《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/TD65—06—2015）解讀
2016-03-18
拱橋在我國歷史悠久，也是大跨徑橋梁形式之一。鋼管混凝土拱橋與鋼筋混凝土拱橋、圬工拱橋相比，由于鋼管這種高強材料的應(yīng)用，使得橋梁自重大大減輕，跨度得以增大，近年來被廣泛采用。
去年年底，交通運輸部發(fā)布并實施了《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/TD65—06—2015）（以下簡稱《規(guī)范》）?！兑?guī)范》提出了規(guī)避鋼管內(nèi)混凝土脫空的技術(shù)措施和初應(yīng)力的影響，計入了脫空和初應(yīng)力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設(shè)計要求，提出了橋面梁結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計要求；引入了完整性的概念設(shè)計，強化橋梁細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計要求；提出了主拱強度、剛度、穩(wěn)定與動力性能指標(biāo)綜合計算要求與評價要求……本期特別邀請了部公路局技術(shù)管理處及《規(guī)范》編制組的有關(guān)同志對其進(jìn)行解讀，敬請關(guān)注。
解讀人：四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院總工程師莊衛(wèi)林
技術(shù)要求體現(xiàn)橋梁特點
該《規(guī)范》制定的內(nèi)容，體現(xiàn)了鋼管混凝土拱橋承受活載、結(jié)構(gòu)、施工的橋梁特點，主要體現(xiàn)在：提出了規(guī)避鋼管內(nèi)混凝土脫空的技術(shù)措施和初應(yīng)力的影響，計入了脫空和初應(yīng)力影響；提高了吊索、系桿索耐久性設(shè)計要求，提出了橋面梁結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計要求，解決了吊索斷裂造成橋面梁坍塌的技術(shù)難題；根據(jù)拱橋成拱工藝復(fù)雜的特點，提出了專門的施工計算要求；引入了完整性的概念設(shè)計，強化橋梁細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計要求；提出了主拱強度、剛度、穩(wěn)定與動力性能指標(biāo)綜合計算要求與評價要求；根據(jù)實際工程調(diào)查，規(guī)范主張合理、先進(jìn)、易于施工的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，放棄復(fù)雜、多次造成工程質(zhì)量事故的結(jié)構(gòu)構(gòu)造；根據(jù)國內(nèi)外計算，提出了相對合理的鋼管混凝土節(jié)點、徐變等計算方法。
《規(guī)范》規(guī)定的內(nèi)容來源于國內(nèi)大量工程科研、設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)的實踐，通過已建工程總結(jié)和提高；同時，又將規(guī)定的內(nèi)容試用于廣安奎閣大橋、合江長江一橋等十余座鋼管混凝土拱橋的設(shè)計中，得到了工程的實際驗證，內(nèi)容成熟可靠。
采用極限狀態(tài)設(shè)計方法
現(xiàn)行《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50283—1999）要求采用概率極限狀態(tài)設(shè)計方法，《規(guī)范》采用了極限狀態(tài)設(shè)計方法，與我國現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計理論體系取得保持了一致。
《規(guī)范》確定了采用“統(tǒng)一理論”作為編制的基礎(chǔ)；依據(jù)已有的研究成果，確定了鋼管初應(yīng)力對鋼管混凝土性能影響的計算方法；根據(jù)橋梁高性能混凝土技術(shù)發(fā)展，規(guī)定了鋼管內(nèi)混凝土性能指標(biāo)要求，保證鋼管內(nèi)混凝土灌注順利、質(zhì)量可靠；規(guī)定了脫空對鋼管混凝土性能影響的極限承載能力計算方法和剛度修正；依據(jù)大量試驗結(jié)果，提出了鋼管節(jié)點承載力計算與驗算方法；根據(jù)鋼管混凝土高強、輕質(zhì)和大跨特點，提出了主拱強度、剛度、穩(wěn)定計算方法和非線性影響的計算要求；根據(jù)鋼管混凝土截面特點和試驗結(jié)果，制定了鋼管溫度影響與計算方法；為充分發(fā)揮鋼管混凝土受壓承載的特點，規(guī)定了單管主拱、啞鈴形主拱、桁式主拱的計算最大值，既簡化了計算公式，又提高了設(shè)計參數(shù)的合理性；制定了鋼管混凝土主拱安裝成拱階段的計算、主拱鋼管內(nèi)混凝土灌注階段的計算和主拱拱上加載計算的內(nèi)容及要求。
不同構(gòu)造要求不同
吊索和系桿索——《規(guī)范》提出吊索應(yīng)采用平行鋼絲或鋼絞線的成品索，其鋼絲或鋼絞線應(yīng)經(jīng)過鍍鋅或環(huán)氧噴涂的防腐處理，索體不宜外露，應(yīng)設(shè)有防護(hù)裝置。錨具形式應(yīng)結(jié)合拱、梁和索體構(gòu)造選用，上下端錨具宜露出結(jié)構(gòu)外，便于檢修和更換，并設(shè)置完整的防護(hù)及排水構(gòu)造。結(jié)構(gòu)設(shè)計時要合理處理吊索和系桿索的位移及耐久性需要。構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計時，應(yīng)考慮維護(hù)及更換所需要的構(gòu)造設(shè)施。
主拱——啞鈴形的主拱結(jié)構(gòu)，由于在腹腔內(nèi)灌注混凝土?xí)r易出現(xiàn)腹板爆裂，而設(shè)計計算本身又不計入該截面的貢獻(xiàn)，且構(gòu)造非常復(fù)雜。因此，《規(guī)范》不提倡采用在腹腔內(nèi)灌注混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，而采用鋼板或鋼管作為連接構(gòu)造構(gòu)件。
現(xiàn)有鋼管混凝土桁式主拱，其節(jié)點、間距、桁高等參數(shù)形式多樣，造成橋梁發(fā)生病害。桁式主拱構(gòu)造的關(guān)鍵是節(jié)點，《規(guī)范》規(guī)定了斜腹桿節(jié)點構(gòu)造參數(shù)、平行腹桿幾何參數(shù)、主管與支管的參數(shù)匹配、疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)、焊接接頭等構(gòu)造設(shè)計要求。
結(jié)合全國鋼管混凝土主拱安裝的經(jīng)驗，《規(guī)范》規(guī)定了鋼管成拱時主拱與拱座的連接構(gòu)造、主拱節(jié)段構(gòu)造、主拱合龍構(gòu)造的要求。
鋼管混凝土肋式拱橋較多，因此，橫向連接構(gòu)造是關(guān)鍵，根據(jù)橫向連接構(gòu)造受力情況及施工難度，結(jié)合工程實踐及科研成果，本規(guī)范規(guī)定了一般采用空心鋼管作為橫撐構(gòu)件，其構(gòu)造形式應(yīng)根據(jù)主拱跨度、主拱構(gòu)造等，優(yōu)化選擇一字式、K式、X式、米字式等結(jié)構(gòu)。而肋間橫梁既是橫撐，又是橋面梁的橫梁，且其連接構(gòu)造復(fù)雜，因此，建議在進(jìn)行橋梁總體設(shè)計時就應(yīng)認(rèn)真研究，盡可能簡化該橫梁的構(gòu)造。
結(jié)合鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工經(jīng)驗，提出了拱上立柱與蓋梁（或稱橫梁）、主拱的連接構(gòu)造要求，避免使用階段出現(xiàn)病害。
鑒于大于300米跨度拱橋安裝的難度和施工風(fēng)險，一般主張由設(shè)計單位結(jié)合主拱構(gòu)造完成主拱安裝體系的設(shè)計，《規(guī)范》提出了輔助構(gòu)造，主要包括主拱安裝的輔助體系、主拱的輔助構(gòu)造等內(nèi)容。
橋面梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造——調(diào)查、分析和研究了國內(nèi)吊索斷裂的慘痛教訓(xùn)，其中原因之一是橋面梁的構(gòu)造體系問題?！兑?guī)范》提出了橋面梁一般宜采用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，對于特大跨拱橋，建議采用整體性更好的鋼混組合橋面板。
附屬構(gòu)造與防腐體系——為了提高橋梁的耐久性，橋梁設(shè)計應(yīng)關(guān)注防水、排水與橋梁檢修通道設(shè)計，根據(jù)橋梁重要部位及檢修需要，規(guī)范規(guī)定了防水設(shè)計要求和檢修通道構(gòu)造設(shè)計要求，提出了鋼管防腐體系設(shè)計及工藝設(shè)計要求。
安全是基礎(chǔ)廣泛吸取經(jīng)驗
以國內(nèi)外相關(guān)試驗研究成果為基礎(chǔ)，吸收國內(nèi)外近年來建設(shè)鋼管混凝土拱橋設(shè)計技術(shù)經(jīng)驗與教訓(xùn)，結(jié)合《公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計與施工指南》等一批資料為參考，聯(lián)合國內(nèi)鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工、科研的有關(guān)單位，邀請同行業(yè)知名專家咨詢指導(dǎo)和審查，確保編制的科學(xué)性、原則性、合理性、適用性。
結(jié)合國內(nèi)外鋼管混凝土技術(shù)成果和相關(guān)規(guī)范的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)要求，制定的編制原則為：安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進(jìn)。安全是首要的，是編制原則的基矗
提升主要技術(shù)指標(biāo)
《規(guī)范》關(guān)于鋼管混凝土計算方法、鋼管混凝土節(jié)點疲勞強度、脫空對鋼管混凝土性能影響、初應(yīng)力對鋼管混凝土性能影響、自密實鋼管混凝土制備等研究內(nèi)容均為國外所沒有的，反映了我國鋼管混凝土拱橋領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗和最新研究成果，內(nèi)容完整、理念先進(jìn)。因此，《規(guī)范》總體上代表了國際鋼管混凝土拱橋設(shè)計的最新成果。
填補空白科學(xué)指導(dǎo)工程建設(shè)
《規(guī)范》作為行業(yè)技術(shù)法規(guī)，是交通行業(yè)規(guī)范體系中的一個重要組成部分，是公路橋梁系列設(shè)計規(guī)范的一部分，能夠解決目前大規(guī)模的公路鋼管混凝土拱橋建設(shè)缺少先進(jìn)理論指導(dǎo)的問題。
直接效益：《規(guī)范》符合實際，易于操作和理解，便于推廣和應(yīng)用，對避免鋼管混凝土拱橋的不合理設(shè)計和提高設(shè)計技術(shù)具有重要意義，其制定并頒布實施后所產(chǎn)生的效益是顯著而深遠(yuǎn)的。
間接效益：我國雖然經(jīng)過了20多年400余座鋼管混凝土拱橋建設(shè)的大發(fā)展，但是總體建設(shè)水平有待提高和普及?！兑?guī)范》的制定，總結(jié)提升了近年來所建工程積累的先進(jìn)技術(shù)和成熟經(jīng)驗，并通過規(guī)范的形式在我國廣泛推廣和應(yīng)用，進(jìn)一步指導(dǎo)工程實踐，為工程質(zhì)量提供保障，具有重大的社會效益。
■背景
鋼管混凝土在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于土木工程，自1990年在四川旺蒼首次建成了主跨115米的旺蒼東河大橋以來，我國已建成400多座鋼管混凝土拱橋，但是一直沒有正式的規(guī)范，制定鋼管混凝土拱橋設(shè)計行業(yè)規(guī)范已經(jīng)刻不容緩了。
這些年來，依托建設(shè)工程，我國開展了鋼管管節(jié)點強度、疲勞強度、鋼管混凝土受力性能、脫空和初始應(yīng)力對鋼管混凝土工作性能影響、鋼管混凝土收縮徐變、構(gòu)造設(shè)計技術(shù)及管結(jié)構(gòu)加工技術(shù)等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)試驗研究，取得了大量研究成果，形成了相對完善的計算理論、構(gòu)造技術(shù)和制造安裝工藝，編制行業(yè)規(guī)范已經(jīng)具備成熟條件了。
■案例
3月剛剛完成施工圖設(shè)計的杭紹臺高速公路跨杭甬運河橋，在《規(guī)范》出臺后，中交公規(guī)院的設(shè)計人員連夜對這座主跨105米鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計圖進(jìn)行更改，將拱肋鋼管在拱腳位置的預(yù)埋段長度增加到2.5米，增加了傳力的均勻性，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
