部分填充混凝土钢管结构桥梁研究.pdf
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1、第 2 7卷 第 2期 2 0 1 0年 6月 尊 0 ; 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo l _ 2 7 No 2 J u n e 2 0 1 0 文章编号: 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 9 6 0 6 0 部分填充混凝土钢管结构桥梁研究 叶卓棋 , 杨 健。 , 刘永健 , 李运喜。 ( 1 东莞 市公路桥梁开发建设总公 司, 广东 东莞 5 2 3 1 2 0 ; 2 长安大学 桥梁 与隧道陕西省重点实验室
2、, 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ;3 江苏省交通科学研究 院股份有 限公司 , 江苏南京2 1 0 0 1 7 ) 摘要 : 在总结各国钢管结构研究现状 的基础上 , 分析 了部分填充混凝土钢 管结构的类型及 工程应 用 , 探 讨 了部分填 充混 凝土钢 管桁 架结构桥 梁的形式 , 展 望 了部 分填 充混凝 土钢 管桁 架新型结 构桥 梁的优势 和应 用前景 , 最后 以一座 刚性 悬索加 劲的 三跨 连 续钢桁 梁桥 为例 进 行 了部 分填 充 混凝 土 前后 的静 动力特 性对 比分析 。结果表 明 : 在 钢桁 梁桥 弦杆 内填 混凝 土 能降低杆 件 的应力 水平 ,
3、提 高 桥 梁的整体 刚度 。 关键词 : 部 分填充 混凝 土钢 管结构 ; 钢 管桁 架结构桥 梁 ; 静 动 力特性 ; 弦杆 中图分 类号 : U4 4 8 3 8 文 献标 志码 : A Re s e a r c h o n Pa r t i a l l y Co n c r e t e 。 f i l l e d S t e e l Tu b u l a r Br i d g e s YE Zh u o q i 。YANG J i a n ,LI U Yo n g j i a n 。 ,I I Yu n x i 。 ( 1 Do n g g u a n Ro a d& B r i
4、d g e De v e l o p me n t C o n s t r u c t i o n Co r p o r a t i o n,Do n g g u a n 5 2 3 1 2 O,Gu a n g d o n g ,Ch i n a 2 Ke y La bo r a t or y f o r Br i d ge a nd Tu nne l o f Sha a n xi Pr o vi nc e,Cha ng a n Uni ve r s i t y,Xi a n 7 1 00 6 4,Sha a n xi , C h i n a ;3 J i a n g s u Tr a n
5、s p o r t a t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ,I t d,Na n j i n g 2 1 0 0 l 7,J i a n g s u,Ch i n a ) Ab s t r a c t :A s umma r y o f e xi s t i ng r e s e a r c h e s on s t e e l t u bul a r s t r uc t u r e s wa s p r e s e nt e d St r uc t ur a l s t y l e s a n d e ng i ne e r i n g
6、 a p pl i c a t i on s f o r p a r t i a l l y c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u bu l a r br i d ge s we r e a n a l y z e d ba s e d o n t h e a bo v e r e s e a r c h e s St r uc t u r a l s t yl e s of pa r t i a l l y c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u bul a r t r us s b r i d g e s
7、 we r e a l s o a na l y z e d The pr o s p e c t s f o r t h e d e v e l o p m e nt o n t h i s n ov e l k i nd o f s t e e l t u bu l a r t r u s s br i d g e s a nd t he i r a d va nt a ge s we r e d i s c us s e dAt l a s t ,s t a t i c a n d d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c s of a c o nt
8、 i nu ou s s t e e l br i d g e s t i f f e n e d wi t h r i gi d c a b l e s we r e c o m p a r e d wi t h t h a t o f t h e p a r t i a l l y c o nc r e t e f i l l e d t r u s s b r i d ge The r e s ul t s s ho w t ha t t he s t r e s s e s of c ho r d m e m b e r s o f p a r t i a l l y c on c r
9、 e t e f i l l e d s t e e l t r us s br i d g e a r e de c r e a s e d,whi l e i t s i n t e g r a l s t i f f n e s s i s i n c r e a s e d Ke y wo r d s:pa r t i a l l y c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u bu l a r s t r u c t u r e;s t e e l t u bul a r t r u s s br i d ge;s t a t i c a nd
10、d yn a mi c c ha r a c t e r i s t i c:c h or d 引 目 桥梁结构总是伴随着新型结构形式和新材料的 产 生而不 断 发 展 进 步 的。从 1 8 8 9年建 成 的 F o r t h 铁 路桥算 起 , 钢 管结构 桥梁 经历 了空钢管 结构 、 钢管 混凝 土结 构 的发 展历 程 。 近年来 , 国外 一 些学 者 提 出 了部 分填 充混 凝 土 钢管结构桥梁的理念 , 使用填充混凝土的钢管和钢 筋 混凝 土桥 面组合 作 斜 拉桥 的主 梁 , 在桥 跨 不 同位 置 的钢 管 中采 用不 同的混 凝 土 填 充方 式 , 以适应 糸
11、! 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 4 2 2 基金项 目: 国家西部交通建设科技项 J ( 2 0 0 6 3 1 8 8 1 2 1 1 2 ) ; 交通部应I j 基础研究计划项 目( 2 0 0 6 3 1 9 8 1 2 1 3 0 ) 教育部新世纪优秀人才支持计划项 目( NC E T 一 0 6 0 8 5 5 ) 作者简介 : 叶卓棋( 1 9 6 7 一 ) , 男 , 广东东莞人 , 工程师, E ma i l : y z q 8 6 3 1 6 3 c o r n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 叶 卓棋 , 等 : 部
12、分填 充 混凝 土钢 管结 构桥 梁研 究 9 7 拉桥 主梁 的受 力 特点 。在桥塔 到跨 中的 过渡 段部 分填充轻质混凝土, 可以采用 2层 钢管 相套且在 中 间环 形填 充混 凝 土 的形 式 l 2 。 在 中国 , 陈宝 春提 出 的钢 管一 钢 管混 凝 土组 合 拱 桥 即为部 分 典充混 凝 土 钢 管 结 构 形 式 , 并 在 实 际桥 梁 中得到 j 应 用 。林 英 对 部分 填充 混凝 土 钢管 拱 桥 的 受 力性 能 进 行 了研 究 ; 潘 桥文 分 析 了不 同混 凝 填 充 长度 对 桥 梁结 构 动 力 特 性 的影 响 ; 张 贝 采用有限元软件分
13、析 了传统全部填充混凝土钢管拱 桥丰 部分填充混凝土钢管拱桥 的面内稳定性和使用 阶段的位移变形 , 并通过实桥算例说明 了部分填充 混凝 土钢 管拱 桥 具 有 自重 轻 、 稳 定 性 好 等 优 点 。钢 管桁架结构的主管内填充混凝土有助于提高主管轴 向刚度 , 提高节点强度 、 刚度及桁架整体承载力 _ 8 _ 。 部分 填充 混凝 土 钢管 桥梁 结构 是一 种新 型 桥梁 结 构形 式 , 目前 研究 和 应用 都相 对较 少 , 因此 探讨 和 总结 部分填 充 混凝 土 钢管结 构 桥梁 具有 重要 的理 论 意 义 和实用 价值 。 1 分类与应用 部 分填 充混 凝 土钢
14、管结 构 可分 为部 分填 充混 凝 土单管结构和部分填充混凝土钢管桁架结构 。对于 部 分填充 混 凝土 单 管 结 构 , 按 截 面 形 式 可 分 为 圆形 截 面和矩 形 截 面 , 矩 形截 面一 般称 为钢 箱 截面 ; 圆形 截 面杆件 的 部分填 充 混凝 土钢 管 桁架 一般 称为 钢 管 桁架 , 矩 形截 面杆 件 桁 架 截 面较 小 的 可 以称 为钢 管 桁架 , 截面较大的习惯称为钢箱桁架。 部分 填充 混凝 土 钢管 结构 在各 国桥 梁 中已有应 用 , 只是 由于 数 量 较 少 , 尚没 有 形 成 独 立 的 结 构 概 念 。早期 有 的桥 梁采 用
15、 了部 分 填 充 理 念 , 但 不一 定 是 出 于 对 结 构 受 力 的 考 虑 , 如 法 国 的 An t r e n a s桥 ( 图 1 ) , 该桥 跨径 5 6 IT I , 桥 面 宽 1 1 m, 是 一 空 间桁 式 组合结构 , 为提高钢管拱的抗冲击能力 , 在其两端拱 脚部 分填 充 了混凝 土 。 西 东 图 1法 国 An t r e n a s桥 ( 单 位 : m) F i g 1 An t r e n a s Br i d g e i n F r a n c e f Un i t : m) 文献 1 中提 出的斜 拉桥 型 , 使用 部分 填充 混 凝
16、土的钢 管 和钢筋 混 凝 土 桥 面 组 合 作 斜 拉桥 的 主梁 , 以适 应斜 拉 桥 主梁 的受力 特 点 。笔者 通过 对设 计 的 一 座 9 0 0 m 斜 拉桥 的分 析 与试 验 , 说 明这 种 新结 构 是 可行 并具 有竞 争力 的 , 提 出的填 充思 路 为 : 在 边跨 端部 支 座处 ( 区域 A1 ) 可能会 产 生支 座负 反力 , 可 以 在此 区域 全部 填 充 混凝 土 , 以 减 少 可 能产 生 的负 反 力 ; 桥塔 附近 主梁 内 ( 区域 A2和 B ) 存 在 巨 大 轴 压 力 , 在此 区域 内全部填 充 混凝 土 , 可 以有 效增
17、 加抗 压 能力 ; 而 在跨 中部 位 ( 区域 C ) 压 力很 小 , 在 此 区域 可 不 填 混凝 土 , 以避 免跨 中质 量对 边跨 的不 利影 响 , 如 图 2所 示 。 ( a ) 效 果 图 20 2 5 f b ) 主 梁截 面 垒! 垒 一 _ 星 1 旦 垒 2 0 0 5 0 0 2 0 0 ( c )总 体 布 置 图 2 部分填 充混凝土钢管斜拉桥 ( 单位 : m) Fi g 2 Cab l e - s t a y e d Br i dg e s wi t h Pa r t i a l l y Co nc r e t e - f i l l e d S t
18、e e l T u b u l a r Gi r d e r s( Un i t : i n) 在 中 国 , 福 建 福 鼎 山前 大 桥 、 重 庆 万 盛 藻 渡 大 桥 、 广东 佛 山东平 大 桥 等 采 用 了部 分 填 充混 凝 土 单 管结 构 , 其 中福建 福鼎 山前 大桥 采 用 圆形 截 面 , 重 庆 万盛 藻 渡大 桥 、 广 东佛 山东平 大桥 采用 钢箱 截面 。 福建 福 鼎 山前 大 桥 1 。 。 采 用 下 承式 刚架 系 杆 拱 ( 图 3 ) , 拱 肋 采 用 O1 2 0 0的钢 管 , 两 拱 脚 段 的 水 平 投影长 1 6 3 0 5 i
19、T I 的范 围 内( 接 近 L 4处 , L为桥 长 ) 为 钢管混凝 土截 面 , 拱 顶段 的水平 投影 长 4 2 3 9 m 的 范 围内为 空管 截面 。空管 段 钢 管 壁厚 2 O mm, 钢 管 混 凝 土段 钢管 壁厚 1 6 F i l m。 重庆 万盛 藻渡 大桥 为钢一 混 凝 土组 合 拱 桥 , 拱 肋 截 面 为钢箱 截 面 , 拱脚 区段 钢 箱 内和 跨 中区 段钢 箱 顶 面浇 注混 凝 土 ( 图 4 ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0车 图 3 山 前大 桥 ( 单
20、 位 : c m J F i g 3 S h a n q i a n Br i d g e( Un i t : c m) 图 4藻 渡大 桥 Fi g 4 Za o d u Br i d g e 广东佛 山东 平 大 桥 ( 图 5 ) 主 桥 的 跨 径 组 合 为 4 3 5 m+9 5 5 1T I +3 0 0 m+9 5 5 m+4 3 5 I n , 总 长 5 7 8 n l , 由 3片 拱肋 组 成 。该 桥 为 多 重组 合 体 系拱 桥 , 其 主拱 、 副拱 和 刚性 系 梁 均 采 用 带 加 劲 肋 的钢 箱 , 而边拱 采用 钢箱 混 凝 土 , 从 体 系上 来
21、看 , 属 于部 分 填充混凝 土钢 箱结 构 。 图 5 东 平大 桥 ( 单 位 : c m) F i g 5 D o n g p i n g B r i d g e( Un i t : c m) 部分 填充混凝 土 钢管桁 架结构 桥梁是 对部 分填 充混凝 土单 管结构 桥 梁 的进 一 步 发 展 , 湘潭 四桥 和 衡酃路湘江特大桥均为部分填充混凝土钢管桁架结 构 , 桁架构件均采用圆形截面。 湘 潭 四桥 是湖 南省湘 潭市 二环线 上跨越 湘江 的 一 座特 大桥 ( 图 6 ) , 桥 型 为 双 飞雁 斜 拉 钢 管 拱混 凝 土桥 。主桥 的跨 径 组合 为 1 2 0
22、m+4 0 0 m+1 2 0 m, 边跨 比为 0 3 。大桥主拱采用 中承式无铰双肋平行 桁架 拱 , 每 个 肋 由 6 08 5 0钢管 混 凝 土 组 成 , 拱 顶 下 弦管在无斜拉索区域采用空钢管结构截面 。 衡 酃路 湘江 特大桥是 湖南 衡 阳市 的一 座双层 桥 ( 图 7 ) , 主桥 的 跨径 组 合 为 6 0 m+ 6 0 13 3 + 1 8 4 m+ 6 0 m+6 0 m, 为钢 管桁 梁 系 杆拱 。边 拱 拱肋 采 用 2 根单管 形成桁 架形 式 , 拱 肋 上下 杆 通过 腹 杆 或腹 板 形 成桁架 形式 , 上 弦杆 与上 层 桥 面 以上 采 用
23、桁 架 式 图 6 湘 潭 四桥 ( 单位 : I l1 ) F i g 6 F o u r t h B r i d g e i n Xi a n g t a n ( Un i t : m) 图 7衡 酃 路 湘江 特 大 桥 ( 单 位 : c m) F i g 7 X i a n g R i v e r B r i d g e a t He n g l i n g R o a d( U n i t c m) 钢管混凝土拱肋 , 以下采用哑铃型实腹式拱肋 , 拱肋 在拱 脚一 定 长度 范 围 内填充 C 5 0 昆 凝 土 , 其余 部位 为空 钢管段 。主 拱 为 中承 式 无 铰双 肋
24、 形 式 , 上层 桥 面 以上拱肋 采用 全桁 架 式 , 以下 部位 至 拱 脚段 拱 肋 采用双哑铃型实腹式 , 拱肋在拱脚的一定范围内灌 注 C 5 0的混凝 土, 其余部分为空钢管段, 空钢管内 设 环形 横 向加 劲 肋 以及 4道厚 1 0 mm、 高 1 0 0 mm 的纵 向加劲肋 , 灌 注混 凝 土 段 和空 钢 管 段 以钢 板 隔 开 , 并 采取 一定 的加劲 措施 1 。 2 填 充混凝土 的方法及优势 在钢管 桁架 的弦管 中填 充混凝 土就形 成 了钢管 混凝 土 桁 架 结 构 。近 年 来 , 钢 管 混 凝 土 桁 架 是 1 0 0 m以上跨 径钢 管
25、 混凝 土拱 桥 拱肋 的主 要结 构 形 式 ; 同时 , 钢管 桁架 、 钢 管 混 凝 土桁 架 在 梁式 桥 中也 采用 较 多 , 从 已经建 成 的桥 梁来 看 , 钢 管桁架 结构在 桥梁 中具 有 显 著 的 技 术 经 济 效 益 和 推 广 应 用 的价 值 。在广 东南 海市 紫 洞大 桥 、 湖 北 秭 归 县 向家 坝大 桥和四川万州大桥等工程 中, 钢管混凝土桁架结构 首次被 应用 于连续 刚构 和 斜 拉桥 , 技 术 经 济效 益 十 分 显 著 。 对 于大 跨 桥梁 结 构 , 将 弯矩 转换 成 轴力 无 疑是 有利 的 l ” 。桁架 构 件 以轴 心
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