用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种用于特大跨径钢‑UHPC组合桁式拱桥的拱形结构，所述拱形结构包括多排横桥向排列的拱形结构单元，多排所述拱形结构单元沿纵桥向中心线呈对称分布，多排所述拱形结构单元通过横桥向连接件连接成一整体，所述拱形结构单元包括腹杆和由全UHPC材料构成的上弦拱肋与下弦拱肋，所述上弦拱肋与下弦拱肋之间通过腹杆连接。本实用新型的钢‑UHPC组合桁式拱桥的拱形结构具有自重轻的优点。本实用新型为600‑1000m特大跨径拱桥提供了一种切实可行的解决方案。

主设计要求

1.一种用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构，其特征在于，所述拱形结构包括多排横桥向排列的拱形结构单元，多排所述拱形结构单元沿纵桥向中心线呈对称分布，多排所述拱形结构单元通过横桥向连接件连接成一整体，所述拱形结构单元包括腹杆(2)和由全UHPC材料构成的上弦拱肋(101)与下弦拱肋(102)，所述上弦拱肋(101)与下弦拱肋(102)之间通过腹杆(2)连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的拱形结构，其特征在于，所述横桥向连接件与腹杆(2)均为钢质构件，所述横桥向连接件、上弦拱肋(101)、腹杆(2)与下弦拱肋(102)均为薄型构件，且所述UHPC材料的弯曲抗拉强度在20MPa以上，抗压强度在120MPa以上。

3.根据权利要求1所述的拱形结构，其特征在于，所述上弦拱肋(101)与下弦拱肋(102)为箱型拱肋，所述上弦拱肋(101)与下弦拱肋(102)之间的距离h1为6-60m，所述上弦拱肋(101)与下弦拱肋(102)的横截面的长、宽a1均为1.0-8m，壁厚b1为0.15-0.8m。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的拱形结构，其特征在于，所述拱形结构单元的数量等于或多于两排，横桥向最外侧两排所述拱形结构单元呈竖直或倾斜布置，且倾斜拱形结构单元与纵桥向中心线之间的距离由拱脚至拱顶逐渐变小，未倾斜的拱形结构单元平行于纵桥向中心线布置。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的拱形结构，其特征在于，所述拱形结构单元的数量为多于两排的偶数排，所有的拱形结构单元均呈倾斜布置，且倾斜拱形结构单元与纵桥向中心线之间的距离由拱脚至拱顶逐渐变小。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的拱形结构，其特征在于，所述横桥向连接件包括风撑(3)和内斜撑(4)；所述风撑(3)包括直平联风撑(301)，所述直平联风撑(301)垂直于纵桥向中心线设置，所述内斜撑(4)设于竖向两相邻直平联风撑(301)之间。

7.根据权利要求6所述的拱形结构，其特征在于，所述风撑(3)还包括多根用于与直平联风撑(301)相配合以增加拱形结构稳定性的斜平联风撑(302)，所述斜平联风撑(302)设于相邻两排所述拱形结构单元之间。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的拱形结构，其特征在于，所述拱形结构的跨径大于400m。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于桥梁工程领域，尤其涉及一种用于组合桁式拱桥的拱形结构。

背景技术

拱桥由于经济性、耐久性好等优点，一直是大跨径桥梁的主要形式，拱桥尤其适用于山区建设的桥梁。但是当拱桥的跨径达到600m级或更大时，由于其结构自重大、施工困难等因素致使其经济性变差甚至难以施工；同时，普通混凝土或钢管混凝土拱桥存在结构自重过大，混凝土强度基本被其自重消耗殆尽等问题，特大跨径钢拱桥又存在厚板焊接困难、费用高等问题，这些都是制约拱桥向更大跨度发展的主要因素。因此，从桥梁技术和建造成本来看，600m级跨径拱桥是当前桥梁工程难以有效突破的一个技术瓶颈。

在大跨度拱桥施工方面，施工方法主要有缆索吊装施工法、转体施工法、劲性骨架施工法以及悬臂施工法(包括悬臂浇筑法和悬臂拼装法)等。对于特大跨径拱桥，主要采用悬臂拼装结合斜拉扣挂法施工，但由于主拱在合龙前自身不能受力，需用斜拉扣索支撑各个主拱节段，即先做成带地锚的斜拉桥，待合龙后拆除扣索再形成拱桥(如图1所示)。因主拱自重大，扣塔、扣索、地锚等临时措施费用非常高，严重影响了拱桥方案的经济性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种自重轻、施工效率高、施工成本低的、用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构。为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构，所述拱形结构包括多排横桥向排列的拱形结构单元，多排所述拱形结构单元沿纵桥向中心线呈对称分布，多排所述拱形结构单元通过横桥向连接件连接成一整体，所述拱形结构单元包括腹杆和由全UHPC材料构成的上弦拱肋与下弦拱肋，所述上弦拱肋与下弦拱肋之间通过腹杆连接。

本实用新型中，上弦拱肋与下弦拱肋的可为箱型拱肋、矩形拱肋或工字型拱肋等结构形式的拱肋。本实用新型中，上下弦拱肋是主要承受压力的构件，由于UHPC的抗压性能优异，并且自重较轻，所以采用UHPC可以在保证受力要求的前提下提高拱桥的跨越能力。上下弦拱肋通过腹杆将上弦拱肋与下弦拱肋连接起来形成一个整体，实现共同受力，在横桥向连接件的固定下，保证拱形结构的整体稳定性，提高其受力性能。

上述拱形结构中，优选的，所述横桥向连接件与腹杆均为钢质构件，所述横桥向连接件、上弦拱肋、腹杆与下弦拱肋均为薄型构件，且所述UHPC材料的弯曲抗拉强度在20MPa以上，抗压强度在120MPa以上(例如优选的活性粉末混凝土(RPC)等)。由于横桥向连接件与腹杆不是主要受力构件，所以可以采用较小的截面尺寸的钢结构，减轻自重，方便连接，并且有一部分承受了较大的拉力，不宜用纯UHPC材料。

上述拱形结构中，优选的，所述上弦拱肋与下弦拱肋为箱型拱肋，所述上弦拱肋与下弦拱肋之间的距离h1为6-60m，所述上弦拱肋与下弦拱肋的横截面的长、宽a1均为1.0-8m，壁厚b1为0.15-0.8m。我们优选的箱形拱肋具有很大的抗弯惯性矩以及抗扭惯性矩，可以很好地抵抗其产生的弯矩。上述拱肋尺寸确定是考虑到拱桥在施工以及成桥状态下的稳定性，以及对强度和刚度的需求，尺寸数值过高会加大拱桥的自重，导致拱脚推力太大，并且浪费了材料；尺寸数值过低可能会增加拱桥结构在施工状态或者成桥状态下的失稳几率，也可能会导致局部应力过大。

本实用新型的特大跨径钢-UHPC组合拱桥为一种结构构造介于普通混凝土拱桥和钢拱桥之间的拱桥，并对上述UHPC材料、上述上弦拱肋与下弦拱肋尺寸的进行了限定，采用了上述超高性能混凝土并配合了上述薄型构件的结构设置(构件厚度仅为传统混凝土拱桥构件厚度设计值的1\/3左右)，这使得本实用新型的超高性能混凝土拱桥的拱肋截面厚度和宽度在与传统混凝土拱桥拱肋强度设计值保持相当的前提下，整个拱肋的自重能大幅度减轻，其自重仅为相应传统混凝土拱肋的40％左右；相比纯钢拱桥，由于上下弦拱肋为主要承压构件，其材料采用抗压强度高的UHPC，避免了钢拱肋大量的厚板焊接，提高了施工可行性和经济性。

上述拱形结构中，优选的，所述拱形结构单元的数量等于或多于两排，横桥向最外侧两排所述拱形结构单元呈竖直或倾斜布置，且倾斜拱形结构单元与纵桥向中心线之间的距离由拱脚至拱顶逐渐变小，未倾斜的拱形结构单元平行于纵桥向中心线布置。此种结构的拱形结构优选的采用由外至内的施工方法。

上述拱形结构中，优选的，所述拱形结构单元的数量为多于两排的偶数排，所有的拱形结构单元均呈倾斜布置，且倾斜拱形结构单元与纵桥向中心线之间的距离由拱脚至拱顶逐渐变小。此种结构的拱形结构优选的采用由内至外的施工方法。

上述拱形结构中，优选的，所述横桥向连接件包括风撑和内斜撑；所述风撑包括直平联风撑，所述直平联风撑垂直于纵桥向中心线设置，所述内斜撑设于竖向(竖向指上下两根直平联风撑之间)两相邻直平联风撑之间，相邻所述直平联风撑之间的距离f为4-60m。更优选的，所述风撑还包括多根用于与直平联风撑相配合以增加拱形结构稳定性的斜平联风撑，所述斜平联风撑设于相邻两排所述拱形结构单元之间，优选所述斜平联风撑的横截面为工字钢(其它截面均可)。

上述拱形结构中，优选的，所述拱形结构的跨径大于400m(更优选为500-1000m)，一般跨径过大，拱形结构的稳定性不高，本实用新型中优选的拱形结构形式，配合拱形结构材料、尺寸、构型的优化，可以在保证稳定性的前提下，进一步提升拱形结构的跨径。

本实用新型还提供一种上述拱形结构的施工方法，第一种施工方法(由外至内施工)包括以下步骤：

S1：建设拱座，再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上同时安装横桥向最外侧两排拱形结构单元以及横桥向连接件，拱形结构单元和横桥向连接件采用节段预制(节段长度优选为5-30m)；待最外侧两排拱形结构单元合龙后放松扣索；

S2：再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装与最外侧两排拱形结构单元相邻的拱形结构单元，将放松后的扣索从最外侧两排拱形结构单元分别移至相邻的拱形结构单元并张紧，并连接其与横桥向连接件之间的接头，用UHPC浇筑拱肋与横桥向连接件之间的接合处，合龙后放松扣索。

S3：重复S2，直至所有的拱形结构单元均合龙，拆除扣索，即完成拱形结构的施工。

本实用新型还提供一种上述拱形结构的施工方法，第二种施工方法(由内至外施工)包括以下步骤：

S1：建设拱座，再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上同时安装横桥向最内侧两排拱形结构单元以及横桥向连接件，拱形结构单元和横桥向连接件采用节段预制(节段长度优选为5-30m)；待最内侧的两排拱形结构单元合龙后放松扣索；

S2：再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装与最内侧两排拱形结构单元相邻的拱形结构单元，将放松后的扣索从最内侧两排拱形结构单元分别移至相邻的拱形结构单元并张紧，并连接相邻拱形结构单元之间的横桥向连接件，合龙后放松扣索；

S3：重复S2，直至所有的拱形结构单元均合龙，拆除扣索，即完成拱形结构的施工。

上述两种施工方法中，有由外到内以及由内到外两种施工方式，由内到外的施工方式一般要求先施工的最内侧两排拱形结构单元在横桥向间距较大，这样才能满足其稳定性的要求，并且拱形结构单元应适当倾斜。

本实用新型中，桥型可为上承、中承或下承式拱桥桥型。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型提供的用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥采用了具有优异力学性能和耐久性能的超高性能混凝土，避免了普通混凝土强度低、难以实现特大跨径的困难，同时避免了特大跨径钢拱桥厚板焊接困难、造价昂贵的弊端，有望使拱桥的跨越能力提高至1000m，并在经济性方面比其他桥型更具优势。

2、本实用新型的技术方案可用成熟的施工技术和施工设备实现，从而保证本实用新型桥梁构造及其施工建造的可行性；通过采用悬臂拼装与斜拉扣挂相结合的循环施工方法进行施工，这样既可保证施工质量和加快施工速度，又可减少施工成本，方便桥梁后期维护和增强桥梁结构的耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为斜拉扣挂悬臂法的施工示意图。

图2为实施例1-3中拱形结构的立面图。

图3为实施例1中拱形结构的平面图。

图4为实施例1中拱形结构的另一种平面图。

图5为实施例1-3中拱形结构的构件尺寸图(图中a为上下弦拱肋，b为直平联风撑，c为腹杆，d为斜平联风撑，e为内斜撑)。

图6为实施例1中拱形结构第一次合龙最外侧拱形结构单元的施工步骤图。

图7为实施例1中拱形结构第二次合龙次外侧拱形结构单元的施工步骤图。

图8为实施例1中拱形结构第三次合龙最内侧拱形结构单元的施工步骤图。

图9为实施例2中拱形结构的平面图。

图10为实施例2中拱形结构第一次合龙最外侧拱形结构单元的施工步骤图。

图11为实施例2中拱形结构第二次合龙最内侧拱形结构单元的施工步骤图。

图12为实施例3中拱形结构的平面图。

图13为实施例3中拱形结构第一次合龙最内侧拱形结构单元的施工步骤图。

图14为实施例3中拱形结构第二次合龙次外侧拱形结构单元的施工步骤图。

图15为实施例3中拱形结构第三次合龙最外侧拱形结构单元的施工步骤图。

图例说明：

101、上弦拱肋；102、下弦拱肋；2、腹杆；3、风撑；301、直平联风撑；302、斜平联风撑；4、内斜撑；5、扣索；6、地锚。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。

除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

如图2-5所示，本实施例的用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构，拱形结构包括5排纵桥向排列的拱形结构单元，5排拱形结构单元沿纵桥向中心线呈对称分布，5排拱形结构单元通过钢质(如Q345材料)风撑3和内斜撑4连接成一整体，拱形结构单元包括上弦拱肋101、腹杆2(钢质材料，如Q345材料)与下弦拱肋102，上弦拱肋101与下弦拱肋102之间通过腹杆2连接，腹杆2采用N形桁式，上弦拱肋101与下弦拱肋102为全UHPC材料构成的箱形拱肋。

本实施例中，风撑3、内斜撑4、上弦拱肋101、腹杆2与下弦拱肋102均为薄型构件，且UHPC材料的弯曲抗拉强度在20MPa以上，抗压强度在120MPa以上。

本实施例中，风撑3包括直平联风撑301和斜平联风撑302，直平联风撑301每隔一个腹杆2布置一道，其位置与腹杆2相对应，直平联风撑301垂直于纵桥向中心线设置，相邻直平联风撑301之间的距离f为11-31m，斜平联风撑302设于横桥向最外侧与次外侧两排拱形结构单元之间。

如图2、图5所示，本实施例中，上弦拱肋101与下弦拱肋102之间的距离h1为16m，上弦拱肋101与下弦拱肋102的横截面的长、宽a1均为2m，壁厚b1为0.2m。腹杆2的横截面为带肋的箱形截面，腹杆2的每个内壁侧面上均设有肋，腹杆2的横截面的长、宽a3均为0.4m，壁厚b3为3cm，腹杆2中的肋的长度h3为15cm，厚度k3为3cm。直平联风撑301的横截面为带肋的箱形截面，直平联风撑301的每个内壁侧面上均设有肋，直平联风撑301的横截面的长、宽a2均为1.0m，壁厚b2为3cm，直平联风撑301中的肋的长度h2为0.3m，厚度k2为3cm。斜平联风撑302与内斜撑4的横截面均为工字钢，斜平联风撑302的横截面的翼缘板宽a4为0.4m，翼缘板厚b4为3cm，腹板高h4为0.6m，腹板厚k4为2cm，内斜撑4的横截面的翼缘板宽a5为0.4m，翼缘板厚b5为3cm，腹板高h5为0.6m，腹板厚k5为2cm。

本实施例，5排纵桥向排列的拱形结构单元的排布方式有以下两种：第一种如图3所示，5排拱形结构单元横桥向平行布置，两个最外侧拱形结构单元的外边缘距离c为30m，最外侧与次外侧拱形结构单元之间的内边缘距离为8.5m，其余相邻两排拱形结构单元之间的内边缘距离为1.5m。第二种如图4所示，两个最外侧拱形结构单元横向1：20倾斜布置，其余拱形结构单元横桥向平行布置，两个最外侧拱形结构单元的外边缘距离d在拱顶处为30m，在拱脚处为40m，其余相邻两排拱形结构单元之间的距离为1.5m。

本实施例中钢-UHPC组合拱桥的跨径布置w为800m，采用上承式拱桥桥型设计，其拱轴线为悬链线，并且初步取拱轴系数m＝1.2，或者采用折线形拱轴线，立柱处即为折点。

如图6-8所示，本实施例还提供一种上述拱形结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：建设拱座，再利用斜拉扣挂悬臂法(带扣索5和地锚6)在拱座上同时安装横桥向最外侧的两排拱形结构单元以及横桥向连接件，拱形结构单元和横桥向连接件采用节段预制(节段长度优选为5-30m)；待最外侧两排拱形结构单元合龙后放松扣索5；

S2：再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装与最外侧的两排拱形结构单元相邻的拱形结构单元，将放松后的扣索5从最外侧的两排拱形结构单元分别移至相邻的拱形结构单元并张紧，并连接其与横桥向连接件之间的接头，用UHPC浇筑拱肋与横桥向连接件之间的接合处，合龙后放松扣索5；

S3：将放松后的扣索5从次外侧的两排拱形结构单元移至内拱并张紧，再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装最内侧拱形结构单元，并连接其与横桥向连接件之间的接头，并利用UHPC修补拱肋与横桥向连接件之间的接合处，合龙后放松扣索5，即完成拱形结构的施工。

实施例2：

如图5、9所示，本实施例的用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构中的拱形结构单元与实施例1相同，不同之处在于其只有3排拱形结构单元，且3排拱形结构单元沿纵桥向中心线平行排布。具体的，本实施例中，两个最外侧拱形结构单元的外边缘距离c为30m，且中间拱的上弦拱肋101与下弦拱肋102的横截面的尺寸采用长宽a1为2m，厚b1为0.4m，相邻两排拱形结构单元之间的距离为12m。

本实施例中，两排拱形结构单元间内斜撑4节点间的距离e4为6m；斜平联风撑302的布置和实施例1中类似。

如图10、11所示，本实施例还提供一种上述拱形结构的施工方法，包括以下步骤：

S2：再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装最内侧拱形结构单元，将放松后的扣索5从最外侧两排拱形结构单元移至内拱并张紧，并连接其与横桥向连接件之间的接头，用UHPC浇筑拱肋与横桥向连接件之间的接合处，合龙后放松扣索5，即完成拱形结构的施工。

实施例3：

如图5、12所示，本实施例的用于特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥的拱形结构中的拱形结构单元与实施例1相同，不同之处在于拱形结构单元构成拱形结构时的排布方式有所不同，具体的，本实施例中，拱形结构单元有6排，6排拱形结构单元在横向均按1：5倾斜布置，两个最外侧的下弦拱肋102的中心间距d1在拱顶为32m，在拱脚处为72m。两片拱形结构单元间内斜撑4节点间的距离e1为8m；次外侧拱形结构单元与最外侧拱形结构单元间直平联风撑301的长度e2均为1m，在横桥向，两排最内侧拱形结构单元的下弦拱肋的中心间距在拱顶处为20m，在拱脚处为60m(或者也可以将两排最内侧拱形结构单元的下弦拱肋的中心间距在拱顶处取得非常小，在拱脚处保持60m不变)。

本实施例中，斜平联风撑302位于最内侧两排拱形结构单元之间，斜平联风撑302起点与终点均设于横向两相邻直平联风撑301与最内侧两排拱形结构单元的交点处，且起点与终点不在同一排拱形结构单元上。

如图13-15所示，本实施例还提供一种上述拱形结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：建设拱座，再利用斜拉扣挂悬臂法(带扣索5和地锚6)在拱座上同时安装横桥向最内侧的两排拱形结构单元以及横桥向连接件，拱形结构单元和横桥向连接件采用节段预制(节段长度优选为5-30m)；待最内侧两排拱形结构单元合龙后放松扣索5；

S2：再利用斜拉扣挂悬臂法在拱座上安装与最内侧两排拱形结构单元相邻的拱形结构单元，将放松后的扣索5从最内侧两排拱形结构单元分别移至相邻的拱形结构单元并张紧，并连接相邻拱形结构单元之间的横桥向连接件，合龙后放松扣索5；

S3：重复S2，直至所有的拱形结构单元均合龙，拆除扣索5，即完成拱形结构的施工。

设计图

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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