三角刚架及预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的制作方法

本实用新型属于交通运输桥涵工程技术领域，尤其涉及一种三角刚架及预制拼装钢混组合三角刚架拱桥及其施工方法。

背景技术：

三角刚架历来是飞燕式拱桥施工当中重点关注的部位，它有着施工周期长、施工难度高、施工风险大以及环境污染大等不利特点。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、工序简便、施工质量好的三角刚架及预制拼装钢混组合三角刚架拱桥及其施工方法。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

三角刚架，由预制的前斜柱、后斜柱、钢平梁以及三角刚架前横梁和三角刚架后横梁组成，在预制分块后拼装成为三角刚架整体；三角刚架前横梁和后横梁均采用钢箱结构，前斜柱、后斜柱为钢格箱构件，其内分隔有钢格，部分钢格内灌注混凝土。

钢格箱构件主要由内腔钢板和外箱钢板构成，内腔钢板和外箱钢板之间由连接钢板分隔成钢格。

钢格包括内腔、夹腔和角腔，内腔钢板围成的腔体为内腔，夹腔是由连接钢板、内腔钢板和外箱钢板围成并且布置于非角点位置的腔体，角腔是由连接钢板、内腔钢板和外箱钢板围成并且布置于角点位置的腔体。

前斜柱截面角腔内灌注高强度微膨胀混凝土，后斜柱截面角腔与夹腔内灌注高强度微膨胀混凝土。

含有上述三角刚架的预制拼装钢混组合三角刚架拱桥。

上述预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的施工方法，按以下步骤操作进行：

①在施工场地现浇基础以及混凝土底座；

②预制前斜柱、后斜柱、钢平梁、三角刚架后横梁以及三角刚架前横梁，并在施工现场卧式拼装前斜柱、后斜柱与钢平梁形成两片三角刚架，其后将三角刚架吊装至混凝土底座上，再吊装三角刚架后横梁以及三角刚架前横梁；

③三角刚架预制拼装完成后，在前斜柱和后斜柱的部分腔体内灌注混凝土；

④吊装预制主拱圈节段，主拱圈可采用各种钢、钢混组合及混凝土预制拱肋结构。

针对现有三角刚架存在的问题，发明人设计并制作了一种三角刚架，由预制的前斜柱、后斜柱、钢平梁以及三角刚架前横梁和三角刚架后横梁组成，在预制分块后拼装成为三角刚架整体；三角刚架前横梁和后横梁均采用钢箱结构，前斜柱、后斜柱为钢格箱构件，其内分隔有钢格，部分钢格内灌注混凝土。据此，发明人将其应用于预制拼装钢混组合三角刚架拱桥中，采用现场预制拼装并整体吊装的施工方法，以钢格箱内灌混凝土的结构替代传统三角刚架的结构形式，以达到优化结构形式的目的，按构造(受力或者配重)需要，前、后斜柱采用钢格箱内填混凝土的结构形式，通过在该钢格箱构件中的部分钢格(夹腔、内腔、角腔)内灌注混凝土，进而形成部分钢管-混凝土结构，达到三角刚架预制、拼装的效果。由于钢混组合结构较混凝土结构有着自重较轻的特点，因此部分钢格箱灌注混凝土的结构形式，更是大大减轻结构自重。同时还可根据结构受力、配重的设计需要，灵活地选择各箱格组合进行灌注，具有较强的设计、施工适应性，增加施工便利的作用，从而大幅缩短施工周期、减少造价成本与降低施工风险，同时取得更好的施工质量，具有广泛的工程应用空间及较大经济效益。

由拱类结构受力可知，三角刚架前斜柱主要处于受压状态，兼顾施工简便以及受力合理两个重要因素，因此发明人提出前斜柱采用钢混组合材料，其截面形式为多腔钢格箱内灌混凝土，钢腔内混凝土面积并可根据上部主拱圈钢结构、钢混组合结构等类型作出相应调整。由前斜柱所受压力大小，计算出钢混组合材料的抗压极限承载力，以此可确定混凝土的灌注量，而后将混凝土对称灌注至相应的钢格箱内；对于钢平梁而言，主要受到拱脚水平推力作用而处于受拉状态，然而混凝土抗拉性能较差，因此其腔体内不再需要灌注混凝土，主要采用钢拱箱形式；为使三角刚架结构整体受力平衡，亦可根据配重需要，在后斜柱部分腔体内灌注混凝土。

对于三角刚架结构，前斜柱截面角腔内灌注高强度微膨胀混凝土；后斜柱截面角腔与夹腔内灌注高强度微膨胀混凝土；钢平梁腔内不灌注任何混凝土。内部混凝土由于钢格箱的套箍效应，处于三向受压的理想受力状态，减少了混凝土裂缝的产生，同时由于内填混凝土的存在，一定程度上加强了整体构件的稳定性和抗压能力。

附图说明

图1是本实用新型预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的局部立体示意图。

图2是本实用新型预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的局部立面示意图。

图3是图1中的前斜柱、后斜柱以及钢平梁的截面图。

图4是图1中的前斜柱的剖面图。

图5是各类主拱圈与三角刚架连接部位示意图，图中：A钢箱拱桥；B钢管混凝土拱桥；C混凝土拱桥。

图6是某桥整体布置立面图。

图7是图6中的三角刚架立面图及截面图。

图中：1前斜柱，1a连接钢板，1b内腔钢板，1c外箱钢板，1d夹腔，1e内腔，1f角腔；2后斜柱；3混凝土底座；4为钢平梁；5三角刚架后横梁；6三角刚架前横梁；7主拱圈；8牛腿。

具体实施方式

一、预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的基本结构及原理(图1至图5)

三角刚架由预制的前斜柱、后斜柱、钢平梁以及三角刚架前横梁和三角刚架后横梁组成，在预制分块后拼装成为三角刚架整体；三角刚架前横梁和后横梁均采用钢箱结构，前斜柱、后斜柱为钢格箱构件，钢格箱构件主要由内腔钢板和外箱钢板构成，内腔钢板和外箱钢板之间由连接钢板分隔成钢格。钢格包括内腔、夹腔和角腔，内腔钢板围成的腔体为内腔，夹腔是由连接钢板、内腔钢板和外箱钢板围成并且布置于非角点位置的腔体，角腔是由连接钢板、内腔钢板和外箱钢板围成并且布置于角点位置的腔体。

将前述三角刚架应用于预制拼装钢混组合三角刚架拱桥，该桥每个三角刚架结构共由两片三角刚架、两片主拱圈拱肋以及中间连接横梁组成。其中，三角刚架上部钢平梁主要呈现受拉趋势，因此采用空钢格箱的结构设计形式，不灌注任何混凝土；对于前斜柱而言，亦采用钢格箱的结构形式，但需在部分钢格内灌注微膨胀混凝土，灌注方式可优先选择角腔进行灌注，根据设计需要可进一步灌注部分夹腔；基于力学计算，前、后斜柱需要满足一定配重比，以平衡拱脚处较大弯矩，因而在后斜柱的腔体内需灌注更多的混凝土。主拱圈可采用钢箱拱、钢管混凝土拱等多种结构形式。两片三角刚架之间的连接横联亦采用钢箱梁结构形式。

二、预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的施工方法

<1>在施工场地现浇基础以及混凝土底座，并进行相应的养护；

<2>预制前斜柱、后斜柱、钢平梁、三角刚架后横梁以及三角刚架前横梁，并在施工现场通过前斜柱、后斜柱与钢平梁的拼装接口灌注混凝土，而后将三者卧式拼装形成两片三角刚架，其后将三角刚架吊装至混凝土底座上，再吊装三角刚架后横梁以及三角刚架前横梁；

<3>三角刚架预制拼装完成后，在前斜柱和后斜柱的部分腔体内灌注混凝土；

<4>吊装预制主拱圈节段，主拱圈可采用各种钢、钢混组合及混凝土拱肋结构，各类主拱圈与三角刚架结构连接部位示意图如图5所示。

其中，三角刚架划分为三个安装节段，分割位置分别设置于三角顶点附近区域，各安装节段接口均采用焊接形式。同时三角刚架亦在工厂内完成预制拼装后，整体运送至施工现场，随后采用船吊将整体三角刚架吊装至混凝土底座上，最后架设连接横梁。待整体三角刚架结构完成后，即可进行主拱圈结构的施工。

三、预制拼装钢混组合三角刚架拱桥的应用(图6至7)

某大桥主桥孔跨布置：[50m+2×180m+50m]海鸥式拱桥，主桥长460m。主拱拱轴线采用二次抛物线，全拱计算矢高52m，折算矢跨比为1/3.462。北岸引桥为 [5×25m+20m]+[45m+45m+43m]预应力混凝土连续箱梁。南岸引桥为[42m+49m+45m]+ [6×25m+20m]+[20m+5×25m]预应力砼连续箱梁。主拱肋由三角刚架混凝土拱肋段和主跨钢箱拱肋段组成，东西分别有两条拱肋(全桥共四条拱肋)，分别位于各自的竖直平面内，桥面上拱肋间没有任何横向联系。全桥共三个三角刚架段。桥梁整体布置立面图如图 6所示，三角刚架立面图及其截面图如图7所示。

初始设计方案三角刚架采用全混凝土的结构形式，并设立支架进行浇筑，但由于施工工期太长且施工质量偏低，故参照前述应用本实用新型将其结构优化为钢格箱内填混凝土的形式，并采用预制拼装的方法进行施工，虽工程造价与原设计相比增加约15％，但施工工期由原设计预期7个月减少至1个月，极大地缩短了施工周期。