《公路钢管混凝土拱桥设计规范》解读
2016-03-04
拱桥在我国历史悠久，也是大跨径桥梁形式之一。钢管混凝土拱桥与钢筋混凝土拱桥、圬工拱桥相比，由于钢管这种高强材料的应用，使得桥梁自重大大减轻，跨度得以增大，近年来被广泛采用。
去年年底，交通运输部发布并实施了《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/TD65—06—2015）（以下简称《规范》）。《规范》提出了规避钢管内混凝土脱空的技术措施和初应力的影响，计入了脱空和初应力影响；提高了吊索、系杆索耐久性设计要求，提出了桥面梁结构整体性设计要求；引入了完整性的概念设计，强化桥梁细节构造设计要求；提出了主拱强度、刚度、稳定与动力性能指标综合计算要求与评价要求……本期特别邀请了部公路局技术管理处及《规范》编制组的有关同志对其进行解读，敬请关注。
解读人：四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院总工程师庄卫林
技术要求体现桥梁特点
该《规范》制定的内容，体现了钢管混凝土拱桥承受活载、结构、施工的桥梁特点，主要体现在：提出了规避钢管内混凝土脱空的技术措施和初应力的影响，计入了脱空和初应力影响；提高了吊索、系杆索耐久性设计要求，提出了桥面梁结构整体性设计要求，解决了吊索断裂造成桥面梁坍塌的技术难题；根据拱桥成拱工艺复杂的特点，提出了专门的施工计算要求；引入了完整性的概念设计，强化桥梁细节构造设计要求；提出了主拱强度、刚度、稳定与动力性能指标综合计算要求与评价要求；根据实际工程调查，规范主张合理、先进、易于施工的结构构造，放弃复杂、多次造成工程质量事故的结构构造；根据国内外计算，提出了相对合理的钢管混凝土节点、徐变等计算方法。
《规范》规定的内容来源于国内大量工程科研、设计、施工和养护的实践，通过已建工程总结和提高；同时，又将规定的内容试用于广安奎阁大桥、合江长江一桥等十余座钢管混凝土拱桥的设计中，得到了工程的实际验证，内容成熟可靠。
采用极限状态设计方法
现行《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283—1999）要求采用概率极限状态设计方法，《规范》采用了极限状态设计方法，与我国现行公路桥梁设计理论体系取得保持了一致。
《规范》确定了采用“统一理论”作为编制的基础；依据已有的研究成果，确定了钢管初应力对钢管混凝土性能影响的计算方法；根据桥梁高性能混凝土技术发展，规定了钢管内混凝土性能指标要求，保证钢管内混凝土灌注顺利、质量可靠；规定了脱空对钢管混凝土性能影响的极限承载能力计算方法和刚度修正；依据大量试验结果，提出了钢管节点承载力计算与验算方法；根据钢管混凝土高强、轻质和大跨特点，提出了主拱强度、刚度、稳定计算方法和非线性影响的计算要求；根据钢管混凝土截面特点和试验结果，制定了钢管温度影响与计算方法；为充分发挥钢管混凝土受压承载的特点，规定了单管主拱、哑铃形主拱、桁式主拱的计算最大值，既简化了计算公式，又提高了设计参数的合理性；制定了钢管混凝土主拱安装成拱阶段的计算、主拱钢管内混凝土灌注阶段的计算和主拱拱上加载计算的内容及要求。
不同构造要求不同
吊索和系杆索——《规范》提出吊索应采用平行钢丝或钢绞线的成品索，其钢丝或钢绞线应经过镀锌或环氧喷涂的防腐处理，索体不宜外露，应设有防护装置。锚具形式应结合拱、梁和索体构造选用，上下端锚具宜露出结构外，便于检修和更换，并设置完整的防护及排水构造。结构设计时要合理处理吊索和系杆索的位移及耐久性需要。构造细节设计时，应考虑维护及更换所需要的构造设施。
主拱——哑铃形的主拱结构，由于在腹腔内灌注混凝土时易出现腹板爆裂，而设计计算本身又不计入该截面的贡献，且构造非常复杂。因此，《规范》不提倡采用在腹腔内灌注混凝土的结构构造，而采用钢板或钢管作为连接构造构件。
现有钢管混凝土桁式主拱，其节点、间距、桁高等参数形式多样，造成桥梁发生病害。桁式主拱构造的关键是节点，《规范》规定了斜腹杆节点构造参数、平行腹杆几何参数、主管与支管的参数匹配、疲劳构造细节、焊接接头等构造设计要求。
结合全国钢管混凝土主拱安装的经验，《规范》规定了钢管成拱时主拱与拱座的连接构造、主拱节段构造、主拱合龙构造的要求。
钢管混凝土肋式拱桥较多，因此，横向连接构造是关键，根据横向连接构造受力情况及施工难度，结合工程实践及科研成果，本规范规定了一般采用空心钢管作为横撑构件，其构造形式应根据主拱跨度、主拱构造等，优化选择一字式、K式、X式、米字式等结构。而肋间横梁既是横撑，又是桥面梁的横梁，且其连接构造复杂，因此，建议在进行桥梁总体设计时就应认真研究，尽可能简化该横梁的构造。
结合钢管混凝土拱桥设计、施工经验，提出了拱上立柱与盖梁（或称横梁）、主拱的连接构造要求，避免使用阶段出现病害。
鉴于大于300米跨度拱桥安装的难度和施工风险，一般主张由设计单位结合主拱构造完成主拱安装体系的设计，《规范》提出了辅助构造，主要包括主拱安装的辅助体系、主拱的辅助构造等内容。
桥面梁的结构构造——调查、分析和研究了国内吊索断裂的惨痛教训，其中原因之一是桥面梁的构造体系问题。《规范》提出了桥面梁一般宜采用连续结构体系，对于特大跨拱桥，建议采用整体性更好的钢混组合桥面板。
附属构造与防腐体系——为了提高桥梁的耐久性，桥梁设计应关注防水、排水与桥梁检修通道设计，根据桥梁重要部位及检修需要，规范规定了防水设计要求和检修通道构造设计要求，提出了钢管防腐体系设计及工艺设计要求。
安全是基础广泛吸取经验
以国内外相关试验研究成果为基础，吸收国内外近年来建设钢管混凝土拱桥设计技术经验与教训，结合《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》等一批资料为参考，联合国内钢管混凝土拱桥设计、施工、科研的有关单位，邀请同行业知名专家咨询指导和审查，确保编制的科学性、原则性、合理性、适用性。
结合国内外钢管混凝土技术成果和相关规范的统一、协调要求，制定的编制原则为：安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进。安全是首要的，是编制原则的基矗
提升主要技术指标
《规范》关于钢管混凝土计算方法、钢管混凝土节点疲劳强度、脱空对钢管混凝土性能影响、初应力对钢管混凝土性能影响、自密实钢管混凝土制备等研究内容均为国外所没有的，反映了我国钢管混凝土拱桥领域多年积累的经验和最新研究成果，内容完整、理念先进。因此，《规范》总体上代表了国际钢管混凝土拱桥设计的最新成果。
填补空白科学指导工程建设
《规范》作为行业技术法规，是交通行业规范体系中的一个重要组成部分，是公路桥梁系列设计规范的一部分，能够解决目前大规模的公路钢管混凝土拱桥建设缺少先进理论指导的问题。
直接效益：《规范》符合实际，易于操作和理解，便于推广和应用，对避免钢管混凝土拱桥的不合理设计和提高设计技术具有重要意义，其制定并颁布实施后所产生的效益是显著而深远的。
间接效益：我国虽然经过了20多年400余座钢管混凝土拱桥建设的大发展，但是总体建设水平有待提高和普及。《规范》的制定，总结提升了近年来所建工程积累的先进技术和成熟经验，并通过规范的形式在我国广泛推广和应用，进一步指导工程实践，为工程质量提供保障，具有重大的社会效益。
■背景
钢管混凝土在国内外广泛应用于土木工程，自1990年在四川旺苍首次建成了主跨115米的旺苍东河大桥以来，我国已建成400多座钢管混凝土拱桥，但是一直没有正式的规范，制定钢管混凝土拱桥设计行业规范已经刻不容缓了。
这些年来，依托建设工程，我国开展了钢管管节点强度、疲劳强度、钢管混凝土受力性能、脱空和初始应力对钢管混凝土工作性能影响、钢管混凝土收缩徐变、构造设计技术及管结构加工技术等多方面进行了系统试验研究，取得了大量研究成果，形成了相对完善的计算理论、构造技术和制造安装工艺，编制行业规范已经具备成熟条件了。
■案例
3月刚刚完成施工图设计的杭绍台高速公路跨杭甬运河桥，在《规范》出台后，中交公规院的设计人员连夜对这座主跨105米钢管混凝土系杆拱桥设计图进行更改，将拱肋钢管在拱脚位置的预埋段长度增加到2.5米，增加了传力的均匀性，提高了结构稳定性。
