摘 要

钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土从而形成的一种组合结构，它能够将混凝土和钢材这两种材料的优点有效地发挥出来。下承式系杆拱桥为外部静定、内部超静定结构，其拱和梁在拱脚处刚结，下部结构类似于简支梁桥。钢管混凝土系杆拱桥满足高速铁路桥梁在安全性、高平顺性、景观、跨越能力等方面的要求，在国内外高速铁路中得到很好的应用效果。

本文根据设计资料和相关铁路规范，首先进行方案比选，提出了钢管混凝土系杆拱桥、预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续刚构桥三种方案，并对三种方案进行了初步的尺寸拟定和介绍，最终综合经济、景观等方面采用了钢管混凝土系杆拱桥作为最终方案。

接下来对钢管混凝土拱桥进行细部设计，拟定各部分的尺寸。采用Midas/Civil建立有限元模型，进行一次成桥分析计算，并进行主梁估索和配索设计。运用刚性连续梁法和刚性吊杆法两种不同吊杆张拉力的设定方法对拱桥吊杆张拉力进行设计。进行施工阶段和成桥状态全过程模拟计算分析，检算各种荷载工况下的桥梁应力、变形均符合工程规范要求。

关键词：钢管混凝土；下承式系杆拱桥；吊杆张拉力；施工阶段；运营阶段

Abstract

Steel concrete structure is a new type of composite structure, which is formed with concrete and steel tube. It is possible to effectively play the advantages of steel and concrete of the two materials. The arch rib and beam of through tied arch bridge rigid at the foot of the arch and the arch is supported on piers bearing. It is similar to the simply supported beam bridge. It is external indeterminate and interior statically indeterminate structure. In safety, high ride comfort, the landscape and long span, it meet the requirements of the high-speed railway bridge. It obtained a large number of applications in the high-speed railway at home and abroad.

According to the design assignment and the present railroad bridge design specification, take the geological and topographical conditions of the bridge site for further analysis, after preliminary selection, three bridge type schemas are promoted, which are concrete-filled steel tubular（CFST）arch bridge, Prestressed concrete beam bridge and prestressed concrete rigid frame bridge. Based on the philosophy of bridge design as “practicability, economy, security, aesthetics”, advantages and disadvantages of three options are compared. The CFST arch bridge is selected as the main design scheme.

The layout of the assumed through CFST arch bridge is studied out. Based on construction stages the spatial FEM simulation model is established. The initial suspender tensile force is calculated by two different methods and then chose the appropriate tensile force. Through the analysis of construction stages, the stress and displacement of the arch ribs and girder meet the requirements of the related standards. The internal forces, stress, displacement of arch ribs and girder and suspender tensile forces is calculated and analyzed under all load combinations during service stages.

Keywords: concrete-filled steel tubular (CFST); through tied arch bridge; Suspenders Tension; construction stages; service stages

目录

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1钢管混凝土拱桥发展概况 1

1.2钢管混凝土拱桥设计和施工关键技术 1

1.2.1施工过程模拟分析 1

1.2.2拱桥吊装分析与拱肋轴线线型控制 1

1.2.3钢管混凝土拱桥收缩徐变性能分析 2

1.3本文的主要研究内容 2

第二章 设计基本情况说明 3

2.1设计资料 3

2.2设计技术标准 3

2.3主要材料 3

2.4设计规范 4

第三章 桥型方案比选 5

3.1方案比选的意义及要求 5

3.2初选方案 5

3.3比选方案一：下承式钢管混凝土拱桥 5

3.3.1桥跨布置 5

3.3.2主桥上部构造 7

3.3.3引桥上部构造 8

3.3.4下部结构 8

3.3.5施工方案拟定 8

3.3.6受力特征 8

3.3.7主要工程量 9

3.4比选方案二：预应力混凝土连续梁桥 9

3.4.1桥跨布置 9

3.4.2主梁上部结构 9

3.4.3下部结构尺寸 11

3.4.4施工方案拟定 12

3.4.5受力特征 12

3.4.6主要工程数量 12

3.5比选方案三：预应力混凝土连续刚构桥 12

3.5.1桥跨布置 12

3.5.2主梁上部结构 12

3.5.3下部结构尺寸 14

3.5.4施工方案拟定 14

3.5.5受力特征 14

3.5.6主要工程数量 16

3.6方案比选 16

第四章 钢管混凝土拱桥构造设计 17

4.1总体设计 17

4.2拱肋设计 17

4.2.1拱轴线与矢跨比 17

4.2.2拱肋截面 18

4.3横撑设计 18

4.4主梁构造 19

4.4.1主梁截面 19

4.4.2拱脚构造 19

4.4.3桥面布置 20

4.5吊杆形式及构造 20

4.6支座 21

第五章 空间有限元模型的建立 22

5.1设计荷载及组合 22

5.1.1恒载 22

5.1.2活载 22

5.1.3温度荷载 23

5.1.4荷载组合 23

5.2计算方法 23

5.3模型的建立 23

5.4吊杆张拉力的确定 24

5.4.1吊杆张拉力控制方法 24

5.4.2刚性支撑连续梁法 24

5.4.3刚性吊杆法 28

5.4.4吊杆张拉力的比选 28

5.5主梁预应力筋估算 28

5.5.1计算原理 28

5.5.2预应力筋的估算 30

5.5.3主梁预应力筋布置 31

第六章 施工阶段计算分析 32

6.1施工阶段分析方法 32

6.2施工阶段的划分 32

6.3施工阶段图示 33

6.4施工阶段拱肋应力分析 34

6.4.1施工阶段拱肋最大、最小应力 35

6.4.2主要施工阶段拱肋应力 35

6.4.3施工阶段拱肋钢管和混凝土应力变化 39

6.4.4施工阶段拱肋钢管和混凝土应力检算 40

6.5施工阶段主梁应力分析 40

6.5.1施工阶段主梁最大、最小应力 40

6.5.2各施工阶段主梁应力变化 41

6.5.3施工阶段主梁应力检算 42

第七章 运营阶段分析 43

7.1运营阶段应力验算 43

7.1.1拱肋钢管混凝土应力验算 43

7.1.2横撑应力验算 44

7.1.3主梁应力验算 44

7.1.4吊杆应力验算 45

7.2运营阶段变形验算 46

7.2.1梁端转角 46

7.2.2梁体竖向挠度 46

7.2.3梁体横向变形 47

7.3拱肋稳定性分析 47

第八章 结论与问题 50

8.1结论 50

8.2存在的问题及建议 50

参考文献 52

致谢 53

附录一：设计图纸 54

附录二：英文原文及翻译 55

第一章 绪论

1.1钢管混凝土拱桥发展概况

前苏联首先将钢管混凝土应用于拱桥结构中。1937年，前苏联利用钢管混凝土做拱肋建造了跨径为110m的跨越涅瓦河的拱梁组合桥。1939年，前苏联建造了跨径为140m的上承式钢管混凝土桁肋铁路二铰拱桥。此后相当长时间内，世界范围内再也没有修建类似的桥梁。拱桥本身是主要承受压弯的结构形式，因而钢管混凝土在拱桥的应用上具有十分适合的条件。1990年，我国第一座钢管混凝土拱桥于四川的旺苍东河大桥上建成，它是跨径为110m的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥。它的出现使我国的桥梁建设又焕发了生机。由于钢管混凝土拱桥所具有的承载能力高，施工时拱肋钢管可作为混凝土浇筑模板，造型也十分美观等突出特点，加之现代高性能混凝土研究不断深入和现代混凝土泵送技术的广泛应用，同时我国也处在大规模交通基础建设时期，钢管混凝土拱桥在我国发展十分迅速，拱桥已经成为中等跨度和大跨度桥梁中一种极具竞争力的桥型方案之一。据不完全统计，我国在建和已建钢管混凝土拱桥已达300余座,其中跨度大于或等于50m的钢管混凝土拱桥229座，跨度大于200m的约40座，最大跨度的钢管混凝土拱桥已达460m，是2005年建成的重庆巫山长江大桥。

1.2钢管混凝土拱桥设计和施工关键技术

在钢管拱桥设计和施工中，拱桥施工安全、受力性能和结构耐久性等关键问题有许多影响因素，能否解决好各种影响因素对拱桥结构的影响，对于拱桥施工和运营安全性都是至关重要的，这些问题的解决有利于促进钢管混凝土在拱桥结构中的推广。

1.2.1施工过程模拟分析

钢管混凝土拱桥的施工工序很多，一般包括桥墩基础、承台和墩台施工、系杆安装与张拉、横纵梁施工、拱肋空钢管安装、管内混凝土灌注、吊杆安装与张拉、桥面二期施工等等。桥梁施工工序多，随着施工的进行结构体系不断变化，而且现场气候条件、水文地质条件对其影响巨大。对于多跨连续钢管混凝土拱桥，每跨工序的施工都会影响其他跨的结构受力、变形及施工进度等等，具有联动效应。在实际施工过程中，很可能因为气候、水文等各种原因通常会导致一些既定工序不能按期完成，必须根据施工进度进行合理的调整。因此，对施工过程进行模拟分析，并对施工工序进行优化，在确保安全的前提下实现桥梁施工工序的最优设计，以期加快施工进度、减少施工成本，是拱桥设计与施工中的一个关键问题。

1.2.2拱桥吊装分析与拱肋轴线线型控制

随着拱桥施工的进行，结构受力体系和刚度会不断的变化，在拱肋合拢前抗风能力和结构稳定能力较差。合拢后，吊杆张拉阶段因为不同的张拉次序，拱肋可能出现不同程度的施工阶段位移，成桥后会与设计拱轴线产生较大的偏离，而成桥后又很难再来调整。拱肋安装方法有很多，如满堂支架法、转体施工法、缆索吊装法等，不同的施工方法都因为各自的施工特点肯定会对施工阶段拱桥力学性能和成桥后拱肋线型产生很重要的影响，也会影响施工进度和施工造价。因此，根据工程特点、现场人员、设备和技术条件确定合理的拱肋施工方案，并根据施工分析和施工监控将拱轴线控制在合理容许范围内是钢管混凝土拱桥设计与施工中又一关键问题。

1.2.3钢管混凝土拱桥收缩徐变性能分析

在近年的工程实践中发现成桥后的钢管混凝土拱肋会出现钢管与核心混凝土脱空的现象。钢管与核心混凝土出现脱空现象，影响了钢管与混凝土的共同工作，原由的基于钢管与核心混凝土的共同工作计算原理与设计方法是否适用受到质疑。工程中有采用微膨胀混凝土灌注拱肋的方法，但养护28d达到设计强度后，抽样检测发现仍有10%~20%的测点出现脱空，而且在成桥后的1~2年脱空程度进一步加大。揭示出钢管混凝土拱桥中核心混凝土收缩和徐变对拱桥施工和成桥后受力性能影响机理，找到合适的钢管混凝土收缩和徐变计算方法也是钢管混凝土拱桥设计与施工中的关键问题之一。

1.3本文的主要研究内容

本文以高速铁路桥梁为工程背景，采用下承式钢管混凝土系杆拱桥，拟定各部分尺寸，运用Midas/Civil建立有限元模型，进行一次成桥分析计算，并进行主梁估索和配索设计。运用刚性连续梁法和刚性吊杆法两种不同吊杆张拉力的设定方法对拱桥吊杆张拉力进行设计。划分施工阶段，进行施工阶段和成桥状态全过程模拟计算分析，检算各种荷载工况下的桥梁应力、变形是否符合工程规范要求。

第二章 设计基本情况说明

2.1设计资料

（1）桥位地质、地形剖面图，见图2.1。

（2）桥址处设计通航水位和最低水位，见图2.1。

图2.1 地质图

2.2设计技术标准

（1）铁路等级：高速铁路