钢管混凝土拱桥横撑结构、拱桥及横撑结构设计方法

摘要

本发明公开了钢管混凝土拱桥横撑结构、拱桥及横撑结构设计方法，该横撑结构包括上横撑组件和下横撑组件；所述上横撑组件用于设置在主拱上平面，所述下横撑组件用于设置在主拱下平面；所述上横撑组件的数量大于所述下横撑组件的数量，且上横撑组件与下横撑组件错位布置。钢管混凝土拱桥横撑结构，通过上述结构，上横撑组件的数量大于下横撑组件的数量，且上横撑组件与下横撑组件错位布置，使得主拱的横向空间连接更加紧密，使得主拱的下横撑组件数量减少，同时提高了主拱的横向稳定性以及拱桥整体横撑设计的技术经济性，在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，提高了施工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁领域，特别是钢管混凝土拱桥横撑结构、拱桥及横撑结构设计方法。

背景技术

钢管混凝土拱桥作为一种优异的钢—混凝土组合结构桥梁，近年来得到了快速发展，钢管混凝土拱桥建设数量多、跨径越来越大，合理的主拱横撑构造能够提高桥梁的整体刚度和稳定性能，同时还能够改善桥梁的动力性能。

现有的钢管混凝土拱桥的横撑形式一般有X形横撑、K形横撑、I形横撑和米字形横撑，横撑在主拱的上、下平面对称设置。根据研究发现，相同参数条件下，对于拱桥整体稳定性的贡献，主拱上平面撑的作用明显大于主拱下平面撑。

主拱上、下平面横撑对称布置，不仅材料用量大，而且由于主拱上、下平面横撑数量过多，高空安装作业十分困难，横撑布置过于密集，影响行人和行车的通透性能。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的现有的钢管混凝土拱桥主拱上、下平面横撑对称布置，不仅材料用量大，而且由于主拱上、下平面横撑数量过多，高空安装作业十分困难，横撑布置过于密集还会影响行人和行车的通透性能的问题，提供钢管混凝土拱桥横撑结构、拱桥及横撑结构设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

钢管混凝土拱桥横撑结构，包括上横撑组件和下横撑组件；

所述上横撑组件用于设置在主拱上平面，所述下横撑组件用于设置在主拱下平面；

所述上横撑组件的数量大于所述下横撑组件的数量，且所述上横撑组件与所述下横撑组件错位布置。

钢管混凝土拱桥横撑结构，通过上述结构，上横撑组件的数量大于下横撑组件的数量，且上横撑组件与下横撑组件错位布置，使得主拱的横向空间连接更加紧密，使得主拱的下横撑组件数量减少，同时提高了主拱的横向稳定性以及拱桥整体横撑设计的技术经济性，在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率。

作为本发明的优选方案，所述上横撑组件与所述下横撑组件的数量差为1-3。

作为本发明的优选方案，相邻所述上横撑组件之间的距离为第一距离，相邻所述下横撑组件之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离的差值为0-5m。

作为本发明的优选方案，所述上横撑组件和所述下横撑组件均呈X形结构；

或，

所述上横撑组件和所述下横撑组件均呈K形结构；

或，

所述上横撑组件和所述下横撑组件均呈I形结构；

或，

所述上横撑组件和所述下横撑组件均呈米字形结构。

一种拱桥，包括主拱和上述的钢管混凝土拱桥横撑结构；

所述上横撑组件设置在主拱上平面，所述下横撑组件设置在主拱下平面。

一种拱桥，通过上述结构，采用了上述钢管混凝土拱桥横撑结构，能够在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率。

钢管混凝土拱桥横撑结构的设计方法，用于设计上述拱桥中的钢管混凝土拱桥横撑结构，包括以下步骤：

S1：初步拟定所述主拱上平面的所述上横撑组件数量和间距，以及初步拟定所述主拱下平面的所述下横撑组件数量和间距，所述上横撑组件的数量大于所述下横撑组件的数量，且所述上横撑组件与所述下横撑组件错位布置；

S2：建立拱桥整体的有限元空间模型并计算出拱桥整体承载能力安全系数和稳定性；

S3：当拱桥整体承载能力安全系数不满足规范要求时，回到所述步骤S1，减小所述主拱上平面的相邻所述上横撑组件的间距，同时，减小所述主拱下平面的相邻所述下横撑组件的间距，并保证所述上横撑组件与所述下横撑组件错位布置，直到拱桥整体承载能力安全系数和稳定性满足规范要求，并选取该条件下的所述上横撑组件及所述下横撑组件的结构参数为最终的钢管混凝土拱桥横撑结构的结构参数。

钢管混凝土拱桥横撑结构的设计方法，通过上述方法能够有效实现上述钢管混凝土拱桥横撑结构的功能，操作简便。

作为本发明的优选方案，所述步骤S2中，利用空间有限元计算软件建立拱桥整体的有限元空间模型并计算出拱桥整体承载能力安全系数和稳定性。

作为本发明的优选方案，利用空间有限元计算软件建立拱桥整体的有限元空间模型的步骤为：

A1：建立拱桥整体的材料参数和截面参数；

A2：建立拱桥整体的几何模型；

A3：建立拱桥整体的边界条件；

A4：对拱桥整体施加荷载；

A5：运行计算程序计算出拱桥整体的内力、应力、稳定性和动力特性计算结果。

作为本发明的优选方案，所述承载能力安全系数K具体为：

其中，S为作用效应的组合设计值；R为构件承载力设计值；γ为桥梁结构重要性系数；

当所述承载能力安全系数K为K≥1时,拱桥整体承载能力安全系数满足规范要求。

作为本发明的优选方案，当所述承载能力安全系数K>1.2时，回到所述步骤S1，增大所述主拱上平面的所述上横撑组件的间距，同时，增大所述主拱下平面的相邻所述下横撑组件的间距，并保证所述上横撑组件与所述下横撑组件错位布置，直到所述承载能力安全系数K为1.2≥K≥1。通过上述方法，承载能力安全系数K>1.2时，拱桥整体的承载能力安全系数较高，经济性较差，为了在保证桥梁结构的承载能力安全性的同时节约结构材料用量，因此承载能力安全系数K≤1.2。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、钢管混凝土拱桥横撑结构，通过上述结构，上横撑组件的数量大于下横撑组件的数量，且上横撑组件与下横撑组件错位布置，使得主拱的横向空间连接更加紧密，使得主拱的下横撑组件数量减少，同时提高了主拱的横向稳定性以及拱桥整体横撑设计的技术经济性，在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率。

2、一种拱桥，通过上述结构，采用了上述钢管混凝土拱桥横撑结构，能够在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率。

3、钢管混凝土拱桥横撑结构的设计方法，通过上述方法能够有效实现上述钢管混凝土拱桥横撑结构的功能，操作简便。

附图说明

图1是当上横撑组件和下横撑组件均呈K形结构时不对称设置在拱桥上时主拱上平面的示意图。

图2是当上横撑组件和下横撑组件均呈K形结构时不对称设置在拱桥上时主拱下平面的示意图。

图3是当上横撑组件和下横撑组件均呈X形结构时不对称设置在拱桥上时主拱上平面的示意图。

图4是当上横撑组件和下横撑组件均呈X形结构时不对称设置在拱桥上时主拱下平面的示意图。

图5是本发明所述的钢管混凝土拱桥横撑结构中上横撑组件和下横撑组件错位布置的结构示意图。

图标：1-主拱；2-上横撑组件；3-下横撑组件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-图5所示，本实施例提供了钢管混凝土拱桥横撑结构，包括上横撑组件2和下横撑组件3；

上横撑组件2用于设置在主拱1的上平面，下横撑组件3用于设置在主拱1的下平面；

上横撑组件2和下横撑组件3的数量不同，具体的，下横撑组件3的数量少于上横撑组件2的数量。

上横撑组件2与下横撑组件3错位布置，具体的，上横撑组件2与下横撑组件3的数量差为1-3。

相邻上横撑组件2之间的距离为第一距离，相邻下横撑组件3之间的距离为第二距离，第一距离与第二距离的差值为0-5m。

上横撑组件2和下横撑组件3的结构均为x形结构；

或，上横撑组件2和下横撑组件3的结构均为K形结构；

或，上横撑组件2和下横撑组件3的结构均为I形结构；

或，上横撑组件2和下横撑组件3的结构均为米字形结构。

本实施例还提供了一种拱桥，包括主拱1和上述钢管混凝土拱桥横撑结构；

上横撑组件2设置在主拱1的上平面，下横撑组件3设置在主拱1的下平面。

本实施例还提供了钢管混凝土拱桥横撑结构的设计方法，用于设计上述拱桥中的钢管混凝土拱桥横撑结构，包括以下步骤：

初步拟定主拱1参数及除钢管混凝土拱桥横撑结构以外的其他参数；之后，进行钢管混凝土拱桥横撑结构的设计，具体包含以下步骤：

S1：初步拟定主拱1上平面的上横撑组件2数量和间距，以及初步拟定主拱1下平面的下横撑组件3数量和间距，上横撑组件2的数量大于下横撑组件3的数量，且上横撑组件2与下横撑组件3错位布置；

具体的，首先在拱顶位置设置一道上横撑组件2，从拱顶至拱脚方向，间隔n(n为大于等于2的整数)个节间布置一道下横撑组件3；

然后在拱顶设置一道下横撑组件3，从拱顶至拱脚布置下横撑组件3使下横撑组件3与上横撑组件2错位布置；

S2：建立拱桥整体的有限元空间模型并计算出拱桥整体承载能力安全系数K和稳定性；

具体的，利用空间有限元计算软件Midas/civil，建立拱桥整体的有限元空间模型，利用程序计算出拱桥整体承载能力安全系数K和稳定性；

其中，利用空间有限元计算软件建立拱桥整体的有限元空间模型的步骤为：

A1：建立拱桥整体的材料参数和截面参数；

A2：建立拱桥整体的几何模型；

A3：建立拱桥整体的边界条件；

A4：对拱桥整体施加荷载；

A5：运行计算程序计算出拱桥整体的内力、应力、稳定性和动力特性计算结果；

其中，承载能力安全系数K具体为：

其中，S为作用效应的组合设计值；R为构件承载力设计值；γ为桥梁结构重要性系数；

当承载能力安全系数K为K≥1时,拱桥整体承载能力安全系数满足规范要求；

同时，稳定性包括弹性稳定性安全系数和非线性稳定安全系数，弹性稳定安全系数要求不小于4，非线性稳定安全系数要求不小于1.75，该弹性稳定性安全系数和非线性稳定安全系数由空间有限元计算软件Midas/civil计算软件得出；

S3：当拱桥整体承载能力安全系数K不满足规范要求时，回到步骤S1，减小主拱1上平面的相邻上横撑组件2的间距，同时，减小主拱1下平面的相邻下横撑组件3的间距，并保证上横撑组件2与下横撑组件3错位布置，直到拱桥整体承载能力安全系数K和稳定性满足规范要求，并选取该条件下的上横撑组件2及下横撑组件3的结构参数为最终的钢管混凝土拱桥横撑结构的结构参数；

具体的，当拱桥整体承载能力安全系数K不满足规范要求时，回到步骤S1，减小主拱1上平面的相邻上横撑组件2的间距，即间隔n-1个节间布置一道上横撑组件2，同时，减小主拱1下平面的相邻下横撑组件3的间距，并保证上横撑组件2与下横撑组件3错位布置，直到拱桥整体承载能力安全系数K后和稳定性满足规范要求；

当拱桥整体承载能力安全系数K>1.2时，回到步骤S1，增大主拱1上平面的上横撑组件2的间距，即间隔n+1个节间布置一道上横撑组件2，同时，增大主拱1下平面的相邻下横撑组件3的间距，并保证上横撑组件2与下横撑组件3错位布置，直到拱桥整体承载能力安全系数K≤1.2后，该承载能力安全系数K对应的拱桥横撑结构的结构尺寸为最终尺寸。

本实施例提供的钢管混凝土拱桥横撑结构、拱桥及横撑结构设计方法的有益效果在于：

承载能力安全系数K>1.2时，拱桥整体的承载能力安全系数较高，经济性较差，为了在保证桥梁结构的承载能力安全性的同时节约结构材料用量，因此承载能力安全系数K≤1.2；

上横撑组件2的数量大于下横撑组件3的数量，且上横撑组件2与下横撑组件3错位布置，使得主拱1的横向空间连接更加紧密，使得主拱1的下横撑组件3数量减少，同时提高了主拱1的横向稳定性以及拱桥整体横撑设计的技术经济性，在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件3数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率；

拱桥采用了上述钢管混凝土拱桥横撑结构，能够在保证了拱桥承载安全性和稳定性的同时，还能够降低造价，且能降低因为下横撑组件数量较多而造成的施工风险，缩短施工工期，提高了施工效率；

通过上述方法能够有效实现上述钢管混凝土拱桥横撑结构的功能，操作简便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。