我國桁式CFST拱橋發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查與分析

藍(lán) 輝

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

桁式CFST拱橋憑借較小的鋼管直徑可以獲得較大的縱橫向抗彎剛度，且構(gòu)件以受軸向力為主，能夠很好地發(fā)揮材料特性。因而，自20世紀(jì)末桁式CFST拱橋提出以來，在我國發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已建有160余座。已建成桁式CFST拱橋中，四川省瀘州市合江長江一橋?yàn)樽畲罂鐝降腃FST拱橋，其跨徑達(dá)到530 m，在目前的世界拱橋跨徑記錄中名列第三；而目前正在設(shè)計(jì)的廣西平南三橋跨徑已達(dá)到560 m，已超越當(dāng)前世界最大跨徑拱橋——朝天門大橋(552 m)。

近些年，一些研究工作也圍繞著CFST拱橋不斷開展。文獻(xiàn)[2]從應(yīng)用概況、結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造和強(qiáng)健性等幾方面對(duì)413座CFST拱橋開展統(tǒng)計(jì)和分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和分析獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)(成果)為后續(xù)研究者提供寶貴的借鑒。文獻(xiàn)[3]對(duì)支架施工、纜索吊裝法施工、平轉(zhuǎn)法施工和豎轉(zhuǎn)法施工等常見的幾種施工技術(shù)的適用條件和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為CFST拱橋的施工方案提供了有效參考。文獻(xiàn)[4]對(duì)

鋼拱橋、鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋三種不同材料類型的拱橋數(shù)量、跨徑、構(gòu)造形式和施工方法等進(jìn)行了對(duì)比分析，厘清各種類型拱橋的經(jīng)濟(jì)適用范圍。這些研究均是以CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象的，而實(shí)際上桁式CFST拱橋與其它類型的CFST拱橋的發(fā)展趨勢、適用跨徑和材料方面是存在一定差別的。基于此，本文以桁式CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其發(fā)展趨勢、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工方式等進(jìn)行研究和分析，相關(guān)結(jié)論可提供給桁式CFST拱橋研究者借鑒。

1 應(yīng)用概況

1.1 建設(shè)趨勢

圖1為我國桁式CFST拱橋隨時(shí)間的增長曲線(統(tǒng)計(jì)150座橋梁)。從圖1可以看出，我國桁式CFST拱橋自2000年以來，以平均每年7.3座的數(shù)量發(fā)展迅速。桁式CFST拱橋以如此迅猛的速度快速增長，表征著該類型橋自身所具有的優(yōu)勢和強(qiáng)大的生命力。

圖1 桁式CSFT拱橋數(shù)量增長趨勢圖

1.2 跨徑發(fā)展趨勢

圖2給出了我國桁式CFST拱橋隨時(shí)間變化最大跨徑增長趨勢。由圖2可知，我國于1992年首先在江西修建了一座70 m的小跨徑CFST桁式拱橋；在之后這些年里，隨著設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷改進(jìn)、成熟，我國桁式CFST拱橋的最大跨徑在持續(xù)增長。目前，現(xiàn)有的、已建成的桁式CFST拱橋最大跨徑已達(dá)到了驚人的530 m(四川合江長江一橋)；而正在施工的500 m級(jí)的桁式CFST拱橋有507 m跨徑的四川合江長江三橋和560 m跨徑的廣西平南三橋。

圖2 桁式CFST拱橋最大跨徑增長趨勢圖

下頁表1對(duì)已建或在建300 m以上的跨徑CFST拱橋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。表中共計(jì)20座橋梁，包括上承式、中承式和飛鳥式三種不同的結(jié)構(gòu)形式，其中400～500 m跨徑范圍內(nèi)有3座，超500 m跨徑的有3座；主要分布在廣西、四川、貴州、湖南、湖北等地，其中，廣西、四川、貴州和湖北均為3座，湖南2座，安徽、浙江、廣東、云南、內(nèi)蒙古和西藏均為1座。

1.3 跨徑范圍分布

圖3給出了我國桁式CFST拱橋在不同跨徑范圍內(nèi)的分布情況。從圖3中可以看出，我國桁式CFST拱橋主要集中在200 m以下(共217座)，占總數(shù)的76.7%，是應(yīng)用的主要跨徑范圍。

圖3 各跨徑分布情況圖

注：當(dāng)一座橋包括幾座不同范圍的CFST拱橋時(shí)，例如湖南茅草街大橋跨徑為(80+368+80) m，則視為3座橋計(jì)算

表1 我國鋼管混凝土拱橋一覽表(L≥300 m)

如圖4給出了各跨徑桁式CFST拱橋隨時(shí)間的變化趨勢。由圖4可以知道，跨徑在200 m以下的桁式CFST拱橋占最大比值，發(fā)展較為迅速；200～300 m跨徑范圍呈近似線性規(guī)律發(fā)展，增長迅速。這表明桁式CFST拱橋在300 m以下跨徑具有良好的適用性。

圖4 各跨徑桁式CFST變化趨勢圖

2 橋型與施工方法

2.1 橋型

結(jié)合文獻(xiàn)[7]的橋型分類方法，將桁式CFST拱橋按上承式、中承式、飛鳥式、下承式四種橋型進(jìn)行分析。圖5給出了各橋型桁式CFST拱橋在不同跨徑范圍內(nèi)的分布情況。由圖5可知，上承式桁式CFST拱橋主要應(yīng)用在200 m以上的跨徑中；中承式桁式CFST拱橋則多應(yīng)用在100 m以上跨徑，且以100～300跨徑范圍為主；下承式則主要應(yīng)用于200以下的小跨徑結(jié)構(gòu)，很少應(yīng)用于200 m以上的跨徑。飛鳥式以其特殊的結(jié)構(gòu)形式主要應(yīng)用于300 m以下的跨徑。

圖5 橋型與跨徑的關(guān)系

2.2 施工方法

我國CFST拱橋施工方法主要包括懸臂拼裝施工、支架法施工和轉(zhuǎn)體施工三類，圖6給出了不同跨徑范圍內(nèi)，各施工方法的應(yīng)用情況。由圖6可以知道，跨徑<300 m時(shí)，三種施工方法均適用，當(dāng)跨徑>300 m時(shí)，支架法施工已不再適用；對(duì)于跨徑>400 m的結(jié)構(gòu)，目前僅懸臂拼裝法一種施工方法。此外，對(duì)于跨徑<100 m的桁式CFST拱橋主要以支架施工和懸臂拼裝法為主，轉(zhuǎn)體施工為輔，各施工方法均占有一定比值；100～200 m范圍的桁式CFST拱橋施工以懸臂拼裝法為主，支架法和轉(zhuǎn)體施工為輔。跨徑>200 m時(shí)，支架法和轉(zhuǎn)體施工已經(jīng)應(yīng)用很少了，絕大部分為懸臂拼裝法施工。

圖6 施工方法與跨徑的關(guān)系示意圖

3 構(gòu)造參數(shù)

3.1 矢跨比和拱軸線

圖7給出了桁式CFST拱橋矢跨比的分布情況。由圖7可以知道，桁式CFST拱橋的矢跨比覆蓋在[1/8，1/3]區(qū)間，其中，大部分集中在[1/5，1/4]區(qū)間內(nèi)(占總數(shù)的65.7%)，[1/4，1/3]區(qū)間和[1/6，1/5]區(qū)間分別占總數(shù)的20.9%和11.9%，[1/8，1/6]區(qū)間所占比值很少，約占總數(shù)1.5%。

圖7 矢跨比分布圖

圖8 拱軸線統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖

圖8給出了桁式CFST拱橋拱軸線統(tǒng)計(jì)圖。由圖8可知，我國桁式CFST拱橋主要包括懸鏈線、拋物線和樣條函數(shù)曲線三種，其中，懸鏈線所占比值最大，占總數(shù)的66.67%。其次，拋物線占總數(shù)的31.78%，也具有一定的應(yīng)用范圍。進(jìn)一步對(duì)懸鏈線系數(shù)隨截面形式的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖9所示：

圖9 各截面桁式CFST拱橋懸鏈線系數(shù)分布圖

由圖9可以知道，橫向啞鈴型桁式截面懸鏈線系數(shù)通常>1.2，主要集中在1.2～1.6范圍內(nèi)，最大的也有達(dá)到3.2；四肢桁式截面懸鏈線系數(shù)分布范圍較大，主要集中在1.05～1.8范圍內(nèi)。雙肢桁式和三肢桁式CFST拱橋拱軸線很少采用懸鏈線形式。

3.2 材料參數(shù)

桁式CFST拱橋早期(2005年以前)有少數(shù)橋梁采用Q235鋼材，后期隨著工程強(qiáng)度的需要和技術(shù)的進(jìn)步，絕大部分的CFST桁式拱橋采用Q345鋼材。進(jìn)一步地，圖10給出了不同混凝土強(qiáng)度的桁式CFST拱橋在不同時(shí)間段的分布情況。由圖10可以看出，C50混凝土為我國桁式CFST拱橋的主流材料，在早期(2005年以前)C40混凝土也應(yīng)用廣泛，后期隨著技術(shù)的成熟，C55和C60的應(yīng)用也逐漸廣泛起來。

圖10 各類別混同強(qiáng)度的桁式CFST拱橋分布圖

3.3 截面形式

如圖11所示，桁式CFST拱橋主要包括雙肢桁式、三肢桁式、四肢桁式、六肢桁式和橫向啞鈴型等五種類型。

圖11 桁式CFST拱橋截面類型圖

圖12給出了不同截面形式桁式CFST拱橋的統(tǒng)計(jì)情況。由圖12可以看出，四肢桁式和橫向啞鈴型桁式應(yīng)用最大，分別占總數(shù)的47.62%和25.17%，雙肢桁式和三肢桁式應(yīng)用情況比較接近，分別占總數(shù)的11.56%和12.93%，六肢桁式由于應(yīng)用得最晚，且主要應(yīng)用于300 m以上的大跨徑工程結(jié)構(gòu)中，因而，所占比例最少，為2.72%。

圖12 桁式CFST拱橋截面統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)語

桁式CFST拱橋在我國發(fā)展已有20多年歷史，隨著設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，建設(shè)的數(shù)量、跨徑、應(yīng)用范圍也越來越大，結(jié)構(gòu)形式、施工技術(shù)和橋型也越來越復(fù)雜。預(yù)計(jì)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍有著廣泛應(yīng)用。

本文以桁式CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，共統(tǒng)計(jì)了162座桁式CFST拱橋數(shù)據(jù)，并對(duì)其建設(shè)趨勢、跨徑發(fā)展規(guī)律、橋型、施工方法以及一些矢跨比、拱軸線、材料參數(shù)和截面形式等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)桁式CFST拱橋的研究者提供參考。