走向21世纪的钢管混凝土拱桥

    拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式。它外形宏伟壮观,且经久耐用[ 1 ]。拱桥作为压弯结构,随着跨径的增大,高强材料的应用受到稳定问题的制约;而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大,施工架设问题突出。高强材料的应用和无支架施工的困难,制约了拱桥的发展。将钢管混凝土应用于拱桥能同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的两大问题。

1　钢管混凝土拱桥概述

    钢管混凝土作为一种组合材料,其工作的基本原理有两点: (1)借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性; (2)借助钢管对核心混凝土的套箍(约束)作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。

    基于钢管混凝土的工作机理,将其作为结构材料应用于大跨度拱桥的建造,可以较好地解决桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工简便以及承载能力大等诸多要求。同时,钢管混凝土将钢材和混凝土有机地结合在一起,能大大地提高拱桥的跨越能力,并使材料性能得到充分利用。在施工方面,空钢管架设吊装重量轻,又可作为施工支架和内填混凝土的模板,施工用钢量省,而RT工厂化、工业化水平高,加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的优越性,将其应用于以受压力为主的拱桥之中是十分合理的。它对于桥梁结构节约材料、减轻自重、提高跨越能力、方便施工、缩短工期有着积极的意义。正由于钢管混凝土拱桥具有自架设的施工优势及钢- 混凝土共同受力的性能优势,这种桥型日益显示出其强大的生命力。

2　国内外钢管混凝土拱桥的研究现状

    国内钢管混凝土拱桥在桥梁工程中开始得到研究和应用是在20世纪80年代。自1990年10月在四川省旺苍县首先采用缆索吊装、无支架施工法建成跨度115 m的我国第一座钢管混凝土拱桥以来,短短10多年间,钢管混凝土拱桥如雨后春笋,在各地破土而出。据不完全统计,从1990 年到1994年间,已建和在建的钢管混凝土拱桥达20 多座, 到1997年达40多座,到1998年则已达到60多座,到目前又已达到120多座,其发展速度之快,为中外建桥史所罕见。表1列出了5座国内已建成的钢管混凝土拱桥。

    钢管混凝土在国外桥梁工程中的应用已有100多年的历史。早在1879年,英国的Severn铁路桥建设中就采用了钢管桥墩,当时在管中灌注混凝土主要用来防止内部锈蚀并承受压力。钢管混凝土应用于拱桥结构,始于20世纪30年代末期,前苏联著名桥梁专家Perederiy教授用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河跨度101 m的拱梁组合体系。与此同时, 1939年, Rosnovskiy教授在西伯利亚也用钢管混凝土建造了一座跨度达140 m的铁路拱桥。法国已建的凯泽莱尔桥,主跨为220 m的下承式拱桥。日本的松岛桥为126m跨径的上承式钢管混凝土拱桥。美国于1999年在芝加哥市修建了一座中承式钢管混凝土拱桥(DamenAvenueArch) ,主跨74 m,桥长94 m,桥宽2119 m,拱肋采用直径为5112 cm的钢管,壁厚25 mm,拱肋间不设横撑。总的来说,国外修建钢管混凝土拱桥的跨径较小,数量也不多,相关报道较少。

3　钢管混凝土拱桥的优缺点

    钢管混凝土拱桥在短短的几十年时间里,能得以飞速的发展,就其本身而言,钢管混凝土拱桥具有以下优点[ 3 ]、[ 4 ]。

3、1　跨越能力大、适应能力强

    钢管混凝土的承载能力大大高于钢管、混凝土承载能力之和,因此,其跨越能力要高于一般的钢筋混凝土肋拱。实践证明,钢管混凝土拱桥在100～400 m以内具有很强的适

应性和竞争力。

3、2　承载能力大,施工快捷

    钢管对混凝土具有所谓的“套箍”作用,套箍作用主要体现在混凝土进入塑性阶段以后,此时混凝土沿环向剧烈膨胀,而钢管能有效约束这种膨胀,从而使混凝土处于三轴受力状态,强度得以大大提高。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性,又利用钢管对核心混凝土的套箍作用,使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥,具有很高的抗压强度和抗变形能力,非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时,钢管充当很好的模板,无需额外的脚手架和模板,又起到劲性骨架的作用;另一方面,桥梁基坑开挖、基础与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板预制可同时进行,模块化程度高,节省了施工工期,与同等跨径的其它体系桥梁相比,可节省工期30%以上。

3、3　地基适应能力强

    钢管混凝土拱桥可根据不同的地质条件和桥位断面,设计成有推力的拱桥(上承式和中承式拱) ,也可设计成无推力的系杆拱桥(下承式或带半跨边孔的飞雁式组合拱) 。

3、4　造型优美

    优秀的桥梁建筑,除实用的功能外,还应是一个高雅的建筑艺术品,成为一个城市或地区的标志(象征) ,如举世闻名的美国旧金山大桥、悉尼港的钢拱桥。钢管混凝土拱桥犹如一道靓丽的彩虹横跨大江两岸,配合恰当的灯光设计,令人赏心悦目。

3、5　有较成熟的施工技术作支撑

    中国是建造拱桥最多的国家,经过长期的探索,已掌握了成套的施工技术,如无支架缆索吊装法、转体施工法。前者配合千斤顶由高强钢绞线做扣索,具有索力和拱轴线型控制精度高,并且突破了只适用于5段以内的限制,能用于多节段拱肋吊装;后者的平转和竖转技术也已相当成熟,已成功地用于多座钢管混凝土拱桥的安装。

3、6　总体布置

    由于钢管混凝土承载能力大,正常使用状态是以应力控制设计,外表不存在混凝土裂缝问题,因而可以使主拱圈截面及其宽度相对减小,这样便可以减小桥面上承重结构所占的宽度,提高了桥面宽度的使用效率。

 

    尽管钢管混凝土拱桥发展很快,跨径也已达到460 m,但是其设计理论、计算方法、规范制定等方面却比较落后。如:钢管混凝土的本构关系如何选取,才能使二者的结合最优缺乏研究;钢管混凝土拱桥的有限元计算理论缺乏统一性;施工过程中钢管聚集的初始应力,对钢管混凝土极限承载力会产生影响,但影响值有多大,需深入研究;由于核心混凝土的收缩,钢管混凝土拱中出现钢管与混凝土不密贴的现象,对于这个问题目前还缺乏深入的研究;钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题,研究不够深入;目前对于钢管混凝土拱桥的设计、制作、施工并没有一套可行的规范。

 

    其次,钢管混凝土拱桥在阳光照射下,钢管表面温度很高,钢管热胀容易造成与管内混凝土脱空;而当采用桁式钢管混凝土拱肋时,管间焊接接头构造复杂,是受力的薄弱部位。这些都是钢管混凝土拱桥亟待解决的问题。

4　钢管混凝土拱桥21世纪的展望

    我国目前仍处于交通基础设施建设的高潮,钢管混凝土拱桥的应用仍在不断发展之中。而21世纪的钢管混凝土拱桥将向大跨、宽桥面[ 5 ]、造型美观、轻质、灵敏、环保等方面发

展。

4、1　大　跨

    在我国的一般大河上,水面宽度不过500～600 m,可采用一大拱跨过;在更宽的江面上可以采用多孔系杆拱桥。在建成了跨度460 m的巫峡长江大桥后,钢管混凝土拱桥在大跨度拱桥上具有了更广阔的前景。钢管混凝土拱桥与钢桥的跨越能力相差不大,但钢管混凝土拱桥用钢量很省,符合我国的国情。其次,钢管混凝土刚架系杆拱在结构和施工方法上都具备更大的跨越能力,为拱桥跨径的继续向增大发展提供了可能。

4、2　宽桥面

    随着社会经济的发展,交通量迅猛增长,与之相适应的城市桥梁也越做越宽,于是需建城市特宽桥。在我国,近10年来城市道路的路幅由早期的20 m左右发展到45 m、64 m、甚至80 m等。城市宽桥的应用越来越广。而钢管混凝土拱桥以其在施工、造型等各方面的优点,在城市宽桥、特宽桥上具有很强的竞争力。钢管混凝土拱桥施工简便,并且可以自架设,不须搭设支架和模板,施工周期短,适合城市建设。而且可以采用转体施工,可以在不影响城市原有交通的情况下进行施工。城市桥梁一般桥面较宽,从结构构造、受力、抗震等多方面考虑,钢管混凝土拱桥具有较大的优势,可以在横截面上选择两拱肋或三拱肋,在特宽桥中,可采用四拱肋,将横梁在中间断开,相当于两座独立的桥。

4、3　造型美观

    现代桥梁越来越注重美学,当桥址位于城市出入口时,更要求造型美观并具有时代特征,以体现其城市门户的形象。而中承式钢管混凝土拱桥就能给人们以出入门户的感觉,并且可以对钢管拱肋、吊杆等进行着色配景,使整个桥梁与周围环境相协调,并使之成为城市的一大景观。

4、4　轻　质

    桥梁主体材料将由高强度轻质太空材料所取代。高强度铝合金、玻璃钢、碳纤维等太空材料将取代当代的桥梁钢、混凝土成为桥梁建筑的主体材料,实现轻质目标。因此,钢管混凝土拱桥的材料也将实现轻质化。

5　结束语

    钢管混凝土拱桥因其跨越适应能力强、施工方便、承载能力大等优点得以广泛应用。随着社会经济技术的飞速发展,可以预见, 21世纪的钢管混凝土拱桥建设必将取得新的突破,取得更大、更广的发展。

参考文献

[ 1 ] 　顾安邦,孙国柱. 拱桥(上册) [M ]. 北京: 人民交通出版社,1994.

[ 2 ] 　陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工[M ]. 北京:人民交通出版社, 1999.

[ 3 ] 　邵旭东. 桥梁设计百问[M ]. 北京:人民交通出版社, 2003.

[ 4 ] 　周海龙,周水兴,刘文方. 钢管混凝土拱桥的应用与发展[ J ].公路交通技术, 2005 (6) .