欢迎光临南京联众建设工程技术有限公司!服务热线:025-57248833

联系我们
服务热线:025-57248833
邮箱:lzjd1999@126.com
地址:南京市溧水区柘塘镇柘宁东路331号(南京禄口机场旁)
全装配式钢-混凝土组合结构拱桥
浏览: 发布日期:2018-03-14

一、技术背景

① 拱桥概述
拱桥是以承受轴向压力为主的拱圈(拱肋)作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造。
拱桥作为压弯结构,随着跨径的增大,高强材料的应用受到稳定问题的制约;而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大,施工架设问题突出。高强材料的应用和无支架施工的困难,制约了拱桥的发展。将钢-混凝土组合结构应用于拱桥能同时解决拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的两大问题。目前,按照建筑材料的不同可分为:石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥。
② 结构分类
a.   石拱桥
优点:美观、养护方便,就地取材。
缺点:工艺要求高,施工复杂,工期长,只适合小跨径桥梁。
b.  混凝土拱桥
优点:美观、造价节省。
缺点:施工复杂,混凝土耗费量大,工期长,跨越能力小。
c.    混凝土钢管拱桥
优点:美观、跨越能力大,造价低。
缺点:结构复杂、造价高、维护费用高。
d.   波形钢板式拱桥
优点:美观、造价低,施工便捷。
缺点:波形钢板强度较低,故一般跨度小于10米,跨越能力小。
波形钢板拱桥工程图片:

广梧高速单拱

广东湛江二连拱
说明: E:\互发文件\冀梦华\高速图片\泗许高速三连拱.JPG
泗许高速三连拱
 

二、新结构——传统结构的新组合

       本结构是将两种传统的桥梁结构相组合,组合方式如下:将弯曲的混凝土钢管,设置在相同曲率的波纹钢管弧形内侧的凹槽内(图一及图二),在该钢管与波纹钢板的端部设置共用法兰,该法兰一般是非标的大型角钢型钢或槽钢型钢,并与波纹钢板及钢管螺栓联接,这样即可制成标准的拱桥组合结构板(图三),将该标准板沿桥梁长度方向及宽度方向依次拼装即可建成拱桥的拱架及主体结构,然后在拱架之上进行土方回填,设置挡土墙,铺装桥面即可完成。桥梁构造如图(四)及图(五)。在上述结构中主要承载结构是混凝土钢管,混凝土钢管与结构中的共用法兰形成了钢-混组合的拱形框架结构,如图(六)。
 
图(一)结构三维图

 
 

 
 
 
 

图(二)结构截面图

图(三)结构件实物图

图(四)拱桥横截面图
 
图(五)拱桥纵截面图

图(六)拱桥承载框架三维图(即骨架三维图)

图(七)单跨装配式钢-混凝土拱桥完整效果图

三、新发现

       单纯波形钢板拼装结构的拱桥,国内外已有应用,但其跨度只达到13米,而混凝土钢管结构的拱桥以中承式及下承式居多。上承式拱桥中,桁架结构多,其桥面大多是钢结构,而钢结构桥面的路面层寿命较低,从而产生了用混凝土钢管与波纹钢板结合作为拱桥桥架的想法,在最初的计算中,考虑的是两者作为拱肋共同受力共同承受动载与静载,也就是两者单独承载能力之和相加要满足荷载要求.
因为是新型结构,国内外没有应用实例及相应理论,保险起见进行了结构及力学实验,实验报告主要内容如下:
实验报告摘要:
1. 实验目的:测试单独的拱形波纹板、单独的混凝土钢管及钢-混凝土组合结构拱形板的承载能力。
2. 实验方法及步骤
①、在地面挖长度为5m、宽度为2.5m、深度为1.5m的土坑槽8,在其中布设实验材料及设备。
②、以拱形波纹板1(波距×波高参数为400×150mm,壁厚5mm)作为试验件,在试验件的表面安装压力传感器6,试验件的两端通过支座钢板和螺栓连接在混凝土基座9上,该混凝土基座9之间横向设置钢筋5,同时波纹板两侧对置设有竖直的平钢板3,平钢板3的底部设于混凝土基座9上,顶部通过上下两个平行的高强度型钢1连接,在这两个型钢之间设置液压油缸4,在位于下方的高强度型钢1、试验件与两侧的平钢板3围城的空间里填充沙子2(作为回填材质,保证一定厚度的回填层),同时,两侧的平钢板3、位于顶部的高强度型钢1和位于底部的钢筋5将试验件围成框架结构,该框架结构外面为土坑。布设完成后,启动液压油缸4,缓慢加压,直至试验件破坏,读取并记录压力传感器的最大数值。
③、以混凝土钢管7(外径φ152mm,壁厚5mm)作为试验件,其弯曲弧度与拱形波纹板的弧度一致,其两端设置在混凝土基座9上。为保证混凝土钢管受力数据的有效性,在混凝土钢管与周边沙土之间设有16mm厚的弧形钢板10(弧形钢板的作用是挡沙,不参与试件的受力),弧形钢板10为多块拼叠而成,拼叠时,板间留有间隙11,可相互错动,如图(九)所示。其它与拱形波纹板作为试验件的布置方式相同,图(九)中未全部示出。布设完成后,启动液压油缸4,缓慢加压,直至试验件破坏,读取并记录压力传感器的最大数值。
④、以上述相同规格的波形钢板与混凝土钢管的组合结构作为试验件,重复上述实验,读取并记录压力传感器的最大数值。
⑤、更换波形钢板与混凝土钢管的规格参数(波距、波高、壁厚以及钢管直径等参数),重复上述实验,得到多组相应规格参数所对应得压力数据。
 
图(八)实验设施布置总图

图(九)钢管及弧形挡沙板布置图

图(十)现场实验图
c.实验结果
     400mmx150mmx5mm(单独波形钢板)
油缸施加荷载Kpa 传感器-应力值Mpa
60(等价2米填土) 60.6
90(等价4米填土) 90.8
120(等价6米填土) 121.1
160(等价8米填土) 161.4
200(等价10米填土) 201.8
341(等价13.5米填土) 345(波纹板破坏)
φ152mmx5mm(单独混凝土钢管)
油缸施加荷载Kpa 传感器-应力值Mpa
60(等价2米填土) 3.61
90(等价4米填土) 5.40
120(等价6米填土) 7.19
200(等价10米填土) 11.8
410(等价17米填土) 24.2
678(等价26米填土)     40(混凝土破坏)
  400x150x5mm+φ152x5mm(波纹钢板+混凝土钢管)
油缸施加荷载Kpa 传感器-应力值Mpa
60(等价2米填土) 16.6
200(等价10米填土) 55.4
400(等价21.4米填土) 110.8
600(等价32.8米填土) 166.3
900(等价50米填土) 252
1246(等价69.7米填土) 345(波纹板破坏)
实验结论:
通过实验的极限应力计算1246/(678+341)=1.23倍,在管土共同受力作用下,拱形波纹板与拱形混凝土钢管组合后的承载能力是拱形波纹钢板与拱形混凝土钢管各自承载能力之和的1.23~1.4倍。

四、新理论

       上述实验结果,验证了我们预期的分析想法,我们认为混凝土钢管与波纹形钢板的组合这种结构中,当结构上部的回填土完成后,结构上回填土形成管土共同受力效应,钢管与波形钢板的凹槽紧密压合,波形钢管的凹槽限制了钢管的轴向柱状失稳,同时钢管紧压在波形钢板的凹槽内,限制了波形钢板的屈曲破坏,两者的结合,在各自受力的同时,分别将对方结构进行了另外的加强,最特别是相互阻碍了对方结构失效状态的形成。
       上述实验结果及理论还有待不同规格参数的更多的实验以及实际工程的验证。我们也想同国内外众多的学校科研院所及相关工程界人士进行深入探索,寻找该结构中许多未知的知识和理论,其中包括钢管混凝土波形钢板的最佳匹配参数,该结构适合的跨度及工况等等。

五、防腐方式及使用寿命

所有钢结构件均采用如下防腐蚀方式:
方式一:碳钢+热浸镀锌
根据美国《AASHTO》标准推荐的热浸镀锌构件寿命值:当埋地使用时,初次使用寿命为37.5年至78年,国内一般取值为50年。
方式二:碳钢+热浸镀锌+热熔结耐候塑料(也称为柔性陶瓷)
本公司借鉴及创新了其它领域的高寿命的成熟防腐技术,针对各地腐蚀条件和行业防腐要求,与中国防腐蚀协会及南京工业大学,南京工程学院等单位合作研究,率先在国际上获得了埋地用钢结构的热浸镀锌加热熔结塑料的综合防腐技术,并已在国内高速公路埋地式钢质波纹管涵洞结构中运用,效果显著,获得行业好评。
2013年6月,以中国工程院院士侯保荣带队的国内知名防腐蚀专家和广东省交通厅副厅长陈冠雄带队的交通行业专家组成的专家组,对我公司热熔结塑料的镀锌波形钢板产品进行现场鉴定,现场审查生产设备、制造工艺、质量保证等环节,结合各项检测报告,用户反馈等资料,进行了严谨的评估和论证,得出了使用寿命可达100的结论。专家组名单与论证报告如下图示:



腐蚀试验:
 
该项技术获得了2016年南京市科技进步二等奖及江苏省公路学会优秀科技创新产品奖。

 

六、挡土墙

    该结构的挡土墙,可以采用传统的片石及混凝土式,但更宜采用钢结构的热镀锌波纹钢板式,省时省工省造价,如下图:
 
 拱桥纵向截面视图(十一)
 
拱桥横向主视图(十二)

七、支墩与构造连接方式


 图(十三)拱桥脚部与支墩螺栓联接图
槽钢法兰上钻有孔,与支墩上预埋螺栓坚固联接
 

 图(十四)充砼钢管结构与预埋螺栓安装图

八、本结构拱桥适宜的跨度

        本结构拱桥适宜的跨度为8米至50米,属于上承式拱桥。拱梁与路面之间宜采用回填土方式(或回填碎石方式)。拱顶回填土的最小厚度为1米。最大填土高度,根据拱桥的跨度确定。其中,当跨度为20米时,最大填土高度是15.5米。

九、单跨装配式钢-混凝土拱桥完整效果图(含波形钢板式挡土墙)

 
   

图(十五)单跨装配式钢-混凝土拱桥完整效果图(未含回填土)

十、多跨连拱结构

 
图(十六)连续多跨截面桥梁示意图    
 分流管作为副拱,加大过水量

十一、施工方式及工期

        本结构是全预制的装配式结构,包括钢管内混凝土的充填在内全部构件在工厂预制,在施工现场不再有任何加工工序,只有装配工序。在工期方面,因为平均每块标准结构板的面积约10m ²至20 m ²,所以安装速度很快。
       类似结构的钢结构涵洞在安徽省广德至宁国的调整公路工程中已经应用,该涵洞截面为4×4米,涵长25米。工期为6.5小时,不到一天,创造了涵洞建设工程的工期记录。
      该种结构我公司专门设计了一套施工方法并在工厂试装,根据上述工程实践及工厂试装的结果,一般情况下:一座跨度25米宽度30米的拱桥在混凝土支墩已完好的情况下,桥梁钢结构部分的施工工期约三天至五天,如果包含钢结构挡土墙,全部施工工期在一周之内。

备案号:苏ICP12345678 技术支持:首屏建站