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。
# J$ M5 |: u& B1 I# J【关键词】钢管混凝土 拱桥
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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。
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
' V9 v& _6 _8 ^. C, o# T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。
; e( l& i- I/ k% z1．拱肋
拱肋为三管集束截面，即3φ（700～1200）*（8～10）mm。
2 d+ a% H: k7 Q  K! K$ c) d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。
/ M* L: A# i2 i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：
9 b" `7 R; {5 l+ b% _4 b·拱肋为完全的CFST，可以充分利用CFST的强度和刚度优势；
' z5 v/ a8 Y3 q) [( n·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 p% L% |! _# \, b: W2．肋间横撑
/ j1 c4 V# W9 T5 C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。
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。
. G9 G1 q' h" O7 M6 u5 ^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。
3．桥道系
5 j) Q5 P0 z& ~( F1 g) R. Z" n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。
4．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
5 C/ P. m- S/ B9 n+ U7 q. p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
# @. k8 K, V* j9 q8 _# o$ p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。
/ f' R- i/ W7 X# z  ~5 U  @·吊杆间距
. R' _" {, _6 T+ X9 ^: y6 V2 [( G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。
9 U! T  I; V/ g2 o5．钢管防护
/ y4 B( n  g- x+ A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。
4 R# q* r; }% [6 Q! t9 f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。
. K% v& K* F; K. [) p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。
1 N( b1 P6 A) y, L. p' }; ]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。
已有的工程应用之价格，低于喷锌、喷铅防护。
; i1 k: K* q, Y+ N2 p& `/ ?/ T' k6．拱座
4 k' {. x- P" G- j8 g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。

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。
# D6 U% L/ j3 ]" g- h1．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。
2．拱肋稳定性计算
+ w" L% ~% q: n+ r- Q# y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。
0 b4 z5 H; }; W0 [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．施工计算
; z7 u6 A( ?, G. X/ h. s* \$ Z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。
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。
三、施工
3 W+ r+ q/ K* h, r4 z2 R! u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。
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。
1．拱肋钢管
* K4 H' o. @3 @* S, ~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。
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; A' G4 |2 Y& u4 Q2．拱肋钢管吊装
- l$ [% y& R! Y  j4 s9 Y/ I! s" R·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。
" C7 j, H& `* c2 B" _% t- }9 [·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。

' A/ x$ @9 C! m6 C" Q- H" {) C3．横梁吊装
$ ]/ K5 V. ]! X; p. H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。
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; ?: Q( O3 F) x- H- t  f. g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。
- c) q( s! u1 L* v/ h4．效果
: q! h1 c) D$ _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。
/ X! w2 q; \; S! U: L6 q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。

8 O! N) X6 c- ]0 ~% U3 Y$ Z四、实验检定
. `. K+ V/ I  ~: R! `; t# k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。
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。
; e$ H% d: n% p5 j$ j1．试验设备及方法
  S! e: w. S' @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。
2．试验结果
, ^2 v3 u8 S  h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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3 z: y+ w4 m/ y9 T5 V# r1 d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。
3．试验分析
5 i2 g. s  q. `& E·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。
& R7 V3 `, D; b/ o' }0 f（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。
7 X' x' W# P; d$ {（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。
（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。
" |6 S- p. ~: j0 b) r（5）试验未发现可见裂缝，拱脚无位移。
7 A( P  q" N# C" @/ u·动载试验分析与结论
+ w& b! ~" ~- c$ }5 Q* d- Z（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。
* d0 p5 ^# W3 _- k* e$ j（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。
$ A7 S: N6 R+ g（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。
8 Y" }" ]' |; Q（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。
（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。
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。
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4 j; x9 \! q# H# N* w5 l( u8 Z. i参考文献
. ?/ J8 z$ j/ p0 @' e% S2 |7 _[1]汤国栋等．拱式桥梁的新进展--成渝公路内江提篮拱桥建成．成都科技大学学报，1996年第2期，p4l～52
[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
' w7 @' b0 F2 F+ G; {1 i[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