钢管混凝土拱桥设计与施工规程

福建省工程建设地方标准钢管混凝土拱桥设计与施工规程福州大学土木工程学院2007年11月1前言本规程是根据福建省建设厅闽建科【2007】×号文“关于制定福建省建设工程地方标准《钢管混凝土拱桥设计与施工规程》的通知”要求，由福州大学土木工程学院主编，会同福建省交通规划设计院、福州市规划设计研究院、福建省第一公路工程公司等参编单位编制而成。本规程的制定吸收了近年来有关单位在钢管混凝土拱桥设计与施工领域所取得的最新科研成果以及工程实践经验，充分参考和借鉴了国内外的相关规程和规范，在广泛征求意见、反复修改的基础上，最后由福建省建设厅组织专家审查定稿。本规程共分×个章节及×个附录，主要技术内容包括：下列标准所包含的条文，通过在本规程中的引用而构成本标准的条文，本规程出版时，所示标准版本均为有效。所有所示标准均有可能修订，使用本规程的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性：1、21、总则1.1.1为满足桥梁工程建设的需要，使钢管混凝土拱桥的设计、施工和验收等工作符合技术先进、安全可靠、耐久适用、经济合理的要求，特制定本规程。1.1.2本规程适用于以圆形钢管内浇筑素混凝土为拱肋的钢管混凝土拱桥。1.1.3本规程适用于本省各级市政工程钢管混凝土拱桥的设计与施工，公路工程中的钢管混凝土拱桥可参照执行。（或写成市政工程与公路工程）1.1.4本规程主要依据《公路工程结构可靠度设计统一标准GB/T50283》、交通部《公路工程技术标准JTGB01-2003》、《公路桥涵设计通用规范JTGD60-2004》、《公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000》以及福建省工程建设地方标准《钢管砼结构技术规程DBJB-51-2003》的有关规定制定。基本术语、符号按照国家标准《工程结构设计基本术语和通用符号GBJ132》和《道路工程术语标准GBJ124》的规定采用。1.1.5荷载分市政与公路来写，各有规程1.1.6钢管混凝土拱桥中的墩台与基础等圬工结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的设计计算与验算，可采用《公路圬工桥涵设计规范JTGD61-2005》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004》和《公路桥涵地基与基础设计规范JTJ024-85》等规范进行设计。横撑、钢横梁等钢结构设计应符合《公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ025-86》的要求。结构抗震设计应采用《公路工程抗震设计规范JTJ004-89》；结构抗风设计应采用《公路桥梁抗风设计规范JTG\TD60-01-2004》。材料和施工质量验收应符合《钢结构工程施工质量验收规范GB50205》、《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204》以及《公路工程质量检验评定标准JTGF80/1-2004》的要求。31.1.7采用本规程进行设计和施工时，应同时遵守现行有关的国家标准和行业技术规范的规定。（是否写规定中未明确部分）1.1.8公路钢管混凝土拱桥结构的设计基准期为100年。【公路桥涵设计通用规范JTGD60-20041.0.6】（根据重要等级，也可以不写）1.1.9对有特殊要求和在特殊环境条件下的钢管混凝土拱桥设计与施工，尚应符合专门规范的规定要求。42、术语和符号2.1.1钢管混凝土ConcreteFilledSteelTube(CFST)在钢管内浇筑混凝土并由钢管和管内混凝土共同承担荷载的构件。2.1.2钢管混凝土结构ConcreteFilledSteelTubularStructure以钢管混凝土为主要受力构件的结构。2.1.3钢管混凝土拱桥ConcreteFilledSteelTubeArchBridge以钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥。2.1.4钢管混凝土拱肋2.1.5单圆管、哑铃形、桁式2.1.6钢管、核心混凝土（管内混凝土）2.1.7紧箍力2.1.8上承式、刚架系杆拱、飞式，2.1.953、设计要求3.1一般规定3.1.1钢管混凝土拱桥设计与其它公路桥梁一样，采用以概率理论为基础的极限状态设计，考虑以下两类极限状态设计【公路桥涵设计通用规范JTGD60-20041.0.7】【设计规范校审稿1.0.5】：1）承载能力极限状态：对应于公路钢管混凝土拱桥及其构件达到最大承载能力，或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。2）正常使用极限状态：对应于公路钢管混凝土拱桥及其构件达到正常使用，或耐久性的某项限值的状态。在进行上述两类极限状态设计时，应同时满足构造和工艺方面的要求。3.1.2对于不同种类的作用（或荷载）及其对桥梁的影响、桥梁所处的环境条件，设计中应考虑以下三种状况进行相应的极限状态设计【公路桥涵设计通用规范JTGD60-20041.0.8】【设计规范校审稿1.0.6】：1）持久状况：桥梁建成后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。2）短暂状况：桥梁施工过程中承受临时性作用（或荷载）的状况。一般仅作承载能力极限状态设计，必要时才作正常使用极限状态设计。3）偶然状况：在桥梁使用过程中偶然出现的如罕遇地震的状况。仅作承载能力极限状态设计。3.1.3钢管混凝土结构或构件之间的连接，以及施工安装阶段（混凝土浇注前和混凝土硬结前）的承载力、变形和稳定，应按钢结构进行设计【设计规范校审稿1.0.7】。施工阶段的荷载主要为湿混凝土的重力和实际可能作用的施工荷载【四川院指南2.1.7】。3.1.4在采用本规范进行设计时，根据桥梁的性质和设计任务书的要求，有关作6用（或荷载）及其组合应根据《公路桥涵设计通用规范JTGD60－2004》或《城市桥梁设计荷载标准CJJ77-98》中的规定采用；在抗震设防区还应符合《公路工程抗震设计规范JTJ004-89》的要求【四川院指南2.1.2】。3.1.5除考虑成桥后的计算外，钢管混凝土拱桥在设计阶段还应进行施工控制性的计算。3.1.6对于中下承式拱桥，设计时应对其振动进行控制。3.2截面设计刚度取值3.2.1钢管混凝土拱肋截面设计刚度取值计算公式见式(3-1)～(3-4)，不同截面拱肋和不同计算内容时的选用见表3-1。【本课题组】(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)表3-1钢管混凝土拱肋截面设计刚度拱肋截面内力、应力、动力特性计算弹性屈曲及变形计算抗压刚度抗弯刚度抗压刚度抗弯刚度单圆管式（3-1）式（3-3）式（3-2）式（3-4）哑铃形桁式式（3-2）注：EA为钢管混凝土的抗压刚度；EI为钢管混凝土的抗弯刚度；ES、EC分别为钢材和混凝土的弹性模量；IS和IC分别为钢管截面和混凝土截面的惯性矩；AS和AC分别为钢管截面和混凝土截面的面积。3.3温度变化、混凝土收缩与徐变作用3.3.1基准温度（合拢温度）的取值：取空钢管拱肋合拢后进行管内混凝土浇灌的当月月平均温度加上4～5C作为计算合拢温度【本课题组】。文献【范丙臣，中承式钢管混凝土拱桥的温度评价及试验研究，硕士学位论文，哈尔滨：哈尔滨工业大学2001】建议：在进行升温计算时，采用浇注混凝土10天内的平均日气温减去3～5℃作为合拢温度；在进行降温计算时，采用浇筑混凝土10天内的平均日气温加上3～5℃作为合拢温度，若合拢时，日温变化不大，也可将浇筑混凝土10天内的日平均气温值作为合拢温度。】CCSSAEAEEACCSSAEAEEA80CCSSIEIEEICCSSIEIEEI8073.3.2年均计算温度的取值：取多年极值温度出现当日的日平均温度为年均计算温度【本课题组】。文献【范丙臣，中承式钢管混凝土拱桥的温度评价及试验研究，硕士学位论文，哈尔滨：哈尔滨工业大学2001】建议：在进行钢管混凝土拱桥温升计算中，年均最高温度应取日平均温度加上4～6℃，在进行钢管混凝土拱桥温降计算中，年均最低温度应取日平均温度减去3～5℃。3.3.3钢管混凝土结构或构件变形计算应考虑混凝土徐变、收缩的影响。无可靠实测资料时，混凝土收缩可按降温20～25℃计算，徐变可参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62－2004）附录提供的公式计算。【设计规范校审稿5.2.2】温度参照刘振宇论文（日照影响）3.4初应力的影响3.4.1钢管初应力度系数ω定义为：sf0（3-5）式中：：0为初应力的大小，sf为钢材的屈服强度3.4.2施工过程中初应力度不宜超过0.4。对于桁式拱肋，弦杆钢管初应力度不宜超过0.5【本课题组】。初应力参照黄福云博士论文3.4.3钢管初应力对钢管混凝土构件承载能力的影响，可以通过将组合轴压强度设计值乘上钢管初应力影响系数pk来考虑，pk的计算公式如下【设计规范校审稿3.3.3】：)r/e(f)(fkp1（3-6）11070350130020170000200（3-7）880/0)4.0/()4.0/(16.0)/(15.09.0)/(05.0)/(75.0)/(2rerererereref（3-8）ssf0（3-9）式中，)(f—考虑构件长细比影响的函数；)/(ref—考虑构件荷载偏心率影响的函数；0—钢管中的初应力；s—空钢管的稳定系数，按《钢结构设计规范》GB50017—2003取值。3.4有限元计算方法3.5.1在初步设计时，可采用平面有限元模型进行分析。对于施工图设计阶段的计算，宜采用空间受力分析。3.5.2有限元计算模型如仅用于进行弹性受力分析，则钢管混凝土拱肋可等效为等刚度单一材料单元，然后根据刚度分配计算钢管和管内混凝土的应力。钢管混凝土拱肋也可采用几何位置相同的双材料单元，直接计算钢管和管内混凝土的内力与应力。3.5.3对于实体拱肋（单圆管和哑铃型），可采用一根杆单元来模拟拱肋。对于桁式拱肋宜采用四管桁肋单元，在简化计算时可用一根杆单元来模拟整根拱肋。但在施工图计算时应用杆单元模拟桁肋的弦杆、腹杆等。3.5.4钢管混凝土拱桥中其它结构的有限元模型与其它桥梁结构相同，如横撑、横梁、（加劲）纵梁、桥面板、立柱、桩等可模拟为杆单元。吊杆、系杆模拟成链杆。地基土作用可用弹簧模拟，地基土的水平抗力用m法计算。3.5.5对于刚架系杆拱，拱、墩、系杆与地基四位一体，施工图设计计算时应建立整体的计算模型。刚架系杆拱在计算恒载作用下的系杆张拉力时，可将系杆的EA趋于无穷大，EI趋于无穷小，计算出系杆力。系杆张拉力计算完成后，可将9其作为外力，将系杆抗拉刚度置于实际刚度，然后计算施工过程和成桥后的结构内力以及系杆的附加力。104、材料4.1.1公路钢管混凝土拱桥拱肋管内混凝土等级不宜低于C30，可参照下列材料组合：Q235钢配C30或C40级混凝土；Q345钢配C40、C50或C60级混凝土【设计规范校审稿3.1.1】。4.1.2管内混凝土应具有低水灰比、高流动性、低收缩、低水化热、缓凝、早强等特点。宜掺适量减水剂。对于高温和寒冷地区修建公路钢管混凝土拱桥，管内混凝土的性能要求应符合相关规范的具体要求【设计规范校审稿3.1.3、3.1.4】。4.1.3混凝土轴心抗压强度标准值ckf、轴心抗压强度设计值cf、轴心抗拉强度标准值tkf、轴心抗拉强度设计值tf、弹性模量cE按表4-1采用。混凝土的剪变模量cG可按表4－1中弹性模量Ec的0.4倍采用，混凝土的泊松比C可采用为0.2【设计规范校审稿3.1.5、3.1.6】。表4-1混凝土强度和弹性模量（MPa）强度种类强度等级抗压强度抗拉强度弹性模量cE标准值ckf设计值cf标准值tkf设计值tfC3020.113.82.011.393.00×104C4026.818.42.401.653.25×104C5032.422.42.651.833.45×104C6038.526.52.851.963.60×1044.1.4钢管和其它承重结构钢材宜采用B级或B级以上级别的Q235号钢和Q345号钢，钢材的质量应符合相应的现行国家标准《碳素结构钢GB700-88》、《低合金结构钢GB/T1591-94》、《桥梁用结构钢GBT714-2000》和《结构用无缝钢管G