鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與施工

王德權(quán)

摘 要：鋼管混凝土拱橋是一種重要的橋梁形式，本文從基本概況、設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)及施工的基本方法分別闡述鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要過(guò)程和要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：拱軸線；矢高；K撐；合攏

1 鋼管混凝土拱橋概況

1.1 原理

鋼管混凝土拱橋是由混凝土填入薄壁鋼管內(nèi)而形成的一種鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其基本原理是荷載通過(guò)受力構(gòu)件傳遞至鋼管拱肋，借助鋼管對(duì)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)，充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度高的特性，使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和更強(qiáng)的塑性變形能力，完美避開(kāi)混凝土抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。鋼管混凝土除具有強(qiáng)度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有省工省料、架設(shè)輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能。

1.2 鋼管混凝土拱橋的基本結(jié)構(gòu)形式

從設(shè)計(jì)水平看，我國(guó)已建和在建的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，跨徑紀(jì)錄也一再被刷新。從拱圈受力形式劃分，主要分為上承式拱橋、中承式有推力拱橋、中承式無(wú)推力拱橋（飛燕式）、下承式系桿拱橋；從拱圈約束條件劃分，主要分為三鉸拱（靜定結(jié)構(gòu)）、二鉸拱（一次超靜定結(jié)構(gòu)）、無(wú)鉸拱（三次超靜定結(jié)構(gòu)）；從拱圈截面劃分，主要分為鋼管式拱橋和鋼箱式拱橋，其中鋼管式拱橋又分為單管受力拱橋、雙管受力拱橋以及四管受力拱橋。拱橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、地質(zhì)水文條件、荷載類(lèi)型及大小等因素確定結(jié)構(gòu)形式。

1.3 鋼管混凝土拱橋主要的施工方法

鋼管混凝土拱橋在國(guó)內(nèi)外的施工方法也多種多樣，主要有：有支架法施工；平轉(zhuǎn)法施工；豎轉(zhuǎn)法施工；纜索吊裝法施工；整體吊裝法施工。

2 鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)

2.1 鋼管混凝土拱橋的矢跨比

鋼管混凝土拱橋矢跨比宜采用1/5～1/8，拱橋的拱軸線形式分為二次拋物線、圓弧線、懸鏈線等形式。

2.2 合理的拱軸線

在一定的荷載作用下，使拱截面內(nèi)僅產(chǎn)生軸向受力的拱軸線稱(chēng)為與該荷載對(duì)應(yīng)的合理拱軸線。其特點(diǎn)是壓力線與拱肋軸線重合，拱肋截面只受軸向力作用，彎矩和剪力為零，應(yīng)力均勻，有利于充分發(fā)揮截面材料性能。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)形式（三鉸拱、兩鉸拱和無(wú)鉸拱），在不同的荷載作用下，拱的合理軸線是不同的。對(duì)于三鉸拱，在沿水平方向均布的豎向荷載作用下，合理拱軸線為一拋物線（如圖1所示）。在垂直于拱軸線的均布?jí)毫ψ饔孟?，合理拱軸線為圓弧線（如圖2所示）。在填土重量作用下，合理的軸線為懸鏈線（如圖3所示）。

圖1 圖2 圖3

2.3 拱的矢高

不同的建設(shè)對(duì)拱的形式要求不同，有的要求扁平，矢高??；有的則要求矢高大。合理拱軸的曲線方程確定之后，可以根據(jù)建筑的外形要求定出拱軸的矢高。矢高對(duì)拱的外形影響很大，它直接影響建筑造型和構(gòu)造處理。矢高還影響拱身軸向的拱推力的大小。水平推力H與矢高f成反比。

3 鋼管混凝土拱橋的制作加工

近年來(lái)，在鋼管混凝土拱橋的制作加工中，采用最多的還是有支架法施工，我們?cè)谶@種方法的施工中也積累了很多豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)介紹如下：

3.1 鋼管拱肋主要加工方法的優(yōu)缺點(diǎn)

不論拱橋采用何種整體施工方法，在整個(gè)拱橋的施工中，最為主要的一個(gè)環(huán)節(jié)還是拱肋的加工，而拱肋的加工主要有兩種施工方法：一是卷制長(zhǎng)鋼管（12m），然后按拱軸線的形狀進(jìn)行分段熱煒彎再進(jìn)行拼裝。此方法的優(yōu)點(diǎn)是拱肋的對(duì)接焊縫少，以及拱肋的曲線更加接近理論曲線；缺點(diǎn)是不但要有成套的先進(jìn)設(shè)備，而且熱煒彎會(huì)造成較大的殘余應(yīng)力，會(huì)有較大的時(shí)效變形。二是卷制短鋼管（2m左右），然后按拱軸線逐節(jié)進(jìn)行組對(duì)拼裝（以直代曲）。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，適合艱苦的野外施工，并且拱肋內(nèi)沒(méi)有殘余應(yīng)力，不會(huì)引起拱肋曲線的二次變形；缺點(diǎn)是對(duì)接焊縫多，焊接工作量大，對(duì)焊接的質(zhì)量提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，我們已掌握了成熟的焊接工藝能夠滿(mǎn)足質(zhì)量要求，因此第二種方法是我們施工中最常用的一種施工方法。

卷制短鋼管施工時(shí)，因鋼管節(jié)段數(shù)較多而造成拱肋軸線線型缺陷的施工事故時(shí)有發(fā)生，為避免此類(lèi)事故的發(fā)生應(yīng)在每節(jié)段鋼管組對(duì)時(shí)嚴(yán)格控制節(jié)段坐標(biāo)。我們采用計(jì)算機(jī)放樣與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量來(lái)控制節(jié)段鋼管坐標(biāo)，事先將每節(jié)段鋼管所在位置坐標(biāo)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確放樣，拼裝前將拱肋坐標(biāo)控制點(diǎn)按照1∶1比例制作拱肋組對(duì)平臺(tái)。拱肋組對(duì)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)控拱肋坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的位置偏差，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)糾正。在拱肋組對(duì)時(shí)應(yīng)充分考慮鋼材焊接收縮問(wèn)題，預(yù)留一定的焊接收縮量。

3.2 拱肋K撐的加工

K撐作為拱橋中增加空間穩(wěn)定性和減小橫向自振的重要構(gòu)件，其加工制作及安裝的精確性也尤為重要。

K撐的各鋼管為空間結(jié)構(gòu)（相交的三個(gè)鋼管的軸線不在同一平面內(nèi)），這時(shí)要用手工或CAD來(lái)計(jì)算各桿件的相貫線相當(dāng)困難，利用鋼結(jié)構(gòu)詳圖軟件Tekla進(jìn)行建模放樣，從而可以利用其Wrap（展開(kāi)）功能將每一桿件直接展開(kāi)相貫線，并導(dǎo)出CAD加工圖紙，不但極好地保證了加工精度，還大大提高了加工效率，給加工制作帶來(lái)了極大的方便。

K撐的安裝有整體安裝與單節(jié)鋼管安裝兩種。整體安裝制作精度較單節(jié)鋼管安裝要求高，質(zhì)量難以保證。但整體安裝施工速度快，可避免大量的高空作業(yè)，降低施工危險(xiǎn)性，因此K撐安裝方法應(yīng)根據(jù)具體施工環(huán)境條件要求權(quán)衡確定。

3.3 鋼管拱肋的合攏支架

合攏支架作為合攏施工時(shí)的一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們既要保證其安全可靠，又想使其經(jīng)濟(jì)合理。在參考以往施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用midas Civil進(jìn)行建模并驗(yàn)算支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，選用最為合理的結(jié)構(gòu)形式。支架多采用格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)柱，其具有制作簡(jiǎn)單、自重輕、受力大、安裝拆卸簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是臨時(shí)受力支架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。

支架安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)拱肋形式及拱肋合攏段長(zhǎng)度確定支架位置及高度，應(yīng)以便于安裝、拆卸為原則。對(duì)于高度較大的臨時(shí)支架，應(yīng)保證支架頂部穩(wěn)定，防止頂部發(fā)生側(cè)向位移，可采用設(shè)置纜風(fēng)繩等方法解決。在支架頂部應(yīng)設(shè)置可調(diào)節(jié)標(biāo)高支座，以在拱肋安裝過(guò)程中對(duì)誤差大的拱肋節(jié)段進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)在支架頂部搭設(shè)空中作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)高度以便于作業(yè)者操作為佳。

3.4 鋼管拱肋的合攏

拱肋合攏時(shí)的關(guān)鍵是合攏點(diǎn)的控制，同樣在Tekla模型中，可將橋面的縱坡和橫坡疊加在模型上，對(duì)各合攏口進(jìn)行查詢(xún)來(lái)精確確定其合攏坐標(biāo)，每安裝一段拱肋后對(duì)其安裝坐標(biāo)用全站儀進(jìn)行復(fù)核，對(duì)于不符合精度要求的拱肋進(jìn)行精調(diào)以滿(mǎn)足安裝精度要求。對(duì)整個(gè)施工過(guò)程用midas Civil進(jìn)行施工過(guò)程監(jiān)控，以確保每一過(guò)程的受力安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的理論研究和工程應(yīng)用在我國(guó)越來(lái)越深入和廣泛，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到橋梁上，在力學(xué)性能、施工、經(jīng)濟(jì)以及美觀等方面，表現(xiàn)出很大程度的優(yōu)越性，是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一，極大促進(jìn)了我國(guó)橋梁事業(yè)的發(fā)展。

鋼管混凝土拱橋的施工技術(shù)日新月異，這就對(duì)施工技術(shù)人員提出了更高的要求，我們要不斷將新的施工技術(shù)應(yīng)用于施工中，以提高施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋施工問(wèn)題研究[J].橋梁建設(shè)，2002（3）：55-59.

（作者單位：中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司）