大跨径上承式钢管混凝土拱桥的制作方法

1.本实用新型涉及拱桥技术领域，特别涉及大跨径上承式钢管混凝土拱桥。


背景技术：

2.钢管混凝土拱桥是一种优异的钢—混凝土组合结构桥梁，近30年来，钢管混凝土拱桥技术得到了快速的发展，全国大约建成了400余座钢管混凝土拱桥，对我国经济发展做出了突出贡献。在跨径方面，作为已建成的最大跨径钢管混凝土拱桥的四川合江长江一桥的跨径已经达到了530m。随着经济的进一步发展，当前公路建设向西部山区延伸，面临的深沟峡谷地形越来越多，大跨径钢管混凝土拱桥的技术经济性愈发显著，需求也随之增大。
3.目前，钢管混凝土拱桥的工程需求已经进入到750m跨径级别，在该跨径级别下，采用现有500m级钢管混凝土拱桥的结构形式已经不能满足强度、刚度和稳定性要求。具体的：上承式拱桥的主拱跨径越大，主拱的矢高越高，相应主拱拱上立柱的高度也就越高，750m跨径级别的钢管混凝土拱桥在主拱拱脚位置处的主拱拱上立柱的高度将超过180m，主拱拱上立柱的稳定性难以满足要求，且自重大、造价高、施工困难，另外750m跨径级别的上承式拱桥的主拱、桥面梁的自重增大，拱桥自重显著增加，因此，在主拱拱上立柱和主拱连接处，拱桥自重对主拱造成很大的集中力和弯矩，即主拱的恒载显著增大，现有主拱的构造不能满足强度、刚度和局部稳定性要求。另外，随着拱桥跨度增大，全桥的宽跨比减小，导致全桥的横向稳定性变差，并且，过高的主拱拱上立柱本身稳定性较差，导致现有拱桥的构造无法满足全桥的整体稳定性要求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的：现有拱桥构造无法满足更大跨径下的强度、刚度和稳定性要求的不足，提供一种大跨径上承式钢管混凝土拱桥。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
6.大跨径上承式钢管混凝土拱桥，包括主拱、主拱拱上立柱、交界墩和腹拱，所述主拱拱上立柱、交界墩和腹拱支承桥面梁，所述腹拱分设于所述主拱两侧，所述腹拱包括第一腹拱和第二腹拱，
7.所述主拱的每侧中：所述交界墩与桥台之间设有所述第一腹拱，所述第一腹拱两端分别连接所述交界墩和腹拱拱座，所述交界墩与所述主拱拱顶之间沿纵桥向设有至少两个所述第二腹拱，最靠近桥台侧的所述第二腹拱的两端分别连接所述交界墩和对应的所述主拱拱上立柱，最靠近所述主拱拱顶侧的所述第二腹拱一端连接所述主拱、另一端连接对应的所述主拱拱上立柱，其余所述第二腹拱两端分别与对应相邻的两个所述主拱拱上立柱连接。
8.本实用新型所述技术方案提供了上述大跨径上承式钢管混凝土拱桥，所述钢管混凝土拱桥设有常规的主拱、主拱拱上立柱等结构。所述主拱为所述钢管混凝土拱桥的主要支承结构，所述桥面梁设于所述主拱之上，并连接两侧道路从而形成完整连续的线路，以实
现所述钢管混凝土拱桥最基本的通行功能。所述桥面梁和所述主拱之间设有交界墩和主拱拱上立柱用于支承所述桥面梁，所述主拱拱上立柱下端连接所述主拱的上端从而获得支承。
9.所述腹拱设有若干个并分设于所述主拱的两侧，所述腹拱分为第一腹拱和第二腹拱，所述第一腹拱和所述第二腹拱的设置位置不同。具体来说，所述第一腹拱设置于所述交界墩与同侧桥台之间。所述第一腹拱的连接方式是一端拱脚与所述交界墩连接、另一端拱脚与所述腹拱拱座连接。
10.所述第二腹拱设置于所述交界墩与所述主拱拱顶之间，所述主拱的每侧中，所述第二腹拱设有至少两个，其中我们设置：最靠近桥台侧的所述第二腹拱的两端拱脚分别连接所述交界墩和对应的所述主拱拱上立柱，最靠近所述主拱拱顶侧的所述第二腹拱一端拱脚连接所述主拱、另一端拱脚连接对应的所述主拱拱上立柱。另外，其余所述第二腹拱两端拱脚分别与沿纵桥向相邻的两个所述主拱拱上立柱连接，若只设有两个所述第二腹拱时，则不存在两端都连接所述主拱拱上立柱的所述第二腹拱。
11.所述腹拱拱座与所述主拱拱座均设于两侧地基上，两侧地基的具体位置需要结合实际进行确认。由于所述腹拱为拱形结构，且两端均设于所述主拱上方，因此，采用所述腹拱部分替代原本用于支承所述桥面梁的所述主拱拱上立柱，可以减少所述主拱拱上立柱的整体数量，特别是减少了位于所述主拱拱脚位置的高度较大的所述主拱拱上立柱的数量，从而显著减小所述主拱拱上立柱的整体高度。由于所述主拱拱上立柱自重很大，因此可以一定程度上减少桥体自重。从另一个方面，所述主拱拱上立柱高度较大，尤其是靠近所述主拱拱脚一侧的所述主拱拱上立柱，其高度和自重最大，稳定性也最差，采用所述腹拱替代部分所述主拱拱上立柱，还可以增加桥身整体的稳定性。并且所述主拱拱上立柱之间由所述腹拱形成纵向连接结构，能够增强相连接的所述主拱拱上立柱的纵桥向稳定性，提升桥身的纵桥向刚度，可以适用于700m以上超大跨径级别的钢管混凝土拱桥的设计。考虑到所述腹拱上方的所述桥面梁跨径应当与所述腹拱的跨径对应，且所述第一腹拱和所述第二腹拱的位置不同，为了便于施工，所述第二腹拱的跨径与所述第一腹拱的跨径可以不同以适应不同的地形。
12.需要说明的是，本技术中，所述主拱、主拱拱上立柱、腹拱等结构之间的连接可以根据实际施工需要采用焊接、栓接、复合连接等常规连接方式。另外，诸如“所述主拱两侧”的描述，其中两侧指的是所述主拱沿纵桥向的两侧。本技术中，在未另有说明的情况下，其他类似描述中的两侧或每侧同样指的是沿所述主拱沿桥纵向的两侧或其中一侧。
13.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述腹拱拱座上设有墩柱，所述墩柱用于支承所述桥面梁。由于桥台到所述交界墩的水平距离较远，因此，为了保证该位置的所述桥面梁的稳定，并减轻所述第一腹拱的负担，我们可以在该位置设置额外的墩柱，所述墩柱支承其上方的所述桥面梁。
14.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述第二腹拱在从所述交界墩到所述主拱拱顶方向的所述主拱拱上立柱之间连续设置。所述主拱拱脚处的主拱拱上立柱之间连续设置所述第二腹拱，由于从所述交界墩到所述主拱拱顶方向上，所述主拱拱上立柱的高度依次减少，因此，该设置意味着将所述第二腹拱优先设置于所述主拱拱上立柱较高的位置，即尽量靠近所述交界墩或所述主拱拱脚的位置，其有益效果是：减小所述主拱拱
上立柱总体高度的效果更加显著。
15.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述腹拱上端设有腹拱立柱或腹拱支座，所述腹拱通过所述腹拱立柱或所述腹拱支座支承所述桥面梁。本技术方案提供了一种所述腹拱支承所述桥面梁的具体方式，在所述腹拱顶部与所述桥面梁之间的竖向间距较小时，所述腹拱上端可以通过设置所述腹拱支座对所述桥面梁进行支承；在所述腹拱顶部与桥面梁之间的竖向间距较大时，可以设置所述腹拱立柱对其进行支承。两个方案的用意相同，区别在于根据不同应用场景选择不同的支撑结构，本领域技术人员在选择时应当考虑所述腹拱的设置位置、主拱高度等因素综合考虑。
16.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述腹拱设有系杆索。所述系杆索对所述腹拱的水平拉力应考虑到所述腹拱对其连接的所述主拱、主拱拱上立柱或交界墩造成的水平推力等因素。本技术方案通过采用系杆索平衡所述腹拱对其连接位置造成的水平推力，即减小了所述主拱拱上立柱、主拱和交界墩所受的水平推力。
17.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述腹拱为钢管混凝土哑铃形结构，所述桥面梁为简支梁结构。本技术方案中，给出了所述腹拱与所述桥面梁的一种结构选择，该结构的所述腹拱和所述桥面梁自重较轻、结构简单、便于组装，因此施工难度和造价较低。所述桥面梁为简支梁结构，具体可以采用预应力混凝土简支梁、钢箱梁简支梁等常规简支梁结构。由于通常情况下，单段所述桥面梁，即所述桥面梁的单跨跨径采用标准跨径，因此我们通常设置若干段所述桥面梁在所述腹拱上端的支承位在水平方向上均匀设置，其意味着该若干段所述桥面梁单跨跨径是一致的，并且与所述腹拱的跨径对应。所述腹拱的跨径应该是对应所述桥面梁单跨跨径的整数倍，以便于实际施工时进行组装。在具体设置时，应当结合受力设定单个所述腹拱上方所述桥面梁的段数，当段数越多时，即单个所述腹拱上方支承的所述桥面梁越多，则该方案对于所述主拱拱上立柱总体高度的减小越为明显，另一方面，单个所述腹拱上方支承的所述桥面梁段数越多，则对于所述腹拱的荷载能力的要求也就越高，因此，应当综合分析设置合理段数的桥面梁。
18.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述主拱拱上立柱为钢箱结构，所述主拱为钢管混凝土桁式结构。该设置下，所述主拱和所述主拱拱上立柱具有较高的强度，并且整体自重更轻，可以进一步减轻所述钢管混凝土拱桥的桥身自重，保证整体强度的同时降低所述主拱的恒载。上述所述主拱拱上立柱和所述主拱的结构选择尤其适用于本技术中设置多个腹拱的技术方案。
19.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述主拱的拱脚位置设有加劲区，所述加劲区的所述主拱腹管处设有加劲钢板。考虑到所述主拱拱脚处仍然存在少量所述主拱拱上立柱，其高度较高，自重较大，对所述主拱造成了较大的集中力和弯矩，因此，本技术方案在所述主拱的拱脚位置设置了加劲区，所述加劲区通过在所述主拱腹管处焊接加劲钢板，可以增强加劲区的所述主拱的结构强度。
20.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述主拱对应的上弦杆和下弦杆之间的腹管包括若干横腹管和若干斜腹管，所述加劲区的所述横腹管、斜腹管、上弦杆和下弦杆围成沿竖向设置的若干封闭三角形框架，所述封闭三角形框架内沿焊接所述加劲钢板。本技术方案中，在所述加劲区中，所述主拱的腹管与所述上弦杆和所述下弦杆围成若干个封闭三角形框架，三角形框架结构较为稳定，为了加强该三角形框架结构，我们在所述加
劲区的封闭三角形框架内沿还焊接有加劲钢板。通过上述设置，所述加劲区的所述主拱的承载能力显著增强。
21.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述主拱每侧中，所述加劲区一端位于所述主拱拱脚处、另一端位于任一所述主拱拱上立柱到所述主拱拱顶之间。为了进一步保证所述主拱的整体强度，本技术方案中对所述加劲区进行了进一步限定，具体来说，由于所述主拱拱脚处仍然存在一到两根高度较高的所述主拱拱上立柱，该所述主拱拱上立柱对所述主拱造成了较大的集中力和弯矩，因此，所述加劲区应当从所述主拱拱脚处、一直延伸到同侧最靠近桥台侧的所述主拱拱上立柱到所述主拱拱顶之间，以强化所述主拱受力较为集中的位置。
22.作为本实用新型的一个优选技术方案，进一步的，所述腹拱的跨径为80m
‑
120m，所述桥面梁的单跨跨径为40m
‑
60m。本技术方案意在提供了一种便于施工的所述腹拱和所述桥面梁的尺寸选择。
23.本技术提供了一种大跨径上承式钢管混凝土拱桥，其至少具有如下有益效果：
24.1.在所述主拱拱脚位置之上设置所述腹拱，可以减少所述主拱拱脚处高度较大的所述主拱拱上立柱的数量，由于高度较大的所述主拱拱上立柱会对所述主拱产生较大的集中力和弯矩，因此，通过腹拱的设置可以降低所述主拱受到的集中力和弯矩，另外，所述主拱拱上立柱自重大，其总体高度的缩短意味着可以一定程度上降低所述钢管混凝土拱桥的桥身自重，即降低所述主拱的恒载；
25.2.部分所述主拱拱上立柱之间连接有所述腹拱，所述腹拱的设置增加了相连的所述主拱拱上立柱的纵桥向稳定性，提高了桥身的纵桥向刚度；
26.3.所述腹拱为钢管混凝土哑铃形结构，其生产运输成本较低、组装简单、便于施工，采用腹拱替代部分所述主拱拱上立柱可以明显降低工程难度和工程造价；
27.4.通过上述有益效果的结合，本技术所述钢管混凝土拱桥可以达到大于700m跨径级别，满足当下750m跨径的钢管混凝土拱桥的设计需求。
附图说明：
28.图1为实施例1所述钢管混凝土拱桥的结构示意图；
29.图2为实施例1所述钢管混凝土拱桥的一侧结构放大示意图；
30.图3为实施例2所述钢管混凝土拱桥的结构示意图；
31.图4为实施例2所述钢管混凝土拱桥的一侧结构放大示意图；
32.图5为图4中a处的放大图；
33.图6为实施例3所述钢管混凝土拱桥的结构示意图；
34.图7为实施例3所述钢管混凝土拱桥的一侧结构放大示意图。
35.图中标记：
[0036]1‑
主拱、11
‑
主拱拱座、111
‑
上弦杆、112
‑
下弦杆、113
‑
横腹管、114
‑
斜腹管、12
‑
加劲区、121
‑
加劲钢板、2
‑
腹拱、21
‑
第一腹拱、22
‑
第二腹拱、23
‑
腹拱拱座、24
‑
腹拱立柱、3
‑
主拱拱上立柱、4
‑
交界墩、5
‑
桥面梁、6
‑
墩柱、7
‑
系杆索。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型所述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例提供了一种大跨径上承式钢管混凝土拱桥，所述钢管混凝土拱桥应用在某峡谷之上，即本实施例所述钢管混凝土拱桥为跨谷桥。
[0040]
如图1和图2所示，所述钢管混凝土拱桥包括主拱1、主拱拱座11、腹拱2、腹拱拱座23、主拱拱上立柱3、交界墩4和桥面梁5。
[0041]
所述主拱拱座11设有两个，并分别设于峡谷两侧的地基基础上，所述主拱1设于两侧所述主拱拱座11之间并由所述主拱拱座11进行支承。本实施例以所述主拱1采用钢管混凝土桁式结构为例，所述桥面梁5设于所述主拱1之上，所述桥面梁5连通峡谷两侧，从而形成连续的通道。所述主拱拱上立柱3和所述交界墩4的上端支承连接所述桥面梁5，所述桥面梁5通过所述主拱拱上立柱3、腹拱2和交界墩4支承于所述主拱1以及两侧地基基础之上，其中，最主要的是所述主拱1对所述桥面梁5的支承作用。
[0042]
本实施例中，所述交界墩4设有两个，并沿所述主拱1横桥向的竖直中轴面对称设置。参照图2，所述主拱1的任一侧中，各设有一个所述交界墩4，两个所述交界墩4位于所述主拱拱座11和同侧桥台之间，所述交界墩4下端与所述主拱拱座11共用一个地基基础。
[0043]
所述钢管混凝土拱桥包括若干腹拱2，所述腹拱2分设于所述主拱1两侧并沿所述主拱1横桥向的竖直中轴面对称设置。具体来说，所述腹拱2包括第一腹拱21和第二腹拱22。所述主拱1的每侧中，所述第一腹拱21设有一个，所述第一腹拱21的一端与所述腹拱拱座23连接并获得支承，该所述第一腹拱21的另一端与所述交界墩4连接并获得支承。
[0044]
所述主拱1的每侧中，所述第二腹拱22设置于同侧所述交界墩4和所述主拱1拱顶之间，所述主拱1每侧设有三个跨径相同且均匀设置的所述第二腹拱22。三个所述第二腹拱22中，最靠近桥台侧的所述第二腹拱22的一端与所述交界墩4连接并获得支承，另一端连接该同侧所述交界墩4相邻的所述主拱拱上立柱3；最靠近所述主拱1拱顶的所述第二腹拱22的一端与所述主拱1连接并获得支承，另一端与对应相邻所述主拱拱上立柱3连接；位于前述两个所述第二腹拱之间的其余所述第二腹拱22两端分别与相邻所述主拱拱上立柱3连接。为了保证所述第二腹拱22设置于所述主拱拱上立柱较高的位置，进一步限定所述第二腹拱22在从所述交界墩4到所述主拱1拱顶方向的所述主拱拱上立柱3之间连续设置，同时，该种连续设置的方法更加利于施工，有利于缩短工期。
[0045]
本实施例中，所述主拱拱上立柱3为钢箱结构。所述腹拱2均为钢管混凝土哑铃形结构。所述桥面梁5均为简支梁结构，具体为预应力混凝土简支梁结构，即桥面由多段预应力混凝土简支梁结构首尾拼接组成，在各所述桥面梁5连接位置，由所述主拱拱上立柱3、交界墩4或所述腹拱2进行支承连接。
[0046]
所述腹拱上端设有腹拱立柱24或腹拱支座。本实施例中，根据地形和便于施工的考虑，所述第一腹拱21的跨径为120m，其中部上端设有一个所述腹拱立柱24，所述腹拱立柱24支承连接两段所述桥面梁5的连接位。对应的，所述第一腹拱21上方的所述桥面梁5的单跨跨径为60m，即所述第一腹拱21上方设有两段所述桥面梁5。另外，在两桥台侧还各设有一
个墩柱6，所述墩柱6高度较低，并且可以辅助支承所述桥面梁5。
[0047]
所述第二腹拱22的跨径均为80m，每个所述第二腹拱22的中部上端设有一个所述腹拱立柱24并支承两段所述桥面梁5的连接位。对应的，每个所述第二腹拱22上方的所述桥面梁5的单跨跨径为40m，即所述第一腹拱21上方也设有两段所述桥面梁5。
[0048]
本实施例中，通过在所述主拱1和所述桥面梁5之间设置八个所述腹拱2，显著地减少了所述主拱拱上立柱3的总体高度。由于所述主拱拱上立柱3的自重大、施工困难造价较高且稳定性差，因此，通过上述设置可以降低所述钢管混凝土拱桥的桥身自重和施工难度，并提升其稳定性。尤其是，所述腹拱2从桥台侧向所述主拱1拱顶一侧依次设置，可以最大程度地降低所述主拱拱上立柱3的总高度。
[0049]
所述主拱拱上立柱3高度越大，稳定性就越差，本实施例通过若干所述腹拱2的设置，连接了所述腹拱2两端相邻的所述主拱拱上立柱3，所述主拱拱上立柱3之间形成了纵向连接结构，加强了所述主拱拱上立柱3的稳定性，提高了桥身纵桥向刚度。另外，若大量较大高度的所述主拱拱上立柱3直接连接所述桥面梁5和所述主拱1，所述主拱拱上立柱3将会对所述主拱1施加很大的集中力和弯矩，不利于所述主拱1的结构稳定。因此，本实施例采用所述腹拱2减少了较大高度的所述主拱拱上立柱3的数量，显著提升了桥身的稳定性。
[0050]
通过上述设置，本实施例所述钢管混凝土拱桥的自重得以减少，同时减少了高度较大的所述主拱拱上立柱3的数量，可以降低所述主拱1的恒载并提升所述钢管混凝土拱桥的稳定性。作为对部分所述主拱拱上立柱3的替代，所述腹拱2采用钢管混凝土哑铃形结构，其自重较轻，强度高，且组装和施工方便，可以相对降低施工难度和工程造价。
[0051]
实施例2
[0052]
如图3、图4和图5所示，在实施例1的基础上，进一步的，本实施例中，所述主拱1的拱脚位置设有加劲区12，所述加劲区12的所述主拱1腹管处设有加劲钢板121。具体来说，所述主拱1的对应的上弦杆111、下弦杆112之间的腹管包括斜腹管114和横腹管113，在所述加劲区12的所述斜腹管114、横腹管113、上弦杆111、下弦杆112之间围成沿竖向设置的若干封闭三角形框架，并且，沿封闭三角形框架内沿焊接有加劲钢板121。通过该设置，所述加劲区12的所述主拱1的承载能力显著提高。
[0053]
在所述主拱1的两侧，由于拱脚处的所述主拱拱上立柱3更高，此区域的所述主拱拱上立柱3对所述主拱1造成了较大的集中力和弯矩。因此，我们设置所述加劲区12一端位于所述主拱1的拱脚处、另一端位于所述主拱拱上立柱3到所述主拱1拱顶之间，具体的，如本实施例中，所述加劲区12从拱脚处延伸至从桥台侧向所述主拱1拱顶方向设置的第二根所述主拱拱上立柱3的位置，即从桥台侧到所述主拱1拱顶方向，两侧各有两根所述主拱拱上立柱3与所述主拱1的连接位置落在所述主拱1的加劲区12之中。
[0054]
通过该设置，所述主拱1的整体横向面外刚度以及承载能力得到提升，进一步提高了所述钢管混凝土拱桥的强度、刚度和稳定性。
[0055]
本实施例中，其他未特殊说明的内容皆与实施例1相同。
[0056]
实施例3
[0057]
如图6和图7所示，在实施例2的基础上，进一步的，本实施例所述钢管混凝土拱桥中，所述腹拱2连接有系杆索7，所述系杆索7张拉于所述腹拱2之间，具体来说，所述系杆索7设有多个并分别连接所述腹拱2，本实施例中，所述系杆索7采用现有常规的钢绞线系杆索。
设置所述系杆索7的用意在于，所述腹拱2对连接的所述主拱拱上立柱3、主拱1或交界墩4会产生水平推力。为了消除该水平推力的影响，我们在所述腹拱2处设置所述系杆索7，并通过设置系杆索7的拉力大小平衡所述腹拱2对其连接的所述主拱1、主拱拱上立柱3或交界墩4造成的水平推力。
[0058]
本实施例通过设置系杆索7以平衡所述腹拱2对所述主拱1、主拱拱上立柱3等结构的水平推力，可以在实施例2所述钢管混凝土拱桥的基础上进一步提升所述钢管混凝土拱桥的稳定性。
[0059]
本实施例中，其他未特殊说明的内容皆与实施例2相同。
[0060]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。