钢管混凝土简支系杆拱在部分规范中的比较

许 慧 峰

(同济大学，上海 200092)



钢管混凝土简支系杆拱在部分规范中的比较

许 慧 峰

(同济大学，上海 200092)

结合钢管混凝土简支系杆拱桥的设计实例，比较了2013版《钢管混凝土拱桥技术规范》与部分地方标准和行业标准在材料强度选取、极限承载力和稳定承载力计算、挠度和应力验算以及构造要求等方面的异同点，总结了新规范的特点。

钢管混凝土简支系杆拱桥，比较，冲击力，持久状况计算

1 概述

钢管混凝土简支系杆拱桥因其外形优美且兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁对地基适应能力强的特点，从而得到了广泛的应用。然而很长一段时间内，都缺乏一本全国性的桥梁设计标准可用于指导设计工作。2013版《钢管混凝土拱桥技术规范》(下称“新规”)的推出，填补了这样的一个空白，对桥梁设计质量的提高也有重要作用。

本文结合工程实例对钢管混凝土简支系杆拱桥设计在“新规”及部分地方标准和行业标准中的异同作一个比较。

2 工程实例比较

2.1 工程实例介绍

某工程正交桥主桥采用钢管混凝土简支系杆拱，单跨72m。主桥上部结构由钢管混凝土拱肋、预应力混凝土系梁与横梁、柔性吊杆及整体化桥面系组成。系杆拱拱高14.0m，矢跨比f/L=1/5，拱轴线为二次抛物线，下承式双片拱肋，拱肋截面形式为哑铃形，钢管拱肋间设置5道风撑。

2.2 材料强度

2.2.1 钢管材料强度

从表1中可看出，对于钢管，“新规”的取值是较为保守的，这也符合相关国家标准“桥梁的可靠指标应大于一般建筑结构”的要求。

表1 部分规范钢管材料强度指标

2.2.2 混凝土材料强度

混凝土材料的取值，部分规范的差别不大(见表2)。

表2 部分规范混凝土材料强度指标 MPa

“新规”的数值源于《混凝土结构设计规范》，而未采用现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(下称“公预规”)，二者的差别即在于材料安全系数取值不同。

2.3 作用与组合

“新规”采用了基于概率理论的极限状态设计方法，这是目前比较主流的设计理念。但对于钢管混凝土构件承载能力理论，我国主要有两种理论：“统一理论”和“极限平衡理论”。“新规”应属“极限平衡理论”，即假定钢材进入塑性后为无限塑性，计算出构件极限承载能力，其承载力为钢管和混凝土的叠加，并考虑钢管套箍作用。重庆的地方标准《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(下称“重庆地标”)则采用了“统一理论”，即将钢管和混凝土视为复合材料，按整体的特性计算承载力。

针对于城市或公路桥梁，相应规范中的作用及组合均符合《公路桥涵设计通用规范》或《城市桥梁设计规范》的要求。但“新规”中对于钢管混凝土拱肋的汽车冲击系数单独作出要求，以便区分与拱桥桥面系的差别。

通过有限元方法计算得出结构基频，进而求得冲击系数如表3所示。可见，新规计算的拱肋的冲击力较其他规范有较大提高，对拱肋的强度要求是较高的。

表3 部分规范汽车冲击系数

2.4 承载能力及安全储备

经计算，将“新规”及部分规范承载能力和安全储备分别汇总于图1，图2中。

由于采用了相同的荷载效应以便比较，故“新规”安全储备数值与部分规范较为接近，若考虑冲击系数的影响，则“新规”的安全储备将更低，即其要求也更严苛。

2.5 稳定计算

“新规”与“重庆地标”均提出了钢管混凝土拱桥进行空间稳定性的计算要求，弹性稳定特征值均要求控制在4以内，同时也要求对面内整体稳定承载力进行计算，以下汇总了部分规范稳定承载能力的安全储备。

现行《钢管混凝土结构技术规程》规范中并未明确提出稳定承载力，但其折减系数已暗含了稳定系数，故将其纳入图3中。

可见，“新规”的安全储备数值基本位于低值，说明其对于结构整体稳定性的要求也较高。

另外几本规范对于拱肋等效计算长度略有不同，主要反映在计算长度系数的细微区别(见表4)。

表4 部分规范计算长度与拱轴线长度比值

2.6 持久状况计算

构件的应力以及挠度是钢管混凝土拱桥在正常使用极限状态下的两个重要验算的内容。

“新规”参照现行《公路圬工桥涵设计规范》，延续了原《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》的理念，要求消除自重影响后，短期效应组合的正负挠度绝对值之和控制在计算跨径的1/1 000以内，同时贯彻了现行“公预规”的思路，要求计入长期效应组合的影响，更真实反映了构件随时间增长的工作状态。对于冲击力的态度也是“可”，给予设计者根据实际情况进行把控的权利。“新规”还在条文说明中引入了“舒适度”的概念，为规范的持续发展埋下了伏笔。“重庆地标”则参照了原“公预规”的写法，要求将挠度控制在计算跨径的1/800，且明确不计冲击力，但并未明确是否引入长期增长系数。而在计算预拱度时则参照了现行“公预规”，可见其在规范的延续上尚不完全统一。

两本规范对于持久状况下拱肋钢管应力控制是一致的，均为0.8fy，但前提条件不尽相同。构件应力计算的实质是承载力计算，故现行“公预规”将其与正常使用极限状态计算分为两章论述。“新规”则将其合并，对于冲击力的态度均是“可”。重庆的地方标准也将两者合二为一，但单独予以小节进行了规定，并要求“应”考虑冲击系数。

2.7 施工阶段应力计算

“新规”中提出应对主要施工阶段进行计算，包括构件的应力、变形及稳定计算，且对拱肋架设中弹性稳定特征值要求控制在4以上，但是对其应力及变形则不再有明确的计算数值控制。“重庆地标”也提出了按各施工阶段得到应力、变形及稳定等结果，给出了管内混凝土及钢管的应力控制值，但对稳定的控制值却未提及。现行《钢管混凝土结构技术规程》也仅有空钢管管壁竖向应力小于0.4fy的数值要求。

2.8 其他

“新规”中提出了很多的结构与构造要求，涉及到矢跨比、径厚比、约束效应系数以及截面含钢率等多方面的建议或控制值，其他规范也或多或少提出了一些构造尺寸要求，为桥梁设计提供了极大的便利。“新规”与“重庆地标”还提出了吊索与系杆索须具有可检查及更换的构造与措施，为使易损构件不影响全桥寿命提供了保障。此外，“新规”还要求加强中下承式拱桥结构整体强健性，避免恶性事故发生，这是其他规范未提及的。

3 结语

“新规”材料强度取值方面与其他规范略有不同，尤其对于钢管的要求较高。

“新规”采用“极限平衡理论”，对拱肋的冲击力较其他规范有较大提高，从而提高了对于拱肋的强度要求。

对于拱肋的承载力，“新规”的计算值处于低值，偏于安全，对于结构整体稳定性的要求也较高。

持久状况计算中，“新规”对于挠度的计算沿用现行桥梁主要规范的理念，较其他规范贯彻的较好，但在钢管应力控制上，对于冲击力的记取与否有些模糊。

“新规”对施工阶段计算有框架性要求，但具体数值控制不明确。

“新规”对结构与构造要求较为具体和细致，利于桥梁结构设计。

[1]GB50923—2013，钢管混凝土拱桥技术规范.

[2]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范.

[3]JTGD62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.

[4]CQJTG/TD66—2011，公路钢管混凝土拱桥设计规范.

[5]CECS28∶2012，钢管混凝土结构技术规程.

[6]JCJ01—89，钢管混凝土结构设计与施工规程.

Comparisonofdesignonbowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltubewithseveralcodes

XuHuifeng

(Tongji University， Shanghai 200092， China)

Withadesignexampleofabowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltube,theyarecomparedthatthedifferencesbetweenTechnical Code for Concrete-Filled Tube Arch Bridges, 2013andseveralstandardsorspecificationsintheselectionofmaterialsstrength,thecaculationofultimatestrengthandstabilitybearingcapacity,thecheckingofdeflectionandstress,detailingrequirements,etc..Thefeaturesofthenewcodearealsoconcluded.

abowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltube,comparison，impactforce，calculationinpersistentsituation

1009-6825(2015)01-0176-02

2014-10-22

许慧峰(1980- )，男，工程师

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