钢管混凝土拱桥应用与研究进展
摘 要: 简要介绍了钢管混凝土拱桥近年来在我国的发展概况, 从结构体系、拱肋、吊杆与系杆、桥道系等方面分析了结构与构造方面存在的主要问题和技术进步, 简要阐述了施工技术创新成果, 介绍了有关钢管混凝土拱桥的设计与施工规范、论著和在设计计算理论方面取得的最新成果。
关键词: 钢管混凝土; 拱桥; 设计; 施工; 研究
1 应用概况
钢管混凝土拱桥近十几年在我国应用发展很快, 在2002 年出版的《钢管混凝土拱桥实例集(一) 》中收录到的钢管混凝土拱桥的桥例有109 座, 2007年出版的《钢管混凝土拱桥(第二版) 》附表列出的跨径大于50 m 的桥例有202 座。根据文献[ 3 ]所做的调查, 截止到2005
年3 月, 收集到的跨径大于或等于50 m 的钢管混凝土拱桥有230 座, 其中跨径达100 m及以上的132 座, 跨径达200 m 及以上的有33 座。
调查结果表明, 1995 年前较少修建跨径大于100m 的钢管混凝土拱桥。此后, 随着计算理论的完善和施工技术的进步, 钢管混凝土拱桥的跨径和数量随时间的推移在不断地增大。各个时期具有代表性的桥梁有: 1990 年建成的四川旺苍东河桥, 跨径115 m; 1995 年建成的广东南海三山西大桥, 跨径200 m; 2000 年建成的广东丫髻沙大桥, 跨径360m; 2005 年建成的重庆巫山长江大桥, 跨径460 m。《钢管混凝土拱桥实例集(一) 》中精选了10 座主要是2000
年以前建成的、具有代表性的桥例进行了介绍。《钢管混凝土拱桥实例集(二) 》又精选了2000
年以来建成的具有代表性的10 座桥例进行介绍, 内容如下。
(1) 水柏铁路北盘江大桥: 我国第一座铁路钢管混凝土拱桥, 2002 年建成, 主桥结构为上承提篮式钢管混凝土拱, 拱脚中心跨度236 m , 拱肋横向内倾615°, 采用水平转体施工, 该桥的建成对推动钢管混凝土拱桥在我国铁路桥梁中的应用具有重大的意义。
(2) 广东东莞水道大桥: 主桥为50 m + 280 m +50 m 中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥(又称飞鸟式) , 2005 年建成。该桥在设计过程中, 对飞鸟式桥型与受力特点进行了分析, 对钢管混凝土格构柱受力性能进行了试验研究。
(3) 连徐路京杭运河大桥: 它也是一座飞鸟式拱, 但其拱肋为提篮式, 主孔跨径为235 m , 边孔跨径为5715 m , 施工时采用了竖向转体施工法, 于2002 年建成。
(4) 福建福鼎山前大桥: 它的主跨是80 m 的下承式刚架系杆拱, 在本书中属于跨径最小的一座, 建成于2000 年。该桥的主要特点是拱肋采用了钢管-钢管混凝土的复合结构, 即拱肋的拱脚段采用钢管混凝土截面, 拱顶段采用空钢管截面。对这种结构进行了试验与理论研究,
探讨了管内填充混凝土对结构受力的影响。
(5) 杭州钱江四桥: 是一座大型的钢管混凝土拱桥城市桥梁, 主桥由11 跨独立的拱梁组合结构组成, 其中2 跨为190m 的大跨、另外9 跨为85m 的小跨。该桥具有双层桥面, 因此主桥实际上有上承式、中承式和下承式三种拱的结构。施工采用三塔两塔的缆索吊机吊装, 钢管拱肋采用斜拉悬臂施工, 2004年建成。
(6) 郑州黄河公路二桥: 是我国高速公路上一座大型的钢管混凝土拱桥。主桥由8 跨跨径为100 m的下承式拱梁组合桥组成, 横断面上分上下行两座桥, 因此共有16 跨。拱肋采用腹腔内不填混凝土的新型哑铃形截面, 系梁为预应力混凝土梁。施工采用先梁后拱的方法, 于2004 年建成。
(7) 兰州雁滩黄河大桥: 为3 跨连续的下承式刚架系杆拱, 中孔拱跨径12710 m , 边孔跨径8510 m ,是连续多跨下承式刚架系杆拱中跨径较大的一座。在桥道系构造方面, 采用了钢管桁架作为纵梁来加劲。该桥于2003 年建成。
(8) 南宁永和大桥: 主桥为净跨335140 m 的中承式钢管混凝土桁拱, 混凝土实体桥台、钢筋混凝土重力式沉井基础。该桥是我国跨径上300 m 的几座钢管混凝土拱桥之一, 钢管拱肋采用斜拉悬臂法施工, 于2004 年建成通车。
(9) 湖南益阳茅草街大桥: 主桥采用80 m + 368 m+ 80 m 三跨中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥, 在同类桥型中超过主跨360 m 的广州丫髻沙大桥, 名列第一。该桥采用斜拉悬臂法施工,
作为西部交通科技项目《钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究》的依托工程之一,
开展了大量的研究工作。
(10) 重庆巫峡长江大桥: 主孔跨径达460 m , 是目前世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥, 也是世界上为数不多的跨径大于400 m 的拱桥之一。该桥为中承式桁拱, 采用斜拉悬臂缆索吊装施工, 于2005年建成。无论在结构设计方面, 还是在施工方面, 该桥均有许多创新之处。
2 结构与构造存在的主要问题与技术进步
211 结构体系
钢管混凝土拱桥的结构型式, 可根据车承形式和是否有推力分为上承式(有推力)、中承式、拱梁组合式(下承式)、飞鸟式(中承式刚架系杆拱) 和下承式刚架系杆拱5 大类, 再加上一类“其他”, 共6 类。
5 种主要结构形式已建成桥梁的跨径纪录分别为: 上承式拱——主跨288 m 的重庆奉节梅溪河桥;中承式拱(有推力) ——主跨460 m 四川巫山长江大桥; 飞鸟式——主跨368 m 的湖南益阳茅草街大桥;下承式拱梁组合拱——主跨190 m 的杭州钱江四桥 (复兴大桥) ; 下承式刚架系杆拱——主跨280 m 的湖北武汉汉江三桥。
有推力上承式、中承式是传统的拱桥结构型式,在混凝土拱桥、钢拱桥中都有大量的修建, 应用于钢管混凝土拱桥中主要是拱肋的变化及由此带来的传力构件(拱上立柱和吊杆) 的轻型化。
下承式拱梁组合桥也是传统的拱桥结构型式,在国外的钢拱桥中应用最多, 其桥道系一般也为钢结构。我国的钢管混凝土(下承式) 拱梁组合桥, 桥道系多为预应力混凝土结构, 施工时无论是先梁后拱还是先拱后梁都有一定的难度。
刚架系杆拱桥, 是钢管混凝土拱桥中新出现的拱式桥型, 拱肋与下部结构刚结, 利用高强拉索的预张拉力来抵抗拱结构恒载的水平推力。这种桥型施工时可以像有推力拱一样采用无支架施工, 其施工难度要小于前述的拱梁组合桥。从结构受力来说, 这种结构与拱梁组合桥中采用抗拉刚度较大的系梁来抵抗拱的水平推力有很大的不同, 它是以主动的拉力施加给拱(对拱而言是压力) 而不是被动力, 拉索的抗拉刚度很小, 活载作用下按抗拉刚度分配所承担的推力的增量很有限。对于高强材料的拉索, 索的安全, 主要是防腐蚀锈断的安全问题特别突出。在后面的“吊杆与系杆”一小节中会有专门的讨论。
关于各类钢管混凝土拱桥桥型的应用情况、结构与构造、施工方法等, 详见文献[ 2 ]和文献[ 4 ]～ 文献[ 7 ]的介绍。
还有一些归入“其他”类的, 其中(简支) 系索拱属应用稍多的结构, 已建的有天津彩虹桥、辽宁丹东月亮岛大桥、福建厦门海仓霞飞桥和越南某大道上的3 座桥等。它是一种介于下承式拱梁组合桥与刚架系杆拱之间的桥型。系索拱中拉索采用高强钢索,仅承受拉力, 不受弯。由于拉索的强度高, 抗拉刚度小, 因此它是靠主动施加预拉力来平衡拱的水平推力, 这样活载产生的水平推力主要由拱肋承担, 也会在两拱脚间产生较大的向外水平的变形, 这样伸缩缝的伸缩量除考虑温度变化外, 还要考虑活载因素,伸缩量较大, 而且在日常的活载变化中会发生变化,这是不合理的。在施工方面, 架设拱肋时, 因拱与墩 (台) 之间有支座, 不像刚架系杆拱那样是固结的, 所以要临时锚固, 还要考虑临时拉杆平衡水平推力, 所以施工难度很大。因此, 这种桥型的应用应十分慎重。
在其他类中, 还有一种钢管混凝土桁式组合拱,它是从过去的预应力桁式组合拱发展过来的,
所不同的是拱肋用钢管混凝土代替混凝土, 拉杆用斜杆采用柔性拉索(钢绞线、钢丝束或粗钢筋) 代替预应力拉杆。它的应用数量不多, 修建的时间也不长, 其效果还有待观察, 不宜过早推广。重点要注意的关键问题是拉杆和锚固点的耐久性。