浅谈钢管混凝土拱桥及其施工方法
第二工程有限公司.. 聂忠会
.. 摘.. 要 .. 本文对拱桥的建设史进行了简要回顾, 对拱桥施工方法进行了简要叙述。
.. 关键词 .. 钢管混凝土拱桥.. 施工
1 .. 前言
在桥梁结构形式的发展变化过程中, 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, 也制约了拱桥的发展。梁式桥在采用预应力结构之后, 由于预应力
使得高强度的钢材和高标号混凝土得以应用, 在施工方面又实现了节段施工, 因而焕发了生机。在
此情况下, 许多桥梁工作者在拱桥高强材料应用和施工等方面进行了一系列的探索, 预应力材料的
应用、新结构的开发、无支架施工方法的发展等等, 都是这些探索的结果。
2 .. 钢管混凝土拱桥发展现况
自从1990 年我国第一座钢管混凝土拱桥! ! ! 四川旺苍东河大桥( 跨径115m 下承式系杆拱)
建成以来, 由于钢管混凝土结构在桥梁上的应用, 同时解决了拱桥高强度材料应用和施工两大难
题, 因此, 钢管混凝土拱桥在我国得到迅速的发展。
尽管钢管混凝土拱桥在30 年代的前苏联就已出现, 近年来国外也有少量的修建, 但其真正的
发展是在90 年代的中国, 其原因主要有以下几点。
( 1) 近几年来, 我国大力加强交通基础设施建设, 需修建大量的桥梁, 对我国桥梁设计、施工、科
研工作提出了新的要求, 也提供了极好的发展条件, 使得我国桥梁技术迅速接近、有些方面已达到
国际先进水平。拱桥作为桥梁的基本桥型之一, 在我国过去的公路、铁路以及市政工程中得到广泛
的应用, 是我国的主桥型。除钢拱外, 我国的拱桥技术已达到或接近世界先进水平。由于我国的国
情, 拱桥桥型中主要是钢筋混凝土拱和圬工拱, 直到现在也还无法大量应用钢结构; 而材料强度低,
施工方面的困难一直困扰着拱桥跨径的发展。钢管混凝土拱桥的应用, 无疑给拱桥的发展注入了
新的活力, 在许多适合拱桥的情况下给予大量应用。
( 2) 我国从50 年代开始钢管混凝土结构的研究, 虽然起步较晚, 但进展很快, 近十几年来, 我国
钢管混凝土基础理论研究处于世界前列。钢管混凝土在厂房、高层建筑、输变电工程中的应用不断
发展, 为钢管混凝土应用于拱桥奠定了坚实的理论基础和工程实践基础。
( 3) 随着我国经济建设的发展, 社会劳动生产率不断提高, 人工费用上涨幅度较大。另一方面,
冶金业的发展, 钢产量不断上升, 虽然大量使用钢结构还不适合国情, 但适当增加钢材用量, 减少人
工费用, 提高机械化、装配化水平, 加快施工进度, 可能求得较佳的综合效益。此外, 钢管混凝土结
构虽然结构用钢量增加, 但施工用钢量减少, 所以工程实际用钢量并没有急骤上升, 这是钢管混凝
土拱桥得以迅速发展的经济原因。
( 4) 桥梁美学日益受到重视。拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式, 在我国又有深厚的文化基
础, 钢管混凝土结构的应用, 使拱桥更加轻巧, 表现力也更强, 中承式、下承式等形式在城市桥梁中
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得到青睐。已建和在建的钢管混凝土拱桥有一半左右是城市桥梁, 其中, 中下承形式占了绝大多
数。
3 .. 钢管混凝土应用于拱桥的类型
钢管混凝土应用于拱桥有两大类型, 一种是钢管外露的, 钢管以参与结构受力为主, 同时也是
施工过程的支架和浇筑管内混凝土的模板, 成桥过程先合拢钢管骨架, 再浇筑管内混凝土形成主拱
圈; 另一种钢管以施工受力为主, 当然也参与成桥的受力, 成桥过程先合拢钢管骨架, 然后浇筑管内
混凝土形成钢管混凝土劲性骨架, 再将钢管混凝土劲性骨架作为埋置式拱架浇筑外包混凝土, 形成
主拱圈。显然利用钢管骨架或随之形成的钢管混凝土作为劲性骨架, 较之传统的型钢骨架, 大大地
减少了用钢量, 减轻了骨架的重量。因为拱桥劲性骨架施工的主要危险在于失稳, 刚度要求突出,
而钢管和钢管混凝土能较好地解决刚度问题。
4 .. 钢管混凝土拱桥主要施工方法
钢管混凝土拱桥的施工方法本质上是劲性骨架方法, 虽然钢管骨架较之钢筋混凝土轻许多, 但
跨径增大以后, 钢管骨架本身的架设也具有很大的难度。对于100m 以下的跨径, 钢管骨架一般分
为3 段, 吊装质量一般仅十几吨, 可根据实际情况采用浮吊、汽车吊等进行吊装; 边段用扣索扣住进
行合拢, 也可以采用少支架支撑。个别桥梁采用支架施工, 在支架上高空焊接一节节钢管成拱, 这
种方法既没有发挥钢管作为劲性骨架的优势, 质量又无保证, 应该避免。对于跨径在50m 左右的,
架设方法更为灵活。当跨径超过百米以后, 常用的架设方法, 主要是缆索吊装和转体施工方法, 在
条件许可的地方还提出了整体吊装和分段吊装的施工方法。
下面主要就缆索吊装法和转体施工法进行叙述。
4..1 .. 缆索吊装法
缆索吊装施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。将钢管混凝土应用于拱桥中, 需
要架设的钢管骨架比肋拱的质量轻很多, 因而跨径可以增大。
当跨径不大时, 拱肋分三段吊装, 两边段吊装后用斜扣索扣住, 横向加缆风。一般情况下, 应该
双肋吊装、双肋合拢, 两肋之间设临时横撑, 或将横撑临时固定; 但双肋吊装、双肋合拢的吊装质量
较大, 段与段之间的拼装难度也较大, 若拱肋宽度较大( 如桁式) , 则可采用单肋合拢。在合拢之前
各段之间的接头为上开口, 要注意接头的传力情况; 为合拢方便, 各段应略有上抬, 合拢后逐步落
下, 调至设计标高( 留预拱度) ; 联接各接头和横撑, 封拱脚成无铰拱, 然后进行管内混凝土浇筑。
当跨径较大, 钢管劲性骨架节段多、质量大时, 缆索吊装方法需在传统方法的基础上加以改进,
采用一些其他的新技术、新工艺, 以保证施工的安全和拼装成桥的质量。
4..2 .. 转体施工法
转体施工法是将拱圈分为两个半跨在两岸制作, 通过转体合拢的一种施工方法。拱圈绕拱座
做竖直旋转合拢的称为竖向转体施工法, 拱圈绕拱座做水平旋转的称为平面转体施工法。
竖向转体施工法是在竖向位置利用地形或搭支架浇筑拱肋混凝土, 然后再从两边逐渐放倒预
制拱肋搭接成桥的施工方法。竖转施工法当跨径增大以后, 拱肋过长, 则竖向转动不易控制, 施工
中容易出现问题, 因此一般只在中小跨径拱桥中应用。
平面转体施工法是我国首创的施工方法。1977 年在四川省遂宁市采用该法建成1 孔70m 钢
筋混凝土箱肋拱。随后, 这一方法在我国的钢筋混凝土拱桥中得到推广应用。平面转体施工法根
据是否采用平衡块来防止转体过程中的倾覆, 又分为平衡重转体和无平衡重转体。
平衡重转体主要由平衡体系、转动体系( 转轴、环道) 和位控体系三部分组成。其平衡体系一般
利用桥台或配重来平衡悬臂主拱, 主拱与桥台一起转动。
平衡重转体施工方法, 当跨径增大后, 因平衡重而大大增加了转体质量, 给转盘的设计、制造和
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转动、控制都带来很大困难, 而且增加了材料的费用, 因此随后又发展了无平衡重转体施工方法。
无平衡重转体施工法采用锚碇体系平衡悬臂主拱, 取消平衡重。锚碇体系通常由作为压杆的
立柱、作为撑梁的引桥主梁以及后锚等部分组成。
对于多跨或带悬臂半跨的拱桥, 还可以利用结构自身的质量采用自平衡转体施工方法。
转体施工方法被广泛应用于钢管混凝土拱桥之中, 因为当桥梁跨径相当时, 钢管混凝土拱桥与
钢筋混凝土拱桥相比, 其转体部分是钢管骨架, 因此比钢筋混凝土拱桥轻很多; 当转体质量相当时,
钢管混凝土拱桥的跨径就比钢筋混凝土拱桥大很多。
转体施工法在钢管混凝土拱桥的应用中, 除上述因钢管混凝土拱桥自身的优势使跨径有很大
突破外, 在转体质量、施工工艺、施工方法等方面也均有了新的突破。
5 .. 钢管混凝土拱桥稳定性问题
拱桥作为压弯结构, 稳定问题历来受到重视。拱桥成桥后拱上建筑或中下承形式的悬吊桥面
系有助于加强拱肋的整体稳定性, 而施工阶段为裸拱, 稳定问题更为突出。国内拱桥架设中因拱肋
失稳而造成桥毁人亡事故已有多例, 主要是发生在双曲拱桥施工之中。
众所周知, 双曲拱桥是由拱肋、拱波、拱板组成, 施工时集零为整, 先拱肋、后拱波, 再现浇拱板,
主拱圈断面逐步形成, 属自架设体系。失稳事故往往发生在拱肋合拢阶段, 或施工加载阶段。
钢管混凝土拱桥亦属于自架设体系, 先架设空钢管, 再现浇管内混凝土形成钢管混凝土拱。对
于钢管混凝土劲性骨架拱桥, 还要再挂模板浇筑混凝土形成钢筋混凝土拱桥。当然, 钢管混凝土拱
桥先期合拢的空钢管较之双曲拱桥中的拱肋, 强度、刚度均大很多, 稳定性也相对较高, 这也是钢管
混凝土拱的一大优点。然而钢管混凝土材料强度较高, 在同等强度的条件下刚度相对较低, 且跨越
能力强, 跨径较大, 因此, 这种桥梁出现以后, 稳定性问题, 特别是施工稳定性问题就受到高度的重
视。
钢管混凝土拱桥施工过程中的稳定问题主要有钢管骨架吊装或转体过程中的稳定问题、钢管
骨架合拢时的稳定问题以及加载过程中的稳定问题等。
为了保证钢管拱肋施工阶段的安全, 常采用扣索和横向缆风索增强其稳定性。常见的施工稳
定分析中均采用通用程序进行稳定性计算, 而这些通用程序又往往无法考虑扣索和横向缆风的作
用, 扣索和缆风索仅作为安全储备。然而随着跨径的增大, 不计扣索和缆风时计算所得的安全系数
均不大, 势必要增加施工的费用, 这是不合理的。
钢管骨架的拱肋始终处于偏心受压的状态, 在施工过程中, 斜拉索的分力对每一节段的钢管骨
架都产生偏心受压的效应。成拱后, 在水平力和竖向力的共同作用下, 钢管骨架拱中也始终存在压
应力。对于轴向受力的构件来说, 需考虑其稳定问题, 求出临界力。求临界力的问题对第一类稳定
问题可以归结为求广义特征值的问题, 但对于构件本身具有初始偏心及大挠曲的钢管骨架拱而言,
其稳定问题应为第二类稳定问题, 其临界力按常规方法求解较为麻烦。这里采用增量法, 每级荷载
作用下的几何非线性方程采用迭代法求解, 由位移收敛性判断并求结构的临界荷载。也就是说, 在
解非线性方程时, 每次迭代后求得的位移{Ui } 若逐步收敛, 最后趋于某一限值, 则结构具有整体稳
定性。如果在某级荷载作用下, 每次迭代后求得的位移{Ui} 逐步发散, 直到无限大, 则结构将会失
去稳定性。程序中用大于1 的系数..乘以结构实际的荷载作用在结构上, 逐步增大..值, 直到迭代
过程发散为止。临近发散前的那次收敛为临界状态, 这时的..就是结构整体稳定的安全系数。
钢管混凝土拱桥的施工方法是典型的结构组分不断增加的自架设方法, 施工过程是主拱圈不
断形成的过程, 主拱圈截面中先后施工的材料先后受力, 施工加载程序对施工的安全、质量和后期
成桥受力有很大的影响, 因此应进行施工加载程序设计, 以使施工各个阶段都能满足强度和刚度的
要求, 同时根据施工过程的变形和其它因素设置合理的预拱度。在满足上述要求的前提下, 还要尽
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量简化施工工艺, 以方便施工, 加快建桥速度。对于以钢管混凝土为劲性骨架的钢筋混凝土拱桥,
由于先期骨架拱圈的各个组成部分中所占的比例较狭义的钢管混凝土拱桥要小, 所以施工加载程
序尤其显得重要。
钢管混凝土拱桥在管内混凝土形成强度以前的施工受力验算, 宜采用应力叠加法计算钢管应
力, 用容许应力法验算钢管的应力是否满足要求。在管内混凝土形成强度后, 则可用内力叠加法计
算结构的内力, 然后用极限承载力法进行钢管混凝土结构的极限承载力验算。为方便起见, 大部分
施工加载验算不以管内混凝土达到强度为分界线采用不同的受力计算与验算方法, 而是偏安全地
均采用应力叠加法计算应力, 然后用容许应力法进行应力验算。
施工加载的受力计算除强度外, 稳定计算显得非常重要。施工稳定主要考虑一类稳定问题, 即
平衡分枝失稳。因为第一类失稳具有突发性和灾难性, 且计算理论上采用求特征值的方法, 当不考
虑材料非线性时, 计算求解比较容易, 并且有大型通用程序可资应用。由于考虑材料非线性后, 其
稳定系数会降低, 且这类失稳具有灾难性, 一般要求其安全系数应取较大值。
6 .. 结束语
目前, 作为一种应用新材料的桥型, 钢管混凝土拱桥的理论研究还相对滞后, 跟不上其发展的
步伐。对钢管混凝土拱的结构受力特性的研究还刚刚开始; 其中长细比、曲杆、压弯、交替弯矩等特
性显然与建筑物中的柱子受力特性不同; 而直接套用圬工拱桥或钢筋混凝土拱桥的计算方法也不
合理, 更何况拱桥的设计理论也不完善。钢管混凝土拱桥由于材料强度的提高, 施工及成桥后的稳
定问题突出, 虽已引起注意, 但目前的研究基本上没有考虑其材料特性。内力计算方面, 主要是混
凝土收缩、徐变、温度变化等因素引起的内力计算的研究, 但这些因素的影响量值的研究也还在初
期阶段。另外, 对钢管的防锈问题也不容忽视。随着跨径的提高和规模的增大, 钢管混凝土拱桥的
动力性能和抗震性能研究日益显得迫切, 而这方面的研究也远未深入。因此, 应进一步总结经验,
深入开展理论研究, 尽快制定相应的设计、施工规范以及调查、收集其预算数据等等, 以推动这种桥
型的发展完善。相信随着研究的深入, 钢管混凝土拱桥在桥梁工程中必将得到更多的应用。
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( 6) 加强风速监控, 一般情况下遇有六级以上大风, 停止一切高空和装吊作业。
8 .. 效益分析
( 1) 解决了跨海大桥浅海滩涂区大跨度大吨位箱梁运架施工的难题, 开创了世界桥梁史的新
篇章。
( 2) 降低工程造价、缩短工程工期, 提高跨海大桥工程建设速度。
( 3) 人性化设计, 设备机械化程度高、操作简单、方便, 安全可靠度高, 充分简化了传统的架梁
程序, 减少了劳动力的投入。
9 .. 结语
目前整套运架设备在杭州湾跨海大桥南引桥滩涂区成功的架设了50m 预制箱梁138 片, 工程
合格率100% , 优良率100%, 设备运行良好, 有望提前7 个月完成全部运架任务。实践证明采用梁
上运梁架设浅海滩涂区预制箱梁安全、快速, 是目前解决浅海滩涂区架梁的最好方案。