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.

宽幅下承式空间多索面异型系杆拱桥设计关键技术

以外秦淮河大桥为工程背景,采用Midas Civil对该异型拱桥进行仿真模拟,首先探讨了不同主梁刚度、拱肋刚度两个参数条件下的拱桥结构受力性能影响规律;其次考虑异型拱桥结构最不利情况,进行了强度、刚度验算分析;另外计算了桥梁结构前五阶振型及自振频率,分析了其动力特性;最后针对拱肋可能会发生的失稳情况,进行了拱肋稳定性设计分析.结果表明:主梁与拱肋的变形、应力均满足设计要求;在10%~20%范围内改变主梁、拱肋结构刚度对结构受力影响较小,外秦淮河大桥作为城市交通景观桥梁,主梁与拱肋构造设计仍有一定的优化空间;桥梁前5阶的自振频率在0.49~1.25 Hz之间,动力性能较好,为抗震设计提供了参考;该异型拱桥结构具有较好的稳定性能.

劲性骨架拱桥外包混凝土底模设计及拆除研究

为了探究大跨劲性骨架拱桥拱圈外包混凝土底模拆除工艺技术以及底模体系安全性问题,以奉节梅溪河双线特大桥为研究对象,从底模拆除的工艺流程探究其经济性、安全性,从底模模板系统的受力验算探究其设计合理性、安全性。为了验算底模模板的支撑安全性问题,依据相应的安全技术规范,对模板使用过程中可能出现的各种荷载进行计算,并按最不利进行荷载组合,计算模板使用过程中的荷载值;结合计算得到的最不利荷载值,对模板进行面板计算、次楞计算、主楞计算和吊杆计算,使其满足要求,进而确保模板在使用过程中的支撑安全性问题。结果表明,通过底模模板系统验算,其设计合理,底模拆除工艺采用吊篮结合吊具的方法,缩短了工期,减少了施工人员的投入,大大降低施工成本。

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。

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。

系杆拱桥稳定性分析

研究各种设计工况下的系杆拱桥的稳定性,以一座混凝土系杆拱桥为例,依据结构弹性屈曲理论,求解了系杆拱桥的主要屈曲模态,分析了横撑设置位置及设置形式对稳定性的影响,分析了系杆拱桥施工阶段和运营阶段静力稳定性的最不利荷载工况并求解了稳定特征值,采用一阶模态下附加初始缺陷的非线性分析方法求解了地震工况下的稳定性。分析结果表明:拱肋横桥向屈曲为系杆拱桥的主要失稳模态,屈曲时横向最大位移点在拱肋结构的等分点处;横撑形式及布设位置对横向稳定性的提高有显著作用,“一”字撑、“K”字撑、“米”字撑提高作用依次提升;系杆脱架阶段为施工阶段失稳的最不利工况,对称满跨布载为运营阶段失稳的最不利工况;E1、E2地震工况下屈曲特征值较恒载作用下分别降低了7.4%、13.3%,在高震区的动力稳定性应引起重视。

轨道交通矮塔斜拉桥斜拉索施工关键技术研究

矮塔斜拉桥是城市轨道交通工程中一种有竞争力的大跨桥型,由于矮塔斜拉桥采用平行高强钢绞线拉索及塔上贯通式鞍座体系,与一般斜拉桥拉索体系的施工有显著不同。针对宁句城际轨道交通中一座160m跨径的矮塔斜拉桥,对其结构特点及斜拉索施工关键技术进行了分析,对主塔劲性骨架、分丝管索鞍、钢绞线穿索及抗滑装置安装、斜拉索张拉及二次调索等进行了研究。

大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥地震易损性分析

为了探究完善钢管混凝土劲性骨架拱桥的地震损伤评估方法,以一座上承式高速铁路劲性骨架拱桥为工程实例,开展同种桥型的地震易损性研究。首先,基于OpenSEES平台建立拱桥的非线性数值模型;然后,通过非线性动力时程分析及增量动力分析对主拱肋子构件、交界墩及拱上立柱的地震损伤进行评估;最后,引入两种Copula函数建立串联体系下主拱肋构件系统的易损性曲线,并将其与子构件及基于第一可靠度原理的系统易损性进行对比。结果表明:在三向地震动作用下,主拱肋外包混凝土的损伤概率与损伤程度均明显大于钢管混凝土,且后者的易损位置将随着地面峰值加速度的增大而发生从跨中向拱脚的改变;主拱肋系统的易损性更偏向于外包混凝土,L/4拱肋截面的损伤概率最大;交界墩与拱上立柱的保护层混凝土的易损性水平显著高于纵向钢筋和核心混凝土,位于L/4拱肋位置的立柱损伤概率最大。抗震设计时应重点考虑对易损部位采取加强的设防措施。

大跨钢管混凝土劲性骨架拱桥拱肋竖转施工抗风性能研究

为保证大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥拱肋竖转施工过程的抗风安全,以某主跨342 m钢管混凝土劲性骨架拱桥拱肋竖转施工为背景,研究该桥劲性骨架拱肋在竖转施工过程中的抗风性能及抗风措施。根据竖转施工特点,采用ANSYS软件分别建立2种最不利施工状态(拱肋竖转临界状态和拱肋合龙前状态)有限元模型计算风致响应,提出设置浪风索的抗风措施以提高抗风稳定性。结果表明:拱肋在2种最不利施工状态下会产生显著的拱顶横向位移和拱脚转轴连杆应力,危及拱肋施工安全;设置浪风索能有效降低处于竖转施工阶段的拱肋在横风作用下的拱顶横向位移和拱脚转轴连杆应力,且浪风索应力满足要求,可保证竖转施工安全。浪风索截面面积对拱脚转轴连杆应力影响较小,对拱顶横向位移影响较大,同时考虑到施工中浪风索张拉力的不均匀性,设计时宜适当增加浪风索截面尺寸,以提升结构整体抗风安全储备。

基于最优化原理的大跨度劲性骨架拱桥外包混凝土分环分段浇筑分析

针对大跨度劲性骨架拱桥施工阶段受力复杂、外包混凝土浇筑方案对劲性骨架受力影响较大的特点,提出基于最优化理论的外包混凝土分环分段数量设置方法。将主弦管应力与目标应力差值的平方设为目标函数,分环分段数量为设计变量,利用最优化原理建立外包混凝土分环分段浇筑状态下,可测变量之间的性态约束关系。以某在建主跨600 m的上承式钢管混凝土劲性骨架拱桥为例,通过最优化原理求取外包混凝土分环分段数量设置的最优解,并进一步对肋间横联结构及混凝土浇筑顺序进行优化计算。结果表明:提出的基于最优化计算理论的外包混凝土分环分段设计方法是可行的;原设计方案主弦管压应力为342.6 MPa,优化后主弦管压应力仅为309.1 MPa,降低幅度可达9.8%;原设计方案拱顶最大下挠值为654 mm,优化后拱顶最大下挠值仅为629 mm,下挠值减少25 mm;肋间横联设计方面,建议采用X形空间横联而非采用I形平面横联,因前者在外包混凝土浇筑阶段的稳定性明显优于后者。

特大跨钢筋混凝土肋拱桥建造技术

钢筋混凝土拱桥因受力合理、全寿命周期维护成本低,成为深沟峡谷、地震多发等地区最具竞争力的桥型。特别是劲性骨架成拱的钢筋混凝土拱桥,无需支架、施工安全、截面参与施工受力,已成为大跨钢筋混凝土拱桥建造最优技术之一。原有劲性骨架法成拱技术,受到主拱结构构造差、骨架强度低、刚度小、外包混凝土施工环节多等诸多因素限制,国内建设数量较少。为攻克技术难题,依托320 m官盛渠江特大桥,对劲性骨架钢筋混凝土拱桥再创新,提出强劲骨架建造特大跨钢筋混凝土肋拱桥的建造技术,该技术提出的新结构、新材料、新工艺和新装备等科技成果,可简化特大跨钢筋混凝土拱桥施工流程、降低施工风险、节约施工工期,结构设计合理、材料利用率高、节约工程造价,社会经济效益十分显著。

下承式无风撑系杆拱桥设计与施工

下承式系杆拱桥具有造型美观、受力合理、施工方便等优点。在桥宽较大、跨径较小的情况下,采用无风撑系杆拱桥,更能突出其美观性,但同时也使结构纵横向受力、稳定性等方面的分析成为十分突出的问题。文章分析了90 m跨度无风撑系杆拱桥的受力特点与设计要点,提出了静力分析和稳定性分析的结论,并阐述了施工顺序和注意事项,旨在为同类桥梁的设计与施工提供借鉴和参考。

钢管混凝土拱桥全过程稳定性和刚度分析

钢管混凝土拱桥是目前运用较多的一种桥梁形式,其方法是在薄壁钢管内灌注混凝土而形成的一种组合结构,其作用原理是利用封闭薄壁钢管对内部混凝土的套箍约束作用,使得其处于三向受压状态下,从而使得混凝土的承载能力提高。但是对于钢管混凝土拱桥整体来说,其稳定性是一项重要的过程。钢管混凝土拱桥在不同施工阶段时,其所承受的荷载不一致,且进行到下一阶段时,荷载又发生变化,因此其全过程的稳定性至关重要。本文以某钢管混凝土拱桥为例,通过有限元软件分析其在各个不同施工阶段的稳定性能,同时对成桥后的整体稳定性、刚度以及强度进行分析,结果表明,该桥在施工阶段的整体稳定性满足规范要求,说明施工阶段的划分较为合理,且在成桥后的稳定性、刚度均符合规范要求。证明该钢管混凝土拱桥在全过程阶段中的稳定性满足要求,且较为合理。本文希望通过此文以期对类似工程提供参考。

连续梁-拱桥三角挂篮与大节段现浇支架施工受力性能对比分析

大跨径桥梁施工方式的选择对项目进度及造价具有重要意义。文中通过对某连续梁-拱桥施工工艺和节段划分讨论,探究其采用三角挂篮和现浇支架施工各自的受力特点,对二者进行方案设计和参数设计,基于有限元软件分析二者的整体受力及局部构件性能,对比数值结果发现,大节段现浇支架法与三角挂篮施工相比,具有结构变形小、内力小、经济性好的特点,在条件允许的前提下,连续梁-拱桥宜优先选择支架法施工。

钢管混凝土拱桥静力性能分析

为综合评价一座主跨100 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥的静力性能,采用精细化有限元仿真方法,对其在施工阶段、运营阶段拱肋受力、结构刚度以及结构稳定性开展分析,结果表明:施工阶段拱肋截面应力、运营阶段拱肋在承载能力极限状态下应力及承载能力均满足规范要求;承载能力极限状态下吊杆最大轴力为2373.08 kN,满足规范要求;结构一阶模态为拱肋横向侧倾,结构面外刚度较小;结构基频随拱肋刚度增加而增加,拱肋内倾角及横撑布置形式对结构基频无明显影响;结构一阶弹性稳定系数为4.4,满足规范要求。

大跨劲性骨架拱桥外包混凝土浇注方案

以在建昭化嘉陵江大跨劲性骨架拱桥为研究对象,采用Midas Civil 2010建立拱箱的梁-板组合有限元模型,对该桥的外包混凝土施工过程进行计算,探讨不同的浇注方案对劲性骨架拱桥的受力及挠度的影响,并考虑施工过程中的稳定性,为同类型桥梁施工提供参考和借鉴。

劲性骨架混凝土拱桥施工阶段的非线性稳定分析

论述了钢管混凝土作为劲性骨架施工的钢筋混凝土拱桥的行为特点，此类桥的结构在施工过程中，历经三种状态：①劲性骨架状态，②劲性骨架的一部分杆件被混凝土包裹的状态，③钢筋混凝土拱业已形成之后的成桥状态。用荷载增量法并考虑几何非线性和材料非线性影响以及施工加载历程，建立了3种计算模型，对用劲性骨架法施工的跨度为313m的拱桥各施工阶段稳定性进行了分析研究。指出了各种计算模型的适用范围。

关于桥梁结构线弹性稳定安全系数的讨论

针对桥梁工程中关于结构线弹性整体稳定安全系数的计算方法存在争议并给桥梁设计及计算带来不便的情况,对现存的三种常用方法进行了阐述,提出了线弹性分析时应注意的三个观点;以一下端固结柱为例,对三种不同的线弹性稳定安全系数计算方法进行分析对比,提出了一种新的计算方法——改进的线弹性稳定安全系数计算方法,并结合某钢管混凝土劲性骨架拱桥对各不同计算方法进行分析。结果表明:针对如今线弹性稳定安全系数计算方法的不足,新方法对承重结构恒载与外荷载进行区分,首先计算结构在恒载作用下的稳定安全系数,然后在确保结构满足自身最低稳定要求的前提下计算结构在外荷载作用下的稳定安全系数。改进的线弹性稳定安全系数计算方法能较合理的判断结构的线弹性稳定性及承载能力,而且专业概念明确,可供工程设计人员参考。

钢管混凝土系杆拱桥空间稳定性分析

为真实反映大跨度钢管混凝土系杆拱桥的稳定安全储备,以一座跨径为254m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例进行研究。采用ANSYS建立该桥施工和运营阶段的三维非线性仿真分析模型,采用基于纤维单元模型的核心混凝土本构关系考虑钢管径向应力梯度影响的套箍效应,对灌注拱肋弦管混凝土工况和成桥运营阶段的结构稳定性进行分析。分析结果表明:该系杆拱桥施工和运营阶段具有较高的稳定性安全储备;拱肋弦管混凝土灌注不同步以及初始几何缺陷和活载对稳定性的影响相对较小;材料非线性对结构稳定性的影响较为显著。

中承式钢管混凝土劲性骨架拱桥拱肋吊装施工控制

广安官盛渠江大桥主桥为主跨320m的中承式钢管混凝土劲性骨架拱桥,劲性骨架采用斜拉扣挂法施工,施工过程中扣索一次张拉到位。针对正装分析法和倒退分析法2种索力计算方法的局限性,为了精确计算扣索索力及节段安装预抬标高,使成拱线形接近理论线形,提出以成拱线形为控制目标的优化索力调整方法,利用MIDAS Civil 2015建立吊装阶段的全桥有限元模型,考虑切线位移对之后施工阶段的影响,以线形控制为主、索力控制为辅,分析该桥的线形、扣索和尾索索力、弦杆应力,并与实测值对比。结果表明:大桥的线形、扣索和尾索索力、弦杆应力的实测值与理论值符合度非常高,主拱线形及结构应力满足设计及规范要求。说明该优化索力调整方法是可行有效的。