鋼－混凝土組合拱橋技術(shù)

陳寶春

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，中國(guó)福建福州350108)

1 引言

早在公元前的古羅馬就已經(jīng)使用混凝土建筑拱橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)應(yīng)用的是天然混凝土，這種技術(shù)在中世紀(jì)失傳。1759年波特蘭水泥出現(xiàn)后，混凝土開(kāi)始在拱橋中應(yīng)用，為拱橋的發(fā)展注入了新的生機(jī)和活力。拱橋在垂直荷載作用下有水平反力，需要較好的地質(zhì)條件，因此，在島國(guó)和山地修建較多，如中國(guó)、日本、克羅地亞等?；炷凉皹蛟谖覈?guó)有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)成為主導(dǎo)橋型。20世紀(jì)60～70年代，為減輕自重、節(jié)約建筑材料、方便施工，大量應(yīng)用了雙曲拱橋、桁架拱和剛架拱。1980年后，鋼筋混凝土箱拱橋和肋拱橋應(yīng)用日多。1997年建成了世界上跨徑最大的鋼筋混凝土拱橋——重慶萬(wàn)縣(萬(wàn)州)長(zhǎng)江大橋(420 m)［1］。

拱橋因以受壓為主，所以將抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的混凝土材料應(yīng)用于拱橋之中從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)是合理的。然而，其施工難度較大，特別是當(dāng)跨徑增大以后。而二戰(zhàn)以后，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，懸臂節(jié)段施工方法的應(yīng)用，使得預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛度等橋型在100～200 m的跨徑范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。當(dāng)跨徑更大一些后，混凝土斜拉橋施工難度較小的優(yōu)勢(shì)，也擠占了混凝土拱橋的應(yīng)用范圍，使得大跨度混凝土拱橋的應(yīng)用越來(lái)越少。從近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外新建的混凝土拱橋和應(yīng)用基礎(chǔ)來(lái)看，主要的發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用高強(qiáng)與超高強(qiáng)材料、應(yīng)用組合結(jié)構(gòu)，以減輕結(jié)構(gòu)自重、簡(jiǎn)化施工［2－3］。

1992年建成的西班牙Barqueta橋，主跨270 m，寬43 m，主拱采用C75混凝土、橋道系采用C60混凝土;2004年建成的西班牙Los Tilos橋，主拱圈與拱上立柱均采用了C75的高強(qiáng)混凝土［2］。日本在跨徑達(dá)600 m的鋼筋混凝土拱橋可行性研究中，拱圈采用了設(shè)計(jì)強(qiáng)度為100～120 MPa的高強(qiáng)混凝土［4］。克羅地亞在跨徑達(dá)432 m的巴卡爾(Bakar)橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思和跨徑達(dá)500，750，1 000 m混凝土拱橋的系列研究中，提出采用超高強(qiáng)混凝土－活性粉末混凝土(RPC)的設(shè)想［5－6］。已建成的超高強(qiáng)混凝土拱有2座，一座是韓國(guó)仙游人行橋，跨徑為120 m，矢跨比為1/8［7］;另一座為奧地利Wild橋，跨徑為70 m，橋面寬度為9.3 m［8］。我國(guó)也開(kāi)展了RPC在大跨度混凝土拱橋中應(yīng)用的系列研究［9］。

在組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，國(guó)外主要在拱上建筑中采用。德國(guó)的Wilde Gera橋、日本富士川橋、美國(guó)Colorado橋、克羅地亞Skradin橋等，橋道系均采用了鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)。橋道系施工時(shí)，鋼梁多采用頂推法［2］。2004年克羅地亞建成的跨徑為204 m的Krka橋，橋道系采用了鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的自重比同在克羅地亞的跨徑為200 m的原Maslenica橋減輕了35%［10］。然而，拱上建筑并不是整體承受結(jié)構(gòu)，如果主拱仍為混凝土拱，這種拱橋仍不能稱為鋼－混凝土組合拱。筆者所說(shuō)的鋼－混凝土組合拱是指主拱為鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的拱橋。它主要有2種，一種是鋼管混凝土拱;另一種是鋼腹板(桿)－混凝土組合箱拱。

2 鋼管混凝土拱橋

鋼管混凝土拱橋具有材料強(qiáng)度高、施工方便、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，近20余年來(lái)在我國(guó)得到大量的應(yīng)用。截至到2010年6月，根據(jù)收集到的資料，我國(guó)已建成的跨徑大于或等于50 m的鋼管混凝土拱橋共計(jì)327座，每年新增數(shù)量在18座以上，行業(yè)以市政與公路為主，近年在鐵路中也得到了大量的應(yīng)用;地域分成上以華東為主，遍及各個(gè)省份［11］。

在大量應(yīng)用的同時(shí)，有關(guān)研究也不斷地展開(kāi)。除眾多實(shí)橋?yàn)楸ＷC順利建成所進(jìn)行的研究和省級(jí)及其它各級(jí)各類的研究課題外，2000年以來(lái)國(guó)家自然科學(xué)基金資助了多項(xiàng)與之相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。西部交通科技項(xiàng)目2003年為此專門安排了“鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”等課題。

伴隨著鋼管混凝土拱橋在我國(guó)的大量應(yīng)用與經(jīng)驗(yàn)積累，有關(guān)鋼管混凝土拱橋的科學(xué)研究也在不斷深入，設(shè)計(jì)計(jì)算理論基本體系已經(jīng)形成，施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，編制鋼管混凝土拱橋的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。JTJ 41—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［12］、JTJ 071—97《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［13］分別增加和修訂了有關(guān)鋼管混凝土拱橋的內(nèi)容。交通運(yùn)輸部和鐵道部正組織編制公路與鐵路的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范。2008年開(kāi)始編制的福建省地方建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》［14］已于2011年完成，2011年7月15日開(kāi)始正式執(zhí)行。該規(guī)程的鋼管混凝土拱橋是指以圓形鋼管內(nèi)澆筑混凝土為拱肋、以鋼管混凝土拱肋為主要承重構(gòu)件的拱橋。規(guī)程適用于福建省市政工程與各級(jí)公路鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)工作。

規(guī)程分為4個(gè)部分(共19章)和條文說(shuō)明，主要技術(shù)內(nèi)容包括:第1部分為通用部分(1.總則、2.術(shù)語(yǔ)和符號(hào)、3.材料);第2部分為鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)(4.基本規(guī)定、5.持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算、6.持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算、7.施工階段計(jì)算、8.結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、9.耐久性設(shè)計(jì));第3部分為鋼管混凝土拱橋施工。(10.基本規(guī)定、11.鋼管拱肋制作、12.焊接施工、13.防腐涂裝施工、14.鋼管拱肋架設(shè)、15.管內(nèi)混凝土的澆注、16.其它構(gòu)造施工);第4部分為鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護(hù)(17.基本規(guī)定、18.檢查與評(píng)定、19.結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù))。

該技術(shù)規(guī)程中，設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容最多、理論性最強(qiáng)，也是一座新橋全壽命過(guò)程中最為關(guān)鍵的階段，因此，為便于對(duì)該規(guī)程設(shè)計(jì)計(jì)算方法的理解與實(shí)施，應(yīng)用該規(guī)程編寫了4個(gè)算例，與規(guī)程一道將由人民交通出版社出版，供應(yīng)用中參考［14］。

3 鋼腹板(桿)－混凝土拱橋新橋型研究

鋼腹板(桿)－混凝土組合拱橋是一種新橋型，它是將混凝土拱圈中的混凝土腹板由鋼構(gòu)件(波形鋼腹板、平鋼腹板、鋼桁腹桿等)來(lái)代替，頂?shù)装迦圆捎没炷?，這樣可減輕拱圈(肋)的自重，也可減少了現(xiàn)澆法中現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑的工作量，縮短工期。

為了探討這種新橋型是否可行，進(jìn)行了試設(shè)計(jì)與模型拱的試驗(yàn)研究，表明這種橋型具有良好的應(yīng)用前景［15－17］。以已建成的萬(wàn)縣(萬(wàn)州)長(zhǎng)江大橋(凈跨420 m)為例，試設(shè)計(jì)時(shí)上部結(jié)構(gòu)尺寸與原橋相同，僅將原混凝土腹板改為波形鋼腹板。施工仍采用鋼管混凝土勁性骨架施工法，由于腹板采用波形鋼腹板，因此其勁性骨架中連接主弦管的豎向桁片用波形鋼板代替。

試設(shè)計(jì)橋的拱圈仍為單箱三室截面(圖1)，腹板采用波形鋼板，取用Q345號(hào)鋼板，厚度10 mm，直接與上下主弦管焊接，具體尺寸詳見(jiàn)圖2。為了增強(qiáng)拱圈截面整體性和局部屈曲穩(wěn)定性，大約每15 m設(shè)置一道混凝土橫隔板，隔板厚0.25 m。

對(duì)試設(shè)計(jì)橋進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算與設(shè)計(jì)復(fù)核。結(jié)果表明，拱圈在自重作用下的軸力降低了，地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)也相應(yīng)降低，試設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。在此情況下，對(duì)拱圈的主要工程數(shù)量進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

表1 拱圈工程數(shù)量Table 1 The engineering number of arch ring

從表1中可以看出，波形鋼腹板混凝土拱橋的混凝土數(shù)量比萬(wàn)縣(萬(wàn)州)長(zhǎng)江大橋減少了31%;勁性骨架鋼材用量2 487 t，較之萬(wàn)縣(萬(wàn)州)長(zhǎng)江大橋增加19%。主拱圈自重從原設(shè)計(jì)的29 730 t，減小到21 597 t，減輕自重達(dá)27%。與此同時(shí)，還開(kāi)展了鋼桁架腹桿混凝土組合拱在大跨徑拱橋中應(yīng)用的研究［18］。

初步研究表明，無(wú)論是波形鋼腹板、平鋼腹板，還是鋼腹桿，均可代替鋼筋混凝土箱拱中的混凝土腹板，形成鋼腹板(桿)－混凝土組合箱拱，以減輕主拱的結(jié)構(gòu)自重，減化施工，增強(qiáng)跨越能力。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，目前的當(dāng)務(wù)之急是進(jìn)行依托工程的應(yīng)用研究，通過(guò)實(shí)際工程總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、提高技術(shù)、以利今后的推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

拱橋是重要的橋型之一。對(duì)于活載比重較大、動(dòng)力問(wèn)題較為突出的鐵路橋，鋼拱橋(主要是拱梁組合橋)仍是大跨徑鐵路拱橋的主要型式之一。對(duì)于廣大的山區(qū)、海島等地區(qū)，拱橋仍是具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的橋型。在跨徑方面，拱橋是纜索結(jié)構(gòu)橋梁(懸索橋、斜拉橋)跨徑可達(dá)千米以上的另一種可能的橋型。另外，拱具有極高的美學(xué)價(jià)值，拱橋也有可能因其優(yōu)美的造型而被選用。更不用說(shuō)有大量的還在使用之中的拱橋，它們的評(píng)估、維修、加固、改造等，還需要大量的研究與實(shí)踐。

我國(guó)有大面積的山地，勞動(dòng)力價(jià)格也較低，目前還仍處于大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期，拱橋的應(yīng)用仍有著廣闊的前景，尤其是鋼－混凝土組合拱橋。對(duì)于鋼管混凝土拱橋應(yīng)在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)提高，構(gòu)建科學(xué)合理的規(guī)范體系，使其成為不但具有中國(guó)特色、而且是具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的橋型。對(duì)于鋼腹板(桿)－混凝土組合拱橋新橋型應(yīng)在現(xiàn)有的應(yīng)用基礎(chǔ)研究上，盡快落實(shí)到依托工程中去，通過(guò)具體工程的應(yīng)用，總結(jié)提高推廣。

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