公路鋼管混凝土拱橋設計規范

2015 年年底，交通運輸部發(fā)布并實(shí)施了《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG/TD65—06—2015）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規范》）?！兑幏丁诽岢隽艘幈茕摴軆然?凝土脫空的技術(shù)措施和初應力的影響，計入了脫空和初應力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設計要求，提出了橋面梁結構整體性設計要求；引入了完整性的概念設 計，強化橋梁細節構造設計要求；提出了主拱強度、剛度、穩定與動(dòng)力性能指標綜合計算要求與評價(jià)要求……本期特別邀請了部公路局技術(shù)管理處及《規范》編制組 的有關(guān)同志--四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院總工程師莊衛林對其進(jìn)行解讀。
      技術(shù)要求體現橋梁特點(diǎn)
      該 《規范》制定的內容，體現了鋼管混凝土拱橋承受活載、結構、施工的橋梁特點(diǎn)，主要體現在：提出了規避鋼管內混凝土脫空的技術(shù)措施和初應力的影響，計入了脫 空和初應力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設計要求，提出了橋面梁結構整體性設計要求，解決了吊索斷裂造成橋面梁坍塌的技術(shù)難題；根據拱橋成拱工藝復雜的 特點(diǎn)，提出了專(zhuān)門(mén)的施工計算要求；引入了完整性的概念設計，強化橋梁細節構造設計要求；提出了主拱強度、剛度、穩定與動(dòng)力性能指標綜合計算要求與評價(jià)要 求；根據實(shí)際工程調查，規范主張合理、先進(jìn)、易于施工的結構構造，放棄復雜、多次造成工程質(zhì)量事故的結構構造；根據國內外計算，提出了相對合理的鋼管混凝 土節點(diǎn)、徐變等計算方法。
      《規范》規定的內容來(lái)源于國內大量工程科研、設計、施工和養護的實(shí)踐，通過(guò)已建工程總結和提高；同時(shí)，又將規定的內容試用于廣安奎閣大橋、合江長(cháng)江一橋等十余座鋼管混凝土拱橋的設計中，得到了工程的實(shí)際驗證，內容成熟可靠。
      采用極限狀態(tài)設計方法
      現行《公路工程結構可靠度設計統一標準》（GB/T50283—1999）要求采用概率極限狀態(tài)設計方法，《規范》采用了極限狀態(tài)設計方法，與我國現行公路橋梁設計理論體系取得保持了一致。
      《規 范》確定了采用“統一理論”作為編制的基礎；依據已有的研究成果，確定了鋼管初應力對鋼管混凝土性能影響的計算方法；根據橋梁高性能混凝土技術(shù)發(fā)展，規定 了鋼管內混凝土性能指標要求，保證鋼管內混凝土灌注順利、質(zhì)量可靠；規定了脫空對鋼管混凝土性能影響的極限承載能力計算方法和剛度修正；依據大量試驗結 果，提出了鋼管節點(diǎn)承載力計算與驗算方法；根據鋼管混凝土高強、輕質(zhì)和大跨特點(diǎn)，提出了主拱強度、剛度、穩定計算方法和非線(xiàn)性影響的計算要求；根據鋼管混 凝土截面特點(diǎn)和試驗結果，制定了鋼管溫度影響與計算方法；為充分發(fā)揮鋼管混凝土受壓承載的特點(diǎn)，規定了單管主拱、啞鈴形主拱、桁式主拱的計算最大值，既簡(jiǎn) 化了計算公式，又提高了設計參數的合理性；制定了鋼管混凝土主拱安裝成拱階段的計算、主拱鋼管內混凝土灌注階段的計算和主拱拱上加載計算的內容及要求。
      不同構造要求不同
      吊 索和系桿索——《規范》提出吊索應采用平行鋼絲或鋼絞線(xiàn)的成品索，其鋼絲或鋼絞線(xiàn)應經(jīng)過(guò)鍍鋅或環(huán)氧噴涂的防腐處理，索體不宜外露，應設有防護裝置。錨具形 式應結合拱、梁和索體構造選用，上下端錨具宜露出結構外，便于檢修和更換，并設置完整的防護及排水構造。結構設計時(shí)要合理處理吊索和系桿索的位移及耐久性 需要。構造細節設計時(shí)，應考慮維護及更換所需要的構造設施。
      主拱——啞鈴形的主拱結構，由于在腹腔內灌注混凝土時(shí)易出現腹板爆裂，而設計計算本身又不計入該截面的貢獻，且構造非常復雜。因此，《規范》不提倡采用在腹腔內灌注混凝土的結構構造，而采用鋼板或鋼管作為連接構造構件。
      現有鋼管混凝土桁式主拱，其節點(diǎn)、間距、桁高等參數形式多樣，造成橋梁發(fā)生病害。桁式主拱構造的關(guān)鍵是節點(diǎn)，《規范》規定了斜腹桿節點(diǎn)構造參數、平行腹桿幾何參數、主管與支管的參數匹配、疲勞構造細節、焊接接頭等構造設計要求。
      結合全國鋼管混凝土主拱安裝的經(jīng)驗，《規范》規定了鋼管成拱時(shí)主拱與拱座的連接構造、主拱節段構造、主拱合龍構造的要求。
      鋼 管混凝土肋式拱橋較多，因此，橫向連接構造是關(guān)鍵，根據橫向連接構造受力情況及施工難度，結合工程實(shí)踐及科研成果，本規范規定了一般采用空心鋼管作為橫撐 構件，其構造形式應根據主拱跨度、主拱構造等，優(yōu)化選擇一字式、K式、X式、米字式等結構。而肋間橫梁既是橫撐，又是橋面梁的橫梁，且其連接構造復雜，因 此，建議在進(jìn)行橋梁總體設計時(shí)就應認真研究，盡可能簡(jiǎn)化該橫梁的構造。
      結合鋼管混凝土拱橋設計、施工經(jīng)驗，提出了拱上立柱與蓋梁（或稱(chēng)橫梁）、主拱的連接構造要求，避免使用階段出現病害。
      鑒于大于300米跨度拱橋安裝的難度和施工風(fēng)險，一般主張由設計單位結合主拱構造完成主拱安裝體系的設計，《規范》提出了輔助構造，主要包括主拱安裝的輔助體系、主拱的輔助構造等內容。
      橋面梁的結構構造——調查、分析和研究了國內吊索斷裂的慘痛教訓，其中原因之一是橋面梁的構造體系問(wèn)題?！兑幏丁诽岢隽藰蛎媪阂话阋瞬捎眠B續結構體系，對于特大跨拱橋，建議采用整體性更好的鋼混組合橋面板。
      附屬構造與防腐體系——為了提高橋梁的耐久性，橋梁設計應關(guān)注防水、排水與橋梁檢修通道設計，根據橋梁重要部位及檢修需要，規范規定了防水設計要求和檢修通道構造設計要求，提出了鋼管防腐體系設計及工藝設計要求。
      安全是基礎廣泛吸取經(jīng)驗
      以 國內外相關(guān)試驗研究成果為基礎，吸收國內外近年來(lái)建設鋼管混凝土拱橋設計技術(shù)經(jīng)驗與教訓，結合《公路鋼管混凝土橋梁設計與施工指南》等一批資料為參考，聯(lián) 合國內鋼管混凝土拱橋設計、施工、科研的有關(guān)單位，邀請同行業(yè)知名專(zhuān)家咨詢(xún)指導和審查，確保編制的科學(xué)性、原則性、合理性、適用性。
      結合國內外鋼管混凝土技術(shù)成果和相關(guān)規范的統一、協(xié)調要求，制定的編制原則為：安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進(jìn)。安全是首要的，是編制原則的基礎。
      提升主要技術(shù)指標
      《規 范》關(guān)于鋼管混凝土計算方法、鋼管混凝土節點(diǎn)疲勞強度、脫空對鋼管混凝土性能影響、初應力對鋼管混凝土性能影響、自密實(shí)鋼管混凝土制備等研究?jì)热菥鶠閲?所沒(méi)有的，反映了我國鋼管混凝土拱橋領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗和最新研究成果，內容完整、理念先進(jìn)。因此，《規范》總體上代表了國際鋼管混凝土拱橋設計的最新成 果。
      填補空白科學(xué)指導工程建設
      《規范》作為行業(yè)技術(shù)法規，是交通行業(yè)規范體系中的一個(gè)重要組成部分，是公路橋梁系列設計規范的一部分，能夠解決目前大規模的公路鋼管混凝土拱橋建設缺少先進(jìn)理論指導的問(wèn)題。
      直接效益：《規范》符合實(shí)際，易于操作和理解，便于推廣和應用，對避免鋼管混凝土拱橋的不合理設計和提高設計技術(shù)具有重要意義，其制定并頒布實(shí)施后所產(chǎn)生的效益是顯著(zhù)而深遠的。
      間 接效益：我國雖然經(jīng)過(guò)了20多年400余座鋼管混凝土拱橋建設的大發(fā)展，但是總體建設水平有待提高和普及?！兑幏丁返闹贫?，總結提升了近年來(lái)所建工程積累 的先進(jìn)技術(shù)和成熟經(jīng)驗，并通過(guò)規范的形式在我國廣泛推廣和應用，進(jìn)一步指導工程實(shí)踐，為工程質(zhì)量提供保障，具有重大的社會(huì )效益。
      ■背景
      鋼管混凝土在國內外廣泛應用于土木工程，自1990年在四川旺蒼首次建成了主跨115米的旺蒼東河大橋以來(lái)，我國已建成400多座鋼管混凝土拱橋，但是一直沒(méi)有正式的規范，制定鋼管混凝土拱橋設計行業(yè)規范已經(jīng)刻不容緩了。
      這 些年來(lái)，依托建設工程，我國開(kāi)展了鋼管管節點(diǎn)強度、疲勞強度、鋼管混凝土受力性能、脫空和初始應力對鋼管混凝土工作性能影響、鋼管混凝土收縮徐變、構造設 計技術(shù)及管結構加工技術(shù)等多方面進(jìn)行了系統試驗研究，取得了大量研究成果，形成了相對完善的計算理論、構造技術(shù)和制造安裝工藝，編制行業(yè)規范已經(jīng)具備成熟 條件了。
      ■案例
      3月剛剛完成施工圖設計的杭紹臺高速公路跨杭甬運河橋，在《規范》出臺后，中交公規院的設計人員連夜對這座主跨105米鋼管混凝土系桿拱橋設計圖進(jìn)行更改，將拱肋鋼管在拱腳位置的預埋段長(cháng)度增加到2.5米，增加了傳力的均勻性，提高了結構穩定性。