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支井河特大桥设计汇报一、项目概述地理位置：支井河特大桥位于巴东县野三关镇支井河村，沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施高速公路榔坪～高坪段。桥型结构形式：主桥为1-430米上承式钢管混凝土拱桥，横跨支井河峡谷，桥梁全长545.54米。主拱圈计算跨径：430m计算矢高：78.18m矢跨比为1/5.5两个拱肋间中心距：13m主拱圈断面采用钢管混凝土与钢管（箱）组成的桁式断面，断面高度从拱顶6.5米变化到拱脚13.0米。桥面系宜昌岸引桥：1-36m预应力砼箱梁恩施岸引桥：2-27.3m预应力砼箱梁主桥：19.1m+19X21.4m+19.1m预应力砼小箱梁，先简支后连续桥面铺装：9cm沥青砼+6cm水泥砼技术设计阶段作了钢-混结合梁方案比选：1、工程数量上，结合梁较预应力砼小箱梁：混凝土减少1674立方米，钢材增加1353吨。2、从使用及耐久性上结合梁不如小箱梁：挠度大，钢混结合面抗剪弱，寿命低，养护上结合梁更不如小箱梁，故不推荐采用钢-混结合梁方案。拱肋宽度：4.0m主钢管直径：1200mm管壁厚:35mm，30mm，24mm;钢管内填充50号高强砼二、技术标准及技术规范（一）、技术标准⑴.公路等级：高速公路。⑵.设计行车速度：80公里/小时。⑶.路基宽度：24.5米。⑷.设计荷载：汽车—超20级,挂车—120。⑸．设计洪水频率：1/300。⑹．地震烈度：VI度，按VII度设防。（二）、技术规范：(1).部标准《公路工程技术标准》(JTJ001-97)(2).部标准《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)(3).部标准《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)(4).部标准《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022-85)(5).部标准《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》(JTJ023-85)(6).部标准《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)(7).部标准《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)(8).部标准《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）(9).《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82-91）(10).《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）(11).《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-99）(12).工程建设标准化协会标准《钢管砼结构设计与施工规程》（CECS28：90）(13).国家标准《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（三）、设计依据(1).《关于上海至成都国道主干线湖北省宜昌至恩施公路初步设计的批复》交公路发[2004]271号。(2).支井河大桥初步设计文件。(3).支井河大桥工程地质详勘报告。（湖北省神龙地质工程勘察院编）。(4).支井河大桥西岸岩基变形稳定性研究报告（武汉大学水利水电学院编）。(5).支井河特大桥技术设计文件。目前该桥拱座基础混凝土已开始浇筑，主拱肋钢管（箱）已制作完成并在工厂进行了预拼装，下面为工厂的部分照片。主钢管的横连组拼主拱肋片三、钢管混凝土的基本性能钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，钢管混凝土轴心受压时产生紧箍效应，是钢管混凝土具有特殊性能的基本原因。钢管混凝土构件在轴心压力作用下，钢管和核心混凝土都处于三向应力状态下，与单向受压时不同，其性能发生了改变。在三向应力状态（纵向受压而环向受拉）下，钢材的屈服强度fy降低，而极限应变却增大；随着紧箍力的增大，混凝土的抗压强度提高，弹性模量也提高，塑性变形能力也大大增加。用作受压构件的钢管混凝土，由于钢管对混凝土的紧箍作用，使混凝土的抗压强度大大提高，而且还由脆性材料转变为塑性材料，基本性能起了质的变化。薄壁钢管的承载力决定于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分利用。用作钢管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁管的局部稳定性，其屈服强度可以充分利用。钢管混凝土轴心受压时N-ε全过程关系曲线图中a1点是开始产生紧箍力的点(泊松比μc=μs)，这时钢管的纵向应力稍低于比例极限fp。a点相应于钢管应力强度达fp，过a点后，进入弹塑性阶段。a2点时管内核心混凝土纵向应力达到强度标准值fck；a2点和b点处轴力相差约5%左右。b点时钢管的应力强度达屈服点fy，进入塑流，直至c点开始进入强化阶段，到d点时钢管应力强度达强度极限fu而进入破坏面。四、支井河大桥设计理论依据本桥在结构设计中按国内惯例采用了两种计算理论：1、弹性应力叠加法，主要用于施工过程的安全控制，并为后期的施工监控提供理论计算参考。2、极限承载力法，用于评价结构构件的总体安全度。在应力叠加法中，控制部位为拱脚下弦杆钢管应力，这个应力包含了恒载、活载、温度、混凝土收缩徐变、风力。在这些应力分项中，徐变是按外露混凝土的系数计算的。实际上，钢管混凝土的徐变系数要远小于这个值，只是目前没有规范可依据，计算时仍采用一般混凝土的徐变计算方法。按照目前应力叠加理论，钢管应力采用弹性叠加法，完全不考虑钢管混凝土作为组合材料的受力机理，相当于钢管与混凝土完全分离，这只适用应力水平较低或空钢管的情况，在施工过程中用应力来控制是合理的。但以此来评价结构的安全度缺乏依据，这种方法的实质是以局部点的单向应力水平来评判整体结构的安全性，是不尽合理的，也无法体现钢管混凝土的作为组合材料的受力性能，按此设计将造成不必要的经济浪费。国内钢管混凝土已有的规范都采用极限承载力理论（交通部的规范尚在报批中）。我们在本桥设计中，采用了中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》、中华人民共和国电力行业标准《钢—混凝土组合结构设计规程》，按两本规范分别做了计算分析，结果表明，考虑荷载组合后的内力还没有达到规范值，尚有一定的富裕度，应该说，设计考虑的安全度是足够满足要求的。五、计算结果(一）、计算方法及假定1.恒载考虑了结构自重、桥面系重量。并考虑混凝土的收缩徐变。系统变化温度按±30度计算。2.拱圈、竖腹杆、斜腹杆、立柱、盖梁及桥面系均采用空间梁单元。3.将钢管与混凝土模拟为两种材料，在节点处耦合。4．全桥共化分了4622个单元，2011个节点。静力分析运用MIDAS软件，动力及稳定性分析运用ANSYS软件。结构有限元模型1结构有限元模型2（二）、施工阶段的划分按照应力叠加法进行计算时，考虑施工阶段如下：1．主拱合龙，形成无铰拱。2．灌注1号钢管混凝土。3．灌注2号钢管混凝土。4．灌注3号钢管混凝土。5．灌注4号钢管混凝土。6．灌注.5号钢管混凝土。7．灌注6号钢管混凝土。8．灌注7号钢管混凝土。9．灌注.8号钢管混凝土。10．安装盖梁。11．安装主梁。12．桥面铺装。（三）、静力计算结果（1）应力主要计算成果：主弦钢管的压应力（Mpa）施工阶段位置拱顶合拢浇1砼浇8砼桥面铺装收缩徐变完成内侧下弦钢管拱脚-47.2-67.0-129.1-197.1-228.1L/8-41.2-58.0-113.7-175.7-202.9L/2-53.6-77.4-129.9-187.9-222.2L3/8-42.7-55.8-91.9-134.5-153.7拱顶-38.6-53.0-78.8-113.7-133.6使用阶段位置恒载+汽车+升温+风力恒载+汽车+降温+风力恒载+挂车内侧下弦钢管拱脚-260.4-260.6-240.9L/8-215.4-216.4-210.1L/2-237.6-222.5-231.3L3/8-174.8-149.1-162.0拱顶-152.0-124.6-138.8混凝土的压应力（Mpa）施工阶段位置浇8砼安装主梁桥面铺装收缩徐变完成内侧上弦钢管拱脚-7.8-12.8-16.3-12.2L/8-5.9-11.0-13.1-10.0L/2-7.3-12.9-15.4-11.6L3/8-7.9-14.3-17.8-13.1拱顶-9.6-15.6-18.9-13.7内侧下弦钢管拱脚-8.3-15.3-20.0-13.3L/8-5.8-12.9-16.5-11.9L/2-5.0-11.4-14.8-11.0L3/8-3.4-8.4-10.6-8.2拱顶-2.9-7.2-8.9-6.9使用阶段位置恒载+汽车+升温+风力恒载+汽车+降温+风力恒载+挂车内侧上弦钢管拱脚-21.2-13.9-15.0L/8-12.8-10.5-10.8L/2-12.4-12.7-12.9L3/8-13.6-15.8-14.7拱顶-14.0-16.9-15.2内侧下弦钢管拱脚-18.4-21.5-16.0L/8-12.7-15.6-13.2L/2-12.2-12.4-12.6L3/8-10.4-8.8-9.6拱顶-9.1-7.3-8.1从上面的计算结果可看出，按应力叠加法，在考虑收缩徐变的影响下，使用阶段，主拱圈钢管的最大压应力达到260.6Mpa,钢材距其设计强度320Mpa尚有一定的距离。在施工阶段过程中，钢管的初应力最大值为136.6Mpa＜0.6f=180Mpa,能够满足要求（参照DL/T5085-1999《钢-混凝土组合结构设计规程》中华人民共和国电力行业标准）。实际上，在以往的钢管混凝土拱桥设计过程中，在施工阶段，按应力叠加法进行计算。成桥后，按照内力叠加法进行计算。如果在成桥后继续按照应力叠加法进行计算，往往造成不经济。位置轴力N(TONF)对应弯矩M(TONF·M)承载力NU(TONF)外侧下弦钢管拱脚5240.9155.66457.2L/84098.1143.56566.7L/23317.552.05966.3L3/82224.137.66021.2拱顶1420.2117.05044.7恒载+汽车+降温+风力作用下内力组合(2)内力主要成果:从上面的结果看出，在不利荷载组合下，结构的轴力最大组合值为5240.9tonf＜6457.2tonf,能够满足要求，并有23%的富余度。位置轴力N(tonf)对应弯矩M(tonf·m)计算fsc(Mpa)承载力fsc(Mpa)外侧下弦钢管拱脚5239.4146.453.2168.55L/84081.8217.744.3668.55L/23308.351.031.6257.35L3/82219.335.921.2557.35拱顶1420.131.415.0757.35恒载+汽车+降温+风力作用下的承载力从上面的结果可看出,能够满足规范要求,并有28%的富余量.（四）、动力计算结果自振频率表格模态号振型频率(赫兹)1主拱圈面外对称0.2192主拱圈面内反对称0.4703主拱圈面外反对称0.5844主拱圈面内对称0.7175主拱圈面外对称0.9626最高排架面外反对称振动1.0237最高排架面外对称振动1.0658最高排架面外反对称振动1.1249主拱圈扭转振动1.20210主拱圈面内反对称1.283第一阶振型第二阶振型钢管砼拱桥面外和面内一阶计算频率自振频率与已建成的桥相比，基本适当，表明整体刚度满足要求。桥名主跨拱桥类型基频（Hz）面外面内梅溪河大桥288m上承式钢管砼桁架拱0.200.45巫峡长江大桥460m中承式钢管砼桁架拱0.170.35支井河特大桥430m上承式钢管砼桁架拱0.220.47丫髻沙大桥360m中承式钢管砼桁架拱0.330.44深圳北站大桥150m下承式钢管砼桁架系杆拱0.330.55（五）、稳定性计算结果施工阶段及使用阶段、活荷载作用下的整体结构弹性稳定系数如下表：各个阶段的稳定系数均大于4，支井河特大桥稳定性能满足《规范》要求。计算工况稳定安全系数失稳模态拱顶合拢12.8面外失稳浇注混凝土110.2面外失稳浇注混凝土28.7面外失稳浇注混凝土37.8面外失稳浇注混凝土47.4面外失稳浇注混凝土57.2面外失稳浇注混凝土66.7面外失稳浇注混凝土76.3面外失稳浇注混凝土86.4面外失稳全部浇注完成后(未上立柱之前)7.0面外失稳安装盖梁6.4面外失稳安装主梁6.3面外失稳全桥施工加载完成（成桥状态）6.4面外失稳全桥布满活荷载（使用状态）5.7面外失稳1、一类稳定：2、二类稳定：通过第二类稳定分析，可以得出：1、恒载自重作用下的