单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的大跨拱桥的制作方法

本发明属于桥梁工程领域，涉及一种超大跨径钢管混凝土拱桥的建造技术，尤其涉及一种单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥。

背景技术：

钢管混凝土拱桥造型优美，并解决了拱桥的高强度材料应用和拱桥施工外模板两大难题，大跨径钢管混凝土拱桥具有造价低廉、施工快速、后期维护费用低、抗震性能好等优点，在工程中被广泛应用。

传统的等截面钢管混凝土拱桥的随着跨径增加，拱桥自重不断增加，尤其是对拱桥受力不利的跨中部位的自重太大，导致结构内力大幅度增加，导致拱桥结构稳定性显著下降，拱顶处节段重量增加导致拱桥吊装施工困难。

目前，由于传统的等截面钢管混凝土拱桥的结构方案技术缺陷，大跨径钢管混凝土拱桥跨度停止在600米左右，建造更大跨径钢管混凝土拱桥将具有较大的风险，钢管混凝土拱桥的进一步发展出现瓶颈现象，如何建造1000米级钢管混凝土拱桥是土木工程界亟需研究的课题。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种造型美观、结构受力合理、吊装施工方便和结构稳定性好的单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥。依据单叶双曲面的直纹特性，改革传统等截面钢管混凝土拱桥，适当增加拱脚处的截面尺寸，减少拱顶处截面尺寸，可有效降低拱桥跨中节段的自重，改善钢管混凝土拱桥结构受力性能；同时，采用四肢空间桁架拱肋增加超大跨径拱桥的结构稳定性，以便建造1000米级的特大跨径钢管混凝土拱桥。

技术方案：本发明的单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的大跨拱桥，包括四肢空间桁架拱肋，其特征在于：超大跨径拱桥的左右两侧各设置一个四肢空间桁架拱肋，每个四肢空间桁架拱肋是包括四根呈提篮拱形状的单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢，在提篮拱形状的四肢空间桁架拱肋的左右两个斜平面内，从拱脚到1/4截面的节段，上下弦杆之间设置波形钢腹板，从1/4截面到拱顶的节段，上下弦杆之间腹部设置钢管斜腹杆，四肢空间桁架拱肋的上弦杆之间设置上弦水平向钢管支撑，四肢空间桁架拱肋的下弦杆之间设置下弦水平向钢管支撑，四肢空间桁架拱肋两端锚固于拱桥基础之中，在拱桥两侧的四肢空间桁架拱肋之间设置若干道k形风撑，在四肢空间桁架拱肋上设置吊索和立柱，吊索和立柱支撑桥面系，形成超大跨径钢管混凝土拱桥。

其特征在于：单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢由单叶双曲面状变截面钢管拱肢和管内混凝土构成，所叙的单叶双曲面状变截面钢管拱肢是钢管圆截面从拱脚到拱顶是不断变小的，其截面变化规律符合单叶双曲面直纹面方程，拱桥施工时，多个锥形钢管弯曲节段拼装成为单叶双曲面状变截面钢管拱肢，在单叶双曲面状变截面钢管拱肢的管内空腔中，采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，压力灌注管内混凝土充填密实。

其特征在于：从拱脚到1/4截面的节段，四肢空间桁架拱肋的上下弦杆内侧分别焊接连接曲线形状槽钢连接件，在两个曲线形状槽钢连接件之间焊接连接扇形的波形钢板，形成波形钢腹板。

一种单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的大跨拱桥的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：根据地质地形、地貌条件及通航要求，进行超大跨径钢管混凝土拱桥的桥址选择，开挖基坑，施工拱桥基础；

第二步：在预制加工厂，确定四肢空间桁架拱肋的每一根单叶双曲面状拱形钢管拱肢的形心线位置，划分吊装节段数量，下料扇形钢板，利用卷筒机器将扇形钢板卷成为锥形钢管节段，采用火工煨弯工艺弯成锥形钢管弯曲节段，多个弯曲锥形钢管节段拼装成为单叶双曲面状变截面钢管拱肢；

第三步：下料槽钢，火工煨弯成为曲线形状槽钢连接件，在四肢空间桁架拱肋的左右两个斜平面内，从拱脚到1/4截面的节段，上下弦杆内侧分别焊接连接曲线形状槽钢连接件，下料波形钢板，在两个曲线形状槽钢连接件之间焊接连接扇形的波形钢板，形成波形钢腹板，从1/4截面到拱顶的节段，焊接钢管斜腹杆，形成四肢空间桁架拱肋的一榀平面状拱桁架拱片；

第四步：将左右两榀平面的拱桁架片相互倾斜靠拢成提篮拱形状，四肢空间桁架拱肋的上弦杆之间焊接连接上弦水平向钢管支撑，四肢空间桁架拱肋的下弦杆之间焊接连接下弦水平向钢管支撑，形成四肢空间桁架拱肋；

第五步：将四肢空间桁架拱肋节段运输到施工现场，采用无支架缆索吊装方案，从拱脚基础开始，分段吊装拼接四肢空间桁架拱肋节段，并在拱桥两侧的四肢空间桁架拱肋之间安装k形风撑，直到拱桥合拢；

第六步：采用高效聚羧酸减水剂配置高性能管内混凝土，采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，在拱脚部位压力顶升灌注混凝土，将管内混凝土充填密实单叶双曲面状变截面钢管拱肢的空腔；

第七步：等到管内混凝土硬化到达设计强度后，在四肢空间桁架拱肋上安装吊索和立柱，然后安装桥面系，铺装环氧沥青路面，安装栏杆，形成单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥。

传统的等截面钢管混凝土拱桥，在跨中区域也是采用粗大圆形钢管截面，其拱顶区域承载力比较富裕。对于超大跨径钢管混凝土拱桥，等截面拱圈方案是百害无一利的设计方案，导致跨中区域增加自重，导致拱桥内力增加，导致结构稳定性下降，导致拱顶处吊装节段重量太大，吊装施工有风险，不再适合用于800～1000米的特大跨径钢管混凝土拱桥。

单叶双曲面和双曲抛物面是典型的二次直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成，二次直纹曲面在建筑上有着重要应用价值，常常用它来构成建筑物的骨架，应用直纹曲面建造的建筑物，具有优良的力学性能。

针对1000米级的钢管混凝土拱桥需求，依据钢管混凝土拱桥的受力特性，将传统等截面钢管混凝土拱桥改为单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥，适当增加拱脚处的截面尺寸，同时减少拱顶处截面尺寸，拱桥造型更加美观，并且有利于改善钢管混凝土拱桥的受力状况，降低结构重心有利于超大跨径拱桥稳定性的提高，跨中节段吊装重量减轻有利于吊装施工安装。

采用单叶双曲面状变截面拱形钢管拱肢构建四肢空间桁架拱肋，四肢空间桁架拱肋采用梯形截面桁架形式，四肢空间桁架拱肋呈提篮拱状，增强四肢空间桁架拱肋结构的自身稳定性，增强了拱桥结构的承载力。

从拱脚到1/4截面段，上下弦杆之间腹部通过设置曲线形状槽钢连接件与波形钢板焊接相连，形成波形钢腹板，增加四肢空间桁架拱肋的抗剪能力；从1/4截面到拱顶段，上下弦杆之间腹部设置钢管斜腹杆，减轻吊装节段的重量。

四肢空间桁架拱肋桁架的上下弦杆之间，设置水平向钢管支撑，以便提高四肢空间桁架拱肋桁架的空间刚度，以便提高四肢空间桁架拱肋桁架结构稳定性。

按照单叶双曲面方程确定每一个锥形钢管节段的两端圆的大小头直径，扇形钢板卷筒机器成型为锥形钢管节段，火工煨弯成为锥形钢管弯曲节段，多个锥形钢管弯曲节段拼装成为单叶双曲面状变截面钢管混凝土大跨径拱肋；与传统的等截面钢管混凝土拱肋相比，单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肋制作工艺难度增加不大。

在预制工厂，制作单叶双曲面状变截面钢管混凝土四肢空间桁架拱肋，运输到施工现场，采用无支架缆索吊装方法，分节段悬臂拼装单叶双曲面四肢空间桁架拱肋，直到拱桥合拢，然后采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，压力灌注高性能混凝土进入单叶双曲面状拱形钢管拱肢空腔内，确保灌注密实。安装吊索、立柱和桥面系，铺装沥青路面，安装栏杆，建造800～1000米的超大跨径钢管混凝土拱桥。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

传统的等截面钢管混凝土拱桥随着跨径不断增加，跨中区域自重相应增加，导致其结构稳定性显著降低，拱顶处施工吊装节段重量增加导致施工困难，钢管混凝土拱桥的进一步发展出现瓶颈现象。

本发明利用单叶双曲面的直纹特性，建造一种单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥，具有造型美观、跨中处吊装节段重量减轻和结构稳定性增强等优点。

与传统的等截面钢管混凝土拱桥相比，曲面平滑变化的单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥具有优美的工程结构外形，犹如牛角拱门一样横跨大桥两岸，将是一种漂亮的大跨径钢管混凝土拱桥。

单叶双曲面是一种直纹面，其曲面可以由两族直线构成，单叶双曲面外形美观和平滑流畅，单叶双曲面在跨中处也是平滑曲率变化，单叶双曲面钢管作为变截面拱肋受力构件传力路径流畅，单叶双曲面钢管混凝土拱肋是最佳的变截面钢管混凝土拱肋造型构造。如果采用两个锥形钢管对拼形成的钢管作为变截面拱肋受力构件受力，则在拱顶连接处拱肋结构外形不平顺不美观，在跨中连接处弯折曲率突变，形成内折角弯折，对拱肋结构受力非常不利。

大跨径钢管混凝土拱桥的拱脚处是结构受力控制截面，拱脚处轴向压力较大，拱顶处轴向压力较小，传统钢管混凝土拱桥采用等截面拱肋形状设计，不符合拱桥内力分布，拱顶截面承载力有较大富裕。减少跨中处截面尺寸，增加拱脚处截面尺寸，形成单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱桥，符合超大跨径钢管混凝土拱桥的内力分布。

与传统的等截面钢管混凝土拱桥相比，单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥减少了跨中处截面尺寸，增大了拱脚处截面尺寸，因而，超大跨径拱桥结构重心显著降低，单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥稳重扎实的结构构造，可大幅度的提高钢管混凝土大跨径拱桥结构稳定性。

依据拱桥结构的内力影响线，如果在跨中处增加自重荷载，拱桥内力增加迅速。等截面钢管混凝土拱桥跨中处自重荷载较大，因而将显著增加了拱桥结构的内力。单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥在跨中处截面尺寸变小，减少了跨中区域自重荷载，可显著降低拱桥内力；在拱脚处截面尺寸变大增加自重荷载，拱桥内力几乎没有增加，拱脚处承载力却可大幅度提高。

大跨径钢管混凝土拱桥是采用无支架缆索多节段高空吊装焊接拼接方案施工，等截面钢管混凝土拱桥的拱顶处是超重节段吊装，导致施工困难。单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥的跨中处节段截面尺寸减少显著，大大降低了拱顶处节段吊装重量，可以确保钢管拱桥跨中节段吊装顺利合拢；单叶双曲面变截面钢管混凝土拱桥的拱脚处增加拱肋截面尺寸，拱脚处节段增加自重，可采取简单临时支架措施处理，因而不会有较大的施工难度。

即使是采用先进的真空辅助连续灌注管内混凝土技术和高效聚羧酸减水剂前提下，对于跨径大于600米钢管混凝土拱桥，从拱脚处向拱顶处压力灌注高强混凝土，由于管内高标号混凝土水灰比小，管内混凝土是一种典型的宾汉姆流体，因而存在粘度较大和流动速度慢的问题，传统的等截面钢管拱肋进行超远距离压力灌注钢管内混凝土，是可能存在灌注混凝土不密实问题。

依据变截面文丘里管效应和变截面牙膏管工作机理，由于单叶双曲面变截面钢管混凝土拱肋是从拱脚处到跨中处钢管截面尺寸不断减少的，使得在拱顶喉部处混凝土流体压力的大幅提高，可有效排除钢管管道内流体混凝土中所含的气体杂物，因此，大小头状的单叶双曲面变截面钢管内压力灌注混凝土是可以保证密实度的。

传统的钢管混凝土四肢桁架拱桥是二维平面矩形截面形式的四肢桁架拱肋，即四肢桁架拱肋是由两榀互相平行等间距的桁架拱肋组成，其四肢空间桁架拱肋自身结构稳定性不强，不能完成跨径到达800～1000米的结构安全性要求。

本发明的单叶双曲面状变截面钢管混凝土超大跨径拱桥是三维梯形截面形式的四肢空间桁架拱肋，四肢空间桁架拱肋钢管是提篮拱形式布置，桁架拱肋高度是由拱顶到拱脚是不断增加截面高度的，左右拱肋间距由拱顶到拱桥拱脚是不断增加的，单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥的拱脚处具有强大的结构空间刚度，大幅度提高了四肢空间桁架拱肋自身结构稳定性，从而可提高了超大跨径钢管混凝土拱桥横向的抗风和抗震性能。

在拱脚到1/4截面段，通过设置曲线形状槽钢连接件，采用波形钢腹板代替钢管斜腹杆，大幅度提高四肢空间桁架拱肋的抗剪承载能力；在1/4截面到拱顶段，结构剪力不大，仍然采用钢管斜腹杆形式，以便在跨中区域可以减轻吊装重量，确保外立面美观。

四肢空间桁架拱肋桁架的上下弦杆之间，设置水平向钢管支撑，可以进一步提高四肢桁空间架拱肋桁架的空间刚度，可以大幅度提高四肢空间桁架拱肋桁架结构稳定性。

传统钢管混凝土拱桥的桥面是等宽度的桥面系，由于超大跨径拱桥的拱肢钢管直径较大，较大四肢拱肋宽度导致人行道宽度很大，宽大的等截面人行道桥面系，增加了拱桥跨中荷载，增加了拱桥的内力。本发明人行道从四肢空间拱肋穿过，并采用抛物线变截面人行道桥面系，人行道两头宽中间窄，宽大的人行道的两端有利于超大跨径拱桥峡谷景色观光，较窄的人行道中间段可减少跨中荷载，有利于减少拱桥内力。

当钢管混凝土拱桥的跨径到达800～1000米，仍然采用传统的等截面钢管混凝土拱桥方案，将存在结构稳定性显著下降和跨中处超重节段吊装施工困难等两大问题，增加了建造超大跨径钢管混凝土拱桥的风险。

采用单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥方案，减少跨中处截面尺寸，增加拱脚处截面尺寸，可以改善拱桥结构内力状态，可从显著提高结构稳定性，可以减轻跨中节段吊装重量，从而可建造800～1000米的特大跨径钢管混凝土拱桥。

附图说明

图1是单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥三维示意图；

图2是图1中的四肢空间桁架拱肋三维示意图；

图3是图1的正立面图；

图4是单叶双曲面空间索网示意图；

图5是图1中的单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肋的三维示意图；

图6是图2中的四肢空间桁架拱肋的波形钢板节段的断面图；

图7是图2中的四肢空间桁架拱肋的钢管斜腹杆节段的断面图。

图中有：四肢空间桁架拱肋1；单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢11；单叶双曲面状变截面钢管拱肢111；管内混凝土112；波形钢腹板12；波形钢板121；曲线形状槽钢连接件122；钢管斜腹杆13；上弦水平向钢管支撑14；下弦水平向钢管支撑15；拱桥基础2；k形风撑3；吊索4；立柱5；桥面系6。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步具体说明。

实施例1：

本发明的一种单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥，由四肢空间桁架拱肋1、拱桥基础2、k形风撑3，吊索4、立柱5和桥面系6组成。超大跨径拱桥的左右两侧各设置一个四肢空间桁架拱肋1，每个四肢空间桁架拱肋1是包括四根呈提篮拱形状的单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢11。在提篮拱形状的四肢空间桁架拱肋1的左右两个斜平面内，从拱脚到1/4截面的节段，上下弦杆之间设置波形钢腹板12，从1/4截面到拱顶的节段，上下弦杆之间腹部设置钢管斜腹杆13。四肢空间桁架拱肋1的上弦杆之间设置上弦水平向钢管支撑14，四肢空间桁架拱肋1的下弦杆之间设置下弦水平向钢管支撑15。四肢空间桁架拱肋1两端锚固于拱桥基础2之中，在拱桥两侧的四肢空间桁架拱肋1之间设置若干道k形风撑3，在四肢空间桁架拱肋1上设置吊索4和立柱5支撑桥面系6，形成超大跨径钢管混凝土拱桥。

所述的单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢11由单叶双曲面状变截面钢管拱肢111和管内混凝土112组成，在单叶双曲面状变截面钢管拱肢111的管内空腔中，采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，压力灌注管内混凝土112充填密实。

所述的设置波形钢腹板12由波形钢板121和曲线形状槽钢连接件122组成，在四肢空间桁架拱肋1的左右两个斜平面内，从拱脚到1/4截面的节段，上下弦杆分别焊接连接曲线形状槽钢连接件122，在两个曲线形状槽钢连接件122之间焊接连接扇形的波形钢板121，形成波形钢腹板12。

实施例2：

本发明的单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥的施工方法，包括以下步骤：

第一步：根据地质地形、地貌条件及通航要求，进行超大跨径钢管混凝土拱桥的桥址选择，开挖基坑，施工拱桥基础2。

第二步：在预制加工厂，确定四肢空间桁架拱肋1的每一根单叶双曲面状拱形钢管拱肢11的形心线位置，划分吊装节段数量，下料扇形钢板，利用卷筒机器将扇形钢板卷成为锥形钢管节段，采用火工煨弯工艺弯成锥形钢管弯曲节段，多个锥形钢管弯曲节段拼装成为单叶双曲面状变截面钢管拱肢111。

第三步：下料槽钢，火工煨弯成为曲线形状槽钢连接件122，，在四肢空间桁架拱肋1的左右两个斜平面内，从拱脚到1/4截面的节段，上下弦杆分别焊接连接曲线形状槽钢连接件122，下料波形钢板121，在两个曲线形状槽钢连接件122之间焊接连接扇形的波形钢板121，形成波形钢腹板12；从1/4截面到拱顶的节段，焊接钢管斜腹杆13，形成四肢空间桁架拱肋1的一榀平面状拱桁架拱片。

第四步：将左右两榀平面的拱桁架片相互倾斜靠拢成提篮拱形状，四肢空间桁架拱肋1的上弦杆之间焊接连接上弦水平向钢管支撑14，四肢空间桁架拱肋1的下弦杆之间焊接连接下弦水平向钢管支撑15，形成四肢空间桁架拱肋1。

第五步：将四肢空间桁架拱肋1节段运输到施工现场，采用无支架缆索吊装方案，从拱脚基础开始，分段吊装拼接四肢空间桁架拱肋1节段，并在拱桥两侧的四肢空间桁架拱肋1之间安装k形风撑3，直到拱桥合拢。

第六步：采用高效聚羧酸减水剂配置高性能管内混凝土112，采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，在拱脚部位压力顶升灌注混凝土，将管内混凝土112充填密实单叶双曲面状变截面钢管拱肢111，形成单叶双曲面状变截面钢管混凝土拱肢11的空腔。

第七步：等到管内混凝土112硬化到达段计强度后，在四肢空间桁架拱肋1上安装吊索4和立柱5，然后安装吊装桥面系6，铺装环氧沥青路面，安装栏杆，形成单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥。

实施例3：

西南某峡谷1000米超大跨径公路大桥，采用单叶双曲面状变截面钢管混凝土空间桁架拱肋的超大跨径拱桥设计方案，设计荷载为公路一级，桥面宽度为32米(左人行道2米+行车道28米+右人行道2米)，吊杆间距为25米，矢跨比为1/4，拱桥矢高为250米，拱轴系数为1.75，超大跨径拱桥的左右两侧各设置一个四肢空间桁架拱肋，四肢空间桁架拱肋是由两榀斜向拱桁架相互倾斜靠拢成提篮拱形状。

四肢空间桁架拱肋拱顶处的截面高度为15米，拱脚处截面高度为30米，左右两榀平面的拱桁架片相互倾斜靠拢成提篮拱形状构成四肢空间桁架拱肋，两榀平面的拱桁架片拱脚处间距为30米，两榀平面拱桁架片靠拢的横向倾角为3.5°，拱顶处两个上弦杆靠拢后距离为5米。

在拱顶处，四根单叶双曲面状拱形钢管拱肢上下弦杆直径均为1500mm，在拱脚处，四根单叶双曲面状拱形钢管拱肢上下弦杆直径均为2300mm，其余节段上下弦杆的大小头直径由单叶双曲面方程确定，四根单叶双曲面状拱形钢管的壁厚从拱顶处32mm线型变化到拱脚处40mm。

在从1/4截面到拱脚段，采用40号槽钢作为曲线形状槽钢连接件，扇形的波形钢腹板从1/4截面处钢板厚16mm线型变化到拱脚处钢板厚20mm，波形钢板的波高均为360mm。从拱顶处钢管斜腹杆直径800mm壁厚14mm线型变化到到1/4截面处钢管斜腹杆直径1200mm壁厚18mm。

从拱顶到拱脚，四肢空间桁架拱肋的上下弦杆之间设置上下弦水平向钢管支撑，上下弦水平向钢管支撑从拱顶处钢管直径700mm壁厚14mm线型变化到拱脚处直径1200mm壁厚18mm。

采用无支架缆索吊装方案，从拱脚基础开始，分段吊装拼接四肢空间桁架拱肋节段，直到拱桥合拢，安装k形支撑。采用真空辅助连续灌注管内混凝土技术，单叶双曲面状拱形钢管拱肢顶升灌注c80高性能混凝土混凝土。

管内混凝土硬化到达设计强度后，安装吊索和立柱，施工桥面系加劲梁。为了减少跨中重量，桥面是设计为抛物线变截面人行道。铺装环氧沥青路面，安装栏杆，形成1000米级单叶双曲面变截面钢管混凝土的超大跨径拱桥，通车运营。