鋼管混凝土簡支系桿拱在部分規范中的比較

許 慧 峰

(同濟大學，上海 200092)

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鋼管混凝土簡支系桿拱在部分規范中的比較

許 慧 峰

(同濟大學，上海 200092)

結合鋼管混凝土簡支系桿拱橋的設計實例，比較了2013版《鋼管混凝土拱橋技術規范》與部分地方標準和行業標準在材料強度選取、極限承載力和穩定承載力計算、撓度和應力驗算以及構造要求等方面的異同點，總結了新規范的特點。

鋼管混凝土簡支系桿拱橋，比較，沖擊力，持久狀況計算

1 概述

鋼管混凝土簡支系桿拱橋因其外形優美且兼有拱橋的較大跨越能力和簡支梁對地基適應能力強的特點，從而得到了廣泛的應用。然而很長一段時間內，都缺乏一本全國性的橋梁設計標準可用于指導設計工作。2013版《鋼管混凝土拱橋技術規范》(下稱“新規”)的推出，填補了這樣的一個空白，對橋梁設計質量的提高也有重要作用。

本文結合工程實例對鋼管混凝土簡支系桿拱橋設計在“新規”及部分地方標準和行業標準中的異同作一個比較。

2 工程實例比較

2.1 工程實例介紹

某工程正交橋主橋采用鋼管混凝土簡支系桿拱，單跨72m。主橋上部結構由鋼管混凝土拱肋、預應力混凝土系梁與橫梁、柔性吊桿及整體化橋面系組成。系桿拱拱高14.0m，矢跨比f/L=1/5，拱軸線為二次拋物線，下承式雙片拱肋，拱肋截面形式為啞鈴形，鋼管拱肋間設置5道風撐。

2.2 材料強度

2.2.1 鋼管材料強度

從表1中可看出，對于鋼管，“新規”的取值是較為保守的，這也符合相關國家標準“橋梁的可靠指標應大于一般建筑結構”的要求。

表1 部分規范鋼管材料強度指標

2.2.2 混凝土材料強度

混凝土材料的取值，部分規范的差別不大(見表2)。

表2 部分規范混凝土材料強度指標 MPa

“新規”的數值源于《混凝土結構設計規范》，而未采用現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(下稱“公預規”)，二者的差別即在于材料安全系數取值不同。

2.3 作用與組合

“新規”采用了基于概率理論的極限狀態設計方法，這是目前比較主流的設計理念。但對于鋼管混凝土構件承載能力理論，我國主要有兩種理論：“統一理論”和“極限平衡理論”。“新規”應屬“極限平衡理論”，即假定鋼材進入塑性后為無限塑性，計算出構件極限承載能力，其承載力為鋼管和混凝土的疊加，并考慮鋼管套箍作用。重慶的地方標準《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》(下稱“重慶地標”)則采用了“統一理論”，即將鋼管和混凝土視為復合材料，按整體的特性計算承載力。

針對于城市或公路橋梁，相應規范中的作用及組合均符合《公路橋涵設計通用規范》或《城市橋梁設計規范》的要求。但“新規”中對于鋼管混凝土拱肋的汽車沖擊系數單獨作出要求，以便區分與拱橋橋面系的差別。

通過有限元方法計算得出結構基頻，進而求得沖擊系數如表3所示。可見，新規計算的拱肋的沖擊力較其他規范有較大提高，對拱肋的強度要求是較高的。

表3 部分規范汽車沖擊系數

2.4 承載能力及安全儲備

經計算，將“新規”及部分規范承載能力和安全儲備分別匯總于圖1，圖2中。

由于采用了相同的荷載效應以便比較，故“新規”安全儲備數值與部分規范較為接近，若考慮沖擊系數的影響，則“新規”的安全儲備將更低，即其要求也更嚴苛。

2.5 穩定計算

“新規”與“重慶地標”均提出了鋼管混凝土拱橋進行空間穩定性的計算要求，彈性穩定特征值均要求控制在4以內，同時也要求對面內整體穩定承載力進行計算，以下匯總了部分規范穩定承載能力的安全儲備。

現行《鋼管混凝土結構技術規程》規范中并未明確提出穩定承載力，但其折減系數已暗含了穩定系數，故將其納入圖3中。

可見，“新規”的安全儲備數值基本位于低值，說明其對于結構整體穩定性的要求也較高。

另外幾本規范對于拱肋等效計算長度略有不同，主要反映在計算長度系數的細微區別(見表4)。

表4 部分規范計算長度與拱軸線長度比值

2.6 持久狀況計算

構件的應力以及撓度是鋼管混凝土拱橋在正常使用極限狀態下的兩個重要驗算的內容。

“新規”參照現行《公路圬工橋涵設計規范》，延續了原《公路磚石及混凝土橋涵設計規范》的理念，要求消除自重影響后，短期效應組合的正負撓度絕對值之和控制在計算跨徑的1/1 000以內，同時貫徹了現行“公預規”的思路，要求計入長期效應組合的影響，更真實反映了構件隨時間增長的工作狀態。對于沖擊力的態度也是“可”，給予設計者根據實際情況進行把控的權利。“新規”還在條文說明中引入了“舒適度”的概念，為規范的持續發展埋下了伏筆。“重慶地標”則參照了原“公預規”的寫法，要求將撓度控制在計算跨徑的1/800，且明確不計沖擊力，但并未明確是否引入長期增長系數。而在計算預拱度時則參照了現行“公預規”，可見其在規范的延續上尚不完全統一。

兩本規范對于持久狀況下拱肋鋼管應力控制是一致的，均為0.8fy，但前提條件不盡相同。構件應力計算的實質是承載力計算，故現行“公預規”將其與正常使用極限狀態計算分為兩章論述。“新規”則將其合并，對于沖擊力的態度均是“可”。重慶的地方標準也將兩者合二為一，但單獨予以小節進行了規定，并要求“應”考慮沖擊系數。

2.7 施工階段應力計算

“新規”中提出應對主要施工階段進行計算，包括構件的應力、變形及穩定計算，且對拱肋架設中彈性穩定特征值要求控制在4以上，但是對其應力及變形則不再有明確的計算數值控制。“重慶地標”也提出了按各施工階段得到應力、變形及穩定等結果，給出了管內混凝土及鋼管的應力控制值，但對穩定的控制值卻未提及。現行《鋼管混凝土結構技術規程》也僅有空鋼管管壁豎向應力小于0.4fy的數值要求。

2.8 其他

“新規”中提出了很多的結構與構造要求，涉及到矢跨比、徑厚比、約束效應系數以及截面含鋼率等多方面的建議或控制值，其他規范也或多或少提出了一些構造尺寸要求，為橋梁設計提供了極大的便利。“新規”與“重慶地標”還提出了吊索與系桿索須具有可檢查及更換的構造與措施，為使易損構件不影響全橋壽命提供了保障。此外，“新規”還要求加強中下承式拱橋結構整體強健性，避免惡性事故發生，這是其他規范未提及的。

3 結語

“新規”材料強度取值方面與其他規范略有不同，尤其對于鋼管的要求較高。

“新規”采用“極限平衡理論”，對拱肋的沖擊力較其他規范有較大提高，從而提高了對于拱肋的強度要求。

對于拱肋的承載力，“新規”的計算值處于低值，偏于安全，對于結構整體穩定性的要求也較高。

持久狀況計算中，“新規”對于撓度的計算沿用現行橋梁主要規范的理念，較其他規范貫徹的較好，但在鋼管應力控制上，對于沖擊力的記取與否有些模糊。

“新規”對施工階段計算有框架性要求，但具體數值控制不明確。

“新規”對結構與構造要求較為具體和細致，利于橋梁結構設計。

[1]GB50923—2013，鋼管混凝土拱橋技術規范.

[2]JTGD60—2004，公路橋涵設計通用規范.

[3]JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范.

[4]CQJTG/TD66—2011，公路鋼管混凝土拱橋設計規范.

[5]CECS28∶2012，鋼管混凝土結構技術規程.

[6]JCJ01—89，鋼管混凝土結構設計與施工規程.

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

許慧峰(1980- )，男，工程師

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