《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》解讀
2016-03-04
拱橋在我國(guó)歷史悠久，也是大跨徑橋梁形式之一。鋼管混凝土拱橋與鋼筋混凝土拱橋、圬工拱橋相比，由于鋼管這種高強(qiáng)材料的應(yīng)用，使得橋梁自重大大減輕，跨度得以增大，近年來(lái)被廣泛采用。
去年年底，交通運(yùn)輸部發(fā)布并實(shí)施了《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD65—06—2015）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）?！兑?guī)范》提出了規(guī)避鋼管內(nèi)混凝土脫空的技術(shù)措施和初應(yīng)力的影響，計(jì)入了脫空和初應(yīng)力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設(shè)計(jì)要求，提出了橋面梁結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計(jì)要求；引入了完整性的概念設(shè)計(jì)，強(qiáng)化橋梁細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)要求；提出了主拱強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定與動(dòng)力性能指標(biāo)綜合計(jì)算要求與評(píng)價(jià)要求……本期特別邀請(qǐng)了部公路局技術(shù)管理處及《規(guī)范》編制組的有關(guān)同志對(duì)其進(jìn)行解讀，敬請(qǐng)關(guān)注。
解讀人：四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院總工程師莊衛(wèi)林
技術(shù)要求體現(xiàn)橋梁特點(diǎn)
該《規(guī)范》制定的內(nèi)容，體現(xiàn)了鋼管混凝土拱橋承受活載、結(jié)構(gòu)、施工的橋梁特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：提出了規(guī)避鋼管內(nèi)混凝土脫空的技術(shù)措施和初應(yīng)力的影響，計(jì)入了脫空和初應(yīng)力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設(shè)計(jì)要求，提出了橋面梁結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計(jì)要求，解決了吊索斷裂造成橋面梁坍塌的技術(shù)難題；根據(jù)拱橋成拱工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了專(zhuān)門(mén)的施工計(jì)算要求；引入了完整性的概念設(shè)計(jì)，強(qiáng)化橋梁細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)要求；提出了主拱強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定與動(dòng)力性能指標(biāo)綜合計(jì)算要求與評(píng)價(jià)要求；根據(jù)實(shí)際工程調(diào)查，規(guī)范主張合理、先進(jìn)、易于施工的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，放棄復(fù)雜、多次造成工程質(zhì)量事故的結(jié)構(gòu)構(gòu)造；根據(jù)國(guó)內(nèi)外計(jì)算，提出了相對(duì)合理的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)、徐變等計(jì)算方法。
《規(guī)范》規(guī)定的內(nèi)容來(lái)源于國(guó)內(nèi)大量工程科研、設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的實(shí)踐，通過(guò)已建工程總結(jié)和提高；同時(shí)，又將規(guī)定的內(nèi)容試用于廣安奎閣大橋、合江長(zhǎng)江一橋等十余座鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)中，得到了工程的實(shí)際驗(yàn)證，內(nèi)容成熟可靠。
采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法
現(xiàn)行《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50283—1999）要求采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，《規(guī)范》采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，與我國(guó)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)理論體系取得保持了一致。
《規(guī)范》確定了采用“統(tǒng)一理論”作為編制的基礎(chǔ)；依據(jù)已有的研究成果，確定了鋼管初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土性能影響的計(jì)算方法；根據(jù)橋梁高性能混凝土技術(shù)發(fā)展，規(guī)定了鋼管內(nèi)混凝土性能指標(biāo)要求，保證鋼管內(nèi)混凝土灌注順利、質(zhì)量可靠；規(guī)定了脫空對(duì)鋼管混凝土性能影響的極限承載能力計(jì)算方法和剛度修正；依據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，提出了鋼管節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算與驗(yàn)算方法；根據(jù)鋼管混凝土高強(qiáng)、輕質(zhì)和大跨特點(diǎn)，提出了主拱強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定計(jì)算方法和非線性影響的計(jì)算要求；根據(jù)鋼管混凝土截面特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果，制定了鋼管溫度影響與計(jì)算方法；為充分發(fā)揮鋼管混凝土受壓承載的特點(diǎn)，規(guī)定了單管主拱、啞鈴形主拱、桁式主拱的計(jì)算最大值，既簡(jiǎn)化了計(jì)算公式，又提高了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性；制定了鋼管混凝土主拱安裝成拱階段的計(jì)算、主拱鋼管內(nèi)混凝土灌注階段的計(jì)算和主拱拱上加載計(jì)算的內(nèi)容及要求。
不同構(gòu)造要求不同
吊索和系桿索——《規(guī)范》提出吊索應(yīng)采用平行鋼絲或鋼絞線的成品索，其鋼絲或鋼絞線應(yīng)經(jīng)過(guò)鍍鋅或環(huán)氧噴涂的防腐處理，索體不宜外露，應(yīng)設(shè)有防護(hù)裝置。錨具形式應(yīng)結(jié)合拱、梁和索體構(gòu)造選用，上下端錨具宜露出結(jié)構(gòu)外，便于檢修和更換，并設(shè)置完整的防護(hù)及排水構(gòu)造。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要合理處理吊索和系桿索的位移及耐久性需要。構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮維護(hù)及更換所需要的構(gòu)造設(shè)施。
主拱——啞鈴形的主拱結(jié)構(gòu)，由于在腹腔內(nèi)灌注混凝土?xí)r易出現(xiàn)腹板爆裂，而設(shè)計(jì)計(jì)算本身又不計(jì)入該截面的貢獻(xiàn)，且構(gòu)造非常復(fù)雜。因此，《規(guī)范》不提倡采用在腹腔內(nèi)灌注混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，而采用鋼板或鋼管作為連接構(gòu)造構(gòu)件。
現(xiàn)有鋼管混凝土桁式主拱，其節(jié)點(diǎn)、間距、桁高等參數(shù)形式多樣，造成橋梁發(fā)生病害。桁式主拱構(gòu)造的關(guān)鍵是節(jié)點(diǎn)，《規(guī)范》規(guī)定了斜腹桿節(jié)點(diǎn)構(gòu)造參數(shù)、平行腹桿幾何參數(shù)、主管與支管的參數(shù)匹配、疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)、焊接接頭等構(gòu)造設(shè)計(jì)要求。
結(jié)合全國(guó)鋼管混凝土主拱安裝的經(jīng)驗(yàn)，《規(guī)范》規(guī)定了鋼管成拱時(shí)主拱與拱座的連接構(gòu)造、主拱節(jié)段構(gòu)造、主拱合龍構(gòu)造的要求。
鋼管混凝土肋式拱橋較多，因此，橫向連接構(gòu)造是關(guān)鍵，根據(jù)橫向連接構(gòu)造受力情況及施工難度，結(jié)合工程實(shí)踐及科研成果，本規(guī)范規(guī)定了一般采用空心鋼管作為橫撐構(gòu)件，其構(gòu)造形式應(yīng)根據(jù)主拱跨度、主拱構(gòu)造等，優(yōu)化選擇一字式、K式、X式、米字式等結(jié)構(gòu)。而肋間橫梁既是橫撐，又是橋面梁的橫梁，且其連接構(gòu)造復(fù)雜，因此，建議在進(jìn)行橋梁總體設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)認(rèn)真研究，盡可能簡(jiǎn)化該橫梁的構(gòu)造。
結(jié)合鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，提出了拱上立柱與蓋梁（或稱(chēng)橫梁）、主拱的連接構(gòu)造要求，避免使用階段出現(xiàn)病害。
鑒于大于300米跨度拱橋安裝的難度和施工風(fēng)險(xiǎn)，一般主張由設(shè)計(jì)單位結(jié)合主拱構(gòu)造完成主拱安裝體系的設(shè)計(jì)，《規(guī)范》提出了輔助構(gòu)造，主要包括主拱安裝的輔助體系、主拱的輔助構(gòu)造等內(nèi)容。
橋面梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造——調(diào)查、分析和研究了國(guó)內(nèi)吊索斷裂的慘痛教訓(xùn)，其中原因之一是橋面梁的構(gòu)造體系問(wèn)題。《規(guī)范》提出了橋面梁一般宜采用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，對(duì)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(gòu)造與防腐體系——為了提高橋梁的耐久性，橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注防水、排水與橋梁檢修通道設(shè)計(jì)，根據(jù)橋梁重要部位及檢修需要，規(guī)范規(guī)定了防水設(shè)計(jì)要求和檢修通道構(gòu)造設(shè)計(jì)要求，提出了鋼管防腐體系設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)要求。
安全是基礎(chǔ)廣泛吸取經(jīng)驗(yàn)
以國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究成果為基礎(chǔ)，吸收國(guó)內(nèi)外近年來(lái)建設(shè)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，結(jié)合《公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》等一批資料為參考，聯(lián)合國(guó)內(nèi)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)、施工、科研的有關(guān)單位，邀請(qǐng)同行業(yè)知名專(zhuān)家咨詢指導(dǎo)和審查，確保編制的科學(xué)性、原則性、合理性、適用性。
結(jié)合國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土技術(shù)成果和相關(guān)規(guī)范的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)要求，制定的編制原則為：安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)。安全是首要的，是編制原則的基矗
提升主要技術(shù)指標(biāo)
《規(guī)范》關(guān)于鋼管混凝土計(jì)算方法、鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度、脫空對(duì)鋼管混凝土性能影響、初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土性能影響、自密實(shí)鋼管混凝土制備等研究?jī)?nèi)容均為國(guó)外所沒(méi)有的，反映了我國(guó)鋼管混凝土拱橋領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗(yàn)和最新研究成果，內(nèi)容完整、理念先進(jìn)。因此，《規(guī)范》總體上代表了國(guó)際鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)的最新成果。
填補(bǔ)空白科學(xué)指導(dǎo)工程建設(shè)
《規(guī)范》作為行業(yè)技術(shù)法規(guī)，是交通行業(yè)規(guī)范體系中的一個(gè)重要組成部分，是公路橋梁系列設(shè)計(jì)規(guī)范的一部分，能夠解決目前大規(guī)模的公路鋼管混凝土拱橋建設(shè)缺少先進(jìn)理論指導(dǎo)的問(wèn)題。
直接效益：《規(guī)范》符合實(shí)際，易于操作和理解，便于推廣和應(yīng)用，對(duì)避免鋼管混凝土拱橋的不合理設(shè)計(jì)和提高設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要意義，其制定并頒布實(shí)施后所產(chǎn)生的效益是顯著而深遠(yuǎn)的。
間接效益：我國(guó)雖然經(jīng)過(guò)了20多年400余座鋼管混凝土拱橋建設(shè)的大發(fā)展，但是總體建設(shè)水平有待提高和普及?！兑?guī)范》的制定，總結(jié)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(yàn)，并通過(guò)規(guī)范的形式在我國(guó)廣泛推廣和應(yīng)用，進(jìn)一步指導(dǎo)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(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)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(guó)已建成400多座鋼管混凝土拱橋，但是一直沒(méi)有正式的規(guī)范，制定鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)行業(yè)規(guī)范已經(jīng)刻不容緩了。
這些年來(lái)，依托建設(shè)工程，我國(guó)開(kāi)展了鋼管管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、鋼管混凝土受力性能、脫空和初始應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土工作性能影響、鋼管混凝土收縮徐變、構(gòu)造設(shè)計(jì)技術(shù)及管結(jié)構(gòu)加工技術(shù)等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，取得了大量研究成果，形成了相對(duì)完善的計(jì)算理論、構(gòu)造技術(shù)和制造安裝工藝，編制行業(yè)規(guī)范已經(jīng)具備成熟條件了。
■案例
3月剛剛完成施工圖設(shè)計(jì)的杭紹臺(tái)高速公路跨杭甬運(yùn)河橋，在《規(guī)范》出臺(tái)后，中交公規(guī)院的設(shè)計(jì)人員連夜對(duì)這座主跨105米鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)圖進(jìn)行更改，將拱肋鋼管在拱腳位置的預(yù)埋段長(zhǎng)度增加到2.5米，增加了傳力的均勻性，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
