走向21世紀的鋼管混凝土拱橋

    拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結構型式。它外形宏偉壯觀,且經(jīng)久耐用[ 1 ]。拱橋作為壓彎結構,隨著跨徑的增大,高強材料的應用受到穩(wěn)定問題的制約;而鋼筋混凝土和預應力混凝土拱橋由于自重較大,施工架設問題突出。高強材料的應用和無支架施工的困難,制約了拱橋的發(fā)展。將鋼管混凝土應用于拱橋能同時解決了拱橋材料高強化和拱圈施工輕型化的兩大問題。

1　鋼管混凝土拱橋概述

    鋼管混凝土作為一種組合材料,其工作的基本原理有兩點: (1)借助內(nèi)填混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性; (2)借助鋼管對核心混凝土的套箍(約束)作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。

    基于鋼管混凝土的工作機理,將其作為結構材料應用于大跨度拱橋的建造,可以較好地解決橋梁結構所要求的用料省、安裝重量輕、施工簡便以及承載能力大等諸多要求。同時,鋼管混凝土將鋼材和混凝土有機地結合在一起,能大大地提高拱橋的跨越能力,并使材料性能得到充分利用。在施工方面,空鋼管架設吊裝重量輕,又可作為施工支架和內(nèi)填混凝土的模板,施工用鋼量省,而RT工廠化、工業(yè)化水平高,加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的優(yōu)越性,將其應用于以受壓力為主的拱橋之中是十分合理的。它對于橋梁結構節(jié)約材料、減輕自重、提高跨越能力、方便施工、縮短工期有著積極的意義。正由于鋼管混凝土拱橋具有自架設的施工優(yōu)勢及鋼- 混凝土共同受力的性能優(yōu)勢,這種橋型日益顯示出其強大的生命力。

2　國內(nèi)外鋼管混凝土拱橋的研究現(xiàn)狀

    國內(nèi)鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中開始得到研究和應用是在20世紀80年代。自1990年10月在四川省旺蒼縣首先采用纜索吊裝、無支架施工法建成跨度115 m的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來,短短10多年間,鋼管混凝土拱橋如雨后春筍,在各地破土而出。據(jù)不完全統(tǒng)計,從1990 年到1994年間,已建和在建的鋼管混凝土拱橋達20 多座, 到1997年達40多座,到1998年則已達到60多座,到目前又已達到120多座,其發(fā)展速度之快,為中外建橋史所罕見。表1列出了5座國內(nèi)已建成的鋼管混凝土拱橋。

    鋼管混凝土在國外橋梁工程中的應用已有100多年的歷史。早在1879年,英國的Severn鐵路橋建設中就采用了鋼管橋墩,當時在管中灌注混凝土主要用來防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。鋼管混凝土應用于拱橋結構,始于20世紀30年代末期,前蘇聯(lián)著名橋梁專家Perederiy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河跨度101 m的拱梁組合體系。與此同時, 1939年, Rosnovskiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達140 m的鐵路拱橋。法國已建的凱澤萊爾橋,主跨為220 m的下承式拱橋。日本的松島橋為126m跨徑的上承式鋼管混凝土拱橋。美國于1999年在芝加哥市修建了一座中承式鋼管混凝土拱橋(DamenAvenueArch) ,主跨74 m,橋長94 m,橋?qū)?119 m,拱肋采用直徑為5112 cm的鋼管,壁厚25 mm,拱肋間不設橫撐。總的來說,國外修建鋼管混凝土拱橋的跨徑較小,數(shù)量也不多,相關報道較少。

3　鋼管混凝土拱橋的優(yōu)缺點

    鋼管混凝土拱橋在短短的幾十年時間里,能得以飛速的發(fā)展,就其本身而言,鋼管混凝土拱橋具有以下優(yōu)點[ 3 ]、[ 4 ]。

3、1　跨越能力大、適應能力強

    鋼管混凝土的承載能力大大高于鋼管、混凝土承載能力之和,因此,其跨越能力要高于一般的鋼筋混凝土肋拱。實踐證明,鋼管混凝土拱橋在100～400 m以內(nèi)具有很強的適

應性和競爭力。

3、2　承載能力大,施工快捷

    鋼管對混凝土具有所謂的“套箍”作用,套箍作用主要體現(xiàn)在混凝土進入塑性階段以后,此時混凝土沿環(huán)向劇烈膨脹,而鋼管能有效約束這種膨脹,從而使混凝土處于三軸受力狀態(tài),強度得以大大提高。鋼管混凝土利用內(nèi)填混凝土增強管壁的穩(wěn)定性,又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用,使鋼管混凝土的優(yōu)越性能得到充分發(fā)揮,具有很高的抗壓強度和抗變形能力,非常適合以偏心受壓為主的拱橋。施工時,鋼管充當很好的模板,無需額外的腳手架和模板,又起到勁性骨架的作用;另一方面,橋梁基坑開挖、基礎與混凝土澆筑、鋼管加工、吊桿制作、橫梁和橋面板預制可同時進行,模塊化程度高,節(jié)省了施工工期,與同等跨徑的其它體系橋梁相比,可節(jié)省工期30%以上。

3、3　地基適應能力強

    鋼管混凝土拱橋可根據(jù)不同的地質(zhì)條件和橋位斷面,設計成有推力的拱橋(上承式和中承式拱) ,也可設計成無推力的系桿拱橋(下承式或帶半跨邊孔的飛雁式組合拱) 。

3、4　造型優(yōu)美

    優(yōu)秀的橋梁建筑,除實用的功能外,還應是一個高雅的建筑藝術品,成為一個城市或地區(qū)的標志(象征) ,如舉世聞名的美國舊金山大橋、悉尼港的鋼拱橋。鋼管混凝土拱橋猶如一道靚麗的彩虹橫跨大江兩岸,配合恰當?shù)臒艄庠O計,令人賞心悅目。

3、5　有較成熟的施工技術作支撐

    中國是建造拱橋最多的國家,經(jīng)過長期的探索,已掌握了成套的施工技術,如無支架纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法。前者配合千斤頂由高強鋼絞線做扣索,具有索力和拱軸線型控制精度高,并且突破了只適用于5段以內(nèi)的限制,能用于多節(jié)段拱肋吊裝;后者的平轉(zhuǎn)和豎轉(zhuǎn)技術也已相當成熟,已成功地用于多座鋼管混凝土拱橋的安裝。

3、6　總體布置

    由于鋼管混凝土承載能力大,正常使用狀態(tài)是以應力控制設計,外表不存在混凝土裂縫問題,因而可以使主拱圈截面及其寬度相對減小,這樣便可以減小橋面上承重結構所占的寬度,提高了橋面寬度的使用效率。

 

    盡管鋼管混凝土拱橋發(fā)展很快,跨徑也已達到460 m,但是其設計理論、計算方法、規(guī)范制定等方面卻比較落后。如:鋼管混凝土的本構關系如何選取,才能使二者的結合最優(yōu)缺乏研究;鋼管混凝土拱橋的有限元計算理論缺乏統(tǒng)一性;施工過程中鋼管聚集的初始應力,對鋼管混凝土極限承載力會產(chǎn)生影響,但影響值有多大,需深入研究;由于核心混凝土的收縮,鋼管混凝土拱中出現(xiàn)鋼管與混凝土不密貼的現(xiàn)象,對于這個問題目前還缺乏深入的研究;鋼管混凝土桁架節(jié)點與柔性吊桿的疲勞問題,研究不夠深入;目前對于鋼管混凝土拱橋的設計、制作、施工并沒有一套可行的規(guī)范。

 

    其次,鋼管混凝土拱橋在陽光照射下,鋼管表面溫度很高,鋼管熱脹容易造成與管內(nèi)混凝土脫空;而當采用桁式鋼管混凝土拱肋時,管間焊接接頭構造復雜,是受力的薄弱部位。這些都是鋼管混凝土拱橋亟待解決的問題。

4　鋼管混凝土拱橋21世紀的展望

    我國目前仍處于交通基礎設施建設的高潮,鋼管混凝土拱橋的應用仍在不斷發(fā)展之中。而21世紀的鋼管混凝土拱橋?qū)⑾虼罂?、寬橋面[ 5 ]、造型美觀、輕質(zhì)、靈敏、環(huán)保等方面發(fā)

展。

4、1　大　跨

    在我國的一般大河上,水面寬度不過500～600 m,可采用一大拱跨過;在更寬的江面上可以采用多孔系桿拱橋。在建成了跨度460 m的巫峽長江大橋后,鋼管混凝土拱橋在大跨度拱橋上具有了更廣闊的前景。鋼管混凝土拱橋與鋼橋的跨越能力相差不大,但鋼管混凝土拱橋用鋼量很省,符合我國的國情。其次,鋼管混凝土剛架系桿拱在結構和施工方法上都具備更大的跨越能力,為拱橋跨徑的繼續(xù)向增大發(fā)展提供了可能。

4、2　寬橋面

    隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,交通量迅猛增長,與之相適應的城市橋梁也越做越寬,于是需建城市特寬橋。在我國,近10年來城市道路的路幅由早期的20 m左右發(fā)展到45 m、64 m、甚至80 m等。城市寬橋的應用越來越廣。而鋼管混凝土拱橋以其在施工、造型等各方面的優(yōu)點,在城市寬橋、特寬橋上具有很強的競爭力。鋼管混凝土拱橋施工簡便,并且可以自架設,不須搭設支架和模板,施工周期短,適合城市建設。而且可以采用轉(zhuǎn)體施工,可以在不影響城市原有交通的情況下進行施工。城市橋梁一般橋面較寬,從結構構造、受力、抗震等多方面考慮,鋼管混凝土拱橋具有較大的優(yōu)勢,可以在橫截面上選擇兩拱肋或三拱肋,在特寬橋中,可采用四拱肋,將橫梁在中間斷開,相當于兩座獨立的橋。

4、3　造型美觀

    現(xiàn)代橋梁越來越注重美學,當橋址位于城市出入口時,更要求造型美觀并具有時代特征,以體現(xiàn)其城市門戶的形象。而中承式鋼管混凝土拱橋就能給人們以出入門戶的感覺,并且可以對鋼管拱肋、吊桿等進行著色配景,使整個橋梁與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),并使之成為城市的一大景觀。

4、4　輕　質(zhì)

    橋梁主體材料將由高強度輕質(zhì)太空材料所取代。高強度鋁合金、玻璃鋼、碳纖維等太空材料將取代當代的橋梁鋼、混凝土成為橋梁建筑的主體材料,實現(xiàn)輕質(zhì)目標。因此,鋼管混凝土拱橋的材料也將實現(xiàn)輕質(zhì)化。

5　結束語

    鋼管混凝土拱橋因其跨越適應能力強、施工方便、承載能力大等優(yōu)點得以廣泛應用。隨著社會經(jīng)濟技術的飛速發(fā)展,可以預見, 21世紀的鋼管混凝土拱橋建設必將取得新的突破,取得更大、更廣的發(fā)展。

參考文獻

[ 1 ] 　顧安邦,孫國柱. 拱橋(上冊) [M ]. 北京: 人民交通出版社,1994.

[ 2 ] 　陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設計與施工[M ]. 北京:人民交通出版社, 1999.

[ 3 ] 　邵旭東. 橋梁設計百問[M ]. 北京:人民交通出版社, 2003.

[ 4 ] 　周海龍,周水興,劉文方. 鋼管混凝土拱橋的應用與發(fā)展[ J ].公路交通技術, 2005 (6) .