700m級(jí)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與建造可行性研究

鄭皆連，王建軍，牟廷敏，馮 智，韓 玉，秦大燕

（1.廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，南寧530012；2.廣西壯族自治區(qū)公路橋梁工程總公司，南寧530011；3.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都610041）

700m級(jí)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與建造可行性研究

鄭皆連1，王建軍2，牟廷敏3，馮 智2，韓 玉2，秦大燕2

（1.廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，南寧530012；2.廣西壯族自治區(qū)公路橋梁工程總公司，南寧530011；3.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都610041）

以500m級(jí)鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和成套施工技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)進(jìn)行可行性研究，確定總體設(shè)計(jì)和施工方案，較為詳細(xì)地研究了拱肋制造和安裝、管內(nèi)混凝土灌注等關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明，建造700m級(jí)的鋼管混凝土拱橋已不存在技術(shù)門檻，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全等因素，是該跨徑級(jí)別的強(qiáng)力競(jìng)爭橋型之一，應(yīng)盡早進(jìn)行工程實(shí)踐和推廣。

橋梁工程；700m跨徑級(jí)別；鋼管混凝土拱橋；設(shè)計(jì)；建造

1 前言

特大跨徑鋼管混凝土拱橋具有造價(jià)低廉、施工快速、后期維護(hù)費(fèi)用低、抗風(fēng)抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。2013年建成的主跨530m世界最大跨徑鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋（波司登大橋），解決了大跨徑鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，積累了真空灌注鋼管內(nèi)混凝土、主拱桁高精度制造、斜拉扣掛安裝等施工經(jīng)驗(yàn)，形成了500m級(jí)鋼管混凝土拱橋的成套施工技術(shù)，并且其工程造價(jià)相比同橋址懸索橋比較方案節(jié)約達(dá)9 200多萬元，比同屬瀘渝高速公路的另一座跨長江的斜拉橋少1.1億元，經(jīng)濟(jì)性非常顯著，隨著跨徑的增大，鋼管混凝土拱橋的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更大，因此開展更大跨徑鋼管混凝土拱橋的可行性研究十分必要。

2 試設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

以四川某高速公路的一處橋位為背景，開展700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的試設(shè)計(jì)。

根據(jù)地形地質(zhì)情況，主孔凈跨徑設(shè)計(jì)為650m，全橋跨徑組合為32m×21m，全橋長為693m；主跨主拱為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)；橋面主梁為“工”型格子梁，格子梁上設(shè)置為鋼-混凝土組合橋面板，主橋吊桿采用環(huán)氧噴涂鋼絞線，吊桿間距為21m。橋跨總體布置圖見圖1。

圖1 橋跨總體布置圖Fig.1 General span arrangement

2.2 主拱設(shè)計(jì)

主孔凈跨徑為650m的懸鏈線主拱，凈矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.75，拱腳截面高為20.0m，拱頂截面高為10.0m。主拱每肋為桁式矩形截面，主拱上下弦桿采用1 500mm×28mm的鋼管，拱腳下弦段采用1 500mm×34mm的鋼管，主拱上下弦鋼管內(nèi)灌注C80自密實(shí)高性能混凝土；腹桿采用750 mm×16mm的鋼管，腹桿與弦管采用相慣焊縫連接。拱上吊桿和立柱間距均為21.0m。拱肋中距為29.0m。兩肋間橋面上的拱桁上弦平面設(shè)置“K”形鋼管橫撐，每根吊桿處設(shè)置豎向鋼管桁架橫撐，橋面以下的拱腳段設(shè)置徑向鋼管混凝土桁架橫撐。主拱弦管和腹管采用Q345鋼材。

橋面梁由兩道主縱梁（靠近吊桿處）、三道次縱梁、吊桿處主橫梁、吊桿主橫梁間設(shè)置的四道次橫梁組成格子橋面梁；主、次縱橫梁均采用“工”形截面。格子梁上橋面板采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，橋面底面鋼板厚8mm，橋面板總體厚度為15 cm，橋面鋪裝為5 cm厚的改性瀝青混凝土。

橋梁格子梁的受力鋼結(jié)構(gòu)、主拱弦管和腹管采用Q345鋼材。

兩岸的拱座設(shè)計(jì)為分離式的鋼筋混凝土拱座，基礎(chǔ)置于穩(wěn)定的、完整的弱風(fēng)化基巖上，要求地基允許應(yīng)力不小于2.8MPa。引橋和橋臺(tái)基礎(chǔ)置于完整的基礎(chǔ)上，要求地基容許應(yīng)力大于0.6MPa。

主拱鋼管在工廠加工完成后運(yùn)至工地，采用斜拉扣掛法安裝合龍成拱，安裝體系由扣索體系和吊裝體系組成，其中扣索體系由錨固點(diǎn)、索鞍、扣塔、張拉端及扣索五大結(jié)構(gòu)部分組成。主拱鋼管內(nèi)C80混凝土采用抽真空輔助灌注工藝完成。

2.3 主拱計(jì)算

1）靜力計(jì)算成果。鋼管混凝土承載能力計(jì)算，按內(nèi)力疊加法計(jì)算主拱桁單肢柱內(nèi)力及承載力計(jì)算成果如表1所示（最不利荷載組合）。

按照單肢主拱和桁式主拱分別進(jìn)行截面抗力計(jì)算，按照交通運(yùn)輸部《公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計(jì)細(xì)則》（報(bào)批稿）進(jìn)行承載力驗(yàn)算，表明單肢主拱和桁式主拱最小極限承載力安全系數(shù)為1.27。按照交通運(yùn)輸部《公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計(jì)細(xì)則》（報(bào)批稿）的應(yīng)力法驗(yàn)算，鋼管混凝土的最大應(yīng)力為49.7 MPa，小于容許值65.3MPa，同時(shí)，腹管等鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為169 MPa，滿足Q345鋼材容許應(yīng)力要求。

2）穩(wěn)定計(jì)算成果。主橋主拱一階彈性穩(wěn)定安全系數(shù)為5.77，為側(cè)向整體失穩(wěn)；主橋主拱一階雙重非線性穩(wěn)定安全系數(shù)為2.07，為側(cè)向整體失穩(wěn)。局部構(gòu)件失穩(wěn)的彈性穩(wěn)定安全系數(shù)為12.43，為第九階。

3）動(dòng)力性能。全橋動(dòng)力性能，主梁第一階自震頻率為0.12 Hz，如果設(shè)置縱向阻尼器，主梁第一階自震頻率達(dá)0.23 Hz。主拱第一階自震頻率為0.18 Hz。

表1 主拱內(nèi)力表Table 1 Inner forces of main arch ribs

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 拱桁加工制造

700m級(jí)鋼管混凝土拱橋試設(shè)計(jì)與500m級(jí)合江長江一橋相比較，弦桿鋼管直徑由1 320mm增大至1 500mm，鋼管的最大壁厚（34mm）并未增加，拱桁制造難度沒有明顯增加，現(xiàn)有的鋼管構(gòu)件的制造工藝是滿足要求的。

700m級(jí)鋼管拱的拱桁截面高度由16m增加至20m，可能會(huì)增加立式拼裝制作的難度，但從合江長江一橋的制造經(jīng)驗(yàn)來看（見圖2、圖3），拱肋臥拼制作精度只要達(dá)到一定范圍內(nèi)，可不立拼，合江長江一橋1/3拱桁節(jié)段只臥拼，完全滿足了安裝合龍的需要，因此700m級(jí)鋼管拱的拱桁制造采用臥拼就可以了。

3.2 拱桁安裝

3.2.1 拱桁吊裝

通過合江長江一橋的實(shí)踐，200 t級(jí)的纜索吊機(jī)實(shí)現(xiàn)了500m級(jí)鋼管混凝土拱橋的纜索吊裝施工，如要實(shí)現(xiàn)700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的纜索吊裝施工，可以采取兩種方式，一種是增多拱桁安裝節(jié)段數(shù)量，另一種是增大纜索吊機(jī)的吊重能力。

圖2 拱桁立式拼裝Fig.2 Vertical assembly of arch trusses

圖3 拱桁臥式拼裝Fig.3 Horizontal assembly of arch trusses

從國內(nèi)橋梁施工的應(yīng)用來看，纜索吊機(jī)不論是增大索跨還是增大吊重能力均是可行的。例如，重慶鵝公巖長江大橋（懸索橋）安裝加勁梁的纜索吊機(jī)，工作索跨600m，吊重3 000 kN；四渡河大橋（懸索橋）安裝加勁梁的纜索吊機(jī)，索跨900 m，吊重1 000 kN；寧波明州大橋（鋼箱拱），纜索吊機(jī)索跨450m，吊重4 000 kN。但因700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的工作索跨度很大，增大纜索吊機(jī)的吊重能力會(huì)對(duì)纜索系統(tǒng)提出更高的要求，因此建議以增加拱桁安裝節(jié)段數(shù)量為主，適當(dāng)考慮增大纜索吊機(jī)的吊重能力。

通過增加拱桁安裝節(jié)段數(shù)量，將拱桁節(jié)段質(zhì)量控制在2 000 kN以內(nèi)，那么，目前2 000 kN級(jí)纜索吊機(jī)僅是工作索跨的增大，700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的纜索吊機(jī)的工作索跨預(yù)計(jì)在800m左右即可滿足要求，在合江長江一橋纜索吊機(jī)的基礎(chǔ)上，再增加4根主索基本可以滿足要求，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

筆者首創(chuàng)的鋼絞線斜拉扣掛合龍松索技術(shù)，通過千斤頂張拉和放松很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)扣索力的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拱肋安裝標(biāo)高的調(diào)整，并且可以實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力狀態(tài)下合龍，使合龍的難度與拱肋分段吊裝的段數(shù)無關(guān)[1]。從目前的實(shí)踐來看，拱桁段數(shù)增多，并未造成任何對(duì)施工和安裝質(zhì)量的影響，巫山長江大橋，拱桁（單肋吊裝）共分22段，單段最大質(zhì)量1 280 kN；合江長江一橋，拱桁（單肋吊裝）共分18段，單段最大質(zhì)量1 940 kN；云桂鐵路南盤江特大橋的鋼管混凝土勁性骨架（見圖4），拱桁（雙肋吊裝）共分38段，單段最大質(zhì)量1 300 kN，均實(shí)現(xiàn)了拱桁高精度合龍。

經(jīng)試設(shè)計(jì)估算，700m級(jí)鋼管混凝土拱橋拱桁鋼結(jié)構(gòu)約12 000 t，拱桁（單肋吊裝）分32節(jié)段，可控制單段最大質(zhì)量在2 000 kN以內(nèi)。

3.2.2 扣塔和吊塔設(shè)計(jì)

隨著拱桁跨度的增大，斜拉扣掛體系扣塔的高度也可能會(huì)增大，特別是受地形條件的影響，會(huì)造成塔架系統(tǒng)的高度較高，不利于纜索吊機(jī)的布置，解決該問題可以采用吊扣合一的方式。從試設(shè)計(jì)的情況來看，合理的地形條件下，并不會(huì)引起塔架系統(tǒng)的明顯增高，合江長江一橋的塔架系統(tǒng)總高約180m，該高度也基本滿足前面試設(shè)計(jì)的700m級(jí)拱桁安裝的施工。

吊塔與扣塔合一的方式通常有兩種，一種是將吊塔置于扣塔頂部，吊塔塔腳為鉸結(jié)，需要在扣塔頂部設(shè)置鋼梁來支承吊塔塔鉸，如合江長江一橋的方式。另一種方式是將扣塔直接加高，將纜索吊機(jī)的索鞍布置于扣塔頂部，如南寧大橋的方式（見圖5）。兩種方式都具有可行性。

圖5 南寧大橋“吊扣合一”塔架Fig.5 Hoisting-staying integrated tower of Nanning Bridge

3.3 拱肋管內(nèi)混凝土灌注

合江長江一橋500m級(jí)鋼管混凝土拱橋的單根鋼管混凝土約800m3，拱桁凈矢高111m，采用三級(jí)連續(xù)真空輔助泵送（抽真空設(shè)備為4臺(tái)2BEA-252型水環(huán)式真空泵），其選用的混凝土泵機(jī)為三一HBT80泵，輸送壓力高壓為16MPa，理論高壓輸送量為45m3/h，共灌注約12 h，實(shí)際泵機(jī)的平均每小時(shí)輸送量約為30.8m3，其工作效率約為0.685。

試設(shè)計(jì)的700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的單根鋼管混凝土約1 300m3，拱桁凈矢高162.5m。如選用三一HBT120混凝土輸送泵，基本能滿足分級(jí)連續(xù)頂升灌注的要求，該輸送泵輸入壓力高壓為21MPa，理論高壓輸送量為75m3/h，考慮工作效率為0.65，單臺(tái)泵機(jī)的有效輸送能力約為49m3/h，兩臺(tái)泵機(jī)兩岸對(duì)稱泵送，1 300m3混凝土約13 h即可灌注完成。用筆者首創(chuàng)的技術(shù)[2]，扣掛在拱骨架1/6跨徑附近的兩組拉力隨管內(nèi)混凝土澆注過程而變化的斜拉索調(diào)載，就能把鋼管拱骨架在施工中應(yīng)力和變形控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

施工上仍采用真空輔助分級(jí)連續(xù)灌注工藝，抽真空設(shè)備只需增加1～2臺(tái)同類型真空泵即可；分級(jí)上可以按混凝土供應(yīng)能力、泵送能力、緩凝時(shí)間、運(yùn)輸能力等綜合考慮，采用三級(jí)或四級(jí)泵送即可完成。

4 結(jié)語

在500m級(jí)鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋的設(shè)計(jì)和建造基礎(chǔ)上，對(duì)700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和建造進(jìn)行了可行性研究，得到如下結(jié)論。

1）在實(shí)際橋位上按照現(xiàn)場(chǎng)地形和地質(zhì)情況試設(shè)計(jì)的700m級(jí)鋼管混凝土拱橋，其靜力、動(dòng)力和穩(wěn)定性都滿足規(guī)范的要求。

2）700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的拱桁制造仍可通過現(xiàn)有工藝完成，難度沒有明顯增加，臥拼工藝可以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的安裝精度要求。

3）通過增加拱桁安裝節(jié)段數(shù)量的方式控制吊重，結(jié)合鋼絞線斜拉扣掛合龍松索技術(shù)，以現(xiàn)有的工藝即可完成拱桁吊運(yùn)及懸拼施工并達(dá)到相應(yīng)的精度控制要求。

4）扣塔和吊塔設(shè)計(jì)為吊扣合一的方式，既具有較高的經(jīng)濟(jì)性，也具有可行性，用合江長江一橋開發(fā)使用的搖臂抱桿系統(tǒng)安、拆高塔既方便又經(jīng)濟(jì)。

5）采用真空輔助分級(jí)連續(xù)灌注管內(nèi)混凝土工藝，可以高質(zhì)、快速地完成700m級(jí)鋼管混凝土拱橋拱肋管內(nèi)混凝土灌注，利用不斷變換索力的斜拉扣索調(diào)載，可以把從拱腳至拱頂連續(xù)灌注管內(nèi)混凝土產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力和變形控制在安全范圍內(nèi)。

以500m級(jí)鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行適度的改造和深化，將之應(yīng)用到700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的建設(shè)中去，不會(huì)有大的技術(shù)門檻?？紤]到在良好地質(zhì)或山嶺重丘地區(qū)修建拱橋的巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)盡早進(jìn)行700m級(jí)鋼管混凝土拱橋的工程實(shí)踐和推廣，為該跨徑級(jí)別的橋梁修建提供更多、更好的選擇。

[1] 鄭皆連.特大跨徑RC拱橋懸拼合攏技術(shù)的探討[J].中國公路學(xué)報(bào)，1999（1）：42-49．

[2] 鄭皆連.在勁性拱骨架上實(shí)現(xiàn)混凝土連續(xù)澆注的探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2011，30（s2）：1009-1016.

Feasibility study on design and construction of concrete filled steel tubular arch bridge with a span of 700m

Zheng Jielian1，Wang Jianjun2，Mou Tingmin3，F(xiàn)eng Zhi2，Han Yu2，Qin Dayan2
(1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Transportation Department，Nanning 530012，China；2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Road and Bridge Engineering Company，Nanning 530011，China；3.Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu 610041，China)

Based on the design and complete construction techniques of 500m-span concrete filled steel tubular(CFST)arch bridge，a feasibility study on design and construction techniques of 700 m-span CFST arch bridge was conducted The general design and construction schemes were figured out，and key techniques were detailed studied such as manufactory and installation of arch ribs，concrete grouting in tube，etc.The results showed that there are no technical hurdles to build 700m-span CFST arch bridges.Considering economical efficiency，safety and other factors，CFST arch bridge is a strong competitor when building a 700m-span bridge and should be put on engineering practice and spread as soon as possible.

bridge engineering；the span of 700m grade；CFST arch bridge；design；construction

U442.1；U445.4

A

1009-1742（2014）08-0033-05

2014-04-27

鄭皆連，1941年出生，男，四川內(nèi)江市人，中國工程院院士，研究方向?yàn)榇罂鐝焦皹?；E-mail：zhengjielian@163.com