【文章內(nèi)容簡介】 工作有：施工及成橋階段應(yīng)力驗算、收縮徐變影響計算、局部構(gòu)件強度及穩(wěn)定計算、施工預(yù)拱度計算、成橋自振特性計算、施工及成橋階段第一類穩(wěn)定計算、成橋階段第二類穩(wěn)定計算、兩個概率水平的反應(yīng)譜分析。 抗風抗震性能研究 研究內(nèi)容包括：橋位處基本風速和大橋設(shè)計基準風速的統(tǒng)計分析、拱肋及橋面系節(jié)段模型靜力三分力系數(shù)測定和靜風荷載計算、拱肋及橋 面系節(jié)段模型測振風洞試驗和等效風振荷載組合研究、大橋施工階段及成橋狀態(tài)的動力特性計算分析、施工及成橋狀態(tài)氣彈模型風洞試驗和抗風穩(wěn)定性研究。 20 交通部公路科學研究所是本項目的主要參加單位之一。交通部公路科學研究所是國內(nèi)較早開展鋼管混凝土拱橋應(yīng)用研究的單位之一，已設(shè)計廣東省高明大橋、浙江省淳安縣南浦大橋（主跨徑 308m 鋼管混凝土拱橋）、浙江省 03 省道（一級路）杭甬運河大橋（ 88m 三肋下承式鋼管混凝土拱橋）、浙江省 07 省道（一級路）焦山門大橋（ 90m 跨下承式鋼管混凝土拱橋）、海南省?？谑协傊荽髽蛟O(shè)計（ 88m+98m+ 108m+98m+88m 五跨鋼管混凝土下承式系桿拱橋）等多座鋼管混凝土拱橋，承擔了廣州丫髻沙大橋等鋼管混凝土拱橋的靜動載測試工作，具有豐富的鋼管混凝土拱橋工程實踐與科研經(jīng)驗與實力。 福州大學為本項目的主要參加單位之一。福州大學對鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用進行了一系列的研究，在鋼管混凝土單圓管極限承載力、雙重非線性有限元分析、溫度問題、施工受力分析等方面均取得了可喜的成果。出版了《鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工》、《鋼管混凝土拱橋?qū)嵗ㄒ唬贰ⅰ朵?—混凝土組合橋梁設(shè)計與研究》、《鋼管混凝土力學》、《鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 》等專著多部，已在國內(nèi)外發(fā)表相關(guān)論文 60 余篇。先后有《鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)受力性能研究》、《 316 國道福建閩清石潭溪大跨度鋼管混凝土拱橋試驗研究》、《深圳彩虹（北站）大橋鋼 —混凝土組合橋梁設(shè)計與研究》等課題獲省部級科技進步獎。目前承擔的國家自然科學基金《鋼管混凝土拱橋抗震理論研究》進展順利，成果正在陸續(xù)發(fā)表之中。 承擔了福建省內(nèi)十余座鋼管混凝土拱橋的設(shè)計、監(jiān)理、試驗研究等任務(wù)，參加了廣州丫髻沙大橋、深圳北站大橋（以上工程已建成）、浙江錢江四橋、湖南茅草街大橋、鄭州黃河公路二橋等大型鋼管混凝 21 土結(jié)構(gòu)的專家組工作、 部分設(shè)計工作和部分課題研究，參加了《鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)規(guī)范》的編寫，在鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。 近年來，福州大學積極參予西部地區(qū)鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用與研究，參加了蘭州雁鹽黃河大橋、西寧北川河橋的設(shè)計咨詢工作，承擔了西寧北川河橋的施工監(jiān)控和成橋靜動載測試。 福州大學結(jié)構(gòu)工程實驗室為省重點實驗室，擁有美國 MTS 公司生產(chǎn)的液壓伺服加載系統(tǒng)、英國 IMP結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，長柱試驗機、疲勞試驗機、激光全息干涉儀等主要設(shè)備，部分設(shè)備處于國內(nèi)一流水平，可承擔各類土建結(jié)構(gòu)試驗，能滿足本項目的試驗要求 。福州大學已進行了大量鋼管混凝土拱橋與鋼管混凝土構(gòu)件的試驗，積累了豐富的試驗研究經(jīng)驗。 長沙 交通 學 院 為本項目的主要參加單位之一。長沙 交通 學 院 較早開展了鋼管混凝土拱橋的研究 ， 參加了《鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)規(guī)范》的編寫，負責長沙市黑石鋪湘江大橋、永順縣王村大橋、云南省瀾滄江小灣水電工程小灣大橋（ 主跨 130 米的半穿式鋼箱拱肋提籃式拱橋） 、益陽市茅草街大橋等多座鋼管混凝土拱橋的施工控制及科研等工作，具有鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與科研方面豐富的經(jīng)驗。 過去相關(guān)研究的工作基礎(chǔ)及獲獎情況詳見 附表 1《投標人相關(guān)的科技成果或 產(chǎn)品開發(fā)情況表》。 22 項目實施方案 擬解決的 關(guān)鍵技術(shù)問題 本項目四個研究專題，涉及設(shè)計、施工、施工控制及養(yǎng)護等方面，下面給出本項目研究的關(guān)鍵技術(shù)： （ 1）管結(jié)點及接頭設(shè)計構(gòu)造準則； （ 2）鋼管混凝土拱橋的材料非線性模型與雙重非線性有限元分析程序； （ 3）鋼管混凝土拱橋極限承載力實用算法； （ 4）鋼管混凝土拱橋的變形計算與控制； （ 5）鋼管混凝土拱橋溫度、收縮徐變問題； （ 6）鋼管混凝土防脫空技術(shù)； （ 7）鋼管混凝土拱橋合理的施工容許誤差； （ 8）鋼管混凝土拱橋施工控制技術(shù)； （ 9） 鋼管混凝土拱 橋養(yǎng)護技術(shù)； （ 10）鋼管混凝土拱橋健康診斷和監(jiān)測系統(tǒng)。 技術(shù)創(chuàng)新點 首次系統(tǒng)全面地提出從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、計算理論、施工技術(shù)、養(yǎng)護維修等方面進行鋼管混凝土拱橋的研究 。 抓住鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與養(yǎng)護的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。研究內(nèi)容注重試驗研究與理論研究的結(jié)合，注重鋼管混凝土拱橋的共性與依托工程特殊性的結(jié)合，注重西部地區(qū)的特點與鋼管混凝土拱橋在其它地區(qū)已取得成果的結(jié) 23 合。 以結(jié)構(gòu)的極限承載力作為設(shè)計理論研究的核心，提出建立在試驗與大型通用程序驗證基礎(chǔ)上的、能較好地反映結(jié)構(gòu)受力實際情況的、考慮材料非線性 與幾何非線性的鋼管混凝土拱的有限元計算方法，編制相應(yīng)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用分析程序。在此基礎(chǔ)上，通過大量的參數(shù)分析，提出鋼管混凝土拱橋極限承載力的實用算法。以極限承載力為核心的鋼管混凝土拱橋的設(shè)計計算理論的突破將改變我國目前鋼管混凝土拱橋設(shè)計計算方法混亂、缺乏科學依據(jù)的現(xiàn)狀，使中國的鋼管混凝土拱橋技術(shù)，有僅具有豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，而且有相當?shù)目萍己?。 根據(jù)鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點，首次提出從結(jié)構(gòu)體系、拱肋結(jié)構(gòu)與構(gòu)造和橋面系結(jié)構(gòu)三個方面研究鋼管混凝土拱橋的研究思路，將管結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的研究成果與我國 在拱橋方面的豐富經(jīng)驗相結(jié)合，以探討鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的合理形式。 將現(xiàn)代的控制理論應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的施工控制之中。 以結(jié)構(gòu)全壽命的觀點進行鋼管混凝土拱橋的研究，注重橋梁使用過程中的養(yǎng)護與管理，將正在迅速發(fā)展的橋梁健康診斷與使用過程的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋之中，并強調(diào)新技術(shù)的實用性與經(jīng)濟性方面的研究與開發(fā)，研究成果將用以指導(dǎo)今后的設(shè)計、施工與養(yǎng)護。 24 主要研究內(nèi)容 根據(jù)鋼管混凝土拱橋目前存在的問題，本項目擬訂四個專題進行研究，主要內(nèi)容如下： 專題一：鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系的研 究，下設(shè)三個子題，分別為： 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系研究 研究內(nèi)容主要包括鋼管混凝土拱橋上承式、中承式和下承式；有推力和無推力結(jié)構(gòu)體系的靜力與動力受力特點，合理的結(jié)構(gòu)型式與總體布置，技術(shù)經(jīng)濟指標等，重點研究各種結(jié)構(gòu)形式之間、各種結(jié)構(gòu)型式與鋼筋混凝土拱橋的不同之處以及剛架系桿拱的受力特點與合理的結(jié)構(gòu)型式。 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，以車承形式劃分，有上承式、中承式和下承式。三種形式的適用條件、對拱腳水平推力的處理也均不相同。 上承式拱橋構(gòu)造簡單、橫向聯(lián)系容易布置，橋面系支承于立柱上，整體性、橫向穩(wěn)定性 和抗震性均較好。上承式拱一般是有推力拱，它對地基的要求較高。下承式拱橋一般帶拉桿（系桿拱），它又可分為有支座的拱梁組合結(jié)構(gòu)和無支座的剛架系桿拱。拱梁組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于中小跨徑之中，主要原因是跨徑增大以后，它的施工架設(shè)較為困難。與拱梁組合橋不同，剛架系桿拱中拱肋與橋墩固結(jié)，不設(shè)支座，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為拉桿來平衡拱的推力，拉桿獨立于橋面系之外，不參與橋面系受力，而橋面系為局部受力構(gòu)件。剛架系桿拱為超靜定結(jié)構(gòu)，橋梁上部、下部以及基礎(chǔ)甚至地基連成一體，結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù) 25 較多，受力復(fù)雜。由于系桿抗拉剛度較小，拱的水平 推力的增量主要由橋墩和拱肋自身承受，因而考慮系桿變形后它是有推力的結(jié)構(gòu)。中承式也有采用剛架系桿拱的，主要是帶懸臂的三跨式，又稱飛鳥式或飛燕式，也有稱自平衡或自錨式的。中承式拱還有相當部分是有推力的結(jié)構(gòu)。它對地形地質(zhì)條件的要求同上承式拱。但其橋面系有上承部分，也有下承部分。 不同的車承形式與有無推力的不同結(jié)構(gòu)體系之間的靜力受力特點與抗震性能、結(jié)構(gòu)特點及適用范圍，由于拱肋采用了鋼管混凝土后與鋼筋混凝土拱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)與受力及適用范圍方面的變化都是本研究的內(nèi)容。由于中下承式剛架系桿拱是在鋼管混凝土拱橋中特有的橋型，因 此，這類橋型的研究它是本研究的重點。 通過研究，對鋼管混凝土拱橋在總體設(shè)計方面的結(jié)構(gòu)選型、方案比選、經(jīng)濟評價與初步設(shè)計方面為設(shè)計人員提出指導(dǎo)意見，少走彎路。 鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)與構(gòu)造研究 鋼管混凝土拱肋由鋼管與管內(nèi)混凝土組成，含鋼量少則鋼管對混凝土的套箍作用不明顯，含鋼量大則鋼管加工困難、造價也高，因此，通過對依托工程與其它橋梁的拱肋含鋼量對結(jié)構(gòu)受力、施工和養(yǎng)護方面影響的研究，提出合理的含鋼率范圍，將對今后此類橋梁的修建有重要的指導(dǎo)意義。 鋼管混凝土拱肋的截面形式主要有單圓管、啞鈴形和桁式，各種截面形式在 受力性能、構(gòu)造、施工和使用方面均有不同，在跨徑適用方面也不同。單管截面加工簡單，但抗彎效率低，主要用于跨徑不大 26 的橋梁和人行橋中，且已進行了較多的研究，因此本次研究不將其作為重點。啞鈴形截面較之單圓管截面，截面抗彎剛度較大，但腹腔內(nèi)的混凝土受鋼板橫向套箍作用機理復(fù)雜，缺乏研究。腹板與圓管相接的交角較小，加工較為困難，質(zhì)量不易得到保證。在灌注混凝土過程中，腹板受混凝土壓力的作用容易外鼓，所以需有拉桿對拉或采用其它措施，這使得構(gòu)造較為復(fù)雜。桁式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以受軸向力為 主，能夠充分發(fā)揮材料的特性，被廣泛應(yīng)用于大跨度鋼管混凝土拱橋之中，但鋼管混凝土桁肋是一種管結(jié)構(gòu)，這種管結(jié)構(gòu)過去在我國的橋梁中幾乎沒有什么應(yīng)用，因此，對于管結(jié)構(gòu)的合理的結(jié)點形式、抗疲勞性能等等都有待我們的研究。 鋼管混凝土拱橋的主拱圈一般為拱式，為保證其橫向穩(wěn)定性，通常通過橫撐使拱肋形成組拼拱。研究表明，橫撐的布置與結(jié)構(gòu)形式對拱的橫向穩(wěn)定影響很大。另一方面，拱在地震波作用下橫向動力失穩(wěn)是其最有可能的破壞形式，而加強橫撐在提高組拼拱橫向彈性一類穩(wěn)定的同時，也加大了拱在橫向地震波的作用力，對于拱的抗震產(chǎn)生不利的影 響，因此如何合理布置橫撐使得拱的靜力穩(wěn)定與動力穩(wěn)定效果最佳，也是一個非常值得研究的問題。 因此，本研究將對啞鈴形和桁式鋼管混凝土拱肋截面的受力行為和極限承載力開展試驗與理論研究，給出啞鈴形和桁式短柱極限承載力的實用算法；探討啞鈴形截面的合理構(gòu)造形式；在國內(nèi)外管結(jié)構(gòu)結(jié)點研究（主要是海上石油平臺結(jié)構(gòu)）的基礎(chǔ)上，針對鋼管混凝土拱橋 27 的特點，對桁式拱肋的管結(jié)點進行疲勞試驗和理論分析，在此基礎(chǔ)上，提出合理的管結(jié)點及其合理的構(gòu)造形式；對形成拱肋的吊裝接頭、合攏接頭進行合理構(gòu)造形式的研究；對鋼管混凝土拱肋的橫撐結(jié)構(gòu)合理的布 置與構(gòu)造形式進行研究。 橋面結(jié)構(gòu)與構(gòu)造研究 鋼管混凝土拱橋由于拱肋截面的輕型化，使得橋面系在恒載中所占的比例上升，材料用量占全橋的比例也在上升。橋面系的選型與合理構(gòu)造形式比傳統(tǒng)拱橋顯得更為突出。鋼管混凝土拱橋中常用的橋面系結(jié)構(gòu)按材料可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼 — 混凝土組合結(jié)構(gòu)，這幾種型式的結(jié)構(gòu)特點、適用范圍與經(jīng)濟性是本研究的一個內(nèi)容。 中下承式在鋼管混凝土拱橋中應(yīng)用較多，其下承部分橋面系基本上采用以橫梁為主的結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)橋面系的整體性較差、整體剛度較小、車輛荷載作用下橋面系振感明顯、遭遇吊桿 破斷時常造成落梁和嚴重的事故。國外鋼拱橋的橋面系較多地采用了以縱梁為主或縱梁具有很大作用的橋面系。然而這種結(jié)構(gòu)形式在以混凝土結(jié)構(gòu)為主的橋面系中的應(yīng)用較為困難。如何在鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面系結(jié)構(gòu)中加強其整體剛度與整體性；對于鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)，以橫梁為主的結(jié)構(gòu)與格構(gòu)式橋面系的優(yōu)缺點與適用范圍等也是本研究要考慮的內(nèi)容。 此外，中下承式拱橋中橋面系與拱肋相交處的構(gòu)造（橫向限位）、伸縮縫的布置（尤其是多跨鋼管混凝土拱橋）、橋面系與立柱及吊桿的聯(lián)結(jié)方式、吊桿的錨固構(gòu)造等等也是值得探討的問題。 28 因此，本子課題主要 針對中下承式拱橋中的下承式橋面系的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造形式，研究鋼 — 混凝土迭合梁與鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁的結(jié)構(gòu)特點與經(jīng)濟性；研究以橫梁為主的橋面系、以縱梁為主的橋面系和格構(gòu)梁橋面系的合理結(jié)構(gòu)形式、各自的優(yōu)缺點和適用范圍；研究橋面系與拱肋相交處、橋面系傳力構(gòu)造（立柱與吊桿）、伸縮縫的設(shè)置等問題。 專題二：鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及設(shè)計方法的研究，下設(shè)三個子題，分別為： 鋼管混凝土拱橋 極限承載力 的研究 研究內(nèi)容主要包括 鋼管混凝土構(gòu)件的試驗研究與極限承載力實用算法研究、鋼管混凝土拱橋 面內(nèi)與面外強度與穩(wěn)定極限承載力 研究、幾何非線性與材料非線性影響、鋼管初應(yīng)力對 極限承載力影響的研究 。 鋼管混凝土單圓管構(gòu)件已進行了大量的研究，然而啞鈴形構(gòu)件的受力迄今未進行過試驗研究、對桁式拱肋的構(gòu)件研究在國內(nèi)也未展開。本研究首先需要進行鋼管混凝土啞鈴形構(gòu)件和桁式構(gòu)件的極限承載力試驗研究，給出鋼管混凝土啞鈴形構(gòu)件和桁式構(gòu)件的極限承載力的實用計算公式，為鋼管混凝土拱肋的截面強度驗算提供理論依據(jù)。在對鋼管混凝土構(gòu)件進行研究時將注意到 鋼管混凝土拱橋的受力特點，如鋼管的初應(yīng)力問題，管內(nèi)混凝土在收縮作用下以及由于施工質(zhì)量影響造成的脫空問題對構(gòu)件極限 承載力的影響。 鋼管混凝土拱的拱肋主結(jié)構(gòu)由于強度較高，因此在極限承載力研究時必須考慮材料非線性與幾何非線性問題。而目前在設(shè)計計算中， 29 一般強度驗算方面采用了應(yīng)力疊加法計算荷載效應(yīng)，用容許應(yīng)力法進行結(jié)構(gòu)效應(yīng)驗算，而穩(wěn)定計算