中承式无横撑集束钢管混凝土平行肋拱桥

【摘要】中承式集束钢管混凝土平行助拱桥，桥道以上无横撑，国内尚不普遍。本文作为"集束钢管混凝土提篮拱桥"研究系列之一，探讨了结构性能、结构参数、设计与实践。拱肋钢管的"无极绳"吊运，桥道横梁"荡提法"安装，具有明显的技术、经济优势，较通常的天线吊装，节省费用50％以上。
: x# \5 M; e% \8 o# T6 n, p【关键词】钢管混凝土 拱桥

. |) j* ], D4 x1 O6 u钢管混凝土（CFST）拱桥，在公路建设中，发展势头很好，无论结构形式还是建设规模，均可谓精彩纷呈。本文研究了三管集束拱肋截面，中承式双肋拱桥，桥道以上无横撑。作为工程实践，于1999年10月建成了洪州大桥，试验及初步运营表明，结构性能、景观效果均获好评。
, w6 L& O8 x; @! W四川省洪雅县青衣江洪州大桥，全长659m，桥宽16m；孔跨布置由南向北为2＠30＋100＋14＠30m。引孔为跨径l＝30.0m，拱度f／l＝1／6的空腹式石拱桥（图1）；全桥设计荷载：汽-20级，挂-100级，人群3.5kN／平方米。

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一、主跨集束钢管混凝土拱桥
* J, `$ o- I& U主孔为跨径l＝100m，拱度f/l＝l／4的中承式肋拱。现择要叙述本桥的技术特点。
* i6 N2 p% h9 s  m1．拱肋
7 B+ V7 x& ^$ O/ |( O* F% \. y. W拱肋为三管集束截面，即3φ（700～1200）*（8～10）mm。
9 s: q- |2 L2 z0 _管间以筋板焊接联系为整体，沿管径方向设φ32的联系筋，管间曲边三角形灌注砂浆填充，以保证集束截面的整体性，实现全截面抗力的要求。计算和实践均表明了它的可靠性。
拱肋钢管材料为Q235b，管心泵灌C40混凝土；拱轴线采取抛物线，优化原则是恒载弯矩为最小；拱肋截面变化规律，取Ritte公式。为了改善拱轴线恒栽变形，钢管直径也可沿跨径方向取抛物线规律变化。
变截面钢管采用纵向卷制，沿母线焊接为下大上小的圆台形管段，每段长2m左右，然后接长为7～10m的吊装段。上述构思，基于以下考虑：
4 y: ?- c6 P/ Z2 P& y7 O+ ~·拱肋为完全的CFST，可以充分利用CFST的强度和刚度优势；
·最大限度地减少管道节点，特别是活载受力的节点，以避免节点应力集中及活载引起的疲劳损伤。本桥桥道以上无管道节点，桥道以下斜撑节点作了缓和应力集中的构造处理和疲劳设计。
·保证结构的整体刚度，对于轻型结构的特大桥，刚度往往控制设计。多管集束截面，整体性强，刚度大。很少小于90°的"死角"连接。减少积水，便于防腐操作和保证防护寿命。
·多管集束，管心混凝土分管泵灌，施工荷载集度划分变小，有利于施工安全。多管集束可组合为优越的截面形式。
2．肋间横撑
4 R- ~' g% t- S关于肋间横撑，有的称为“风撑”（[3]），笔者曾在文献［1］中，对此表达过见解。现今的拱式体系中，横撑的作用，主要在于刚度贡献，而非只是承受风载的"风撑"，其构造尺寸也不是依据风载作用决定，而是根据刚度设计的需要取定的。
2 h8 |) R4 a8 c% d. s洪州大桥主跨桥道以上不设横撑，不仅是为了构造简单和节省材料，主要在于肋间构造经适当处理和正确计算后，可以不设横撑，能够保证结构的刚度及稳定性所必需的安全度，使长大桥的桥面以上，视野畅通，无阻断，轻松，简洁。相应地桥道以下则须布置强劲可靠的横向联系，并特别注意单肋根部（拱肋与桥道相交处）的联系构造（图1）。本桥桥道以下设置了两道K型横撑，截面为2φ1400*（8～10）mm。除以喇叭口与拱肋连接外，管内尚没必要的联结钢筋，以保证必需的联结刚度。
显然，这里注重拱肋的整体性，特别是联结刚度，力求避免如管道桁架体系中那样，成百上千的管道节点，缓和或避免节点应力集中及疲劳失效的困扰。
- C: P( i8 O! E; y' |3．桥道系
) t; \; _$ K; p  l4 G0 D桥道系为悬吊横梁加纵向简支-连续桥道板组成。横梁间距5．38m，未设连续纵梁。横梁为P．C混凝土，桥道板为R．C结构。
自1990年成渝高速公路中承式提篮拱桥研究和应用开始，对于桥道与拱肋相交处就采取了只设横撑不兼横梁，以使拱肋受力明确。分析认为，近年发生的某些重大桥梁事故，与该部位设置模撑兼作横梁的联系构造以及使用加载不当，有一定的关系。
. B. C, N, G: H3 P4．吊杯吊具
吊杆为121φ7平行高强钢丝束。本桥吊杆吊具设计的要点是见图2。
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·连接器
& J! i6 n) @) @7 v% f4 G& e拱肋内侧设置吊杆连接器，肋内连接段的钢丝数为吊杆的1.3～1.5倍；拱肋钢管内设固定锚板，连接器下端设连接环与吊杆上端相连接；吊杆之下端，置于横下缘，锚具为冷铸激头锚。
·双吊杯
4 r, w& T  j6 v; j  h横梁两侧各设两根吊杆（即一横梁4根吊杆），按一根承载（至少是恒载）设计，同时布置两根。一则为了安全，再则为了便于吊杯拆换。
# R& L, A) u8 ~9 a·吊杆间距
笔者倾向于取8m左右为宜，目的在于优化横梁与桥道板设置。本桥基于建筑效果考虑，横梁间距取为5．38m。吊杯及连接器防护与一般无异，不详述。
5．钢管防护
本桥钢管采用复合材料防护。厚度为1～3mm，防护构造由隔离、强度及耐候胶衣三层组成，如图3所示。
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防护构造含有不低于钢材强度的纤维增强层，以适应钢管受力变形的需要；外层胶衣，抵抗大气、酸雨、盐雾、湿热的腐蚀，可任意配色。耐候胶衣层老化后，尚可重新喷涂覆盖，焕然一新。
. [. d  A. e0 D防护施工，采用专用设备喷涂，只需清除钢管表面异物，清洁、干燥即可，勿须喷砂除锈等费时费事的环节。
4 Y+ C, I4 m1 R: r2 k复合材料防护层，成强过程中具有一定的收缩量，因此，防护层与钢管表面除了具有粘结力外，还具有收缩引起的紧箍力。
' t- G1 b# D3 T, z经中国科学院金属所对比实验表明：复合材料防护之抗酸雨、盐雾、湿热等腐蚀性能，显著地优于喷锌、喷铅防护，防护寿命远比后者长。
1 k! S, F  e! p! F, H已有的工程应用之价格，低于喷锌、喷铅防护。
" G) J) d. z. L# P6．拱座
拱肋钢管伸入拱座混凝土0.5mm左右，与拱座内预埋钢板相焊接，管内设有埋入拱座的锚固筋。拱座内设有多层钢筋网。

" ~" H) }9 e0 N' R二、拱肋计算
桥道以上无横撑集束钢管混凝土肋拱桥，除了通常的设计计算以外，具有特点的是拱肋的稳定性计算及施工计算。
1．拱肋强度计算
强度设计验算，按桥规作了不同荷载及其组合工况的计算，控制截面最不利组合的计算成果，均能满足桥规之极限状态设计准则。
# n# w' v8 t6 f' _2．拱肋稳定性计算
$ Z; h1 s; G  Z' e本桥为变截面肋拱，桥道以上没有横撑，单肋独立承载，为全面考查体系的面内、外稳定性，取两种计算模型：全拱模型、桥道以上的单肋模型。
计算结果汇总如表1。结构稳定性，满足安全系数k＞4～5之判据。

4 k6 I+ L" Q3 f- e, e$ Y! a/ q4．施工计算
( T0 @) r/ p; L* c1 `" @: y: G/ X对大桥施工中可能出现的各种典型工况进行了验算，即空钢管状态，以及按图4之1→2→3的顺序泵灌混凝土等四种工况。管1泵灌之混凝土成强后，再泵灌2管及3管；泵灌2，3管时，将对拱肋作抗扭计算。
6 y$ k9 W  E/ S. g, W" e3 i按规范指示，施工验算，取容许应力方法及相应的准则及判据。
7 f' s' c6 m! Y9 a三、施工
: ]% i( h4 y8 l横梁吊装亦需进行控制计算，计算不难在内力影响线上实现，计算响应的位移和应力，用以控制施工。
) B. y5 U  Z8 H# V; n本桥主跨拱肋的施工，特点是拱肋钢管的焊接和无极绳运送，以及横梁的'荡提法"吊装。
2 n; z# G0 G7 E+ L- l1．拱肋钢管
拱肋3根钢管，在同一截面直径相同；沿跨径方向钢管直径取为变量。施工放样所需坐标及参数为管径ri；，截面形心（C）坐标（xc，yc），每个截面的拱腹和拱背坐标，如图4所示。拱管分段（≈2m）卷制焊接、接长、组拼为吊装段。

6 S9 q2 E" f" R# h2 L/ J$ U7 _3 S2 t2．拱肋钢管吊装
·拱肋钢管吊装程序先将图4之2，3管组拼为吊装段，重量控制在7t左右，逐段吊装接长合龙成拱；再在2，3管组成的拱肋上，铺装1管，最后形成三管集束截面的拱肋。
·拱肋钢管吊装拱助钢管的吊运（图5），采用环状封闭的无极绳系统，以小吨位（5t）卷扬机作动力，轻型塔架支撑。钢管吊件的水平运输以无极钢绳的周向运动实现，竖向运输以塔架上的竖向滑车组收、放实现，吊装布置如图5所示。
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3．横梁吊装
3 b9 S+ k7 n& G0 E( L桥位处江水水位不稳定，大型浮吊无法作业，通常的天线吊装，价格达210万元（包括拱肋及桥道）。本桥桥道横梁用拱肋为支撑，采用"荡提法"吊装。所用设备及工艺均较简便。横梁重量38t左右。吊装布置如图6。

工艺原理，即T1滑车组为横梁的提升系统；T2为水平移动系统。根据设备能力，确定水平荡移的角度≤17．5°，相应的移动平距为10～12m；滑车组竖直提升，可根据设备能力决定。当完成了工序I后，将横梁交付到工序Ⅱ的提升滑车组上，继续荡移，循环移动。具体细节，在此不再赘述。
. x# i3 ?1 ]. r: h" u- ^% R4．效果
# X5 `: q) J4 U吊装所用设备很少，施工操作安全，运行自如，速度不算低。整个吊装费用仅90万元左右。
本桥原设计为R．C箱肋拱，开工后方才改为现行集束钢管混凝土肋拱方案。原R．C箱肋拱后吊重达70t，吊装费用210万元。两者相比，荡提法吊装横梁及拱肋钢管无极绳吊装，节省吊装费用110万元。

四、实验检定
洪州大桥的体系、构造及施工均有其特点，按竣工验收要求，进行了实载检定试验。
1 F/ ]8 `% Y# m  j8 S  w& e现代大跨径桥梁，采用高强材料，体系轻型，按极限状态理论设计：加之一般的电测法，野外观测应变的可行性、可靠性值得商准。因此检定实验，以活载变形（刚度）检测为主，以动载响应为主。在完成了规定的试验工况后，尚作了一定的超越（包括荷载工况及检测内容），以便为体系研究积累资料。
* b1 ?( z, G2 E3 S  y$ h1．试验设备及方法
& R% a2 b) R9 j( ^1 f" z通常的静载试验及量测为大家所熟知，不详述。
动载试验采用B＆K431三轴向压电式加速度传感器，拾取桥梁竖向和横向信号；用B＆K2635双积分电荷放大器转换为电压信号，将方向的信号记录于XR-50C的不同声道上；再以HP3562A动态信号分析仪进行分析处理，得到被测对象的固有频率、振幅、加速度等；进而求得前五阶模态两个方向的频率、阻尼比、振型等。
1 g5 f* V9 L, X1 ]3 ~) l: s/ l( D2．试验结果
+ n1 E, n7 q+ O# t静载试验按设计之最不利加载，荷载效率取η=1.0。其主要响应如表2，表3。
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动载试验之挠度峰值为5.01mm；加速度峰值为0.463cm／s2；平均冲击系数DAF＝1.135。
- B+ M: F% M& |& l$ f3．试验分析
- }8 j( q6 w5 ]·静载试验分析及结论
（1）试验结果，拱顶Mmax工况的设计计算值为Sstat＝18.0mm，试验峰值为S=5.4mm；在各种静力工况下，拱顶截面最大（面外）横向挠度为1.0mm，其余各截面测不到读数（即小于1.0mm）。结构的荷载效应η≈1．0时，弹性变形之实测值（Se）与计算值（Sstat）相比，前者仅为后者的1/3左右，系因设计计算模型偏安全取定所致；表明设计和施工均是可靠的。
* |- _; H/ O: j7 j（2）静载试验非弹性的残余变形很小--小于量测精度，这是因为荷载试验前，桥梁实际已经承受施工活载及非正式运营载荷，非弹性变形已基本消除。
（3）拱肋非对称加载，如L／4截面Mmin工况，所发生的拱肋挠度亦为非对称，且与理论预测接近。
# V  N. t  O% j* k4 |/ }6 X（4）对比上下游拱肋在各工况下的变形响应，小有出入，一般为5％～10％左右，且上下游拱肋或高或低并非一致，荷载愈大相差愈小。
2 X8 X: y" |& ~& R' W; O  Y2 P（5）试验未发现可见裂缝，拱脚无位移。
·动载试验分析与结论
2 ^# C3 x  J  m3 A6 P8 `5 l  x, p% a（1）结构竖向自振一阶频率为0．82，阻尼比为0．16；横向自振一阶频率为0．72，阻尼比为0．03，与一般同类桥梁相近，与结构体系的特点相符。
（2）桥梁结构冲击系数平均为1．135，相应的车速为20km/h。这与结构的刚度，桥面的平整度及障碍物有关。当桥面不平整或遇障碍物时，将加大对桥梁的直接冲击，增大振幅，加大冲击系数。
（3）当汽车以V＝40km/h通过时，冲击振幅增大，可能系因行车振频与桥梁低阶频率相近，试验表明冲击系数与车速成非线性关系。
4 i" W6 M# S3 a8 i$ @5 A3 f（4）由各阶振型曲线可知，桥面振动幅值在0．51～0．32mm之间，属于正常弹性振动。
: o% v$ @. P  r（5）桥上行人的有感震动频率为2～6Hz，试验中的感受得到了证实。
大桥已经运行两年，情况良好。
* d7 W  U6 C  O6 j: z% C# ^; y先后参加此项工作的还有谢玲玲、姜瑞娟、董海、饶俊勇和张耀等。

参考文献
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[2]钟善桐．钢管混凝土结构．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1994
[3]陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．北京：人民交通出版社，1999
[4]汤国栋，汤羽．轴向受压钢管混凝土短柱的表观弹塑性本构方程及其极限承载力．中国公路学报，1991年，第13期