專利名稱：一種桁式索拱橋結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種拱橋結構，特別是適合于山區陡峻和v形山谷地形等交通不
便、運輸艱難條件的一種桁式索拱橋結構及施工方法。
背景技術：
從我國古代的石材拱橋---趙州橋到二十世紀的鋼筋砼拱橋，歷經了千年的發展
歷程，現澆的鋼筋砼拱橋需要在現場做模板，只適用于小型拱橋；大跨徑上承式砼拱 橋經歷了箱型拱、鋼管砼拱和桁式組合拱等三個發展階段。
1. 預制薄壁箱型砼拱橋一90年代以前，我國山區大跨徑拱橋多采用預制薄壁箱 型拱橋。它縱向分3 7段，每段重40 60t，架設多采用纜索起重機，其設備200 ~ 500t的安裝和拱肋的架設工期長達l年；眾多的臨時施工設備如此裝、拆，耗用大量 人力，增加了工程費用，另外山區地勢陡峻，缺乏長構件的預制和起吊的場地，這樣 致使箱型拱橋最大跨徑停留在L<150m的水平。
2. 鋼管砼拱橋一1990年四川旺蒼橋創建鋼管砼拱，它的下弦主拱圈是內注砼的 拱形鋼管，由于鋼管自重輕，既能做支架又能做模板極大的方便了施工，因此促進了 中國大跨徑拱橋的飛速發展，目前最大跨徑是已達到460m的四川巫山橋；但單一的鋼 管或還難以滿足山區大跨徑拱橋對下弦主拱圈強度和穩定性的要求，它所釆用的大型 纜吊設備用鋼量達500 800t之多，而主拱圈合攏后拉索及扣架等施工設施都要拆除，
致使費用高昂，除專業隊伍外， 一般施工單位都很難完成大跨徑鋼管砼拱橋建設任務。
3. 鋼筋砼桁式組合拱橋一是上世紀80年代初由貴州省根據V形山谷地形特點所
提出的一種新橋型，其特點是釆用鋼人字桅桿為吊裝工具，由兩岸橋臺向跨中以懸臂 桁架形式進行拼裝，合攏后在反彎點處切開上弦節點，以"邊桁中拱"的結構型式來 受力；這種新工藝特點是施工設備簡便、施工安全、省工省料、造價低廉，在西南地 區V形峽谷地區迅速代替了箱型拱，目前已在全國推廣修建了 40余座橋。但是經過 20年的運營實踐，桁式組合拱采用鋼筋砼材料的弱點也逐漸也暴露出來；例如桁式節 點和主拱圈后澆部分在反復荷載作用下都出現不同程度裂縫，從而影響耐久性，另外 當跨徑增大時鋼筋砼預制構件重量過大，給脫模、移運、翻身、吊裝都帶來不少技術 難度。1995年建成的世界上最大跨徑的桁式拱橋一一跨徑330m的貴州江界河大橋主 體工程工期用了三年的事實說明，特大跨徑拱橋更需要一種結構更可靠和施工快速方 便的新橋型。 發明內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種強度高、穩定性好、能利用可調斜拉索 在成橋前后進行"調索均載減負"、吊裝施工更為簡便的桁式索拱橋結構及施工方法, 它能綜合發揮高強度鋼索、鋼材和砼等多種材料協同組合、優勢互補的特點，適于山 區V型山谷大跨徑建橋。 為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是 一種桁式索拱橋結構，它的 下弦主拱圈是由多根內注砼的拱形鋼管依靠縱鋼板和橫鋼板連接成的下弦鋼管砼桁式 主拱圈或由多個拱形鋼箱依靠節點板拉桿和斜桿連接組成鋼箱桁架并加注砼的下弦鋼 箱砼桁式主拱圈。鋼管砼立柱垂直緊固在下弦主拱圈的下結點上，鋼管砼立柱上端緊 固在上弦行車道梁的上結點上，裝有可調錨夾的斜拉索的兩端分別錨固在上結點和與其相鄰的鋼管砼立柱的下結點上；鋼管砼立柱可為單管或多管組合結構，砼位于全部 鋼管內或只在鋼管的兩端。三角形橫截面的下弦鋼管砼桁式主拱圈是由3根內注砼的拱形鋼管組合成三角形橫截面的結構，依靠鋼板或鋼桿定位連接成一體，組成中空三角形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈；三角形橫截面的下弦鋼管鹼桁式主拱圈也 可由3根內注砼的拱形鋼管組合成等腰三角形橫截面的結構，居中的上鋼管的直徑大， 下底兩個鋼管的直徑小；依靠與三角形橫截面平行、等間距排列的橫鋼板把3根拱形 鋼管焊接成一體，縱鋼板沿后者的三個外曲面焊接，組成封閉的中空三角形橫截面、 桁式結構的鋼管砼主拱圈；所述的拱形鋼管是由短鋼管串聯焊接成一體，每根短鋼管 的一端內焊有筋肋；在橫鋼板的兩側，設有連接相鄰的兩個拱形鋼管的鋼筋拉桿；兩 側的下弦鋼管砼桁式主拱圈由下橫梁定位連接，鋼管砼立柱上端由中橫梁定位連接； 帶可調錨夾的斜拉索緊固連接鋼管砼立柱的上結點及與其相鄰鋼管砼立柱的下結點。 梯形橫截面的下弦鋼管砼主拱圈是由4根內注砼的拱形鋼管組合成梯形的橫截面結構， 依靠與梯形橫截面平行、等間距排列的橫鋼板把4根拱形鋼管焊接成一體，縱鋼板沿 后者的4個外曲面焊接，組成封閉的中空梯形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈。以 上所述的鋼管砼拉索組合拱橋由于自重較大，其主拱圈跨度局限于500米以內，如果 主拱圈跨度要求大于500米時，就要采用包括下弦鋼箱砼桁式主拱圈的全鋼結構的桁式索拱橋。所述的下弦鋼箱砼桁式主拱圏是由位于四角、內焊筋板的拱形鋼箱依靠節點板、拉桿 和斜桿連接組成鋼箱桁架，砼位于桁架中。所述的上弦行車道梁是由縱梁和上橫梁 連接而成的框架結構。上弦行車道梁也可由雙工字鋼組成箱梁的縱梁和由單工字鋼 梁抅成的上橫梁連接而成的鋼框架結構，在其上安置預制鋼筋砼橋面板及瀝青砼磨耗 層。本實用新型的有益效果是1.釆用多根內注砼的拱形鋼管或拱形鋼箱桁式主拱圈，充分發揮鋼材和混凝土 兩種材料協同互補的優勢，具有承載力高、剛度大、自重輕和經濟效益好等特點。在 架橋施工、特別是在大跨徑懸臂拼裝中，先吊裝重量輕剛度大的鋼管或鋼箱桁架，能 快速就位；合攏后再根據受力需要在鋼管內或鋼箱桁架中泵送鹼。在施工中可將空鋼 管或鋼箱桁架作為承重的支架和模板，大大地減少了施工機具設備。鋼管或鋼箱桁架 混凝土拱肋具有結構和施工兩者優勢的統一、造價比斜拉橋低、外形美觀的優點，特 別適用于山區陡峻和v形山谷地形等交通不便、運輸艱難地區。三角形、梯形或鋼箱 橫截面桁式結構的下弦主拱圈和鋼框架結構的上弦行車道梁都具有強度高、穩定性好、
適合于大跨徑拱橋的優點。2. 在立柱上端與行車道縱向上梁的結點和立柱下端與主拱圈的結點設有斜拉 索，它在大跨徑拱橋中三個不同階段中都具有獨特的功能(1) 合攏前懸臂施工懸掛階段(如圖6),斜拉索通過"扣架"懸掛在拱肋上，保證了拱肋的縱向穩定性。懸臂施工重量所產生的傾覆彎矩M:Sjc,G,,被上弦水平力Qi所產生的彎矩 M;-《必所平衡，由此得到2,=￡^;而斜拉索的水平分力與上弦結點前后的水平力之差相等，即<formula>formula see original document page 5</formula>，這樣可求得斜拉索力<formula>formula see original document page 5</formula>(式中e為斜拉索水平夾角)。上述計算公式說明調整斜拉索力Ti大小，就可以保證立柱、拉索、下弦三者的結點彎矩為零，即結點自重撓度f-o。(2) 鋼管拱合攏后管內泵送砼施工階段(如圖9、 10)拱肋合攏后斜拉索不拆 除，與拱肋共同形成"拉索組合拱"，使拱肋在加載中的變形得到有效的控制。因為空 鋼管要承擔全部管內砼重量所產生的軸向力和局部彎矩，這在特大跨徑確有困難，但 設有拉索后可以實現管內砼連續泵送。具體做法是在兩岸L/4范圍，可通過收緊拉索 將管內未硬化的砼重量轉移到斜拉索上；而當砼進入跨中L/2范圍時，則及時將兩側 斜拉索相應放松至原來狀態。拉索這種"先緊后松"方法是減少拱軸過大上下起伏變 形的重要的施工手段。(3) 成橋后的"調索"；合攏后組合拱是以鋼管砼無鉸拱為主體的結構。考慮 彈性收縮后拱趾將產生負彎矩(Mk--AHg yk)和拱頂產生正彎矩(Mk=+AHg ys)， 與一般拱不同在于組合拱Ms遠大于Mk。這是因為懸臂施工中在各結點所釆用的斜拉 索垂直分力(V=T sine )將約占全部1/4重量的鋼管拱、鋼立柱和鋼縱橫梁的重量 拉起上抬，從而引起了跨中下撓。因此鋼管砼拱形成橋后要及時將兩惻拉索適當放松 (相當反壓主拱)，使拱頂產生上翹來達到平衡。行車道梁建成后的恒載內力也需要通 過反復調整斜拉索索力，以使全拱各截面受力基本均勻，從而大大提高拱圈和拱橋整 體的可靠性、安全性和使用壽命。3. 應力疊加計算方法；桁式索拱橋的主要特點是采用懸臂施工法分次逐段建造。為了減少吊裝重量和錨固設施，在主孔的上下弦都是分次形成的組合截面型式。因此在施工過程中，先受力 的部分(例如鋼管砼截面中的鋼管)和后受力的部分(例如鋼管砼截面中的砼)所產 生的應力是不同的。目前，桁式組合拱橋多釆用《內力疊加一次總算應力》的方法， 其原理是考慮砼的齡期的增加，所產生徐變會在截面上產生應力重分布現象，因此總體上可以近似用內力疊加一次總算應力。然而實踐表明，由于沒有一種很好的理論能 準確的計算出此種應力重分布的數值，應力一次總算絕對值偏小，所以導致不安全的 后果，在工程上相繼出現很多裂縫。因此總結經驗，為了安全計，本實用新型推薦使 用彈性階段的應力疊加計算理論作為桁式索拱橋的基本計算方法。4.在陡峻山區和V形山谷地形等交通不便、運輸艱難的條件下，與單純的鋼框 結構橋、吊索橋或斜拉橋相比具有可以避免深水、高墩的施工，極大地縮短了工期和 成本較低的優點，與傳統的單鋼管砼拱橋相比具有承載力高、剛度大、斜拉索在成橋 前后充分發揮"調索均載減負"等特點，特別適合于大跨徑拱橋。
圖1是鋼管砼拉索組合拱橋結構示意圖。圖2是主拱圈為三管桁式結構的鋼管砼拉索組合拱橋橫截面示意圖。圖3是主拱圈為四管桁式結構的鋼管砼拉索組合拱橋橫截面示意圖。圖4是三管桁式結構主拱圏的橫截面示意圖。圖5是縱鋼板和橫鋼板與拱形鋼管焊接示意圖。圖6是茂井大橋方案比較示意圖。圖7是仙神河大方案比較示意圖。圖8是零彎距懸臂施工示意圖。圖9是前期泵送混凝土時調緊斜拉索的示意圖。圖io是后續泵送混凝土時調松斜拉索的示意圖。圖11是四箱桁式結構主拱圏的橫截面示意圖。 圖12是圖11的左視圖。 圖13是壩凌河大橋方案比較示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。實施例1:貴州龍灘水電站羅甸縣茂井大橋設計為76+128+76 - 280m連續剛構、 橋墩高100m,因電站提前蓄水，淹沒了橋墩基礎而被迫停工。由此不得不加大跨徑， 將橋墩移至淹沒線上，費用將增至3500萬元。如果因地制宜改用單跨"240m三鋼管 桁式結構的砼桁式索拱橋"如圖6所示，則可取消高墩及水下基礎施工，節省費用近 1000萬元。主拱圈為三鋼管桁式結構的砼桁式索拱橋如圖1-6所示它的下弦主拱圈是由三 根內注砼的拱形鋼管8組合成等腰三角形橫截面的結構；拱截面下緣為雙管、直徑較 小、兩者分開以增大橫向剛度，上緣單管直徑較大、與下緣雙管相距一定高度來保證 拱的縱向剛度；三管之間依靠與三角形橫截面平行、等間距排列的橫鋼板18把3根 拱形鋼管8焊接成一體，縱鋼板17沿后者的三個外曲面焊接，組成封閉的中空等腰三 角形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈19。拱形鋼管8是由短鋼管串聯焊接成一體, 在每根短鋼管內壁的一端焊有由縱橫鋼板組成的筋肋16，以防止管內砼收縮與鋼管脫離；在橫鋼板18的兩側，設有對穿相鄰的兩個拱形鋼管8的032鋼筋拉桿13來保 證三管的整體強度。兩側的下弦鋼管砼桁式主拱圈19由下橫梁15定位連接，鋼管砼 立柱3上端由中橫梁14定位連接。鋼管砼立柱3垂直焊接在三管桁式結構的鋼管砼主拱圈19的下結點7上，鋼管砼 立柱3上端緊固在上弦行車道梁5的上結點6上；拱肋上單根立柱高度20m以內為單 管結構，大于20m高度釆用多管組合結構；根據受力需要鋼管內可填滿砼，也可只在 上下端O. 5m的范圍內充填砼。裝有可調冷鑄錨夾的熱擠PE索套07平行鋼絲鐓頭錨斜拉索4的兩端分別斜向錨 固在上結點6和和相鄰鋼管砼立柱的下結點7上；在施工吊裝、充填砼和成橋前后等 階段均可進行索力調整，從而控制拱軸線形，力求使全拱受力均句，確保大跨徑的結 構穩定。上弦行車道梁5是由承受"拉彎"載荷的雙工字鋼焊接成箱梁的縱梁10和由承 擔橋面及汽車荷載的單工字鋼梁構成的橫梁9焊接而成的鋼框架結構，橫梁間距不大 于4m,以承擔一輛重車；位于其上的預制鋼筋砼橋面板ll，通過鋼筋焊接和接縫澆筑 纖維砼與縱橫鋼梁連成整體，其上再鋪填瀝青砼磨耗層12。桁式索拱橋的施工步驟為a. 先完成兩岸橋臺1的施工，按一個結點的長度劃分安裝單元,分段加工好各單 元所需的下弦鋼管砼桁式主拱圈19、鋼管立柱3、帶可調錨夾的斜拉索4、行車道梁 的上橫梁9、縱梁IO、中橫梁14和下橫梁15備用；b. 從兩岸的橋臺起分別利用帶可調錨夾的斜拉索4吊裝第一單元的下弦鋼管砼 桁式主拱圏19、由縱梁10和橫梁9組成框架結構的行車道梁5和鋼管立柱3，把它們 組裝成一體；c. 把吊機移至第一個結點，即剛架好的第一單元行車道梁5的外端部，利用帶可 調錨夾的斜拉索4吊裝第二單元，依此類推，直到拱橋合攏；d. 從兩岸的橋臺1起，從下端向每根拱形鋼管8或鋼箱桁架中灌注混凝土，并 利用帶可調錨夾的斜拉索4逐步拉緊已安裝的鋼管砼桁式主拱圈19;e. 混凝土進入拱跨L/4范圍時，再逐步放松斜拉索4，直到拱頂充滿混凝土；f. 在上弦行車道梁5上鋪設預制鋼筋砼橋面板11及新青砼磨耗層12;g. 在成橋后，再調節各結點的斜拉索4，力求使全拱受力均勻。實施例2:仙神河大橋是晉濟高速上跨越400米深谷的一座特大橋，由于地勢陡 峻，兩橋臺靠接隧道缺乏施工場地，設計為2xl23m獨塔斜拉橋，費用高達9000萬元。 如果因地制宜改用單跨200m、四鋼管桁式結構的砼桁式索拱橋，如圖7所示，則可取 消MOra高的橋墩和塔柱，節省費用達2000萬元以上。這說明在V形山谷地形中，采用本實用新型，不但有著巨大的經濟效益，還可避免了深水、高墩的施工，極大地縮 短了施工工期。
主拱圈為四鋼管桁式結構的砼桁式索拱橋如圖3和圖7所示下弦鋼管砼主拱圈 是由4根內注砼的拱形鋼管8組合成梯形的橫截面結構，依靠與梯形橫截面平行、等 間距排列的橫鋼板把4根拱形鋼管8焊接成一體，縱鋼板沿后者的4個外曲面焊接， 組成封閉的中空梯形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈20。它的施工方法與實施例l 相同。實施例3: 實施例1及2所述的鋼管砼拉索組合拱橋由于自重較大，其主拱圈 跨度局限于500米以內，如果主拱圈跨度要求大于500米時，就要釆用包括下弦鋼箱 砼桁式主拱圈的全鋼結構的桁式索拱橋。貴州壩凌河大橋是上海至瑞麗國道主干線位于貴州境內的一座特大橋，設計為 248+1088+228 = 1564m鋼桁加勁梁懸索橋。由于山高谷深，施工難度相當大，如果釆 用"600m鋼箱桁架砼桁式索拱橋"方案，如圖13所示，則可取消懸索橋大型專用施 工機械設備，縮短工期，節省投資，為V型山谷特大跨徑橋梁開辟一條新途徑。主拱圈為四鋼箱桁式結構的砼桁式索拱橋如圖11-13所示它的下弦主拱圈是由位于 四角、內焊筋板21的拱形鋼箱25依靠節點板24、拉桿22和斜桿23連接組成鋼箱桁 架，這種跨徑在500米以上的桁式索拱橋相對于其它橋型，其自重較小；與整體全箱 截面相比，鋼箱桁拱可以做到截面多次形成，減輕了吊裝重量，便于施工和降低費用。 在完成鋼箱桁拱吊裝后再向桁架中加注砼，施工中沒有向鋼箱內泵送砼的階段，成拱 后基本上是桁式受力狀態，拱頂部分受力不利，為此可利用帶可調錨夾的斜拉索4釋 放拱腳至反彎點區段拉索部分的索力，使得原來控制設計的拱頂內力大大降低，達到 了全拱受力均勻的狀態。
權利要求1.一種桁式索拱橋結構，包括橋臺(1)、下弦主拱圈(2)、拱上立柱(3)和上弦行車道梁(5)，其特征在于下弦主拱圈(2)是由多根內注砼的拱形鋼管(8)依靠縱鋼板(17)和橫鋼板(18)連接成的下弦鋼管砼桁式主拱圈(19)、(20)或由多個拱形鋼箱(25)依靠節點板(24)拉桿(22)和斜桿(23)連接組成鋼箱桁架并加注砼的下弦鋼箱砼桁式主拱圈(26)；鋼管砼立柱(3)垂直緊固在下弦主拱圈(2)的下結點(7)上，鋼管砼立柱(3)上端緊固在上弦行車道梁(5)的上結點(6)上；裝有可調錨夾的斜拉索(4)的兩端分別錨固在上結點(6)和與其相鄰的鋼管砼立柱的下結點(7)上；所述的下弦鋼管砼桁式主拱圈(19)是由3根內注砼的拱形鋼管(8)組合成三角形橫截面的結構，依靠鋼板或鋼桿定位連接成一體，組成中空三角形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈；所述的下弦鋼管砼主拱圈(20)是由4根內注砼的拱形鋼管(8)組合成梯形的橫截面結構，依靠與梯形橫截面平行、等間距排列的橫鋼板把4根拱形鋼管(8)焊接成一體，縱鋼板沿后者的4個外曲面焊接，組成封閉的中空梯形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈；所述的下弦鋼箱砼桁式主拱圈(26)是由位于四角、內焊筋板(21)的拱形鋼箱(25)依靠節點板(24)、拉桿(22)和斜桿(23)連接組成鋼箱桁架，砼位于桁架中；所述的上弦行車道梁(5)是由縱梁(10)和上橫梁(9)連接而成的框架結構。
2.根據權利要求l所述的一種桁式索拱橋結構，其特征在于所述的下弦鋼管 砼桁式主拱圈(19 )是由3根內注砼的拱形鋼管(8 )組合成等腰三角形橫截面的結構， 居中的上鋼管的直徑大，下底兩個鋼管的直徑小；依靠與三角形橫截面平行、等間距 排列的橫鋼板U8)把3根拱形鋼管(8)焊接成一體，縱鋼板(17)沿后者的三個外 曲面焊接，組成封閉的中空三角形橫截面、桁式結構的鋼管砼主拱圈；所述的拱形鋼 管(8)是由短鋼管串聯焊接成一體，每根短鋼管的一端內焊有筋肋(16);在橫鋼板U8)的兩側，設有連接相鄰的兩個拱形鋼管(8)的鋼筋拉桿(13);兩側的下弦鋼 管砼桁式主拱圈(19)由下橫梁(15)定位連接，鋼管砼立柱(3)上端由中橫梁(14) 定位連接；帶可調錨夾的斜拉索(4 )緊固連接鋼管砼立柱(3 )的上結點(6 )及與 其相鄰鋼管砼立柱(3)的下結點(7)。
3.根據權利要求l所述的一種桁式索拱橋結構，其特征在于所述的上弦行 車道梁(5)是由雙工字鋼組成箱梁的縱梁(10)和由單工字鋼梁構成的上橫梁(9) 連接而成的鋼框架結構，在其上安置預制鋼筋砼橋面板(11)及瀝青砼磨耗層(12)。
4.根據權利要求l所述的一種桁式索拱橋結構，其特征在于所述的鋼管砼立 柱(3)為單管或多管組合結構，砼位于全部鋼管內或只在鋼管的兩端。
專利摘要一種桁式索拱橋結構，它的下弦主拱圈是由多根內注砼的拱形鋼管或多個拱形鋼箱組成砼桁式主拱圈，鋼管砼立柱垂直緊固在下弦主拱圈的下結點上，鋼管砼立柱上端緊固在上弦行車道梁的上結點上，裝有可調錨夾的斜拉索的兩端分別錨固在上結點和與其相鄰的鋼管砼立柱的下結點上；上弦行車道梁是由箱型縱梁和上橫梁連接而成的鋼框架結構，在其上安置預制鋼筋砼橋面板及瀝青砼磨耗層。本實用新型具有強度高、穩定性好、能利用可調斜拉索在成橋前后進行“調索均載減負”、吊裝施工更為簡便的優點，它能綜合發揮高強度鋼索、鋼材和砼等多種材料協同組合、優勢互補的特點，適于山區V型山谷大跨徑建橋。
文檔編號E01D12/00GK201047060SQ20072010915
公開日2008年4月16日 申請日期2007年5月9日 優先權日2007年5月9日
發明者上官興, 亮 任, 周湘政, 彭德清, 徐海燕, 胡常福 申請人:華東交通大學