中承式网状吊杆拱桥及其施工方法

1.本发明涉及吊杆拱桥领域，具体涉及一种中承式网状吊杆拱桥及其施工方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称：uhpc)以其优异的力学特性和耐久性在全球范围内被广泛用于桥梁工程。然而，uhpc昂贵的材料成本和对施工技术的高要求阻碍了它的大规模应用。当前，由于uhpc均按照传统的结构形式和设计理论来使用，因此其优良性能及其潜在的好处还没有得到充分的利用。uhpc在桥梁工程中主要用于传统预制混凝土构件的现浇湿接缝、桥面铺装和破损桥梁的修复。尽管传统的uhpc可以提高钢筋混凝土组合结构中混凝土材料的强度，但其弹性模量相对普通混凝土增加较小，将其用作组合结构仍难以充分发挥材料各自的力学特性，限制了钢-砼组合桥梁结构轻量化的进一步突破。
3.钢管混凝土(concrete-filled steel tube，简称：cfst)拱桥是一种常见的大跨度拱桥结构形式，但是钢管外侧直接暴露在大气环境中，容易生锈，导致腐蚀问题突出，运营期维护成本高昂。此外，cfst拱桥通常采用自架设施工方法，即：先完成主拱钢管结构的架设，待其合拢以后在钢管内灌注填充混凝土。然而，这种施工方法会使钢管在混凝土凝固之前承受相当大的初始应力。此外，混凝土的收缩和徐变效应将导致混凝土承担的压应力逐步转移到钢管上。这种影响进一步增加了钢管的压应力，导致钢管承受高应力而混凝土材料不能发挥其全部优势。
4.因此，需要一种网状吊杆拱桥，可以克服大跨度混凝土拱桥自重过大、全钢拱桥厚钢板成本高、焊接难度大、以及cfst拱桥的缺点。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种中承式网状吊杆拱桥及其施工方法，将ca-uhpc引入网状吊杆拱桥的拱肋中，将ca-uhpc材料和钢管进行组合，使拱桥具有跨越能力强、受力高效、施工快速简便、运营期养护工作量少的优点，解决大跨度混凝土拱桥自重过大、全钢拱桥厚钢板成本高、焊接难度大、以及cfst拱桥的问题。
6.本发明的中承式网状吊杆拱桥，包括位于桥面结构两侧的弧形拱肋，以及联接拱肋和桥面结构的网状吊杆、拱上立柱，所述拱肋之间设置有多个横撑，所述拱肋由空心钢管对接构成，所述空心钢管外表面包覆一层ca-uhpc外包层，桥面以上和拱肋以下的吊杆平行交叉分布，所述桥面以上和拱肋以下的吊杆平行交且少相互交叉两次，桥面以下和拱肋以上的拱上立柱倾斜交叉分布，所述吊杆、拱上立柱通过内侧构造加劲连接节点；
7.进一步，在空心钢管与ca-uhpc外包层的界面径向设置剪力钉，所述剪力钉沿ca-uhpc外包层周向均布，所述ca-uhpc外包层外表面箍筋，在ca-uhpc外包层内周向均布有纵向钢筋；
8.进一步，所述主拱肋节段的空心钢管之间通过法兰对接实现精准对位，通过对接
焊方式连接，所述网状吊索锚固于空心钢管内，横撑、拱上立柱与空心钢管的连接节点均设置有加劲板，所述加劲板位于空心钢管内；
9.进一步，所述拱肋纵向两端固定于拱座，所述拱座与桥面结构之间固定连接有倒v型边墩，所述拱肋相对向内倾斜形成提篮拱结构；
10.进一步，所述横撑由4根杆件构成，4根杆件的一端交汇固定连接为一体，另一端均斜向连接于拱肋上4个不同位置；
11.进一步，所述4根杆件的交汇固定点位于横撑纵向长度的1/4位置处；
12.进一步，所述拱肋通过拱铰结构连接拱座，实现双铰拱结构体系并减少拱脚附加弯矩，所述拱铰结构由上凹半球形结构和下凸半球形结构以及位于上凹半球形结构和下凸半球形结构之间的滑动副组成，所述上凹半球形结构和下凸半球形结构凹凸配合并可沿半球面相对滑动，所述下凸半球形结构通过ca-uhpc垫块实现向拱座扩散传力。
13.本发明公开一种中承式网状吊杆拱桥的施工方法，包括以下步骤：
14.(1)通过使用架拱吊机架设预制拱肋节段，在拱肋合拢之前，临时斜拉扣索辅助主拱肋的受力；在主拱结构形成后，逐步移除临时斜拉扣索；
15.(2)拱上立柱、刚性吊杆、网状吊索和桥面结构从岸侧向跨中分段施工；
16.(3)安装预制混凝土桥面板，然后张拉网状吊索，调整桥面结构的整体线型，浇筑桥面板现浇湿接缝，对称拆除临时斜拉扣索和临时塔架，完成桥梁主体结构施工；
17.进一步，所述拱肋的施工方法包括以下步骤：
18.s1.工厂制造预制拱肋节段,内层空心钢管制造完成后，浇筑ca-uhpc外包层，并进行蒸汽养护；
19.s2.用运输驳船将预制拱肋节段从工厂运到桥址，利用架拱吊机吊装；
20.s3.利用设置于预制拱肋节段中内层钢管端头的现场对接法兰实现待安装预制拱肋节段的精确对位，待安装线型符合要求之后进行内层钢管的现场对接焊连接；
21.s4.待内层钢管焊接完成和探伤合格后，现场浇筑ca-uhpc现浇接头，并进行现场蒸汽养护。
22.本发明的有益效果：本发明的中承式网状吊杆拱桥，将ca-uhpc引入网状吊杆拱桥的拱肋中，并且将ca-uhpc材料和钢管进行组合，使拱桥具有跨越能力强、受力高效、施工快速简便的特点，解决大跨度混凝土拱桥自重过大、全钢拱桥厚钢板成本高、焊接难度大、以及cfst拱桥的问题。
23.本发明的中承式网状吊杆拱桥，具有以下优势：
24.(1)拓展了网状吊杆拱桥结构体系类型和对地形条件的适用性。通过结构体系的创新，尽可能减小主拱的附加弯矩，使主拱以承受轴向力为主，从而将ca-uhpc最突出的力学特性，即压缩性能，可以得到充分的发挥。由于减小了弯矩，主拱截面应力分布更均匀，因此可显著减小拱肋截面尺寸、减小壁厚和截面面积，从而实现减轻结构自重、充分利用材料的目的，使该桥型的结构效率和经济性得到明显提升。
25.(2)拱肋采用圆形空心截面，构造简单，制造方便。充分利用了复合材料组合结构的优点，让ca-uhpc外层承担大部分拱轴压力，以尽量减少内层空心钢管的厚度，避免了厚钢板的焊接。与全钢拱桥相比，本发明的桥梁钢板最大厚度可控制在40毫米以内(不超过40毫米的钢板焊接结构为易焊结构)，这就可提高了施工质量和工程经济性。同时，空心钢管
还兼作为施工模板，大大简化了施工工艺和减少了施工措施。
26.(3)将ca-uhpc这种绿色环保型建筑材料应用于主拱结构中，较常规混凝土材料更加节约材料用量；另外，通过充分利用uhpc材料生产过程中单位二氧化碳排放指标底的优点(当承受相同轴力n时，uhpc的碳排放量仅为钢材的0.2倍，为常规混凝土的0.35倍)，从而显著减少二氧化碳排放。
27.(4)充分利用ca-uhpc优异的耐久性，不但能够显著延长结构使用寿命并减少维护返修，使桥梁在全生命周期实现更加绿色和节能。
28.(5)本发明的中承式网状吊杆拱桥用简洁纤细的线条雕琢出拱的形状，可达到整体和谐、比例协调、美观大方的效果，可使桥梁很好地融入周边环境。
附图说明
29.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
30.图1为中承式网状吊杆拱桥的立面布置图；
31.图2为中承式网状吊杆拱桥横断面图；
32.图3为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的三维轴视透视图；
33.图4为图3中a处的局部放大图；
34.图5为图3中b处的局部放大图；
35.图6为图3中d处的局部放大图；
36.图7为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的主拱肋横断面布置图；
37.图8为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的主拱肋节段连接接头三维示意图；
38.图9为图10中a处的局部放大图；
39.图10为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的桥面结构典型节段三维示意图；
40.图11为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的桥面结构典型横断面图；
41.图12为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的桥面以下部分结构三维示意图；
42.图13为本发明实施例的中承式网状吊杆拱桥的拱铰结构三维示意图；
43.图14为图13中a处的局部放大图；
44.图15为图13中b处的局部放大三维分解结构示意图；
45.图16为网状吊杆拱桥的施工步骤示意图。
46.其中，上述附图包括以下附图标记：1—拱肋，2—横撑，3—拱座，4—桥面结构，5—边墩，6—桥台，7—网状吊杆，8—刚性吊杆，9—拱上立柱，10—拱铰结构，11—预制拱肋节段，12—ca-uhpc现浇接头，31—扩大基础，32—竖桩，33—斜桩，41—边箱钢主梁，42—小纵梁，43—空腹式横隔梁，44—悬挑人行道，45—预制混凝土桥面板，46—现浇湿接缝，91—销铰，101—上凹半球形结构，102—下凸半球形结构，103—滑动副，104—ca-uhpc垫块，111—空心钢管，112—吊索锚固结构，113—ca-uhpc外包层，114—剪力钉，115—纵向钢筋，116—箍筋，117—现场对接法兰，118—法兰加劲板，119—立柱加劲结构，120—横撑加劲板，121—端加劲板，122—端垫板，123—连接螺栓，124—锚固螺栓，201—临时塔架，202—临时斜拉扣索，203—架拱吊机，204—临时地锚，205—运输驳船，206—架梁吊机。
拱锚固结构，都设置在内层钢管的内侧，以确保ca-uhpc外包层113的钢纤维连续分布。同时，上述构件传递给拱肋的集中力将通过这些加劲构造实现应力在内层钢管上的均匀分布。拱肋中的内层空心钢管111与端垫板122之间采用焊接连接，并环向均布设置若干端加劲板121、120以加强两者之间的连接并实现传力匀顺。
53.本实施例中，所述拱肋纵向两端固定于拱座3，所述拱座3与桥面结构4之间固定连接有倒v型边墩5，所述拱肋相对向内倾斜形成提篮拱结构，所述桥面结构4与桥台6之间设置竖向活动支座；主拱1结构体系采用双铰拱，拱铰结构10采用球面支承结构；在立面布置上，拱肋与桥面结构4之间的交叉节点不连接；在横向布置上，拱肋布置在桥面结构4的两侧；靠近拱肋和桥面结构4交汇区的拱上立柱9和刚性吊杆8采用铰接方式；通过利用倒v型边墩5的抗推刚度来增加整个桥梁的竖向结构刚度，边墩5安装在拱座3上方并与主梁固结；拱肋向内倾斜，形成提篮拱结构，可显著提高其横向稳定性。
54.本实施例中，所述横撑2由4根杆件构成，4根杆件的一端交汇固定连接为一体，另一端均斜向连接于拱肋上4个不同位置；“斜向连接”是相对于垂直连接的。横撑2采用变异形k形撑，相对于常规的k形、x形和“米”形横撑2，可减小拱肋的面外弯矩并提供相对最优的侧向刚度，另外，该横撑2杆件较少，提高了桥梁的通透性和美观效果。所采用变异形k形撑结构，其4个杆件的交汇点位于横撑2纵向长度的1/4位置处(从岸侧至跨中方向)。
55.本实施例中，所述拱肋通过拱铰结构10固定连接拱座3，所述拱铰结构10由上凹半球形结构101和下凸半球形结构102以及位于上凹半球形结构101和下凸半球形结构102之间的滑动副103组成，所述上凹半球形结构101和下凸半球形结构102凹凸配合并可沿半球面相对滑动，所述下凸半球形结构102通过ca-uhpc垫块104锚固于拱座3。拱铰结构10由上凹半球形结构101、滑动副103、下凸半球形结构102、ca-uhpc垫块104组成，从而防止出现横向滑动。通过由铸钢制成的上凹半球形结构101、下凸半球形结构102这两个相互协调的半圆形球面结构与由铜基镶嵌自润滑材料制成的滑动副103之间实现滑动，以释放拱肋与拱座3之间的转角，从而释放沿任意方向的转角和拱脚弯矩，以保证拱肋任意截面均处于受压状态。而常规的销铰式或摇轴式拱铰结构只能在平行于拱肋的平面内旋转，不能释放由横向风、温度和活载引起的拱脚面外弯矩。
56.拱铰结构10中的上凹半球形结构101与端垫板122之间通过接触承压传递拱轴压力，在端垫板122内侧设置环形挡条，并通过若干环向均布的连接螺栓123夹紧固定。拱肋中的内层空心钢管111与端垫板122之间采用焊接连接，并环向均布设置若干端加劲板121和120以加强两者之间的连接并实现传力匀顺。拱铰结构10中的下凸半球形结构102与ca-uhpc垫块104之间通过接触承压传递拱轴力，并通过若干环向均布的锚固螺栓124固定。ca-uhpc垫块104设置在拱铰结构10和拱座3之间，起到将压应力扩散的作用。
57.上述实施例中，桥面结构4采用钢-砼组合梁结构，以减轻自重、减少恒载下的拱肋内力，并节省钢材用量。桥面结构4采用边箱式钢-混凝土组合梁，具有受力性能优越、构造简单、造价经济等优点。其中钢结构部分由边箱钢主梁41、小纵梁42和空腹式横隔梁43组成纵、横梁体系，而混凝土部分为预制混凝土桥面板45。在桥面铺装施工之前，通过剪力钉114和现浇湿接缝46将预制混凝土桥面板45和钢结构部分连接在一起。同时，桥面结构4两端设纵向活动支座，该桥面结构4采用了在风嘴外侧利用悬臂梁加闭口截面纵梁组合形成类似水平导流板的悬挑人行道44板结构，对于优化主梁气动外形，改善绕流特性，从而提高桥面
结构4的颤振临界风速、抑制涡激共振振幅具有明显作用。
58.上述实施例中，吊杆采用恒定的倾斜角度、纵向等间距布置，可有效地减少锚固结构的疲劳问题。拱上立柱9和刚性吊杆8采用钢管，而柔性吊杆则可采用高强度钢丝或者碳纤维拉索。对于构件长细比较小的拱上立柱9和所有刚性吊杆8，其两端均通过销铰91与主梁或拱肋连接，以释放附加弯矩。
59.上述实施例中，拱座3由扩大基础31、斜桩33和竖桩32构成，以抵抗拱肋的巨大推力，具有受力路径清晰、开挖量小、环境影响小等优点。
60.本实施例的中承式网状吊杆拱桥的施工方法，包括以下步骤：
61.(1)通过使用架拱吊机203架设预制拱肋节段11，在拱肋1合拢之前，临时斜拉扣索202辅助主拱肋1的受力；在主拱结构形成后，逐步移除临时斜拉扣索202；
62.(2)拱上立柱9、刚性吊杆8、网状吊索7和桥面结构4从岸侧向跨中分段施工；
63.(3)安装预制混凝土桥面板45，然后张拉网状吊索7，调整桥面结构4的整体线型，浇筑桥面板现浇湿接缝46，对称拆除临时斜拉扣索202和临时塔架201，完成桥梁主体结构施工；
64.所述拱肋的施工方法包括以下步骤：
65.s1、工厂制造预制拱肋节段11,内层空心钢管111制造完成后，浇筑ca-uhpc外包层113，并进行蒸汽养护；
66.s2、用运输驳船205将预制拱肋节段11从工厂运到桥址，利用架拱吊机203吊装；
67.s3、利用设置于预制拱肋节段11中内层钢管111端头的现场对接法兰117实现待安装预制拱肋节段11的精确对位，待安装线型符合要求之后进行内层钢管111的现场对接焊连接；
68.s4、待内层钢管111焊接完成和探伤合格后，现场浇筑ca-uhpc现浇接头12，并进行现场蒸汽养护。
69.预制拱肋节段11吊装过程中，利用架拱吊机203将已完成施工的主拱肋1和待安装的预制拱肋节段11锁定在一起，以确保现场浇筑的ca-uhpc现浇接头12在凝固过程中不会发生拉伸或压缩变形，从而导致开裂。ca-uhpc现浇接头12的外模板系统、真空灌注系统(确保ca-uhpc湿接缝浇筑紧密)和现场蒸汽养护系统都包括在架拱吊机203中。
70.参见图16，上述中承式网状吊杆拱桥的施工方法包括以下几个步骤：
71.步骤a.开挖竖桩32、斜桩33和拱座3的扩大基础31，然后浇筑拱座3混凝土、施工临时地锚204；
72.步骤b.浇筑拱铰结构10中的ca-uhpc垫层104，再安装下凸半球形结构102、滑动帽103和上凹半球形结构101；
73.步骤c.利用浮吊安装预制拱肋节段11的起始段；
74.步骤d.在已经完成施工的主拱肋1上安装架拱吊机203；
75.步骤e.利用运输驳船205将预制拱肋节段11运送至桥位现场，通过架拱吊机203逐段安装预制拱肋节段11，同时安装和张拉临时斜拉扣索202；
76.步骤f.重复步骤e，继续对称、同步安装预制拱肋节段11，在过程中择时根据需要调整主拱肋1的线型；
77.步骤g.在主拱合拢之前，先利用临时斜拉扣索202将两端主拱肋1合拢口的高程调
整一致，再使用架拱吊机203将两侧主拱肋1进行临时锁定，然后吊装拱肋合拢段，接着将两侧主拱肋1和拱肋合拢段实现待精确对位，之后进行内层钢管111的现场对接焊，待焊接完成和探伤合格后，现场浇筑ca-uhpc现浇接头12并进行现场蒸汽养护，从而完成主拱结构的合拢；
78.步骤h.施工两岸桥台6，安装倒v形墩5，利用架梁吊机206从岸侧往跨中方向逐段吊装拱上立柱9，以及桥面结构4中的钢结构部分(即边箱钢主梁41、小纵梁42和空腹式横隔梁43)。
79.步骤i.从岸侧往跨中方向逐根安装刚性吊杆8和网状吊索7，同时继续利用架梁吊机206安装桥面结构4中的钢梁部分，直至合拢。
80.步骤j.从岸侧往跨中方向、同步、对称逐块安装预制混凝土桥面板45，然后张拉网状吊索7，调整桥面结构4的整体线型。
81.步骤k.浇筑现浇湿接缝46，待混凝土达到设计强度以后逐一、对称拆除临时斜拉扣索202，拆除临时塔架201，完成大桥主体结构施工。
82.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。