钢管混凝土拱桥桥型分析

对钢管混凝土拱桥受力分析及性能探讨摘要:钢管混凝土拱桥设计是常见而又复杂的实际问题，针对钢管混凝土受力性能及抗震横向对提高拱肋的横向稳固性起到了极大的作用, 一同避开了拱顶段管内混凝土不密实的问题.本文笔者以下进行了分析。

关键词:钢管混凝土;拱桥设计；抗震；分析1 有限元模型简介某大桥的受力分析采用大型通用程序A N-SYS 进行计算.建模时, 拱肋、桥面纵梁、横梁采用空间梁单元, 其中钢管混凝土拱肋段采用双单元法建模, 即在模型离散时, 在同一段有限元模型中将钢管和混凝土分别作为两根杆件输人, 但同时保证二者的节点坐标完全相同, 在相同的节点间建立两个单元, 一个单元赋予钢管的材料属性, 另一个单元则赋予混凝土的材料属性, 这样两种材料的应力—应变关系可以得以输人[4]; 系杆与吊杆采用拉杆单元, 桥面系采用梁格法模拟. 桩基的计算模型是用弹簧支承来模拟地基的水平抗力, 用m 法进行计算.全桥共374 个节点,4 2 个梁单元, 有限元模型见图1图1 某大桥有限元模型2 横向一类稳定计算某桥成桥后进行了静动载测试本文在进行横向稳定计算时, 以静载测试的四个工况为模型的荷载, 计算某大桥在各个工况下的一类稳定系数(特征值)静载试验共进行了 4 个工况: 工况一为按口 4 点弯矩最大; 工况二为拱脚负弯矩最大江况三为拱顶正弯矩最大; 工况四为拱脚推力最大布载。

分析时以管内混凝土填充长度系数α为参数(参数a 含义见图3).0 < a < 0.5 时为复合拱; 当a= O 时为钢管拱; 当a = 0.5 时, 为钢管混凝土拱.计算中不考虑材料的非线性计算结果见图2.图2稳定系数变化趋势图对该桥的弹性一类稳定分析表明, 在各种加载工况下, 一阶弹性失稳模态不受混凝土充填系数a的影响, 均为面外失稳，但α对稳定系数有影响.当a 从0 变化至1/ 12 时, 稳定系数缓慢增长, 最大仅增加4.8% ; 此后, 稳定系数增加较快,当a 趋近L/4 时, 稳定系数均达最大值(除工况三) ; 此后随a 增加稳定系数反而下降, 在α=0.4 17 时达到最低点后又开始上升, 到a =0.5(钢管混凝土拱)时稳定系数达到第二个峰值.因此, 从弹性一类稳定系数来看, 坡充系数太小(小于1/ 1 2) 时管内混凝土对稳定系数提高的作用较小, α在0.25 附近时, 效率最高; 超过0.25 时反而降低了拱的稳定性能, 这可能是此时刚度增加的有利作用小于拱肋自重产生的不利影响. 当然,钢管混凝土拱的稳定系数最大, 但从复合拱的角度而言, 钢管与钢管混凝土在拱肋L/4 处相接, 结构一类弹性稳定性最好。

【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析某中承式钢管混凝土拱桥拱肋的理论计算跨径为152m，拱肋直径1.5m，厚度为2cm，内部浇筑C50混凝土，计算矢高为47m，矢跨比为1/3，拱肋拱轴线采用倒悬链线，拱轴系数为1.55。

拱肋采用圆形截面，主梁采用扁平流线形钢箱截面，拱肋设18对吊杆。

下部结构为钢筋混凝土拱座及承台接钻孔灌注桩基础。

桥面铺装采用6cm 厚环氧沥青。

钢箱梁主体结构均采用Q345-C钢，钢箱拱肋结构采用Q345D钢，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的相关要求，盖梁及墩柱采用C40混凝土，拱座及承台采用C30混凝土，基桩采用C25混凝土。

桥梁设计荷载为公路-I级，人群荷载5.0KN/m2；环境类别为II类；设计安全等级为一级。

Midas/Civil有限元模型使用Midas/Civil建立全桥模型，本桥3D模型按照桥梁设计选择相应的材料和截面特性。

模型划分共计368个节点，378个单元，其中梁单元360个，桁架单元18个，考虑到的各作用效应有：（1）恒载：自重以及设计荷载；（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算。

（3）支座沉降：支座不均匀沉降按1cm考虑。

（4）车辆荷载：按最不利车辆荷载考虑，车辆为公路—I级五车道，人群荷载为5.0KN/m。

本桥考虑2.5%的桥梁纵坡。

模型节点单元见图3。

其中，拱肋单元编号为155~322，共计167个单元。

图1 钢管混凝土拱桥有限元模型永久作用分项系数按照作用对结构承载能力不利的情况选取，可变作用分项系数按照规范的要求进行取值。

各荷载组合系数见表3。

表3 荷载组合系数名称荷载工况组合系数结构恒载自重+二期1.1车辆荷载公路—Ⅰ级1.4支座沉降1cm 1.0温度荷载±20℃ 0.7计算结构自重+二期+车辆荷载+升、降温效应（±20℃）+支座沉降（1cm）作用下的拱肋内力。

某单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥设计分析单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥由于其较新颖的结构形式、较经济的造价而成为现代城市桥梁建设最受青睐的结构形式之一。

文章结合实际工程地质，通过合理的结构设计，考虑按承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计组合并选取最不利效应，通过详尽的结构计算，验算得出结构各项技术指标均满足规范要求，结构整体和局部构件安全可靠，该桥的成功实施可为同类桥梁设计计算和施工提供范例。

标签：钢管混凝土；系杆拱桥；承载能力极限状态；正常使用极限状态；桥梁设计1 工程概況依托工程位于浙江某市，横跨排塘港，女儿桥老桥为板梁结构，桥宽7.5m，桥梁配跨为（13+15+13）m，始建于1995年。

根据河道改建后的情况，老桥不能满足今后使用要求，且现桥位处为规划Ⅵ级航道，桥梁通航孔净高不小于4.5m，最高通航水位2.16m。

由于老桥阻水严重、跨径小，按河道改建及航道通航要求，需重建新桥。

女儿桥跨径组成为（20+57.6+20）m，桥宽：0.5m（护栏）+7.5m（行车道）+0.5m（护栏）=8.5m，引桥为预应力混凝土简支空心板，主桥为，主桥为单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，主拱拱肋计算跨径56m，矢高11.2m，矢跨比1/5，拱轴线呈二次抛物线变化，主桥下部构造为主墩采用实体墩，柱式台，钻孔灌注桩基础。

新建依托工程属于现代城市桥梁，对景观要求较高，对其总体设计时应综合考虑水文、地质等因素，在满足车与人通行的基本要求下，力求达到景观和谐共生、结构经济安全、施工方便快捷的目标。

2 主要技术指标道路等级：公路-Ⅱ级。

桥梁全宽：0.5m（护栏）+7.5m（行车道）+0.5m（护栏）=8.5m。

桥梁设计基准期：100年。

设计安全等级：一级。

耐久性设计环境类别：Ⅰ类。

设计洪水频率：1/100洪水频率。

航道等级：Ⅵ级。

抗震等级：桥位处地震动峰值加速度为：0.05g，相当于基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ度地震烈度设防。

3 主桥结构设计3.1 拱肋设计主拱拱肋采用单圆钢管混凝土，钢管外径1.0m，壁厚14mm，内设辅助钢筋加强。

钢管混凝土拱桥施工关键技术及稳定性分析Chapter 1 Introduction钢管混凝土拱桥是现代桥梁结构中的一种重要形式，近年来在各种道路和铁路工程中得到了广泛的应用。

钢管混凝土拱桥的优越性能在于它具备了钢管和混凝土桥梁的优点，能够在大跨径和高荷载条件下承载结构，同时有较高的抗震能力和耐久性。

钢管混凝土拱桥的施工过程是一个具有挑战性的任务，它需要高度的技术知识和经验。

本文将介绍钢管混凝土拱桥的施工关键技术及稳定性分析。

首先，将介绍钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求。

其次，将讨论钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术。

最后，将对钢管混凝土拱桥的稳定性进行分析，以确保钢管混凝土拱桥的安全和可靠性。

Chapter 2 钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求钢管混凝土拱桥是由钢管和混凝土构成的，它具有轻质、高强、高刚性和良好的抗震性。

在设计中需要满足一些特殊要求，以确保桥梁的可靠性和安全性。

2.1 结构形式钢管混凝土拱桥是由一组弧形钢管和连接的混凝土组成的拱桥。

桥面直接支撑在钢管上，钢管和桥面一起受力。

为了保证桥梁结构的平衡和稳定，弓形钢管在跨度方向上把力传递到钢柱和混凝土砌块上。

钢管混凝土拱桥桥面上一般铺设混凝土板或钢板。

2.2 设计要求设计钢管混凝土拱桥需要满足以下要求：（1）满足各种相应的载荷要求，如荷载、地震、温度和疲劳等要求。

（2）搭建时拱出形状应满足理论形状，应校核拱形。

（3）设计应满足桥梁的稳定性，避免拱桥的侧扭和侧向振荡等现象。

（4）充分考虑钢管的保护性能，防止钢管的腐蚀和老化，确保整个结构的耐久性。

Chapter 3 钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术钢管混凝土拱桥的施工编排顺序应遵循钢管——加固空间网壳结构——混凝土固化。

钢管的高强度和铺装混凝土能极大地保护钢管不受机械损坏，从而延长桥梁的使用寿命。

3.1 钢管安装在施工中，首先需要进行钢管的加固与安装。

钢管的加固和安装关系到桥面的质量和稳定性，是整个结构的基础。

钢管混凝土拱桥施工钢管混凝土拱桥是以钢管为拱圈外壁，在钢管内浇筑混凝土，使其形成由钢管和混凝土组成的拱圈结构。

钢管混凝土拱桥优点突出，使用广泛。

钢管混凝土拱桥构造特点1、截面形式钢管混凝土结构的主要特点之一是钢管对混凝土的套箍作用，使钢管内的混凝土处于三向受力状态，提高了混凝土的抗压强度和抗变能力。

2、结构形式随着钢管混凝土拱桥的迅速发展，全国已修建了各种结构形式的钢管混凝土拱桥。

中承式钢管混凝土拱桥是目前钢管混凝土拱桥中应用最多的一种，由于桥面位置在拱的中部穿过，可以随引桥两端接线所需的高度上下调整，所以适应性很强。

当地质条件较好时，一般采用有推力的中承式钢管混凝土拱桥。

当地质条件较差，或受城市道路接线高度的限制时，往往采用下承式系杆拱结构形式，拱桥的推力由系杆承受。

本节以中承式钢管混凝土拱桥为例介绍钢管混凝土拱桥施工技术。

中承式钢管混凝土拱桥施工1.施工程序第一步：分段制作钢管、腹杆及斜撑，然后在样台上拼接钢管；接着吊装钢管拱肋就位合龙，从拱顶向拱脚对称施焊，封拱脚，使钢管拱肋转为无脚拱。

第二步：从拱顶向拱脚对称安装肋间横梁、〃X〃形支撑及形支撑等结构。

第三步：按设计程序浇筑钢管内混凝土。

第四步：安装吊杆，拱上立柱，纵、横梁，以及桥面板，浇筑桥面混凝±2、施工技术要点(1)钢管拱肋制作。

钢管混凝土拱桥所用的钢管直径较大，钢管由钢板卷制成型，管节长度由钢板宽度确定，一般为120~180cm.采用桁式截面时，上下弦之间的腹杆由于直径较小，可以直接采用无缝钢管。

拱肋制作的关键在于拱肋在放样平台上的精准放样和严格控制焊接质量，应尽量减少高处焊接，严格控制钢管拱肋的制作质量。

(2)拱肋安装。

拱肋安装前，拱桥基础施工已经完成，并通过相应验收。

钢管拱肋成拱过程中，应同时安装横向连接系，未安装横向系数的不得多于一个节段，否则应采取横向稳定措施。

(3)拱肋混凝土浇筑。

根据钢管拱肋的截面形式及施工设备，钢管混凝土的浇筑可采用人工浇筑法和泵送顶升浇筑法。

钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥（Steel-Tube Concrete Arch Bridge）是一种以钢管作为主要构件、混凝土为填充物，采用拱形结构的桥梁。

由于其结构特点，该类型的桥梁具有较高的承载能力、稳定性和整体性能，因此在短跨度桥梁中广泛应用。

本文将从钢管混凝土拱桥的构造特点、设计与施工工艺、应用与发展等方面进行探讨。

一、构造特点钢管混凝土拱桥结构特点主要表现在两个方面：拱形结构和钢管混凝土材料。

拱形结构是钢管混凝土拱桥最显著的结构特点，该结构的力学特性为受力后整体形变，荷载集中于两端，相对于梁式桥梁更加稳定。

而且，拱形结构具有较高的承载能力，在短跨度桥梁中具有明显优势。

钢管混凝土材料则是钢管混凝土拱桥的创新之处。

该材料具有混凝土和钢管的优点，可以更好地发挥两种材料的特性。

钢管可以担任桥梁的主要承载构件，中空部分可以用来加入混凝土，提高承载能力；而混凝土可以保护钢管，延长其寿命，同时具备优秀的抗压强度和耐久性。

二、设计与施工工艺钢管混凝土拱桥的设计与施工工艺需要考虑到以下因素：钢管材料的选择、拱形结构的力学特性、混凝土的浇筑工艺。

钢管材料方面，需要选择品质良好、符合标准的钢管。

在拱形结构的设计中，需要通过建立数学模型，模拟荷载作用下的力学特性，对拱形结构进行优化设计，确保承载能力和稳定性。

混凝土在钢管中的浇筑工艺通常采用顶升法或压力法。

顶升法是将混凝土从一侧注入钢管内，同时在另一侧进行顶升，使混凝土在钢管内均匀分布；压力法是通过在钢管中注入高压水泥浆，将混凝土压入钢管内。

无论采用哪种方法，都需要保证混凝土充实度，避免产生空洞、裂缝等质量问题。

三、应用与发展钢管混凝土拱桥具有优秀的结构特点和性能，已经在我国的短跨度桥梁建设中得到广泛应用。

随着技术的发展，钢管混凝土拱桥在跨度和承载能力方面也已经有了较大的突破，越来越多的工程师开始将其应用于中长跨度桥梁的设计中。

同时，在钢管材料和混凝土浇筑向导方面也有了新的突破。

钢管混凝土拱桥设计钢管混凝土拱桥是一种采用钢管作为主要受力构件的混凝土结构桥梁。

它具有强度高、承载能力大、耐久性好等优点，在现代桥梁工程中广泛应用。

本文将围绕钢管混凝土拱桥的设计原理、结构特点和施工技术等方面进行论述，希望能够对读者有所启发和帮助。

一、设计原理钢管混凝土拱桥的设计原理是根据力学和结构力学的基本原理来确定桥梁的承载能力和稳定性。

在拱桥设计中，根据桥梁的跨度、荷载情况以及地质条件等，选取适当的拱形曲线和梁形，通过合理的弯矩分析和受力计算，确定拱桥的结构尺寸和截面形状。

同时，还需要考虑桥梁的自重和外荷载的影响，进行静力和动力分析，确保拱桥在使用过程中的安全性和稳定性。

二、结构特点钢管混凝土拱桥的结构特点主要包括以下几个方面：1. 钢管拱梁：钢管作为主要受力构件，具有较高的抗弯承载能力和刚度，能够有效地分担桥梁荷载，并提高桥梁的整体强度和稳定性。

2. 混凝土浇筑：钢管内注浆混凝土，形成钢管混凝土复合结构。

混凝土的浇筑需要注意控制浆液的流动性和凝结时间，确保混凝土能够充分填充钢管内部，并形成坚固的连接。

3. 施工工艺：钢管混凝土拱桥的施工工艺相对复杂，需要进行模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑等一系列工序。

在施工过程中，需要注意对各个构件的形状和尺寸进行精确控制，确保各部分能够完美配合。

三、施工技术钢管混凝土拱桥的施工技术是确保桥梁质量和使用寿命的关键。

在施工过程中，需要严格按照设计要求和施工规范进行操作，采取合适的措施，保证每个施工环节的质量和安全。

1. 模板安装：首先需要进行桥墩和拱腿的模板安装，确保其几何形状和尺寸的准确度。

在模板安装过程中，需要密切监测模板的平整度和牢固度，防止模板变形和脱落。

2. 钢筋绑扎：在模板安装完成后，需要进行钢筋的绑扎工作。

绑扎钢筋时需要注意钢筋的位置和间距，确保钢筋能够充分发挥其受力作用，并与混凝土形成紧密的连接。

3. 混凝土浇筑：在钢筋绑扎完成后，开始进行混凝土的浇筑。

城市道桥与防洪2012年3月第3期收稿日期：2012-01-09作者简介：宋晓妤（1969-），女，浙江绍兴人，高级工程师，从事道桥工程建设施工管理工作。

宋晓妤（绍兴袍江大桥建设工程指挥部，浙江绍兴312071）大跨径钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析摘要：该文介绍了利用M IDAS/Civil建立袍江大桥空间模型。

其主拱、边拱、吊杆横梁和桥面系采用梁单元、板单元模拟，吊杆和系杆用只受拉单元模拟，并对其进行模态分析提取桥跨自振特性。

与实测值进行比较，查看基本振动形态，得出该桥实测模态与理论计算模态较吻合，且面内振动频率符合简化计算公式规律，该桥动力特性优良。

关键词：飞燕式钢管混凝土拱桥；有限元；自振特性；模态分析；袍江大桥；绍兴市中图分类号：U448.22+5文献标识码：A文章编号：1009-7716（2012）03-0052-020前言钢管混凝土系杆拱桥的出现顺应了拱桥不断向大跨度、轻型化方向发展的趋势。

飞燕式系杆拱桥是拱桥中极具特色的一种桥型,由主跨、边跨、主拱墩及系杆四大部分组成。

由于钢管混凝土拱桥跨度大，质量轻，其本身刚度小，同时在设计中又很少考虑其动力特性，从而给此类拱桥的运营带来安全隐患。

目前关于该类桥型设计与施工方面的文献报道已较多,但对成桥后结构自身固有动力特性进行分析的文献还较少。

本文以绍兴市袍江大桥（五跨飞燕式钢管混凝土拱桥）为研究对象,通过对成桥模态试验，得出其自身的动力特性，并结合理论计算分析，评定成桥的结构特性和设计效果。

1桥梁概述袍江大桥位于浙江绍兴袍江经济技术开发区，主桥为带飞燕式边拱的五跨连拱中承式钢管混凝土系杆拱桥。

跨径为40m+3×185m+40m，拱轴线形式为二次抛物线，矢跨比为1/4，拱肋截面形式为桁架式。

桥面宽45m，吊杆横梁通过湿接头与桥面板联成整体，在承受二期恒载和活载时成为钢混叠合梁。

设计荷载为汽车—超20级，挂车—120，人群活载为4.0kN/m2。