Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridges in China

In the past 20 years, great progress has been achieved in China in the construction of concrete-filled steel tube （CFST） arch bridges and concrete arch bridges with a CFST skeleton. The span of these bridges has been increasing rapidly, which is rare in the history of bridge development. The large-scale construction of expressways and high-speed railways demands the development of long-span arch bridges, and advances in design and construction techniques have made it possible to construct such bridges. In the present study, the current status, development, and major innovative technologies of CFST arch bridges and concrete arch bridges with a CFST skeleton in China are elaborated. This paper covers the key con- struction technologies of CFST arch bridges, such as the design, manufacture, and installation of steel tube arch trusses, the preparation and pouring of in-tube concrete, and the construction of the world＇s longest CFST arch bridge-the First Hejiang Yangtze River Bridge. The main construction technologies of rein- forced concrete arch bridges are also presented, which include cable-stayed fastening-hanging cantilever assembly, adjusting the load by means of stay cables, surrounding the concrete for arch rib pouring, and so forth. In addition, the construction of two CFST skeleton concrete arch bridges-the Guangxi Yongning Yong River Bridge and the Yunnan-Guangxi Railway Nanpan River Bridge--is discussed. CFST arch bridges in China have already gained a world-leading position; with the continuous innovation of key technologies, China will become the new leader in promoting the development of arch bridges.

Recent Construction Technology Innovations and Practices for Large-Span Arch Bridges in China

Arch bridges provide significant technical and economic benefits under suitable conditions.In particular,concrete-filled steel tubular(CFST)arch bridges and steel-reinforced concrete(SRC)arch bridges are two types of arch bridges that have gained great economic competitiveness and span growth potential due to advancements in construction technology,engineering materials,and construction equipment over the past 30 years.Under the leadership of the author,two record-breaking arch bridges—that is,the Pingnan Third Bridge(a CFST arch bridge),with a span of 560 m,and the Tian’e Longtan Bridge(an SRC arch bridge),with a span of 600 m—have been built in the past five years,embodying great technological breakthroughs in the construction of these two types of arch bridges.This paper takes these two arch bridges as examples to systematically summarize the latest technological innovations and practices in the construction of CFST arch bridges and SRC arch bridges in China.The technological innovations of CFST arch bridges include cable-stayed fastening-hanging cantilevered assembly methods,new in-tube concrete materials,in-tube concrete pouring techniques,a novel thrust abutment foundation for nonrocky terrain,and measures to reduce the quantity of temporary facilities.The technological innovations of SRC arch bridges involve arch skeleton stiffness selection,the development of encasing concrete materials,encasing concrete pouring,arch rib stress mitigation,and longitudinal reinforcement optimization.To conclude,future research focuses and development directions for these two types of arch bridges are proposed.

Reinforcement and numerical analysis on the corbel of a halfthrough arch bridge

Corbels support the crossbeams of half-through arch bridges. They are prone to cracking easily due to their characteristics and complicated loading conditions. Based on a practical diagnosis of a bridge crossbeam, we bonded steel plates onto bridge corbels to strengthen them. We carried out a numerical analysis on the effectiveness of the reinforcement by using the commercial sof^are ANSYS. The numerical analysis shows that the stresses near the section break increased slightly, but the variation amplitude was small and all the stresses were within an allowable range. The loading test indicates that it is feasible to strengthen the corbel with vertical bonded steel plates. Therefore, the reinforcement is effective and economical. This reinforcement method is suitable for this type of corbel and can be applied in similar cases.

Axial Bearing Capacity of Short FRP Confined Concrete-filled Steel Tubular Columns

The bearing capacity of FRP confined concrete-filled steel tubular （FRP-CFST） columns under axial compression was investigated. This new type of composite column is a concrete-filled steel tube （CFST） confined with fiber-reinforced polymer （FRP） wraps. Totally 11 short column specimens were tested to failure under axial compression. The influences of the type and quantity of FRP, the thickness of steel tube and the concrete strength were studied. It was found that the bearing capacity of short FRP-CFST column was much higher than that of comparable CFST column. Furthermore, the formulas for calculating the bearing capacity of the FRP-CFST columns are proposed. The analytical calculated results agree well with the experimental results.

瓮马铁路乌江特大桥设计关键技术研究

新建瓮马铁路乌江特大桥跨越两山之间深谷,地形复杂、设计难度大。为研究该桥梁方案,首先阐述了主桥的方案构思和结构设计,然后通过空间有限元软件对本桥进行静、动力仿真分析,总结了大跨铁路劲性骨架混凝土拱桥构造和受力特性。结果表明:主跨337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥具有刚度大、徐变小、后期养护维修工作量小等优点,主拱圈采用小矢跨比设计,兼顾安全、经济、环保和美观,能够满足铁路桥梁跨越山区“V”形峡谷的要求;主拱圈由劲性钢管混凝土骨架外包C55无收缩混凝土构成,通过分层分段浇筑方案改善拱圈各构件的内力;拱上结合梁采用两片工字形钢与混凝土桥面板相结合的形式,钢梁栓焊结合,便于制造、运输和施工;拱座采用梯形断面扩大基础,基础开挖永临结合,有效降低施工风险;数值分析表明该桥结构的刚度、强度、稳定性均能满足规范要求,能够满足客货共线铁路的安全性和乘坐舒适性要求。可为其他山区铁路桥梁桥式研究提供参考。

基于响应面法的钢管混凝土系杆拱桥有限元模型修正

为探讨将钢管混凝土系杆拱桥有限元模型修正方法应用于实际工程性能评估的有效性,以某80 m单拱面钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,采用Midas Civil与ANSYS有限元软件分别建立全桥梁格模型与拱脚精细化数值模型,基于径向基函数网络的响应面法对此多尺度模型进行修正。首先根据结构特点和实桥试验选取修正参数与目标函数,以中心复合试验设计构造不同修正水平下的修正参数样本,通过桥梁有限元模型计算得到对应的目标函数样本,并利用F检验法对修正参数的显著性水平进行判断;然后,以修正参数样本与目标函数样本分别作为响应面的输入输出,对径向基函数网络进行拟合训练;最后在修正范围内随机生成修正参数样本,并利用训练好的径向基网络预测对应的目标函数,采用期望度函数D进行优化处理以完成有限元模型的修正。研究结果表明:对于单拱面钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型,可以通过径向基函数网络的响应面法进行修正,对比实测数据,修正后的模型误差有明显下降,可作为结构再分析的基准模型;对于使用不同程序建立的多尺度桥梁有限元模型,模型修正方法依旧有效,修正后的参数具有明确的物理意义,其误差可降到工程实践接受范围之内。研究结果为建立与修正钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型提供参考。

曲线条件大跨度拱加劲连续梁设计

贵南高铁二塘双线特大桥采用90m+180m+90m拱加劲连续梁结构。大桥位于曲线上,梁体采用分段直线布置,悬灌施工;主拱采用哑铃形钢管混凝土拱肋,钢管直径1 m,拱肋全高3 m;采用整束挤压钢绞线吊杆,全桥拱设置36组吊杆;纵向活动主墩通过构造措施,形成半刚构结构体系,限制部分梁体问题伸缩变形;大桥采用先悬灌主梁,后在主梁上搭设支架原位拼装拱肋方式施工。经论文研究计算结果表明,该桥刚度、受力等均满足规范要求。

焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响

为研究焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响,基于建立的热力顺序间接耦合的有限元分析方法,对拱肋相贯节点的焊接温度场和残余应力场进行数值模拟,结合文献试验结果验证了有限元分析方法的准确性。然后对湘渝高速双堡桥拱脚处拱肋相贯节点进行焊接温度场和残余应力场的数值模拟。在此基础上,通过参数分析研究对比了不同焊接热输入和焊接速度以及进行焊前预热和焊后热处理等不同焊接工艺对拱肋相贯节点不同位置的残余应力影响。结果表明:不同焊接热输入和焊接速度下拱肋相贯节点的焊接残余应力分布规律基本一致,变化规律表现为焊接残余应力与焊接热输入呈正相关关系,与焊接速度呈负相关关系;随着焊接热输入的减小和焊接速度的提高,拉压残余应力整体减小,拱肋相贯节点经过焊前预热150~200℃以后,残余应力的峰值应力总体降低4%以上,但焊前预热对残余应力分布基本没有影响,更高的焊前预热温度能更有效地降低残余应力的峰值应力;拱肋相贯节点经过550~650℃保温温度下保温4 h的焊后热处理以后,焊接残余应力总体降低幅度在40%以上,更高的保温温度能更有效地降低焊接残余应力;钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点可通过减小焊接热输入和提高焊接速度的焊接工艺、焊前预热处理和焊后热处理来减小焊接残余应力。

基于悬拼钢拱架法的钢筋混凝土拱桥主拱圈现浇施工关键技术及数值模拟

钢拱架代替落地支架或节段悬臂拼装等施工方法,应用于山区跨越深水峡谷的拱圈现浇具有一定的优势,值得推广应用。该文通过介绍三岔河大桥钢拱架悬臂扣索法拼装、拱架水箱法预压和主拱圈分环分层浇筑等关键施工技术,有效地解决了跨越深水峡谷桥梁施工过程中的常见难题,并基于Midas Civil有限元方法整体建模,对其采用的关键施工技术进行了数值模拟分析,指导并监控了该桥的施工建设,可为类似工程施工及受力计算分析提供借鉴。

山区大跨拱桥BIM技术的应用研究

为保证山区大跨钢管混凝土拱桥的建造质量,实现山区拱桥从设计到构件制造施工的一体化建造技术,以白水河特大桥为依托,利用BIM技术进行大跨径钢管混凝土拱桥梁参数化设计,通过BIM正向设计,改变传统的二维设计模式和翻模模式,直接通过三维模型输出施工图;将BIM模型传递至钢结构制造、施工阶段,打通设计、深加工图到工厂构件加工的各环节。对特大桥领域工程的数字化发展进行了探索与创新,对比传统二维设计模式,BIM正向设计图纸在同类桥型中后期调整情况减少80%,有效减少加工废料的产生;在提升山区大跨径拱桥的设计、建造品质的同时缩短了设计、建造周期,为同类型桥梁的建造提供借鉴。

钢管混凝土桁架T型管疲劳寿命数值模拟分析

为分析钢管混凝土桁架T型管的疲劳寿命与管径比α之间的关系,本文以Midas/Civil建立钢管混凝土桁式拱桥有限元模型,通过求解得到极限疲劳荷载,定义疲劳荷载因子β为加载疲劳荷载与极限疲劳荷载的比值,利用ANSYS建立不同管径比的焊接T型管模型。通过实验获取钢管和混凝土的S-N曲线,结合Miner线性疲劳损伤理论,对T型管在轴压作用下的疲劳寿命进行对比分析。研究结果表明:在拱桥处易受疲劳损伤,应重点关注拱脚处的疲劳问题;疲劳寿命随着疲劳荷载的增大而减小;在相同疲劳荷载因子下,管径比为0.6时的疲劳寿命最大。因此,研究结果为钢管混凝土桁架焊接T型管的设计提供了对管径选择的一定参考,有助于提高钢管混凝土桁架结构的安全性、可靠性和经济性。

张吉怀铁路酉水大桥非对称拱桥钢拱肋架设技术研究

张吉怀铁路酉水大桥主桥为主跨292 m的非对称上承式钢管混凝土拱桥,其钢拱肋采用斜拉扣挂法进行节段悬臂架设施工。本文结合张吉怀铁路酉水大桥工程,针对高速铁路非对称拱桥钢拱肋安装施工技术展开研究,主要包括:复杂地形条件下的施工技术,因地制宜地进行缆索起重机的设计及安装,钢管拱整节段拼装和架设,合龙装置和技术等。该施工技术保障了钢拱肋架设的精度和质量,钢拱肋的成拱线形与设计值较为吻合。该桥运营以来,各结构性能指标均满足设计要求。

双跨连续拱桥缆索吊装系统设计及计算分析

以某世界在建最大跨2×405 m的上承式双跨连续拱桥为工程背景,详细介绍了其缆索吊装系统设计并利用有限元程序MIDAS/civil对其缆索吊装过程进行了仿真分析,实测结果表明:采用“过程最优,结果可控”扣索一次张拉施工优化计算方法来进行施工控制计算,可将拱肋松索后拱圈线形与目标线形的线形偏差控制在24 mm内,实际扣索张拉力与理论扣索张拉力最大误差控制在9%以内,计算精度较高。

钢管混凝土系杆拱桥吊杆连锁破断力学性能研究

通过有限元软件建立某下承式钢管混凝土系杆拱桥空间分析模型,建立评价标准分析桥梁结构各组成部分的响应,对拱桥发生吊杆破断连锁反应过程中结构力学性能进行研究。结果表明,仅跨中2根吊杆破断即有可能引发后续吊杆破断连锁反应。在吊杆破断连锁反应过程中,系杆梁与桥面会先于拱肋发生破坏;吊杆破断连锁反应不足以引发结构失稳,发生单侧吊杆破断连锁反应后结构破坏形式为桥面系与拱肋破坏的局部垮塌。

下承式钢管混凝土系杆拱桥施工监控研究

随着我国交通基础设施建设的大力发展,越来越多不同结构形式的桥梁出现在交通体系中,钢管混凝土系杆拱桥由于具有优越的力学性能,在交通建设中运用的越来越广泛。在一条道路的建设中,桥梁往往作为控制性工程制约着工程的建设进度,为保证桥梁在施工过程中安全、顺利建成,对施工技术难度大、施工风险高的桥梁,一般需要进行施工监控工作。文章以铜陵长江大桥北引桥1-96m下承式钢管混凝土系杆拱桥为依托,就下承式钢管混凝土系杆拱桥的施工监控方法进行了研究,具有较大的现实意义和工程应用前景。

大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥施工关键技术

我国钢管混凝土劲性骨架拱桥建造技术不断取得创新突破,对世界拱桥建设产生了深远影响。为掌握该桥型最新发展动态,探究其跨径不断突破背后的技术创新,文章对大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥施工重难点及关键技术进行了总结。大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥在施工中存在劲性骨架拼装难度大、管内混凝土泵送困难、外包混凝土浇筑风险高及养护困难等问题;从拱座、劲性骨架、管内及外包混凝土、墩台、主梁等施工过程提出了大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥的施工要点。针对关键施工工序,明确了对应的质量控制措施,为大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥的高质量施工提供指导;对于更大跨度的钢管混凝土劲性骨架拱桥建造,展望了钢骨架自动化焊接、大体积混凝土自生变形控制、施工期多参数监控等新技术的应用前景。

装配式全栓接超大跨拱桥建造精准控制理论与关键技术

乌江特大桥作为目前世界最大跨度上承式钢管混凝土拱桥,建设过程中受温差、风场环境、地形和环节多等因素的影响,在变形控制、施工稳定性、运输安装及体系转换耦合受力等方面面临着巨大的挑战,同时也提出了更高精度的施工控制要求。大桥采用拱-柱-梁全固结、全栓接无支座整体式受力体系的设计方案,给大桥建设带来了全新的挑战。基于此,本研究从柱梁制造线形计算方法、制造线形控制、高空安装毫米精度控制等方面全面攻关,提出了全过程最优原形成拱和拱上结构栓接精准控制理论,以及精细化的拱桥原形预拼制造技术、原形复位安装控制技术以及全固结栓接安装技术,减少高空作业时间,实现了大跨拱桥建造控制精度从厘米级到毫米级的突破,为大跨拱桥向工业化、装配化发展奠定了基础。

钢管混凝土吊杆拱桥检测评估及加固改造探讨

文中以贵州省普通国省干线公路桥梁定期检查服务QLDJ-01标段钢管混凝土吊杆拱桥为例,对该桥的检测评估及加固改造方案进行分析;针对病害情况,提出更换吊杆、增设加劲纵梁、主拱圈灌浆、拱座加固、混凝土构件缺陷修复等加固改造方案,以提高桥梁结构安全性。

大瑞铁路澜沧江大桥设计及关键技术研究

大瑞铁路澜沧江特大桥为双线铁路桥梁,大桥跨越澜沧江峡谷。结合桥位处的地质、地形及运输条件,经过方案比选,最终确定主桥结构为342 m上承式混凝土提篮拱桥,拱肋箱形混凝土截面由钢管混凝土桁架作为劲性骨架。围绕大桥的设计和施工技术开展一系列研究,采取梁-板单元模拟拱肋复合截面,对全桥进行静力、动力分析,确保全桥结构在列车活载、风荷载和地震荷载作用下受力安全;采取实体元建立拱肋内填外包钢管混凝土复合截面短柱模型,以全桥计算截面内力做外部荷载进行分级加载,最终确定拱肋拱顶复合截面受力安全系数为2.98,大于2.0;研发二次竖转的新型钢拱肋施工工艺,充分适应陡峭的地势,减少拱肋钢劲性骨架施工期间空中大悬臂状态时间。2022年7月22日,澜沧江大桥开通运营,围绕其开展的系列研究成果得以验证。研究成果中钢管混凝土参数体系与分析方法纳入《铁路桥梁钢管混凝土结构设计规范》;研发拱桥拱肋二次竖转施工新工艺,确保澜沧江大桥每岸质量2500 t的拱肋钢劲性骨架通过二次竖转实现合龙,为后期拱肋混凝土及桥面系的施工奠定基础。

外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土桥墩抗震性能分析

为了进一步推广可恢复功能的预制装配式桥梁结构在中、高烈度地区的应用,减少桥墩的震后损伤及修复成本,提出一种外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)桥墩。基于ABAQUS有限元分析软件建立无耗能装置、外置拱形钢板、外置竖直钢板、外置拱形耗能装置的四节段预制拼装CFST桥墩模型,并在往复位移加载作用下对各模型的抗震性能进行对比分析。研究结果表明:外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩具有较好的水平承载力、较高的初始刚度以及较强的耗能能力,与外置竖直钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力提升了约11.9%,初始刚度提升了约2.5%;与外置拱形钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约28.8%、4.6%和13倍;与无耗能装置的预制拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约39.4%、10.4%和18.1倍;外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩在整个位移加载阶段残余位移均保持在1 mm之内,偏移率不超过1%,且损伤集中在拱形耗能装置上,能够实现震后的快速修复。