,且实践按操作中取得良好的经济收益。20 至 60m 跨径的刚架拱桥上部构造的专业性桥面,所采用的钢量范围通常为38-45kg/㎡,且所对应的混凝土用量范围为 0.4-0.5m3/㎡。如果通过同跨径和同荷载标准,与其他桥型综合性的对比分析可知,刚架拱桥的上部构造混凝土用量相对于双曲拱桥而言,大约降低了 40%,比析架拱桥的使用钢量约增加了 10%,混凝土与钢筋的用量在这种情况下均可适当的减少。
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2.2 刚架拱桥的受力特征分析
刚架拱桥是拱与斜腿刚架连两者的复合结构,在受力过程中具有拱与梁式刚架的基本特性刚架拱桥的受力特征涉及到下述几个方面:
(1)刚架拱桥斜撑有效吸收了大量的竖向荷载,使其弦杆轴向力有所减少,并且轴向力降低的比值仅仅与斜撑在弦杆中支点的位置具有一定的关联性,而与矢跨比大小没有任何的联系。
(2)随着矢跨比的不断降低,刚架拱桥的弦杆轴力会随之增多。1/6、1/8 和 1/10 这三种具有代表性的矢跨比的轴向力比值为 1∶1.3∶1.6,在此阶段操作中弯矩的变化较为繁杂。
(3)刚架拱桥斜撑能够针对实际需求有效吸收一定的竖向荷载,刚架拱桥的主拱脚中的水平推力要明显的小于析架拱桥的拱脚水平推力。
(4)刚架拱桥的拱顶下表面在实践应用过程中,斜撑弯矩比较小,其父母影响体现在具有较大的弦杆节点弯矩。
(5)从刚架拱桥的层面深层剖析,结构内部的温度变化使得内力较小,只有在拱顶与拱脚两个部分会产生较大的内力,通常在实践应用中是同号叠加的,设计过程中需要综合性的分析与思考。
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第三章 超高性能混凝土刚架拱桥设计与计算..............................19
3.1 设计背景....................................19
3.2 设计规范及技术标准.............................19
第四章 超高性能混凝土刚架拱桥施工工艺及过程管理........................50
4.1 总体施工方案及工期安排...........................50
4.1.1 总体施工方案........................50
4.1.2 施工步骤......................................50
结论与展望............................................74

第四章 超高性能混凝土刚架拱桥施工工艺及过程管理

4.1 总体施工方案
4.1.1 施工工艺
本项目为高明至恩平高速公路 K7+164 跨线天桥,施工时借助主线项目原有的拌合站及钢筋加工棚,路基开挖时同时开挖本桥扩大基础,逐步浇筑基础和桥台。同时,选取 TK7+915-TK8+090 段成型路基作为本桥的预制场,预制 UHPC 拱肋。当桥台施工完毕后,搭设支架,吊装拱肋,通过 UHPC 超高性能混凝土湿接缝连接成整体。最后现浇桥面板,进行桥面系施工及表面涂装施工。
图 4-1 超高性能混凝土刚架拱桥施工工艺图

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结论与展望


本文对梁式桥、拱式桥等各类桥梁结构进行研究和比较,分析得到刚架拱桥相比其他桥型具有重量较轻、节省材料、整体性能好、外形优美、装配化程度高等优点,但传统的刚架拱桥通常使用普通的钢筋混凝土做材料,桥型也有承载能力较低,横向稳定性差,耐久性差等缺点。将超高性能混凝土(UHPC)材料与刚架拱桥桥型结构相结合, 提出并优化结构得到全透空式超高性能混凝土(UHPC)刚架拱桥结构。
本文依据国内桥梁规范,参考国外 UHPC 结构规范对超高性能混凝土刚架拱桥结构进行设计,得到以下结论:
(1)该超高性能混凝土刚架拱桥结构能充分利用超高性能混凝土材料的性能、使刚架拱桥在拥有自重轻、节省材料等优点的同时还具有搞抗裂性及高耐久性,并增加了该桥型的可装配化程度及安全储备性能,且使桥梁造型更加美观。
(2)超高性能混凝土拥有极佳的抗拉性能,在计算时不能忽略其抗拉性能,对于超高性能混凝土接缝,由于其钢纤维的不连续性,因此按普通混凝土进行计算,计算和验算结果表明,超高性能混凝土有、无预应力刚架拱桥两种设计方案均安全合理,设计施工过程均合理可靠。
(3)有无预应力方案均能满足结构的承载、耐久性等要求,但有预应力方案较无预应力方案施工投入较大,且无预应力方案能充分发挥超高性能混凝土的超高抗压性能和极佳抗拉性能。
(4)超高性能混凝土刚架拱桥采用工厂预制拱片构件,再运输到现场进行吊装、拼接的方式施工,先在工厂分段预制,同时施工桥梁的下部结构,拱片预制好之后,将预制构件运输至现场后 吊装对拼,现场现浇湿接缝,令拱片形成体系后,再在拱片上现浇桥面板,最后进行桥面铺装等二期施工,完成桥梁整体。超高性能混凝土刚架拱桥整个施工管理过程中采取了一系列质量保障措施确保桥梁结构体系受力合理,建造过程更加安全便捷。
参考文献(略)


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