預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋的再應(yīng)用

蔡亞玲 杜斌

摘 要：我國自創(chuàng)的桁式組合拱橋受到修建時代技術(shù)和材料的限制，使用到今天在構(gòu)造上出現(xiàn)了許多問題，面臨被拆的困境;UHPC具有超高的力學(xué)性能，已在橋梁中得到初步應(yīng)用。本文通過調(diào)研統(tǒng)計(jì)的方法，以時間線為主軸，從材料和結(jié)構(gòu)方面入手，回顧了我國自古代到現(xiàn)代拱橋的發(fā)展歷史，并在此基礎(chǔ)上提出將UHPC應(yīng)用至預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋的建議，為預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋的重新應(yīng)用提供一種思路。

關(guān)鍵詞：拱橋發(fā)展;UHPC;預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋

中國拱橋的發(fā)展史是一部建筑材料的進(jìn)步史。預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋是我國自創(chuàng)的橋型，它有許多構(gòu)造上的優(yōu)越性。但由于當(dāng)時建設(shè)預(yù)應(yīng)力桁式組合拱時，為了追求經(jīng)濟(jì)性，將構(gòu)件尺寸做得較小，再者受限于當(dāng)時的施工水平及材料質(zhì)量，導(dǎo)致現(xiàn)存的預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋出現(xiàn)了許多病害。本文將在研究中國拱橋發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上思考桁式組合拱橋的再利用問題，使桁式組合拱橋在現(xiàn)代材料的支持下重新煥發(fā)光彩。

1中國拱橋的發(fā)展歷程

中國拱橋發(fā)展到今天，已經(jīng)從原始時期的自然倒下的樹木、河流中凸起的石塊、岸邊生長的樹藤演變成如今高大宏偉的混凝土拱橋、勁性骨架拱橋、鋼拱橋等多種拱橋形式。筆者對我國各時間段具有代表性的拱橋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出了拱橋類型隨時間演變的結(jié)果見圖1。

1.1 石拱橋時代

在20世紀(jì)50年代以前至60年代，拱橋的主要修建材料是石料，其優(yōu)點(diǎn)是取材方便，相對木橋更為耐久。據(jù)考證，中國最早的石拱橋出現(xiàn)在東漢時期（公元25～220年）。中國古代拱橋的橋墩和拱圈均建得比較輕薄，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重，穩(wěn)定墩基礎(chǔ)。目前世界上歷史最悠久且保存最完好的是我國河北的趙州橋，如圖2。

從1952年至2002年，我國相繼建成了寶成鐵路松樹坡拱橋、小關(guān)溝拱橋，湖南黃虎港橋、武夷湖南鳳凰河大橋等數(shù)十座具有跨徑?jīng)_刺意義的石拱橋，具體見表1。直到2002年，丹河新橋建成，全長146米，成為了中國跨度最大的石拱橋，自此，丹河新橋也成了世界上最大跨徑的石拱橋[2]。表1為具有代表性的石拱橋。

1.2 混凝土拱橋時代

1.2.1 探索期

20世紀(jì)50年代末60年代初，鋼材煉制技術(shù)逐漸發(fā)展，鋼材成為重要建筑材料。但當(dāng)時的中國正處于大動蕩時期，國民經(jīng)濟(jì)緊張，鋼材數(shù)量緊缺，大量建設(shè)鋼筋混凝土梁式橋在我國是行不通的，我國由此進(jìn)入了混凝土拱橋的探索時期。為了滿足節(jié)省鋼材及大規(guī)模進(jìn)行社會主義建設(shè)的需求，1964年，施工方便，造價低廉，節(jié)約工期的雙曲拱被無錫的農(nóng)村橋隊(duì)發(fā)明出來，如圖3。

不過，雙曲拱的結(jié)構(gòu)有缺陷：主拱圈由構(gòu)件拼接而成，整體性差，且截面受力復(fù)雜，聯(lián)結(jié)水平低，容易產(chǎn)生病害，施工時間的長短因雙曲拱部位的不同而有所不同，混凝土的齡期也有很大差異，如此會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良附加應(yīng)力。為了克服雙曲拱構(gòu)造上的缺點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)于1970年創(chuàng)造了一種適合軟土地基的桁架拱橋型，并于1981年在普通桁架拱橋基礎(chǔ)上創(chuàng)新出了桁式組合拱結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代后期，交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院創(chuàng)造出了剛架拱橋這種新橋型。在20世紀(jì)70年代后期，我國還大量修建了預(yù)應(yīng)力混凝土箱拱和肋拱。以1985-1998年期間最為迅速，后期增長趨勢放緩。

1.2.2成熟期

20世紀(jì)90年代開始，隨著我國社會主義建設(shè)成果初步顯現(xiàn)，鋼材數(shù)量及質(zhì)量都得到了顯著提升，自此我國開始修建勁性骨架混凝土拱橋。勁性骨架施工拱橋是指在事先形成的桁式拱骨架外分環(huán)分段澆筑混凝土，最終形成鋼筋混凝土箱板拱或箱肋拱。

總的來說，20世紀(jì)60年代至90年代初，我國拱橋的主打橋型就是混凝土拱橋。其中60年代初至70年代末的主要橋型是雙曲拱。桁架拱和剛架拱是70年代末到90年代初期的主要橋型。同時，從70年代開始，我國的預(yù)應(yīng)力混凝土箱拱和肋拱也得到了長足發(fā)展。

1.3鋼材時代

與此同時，我國在90年代開始修建鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋的建設(shè)大概可以分為3個階段：第一階段是1990年到1994年的摸索階段（9座），第二階段是1995年到1999年的推廣階段（69座），第三階段是2000年以后至今的全面應(yīng)用階段（346座）[4]。自1991年我國首座鋼管混凝土拱橋——四川旺蒼東河大橋建成后，我國共修建了400多座鋼管混凝土拱橋，跨徑超過400米的有7座。中國鋼拱橋的修建以2000年為界，2000年以前很少，2000年以后數(shù)量增多，但總數(shù)上還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋。

1.4 新材料時代

目前除了鋼材的應(yīng)用，值得一提的就是超高性能混凝土（UHPC）的應(yīng)用，UHPC具有超高的力學(xué)性能，主要體現(xiàn)在超高抗拉強(qiáng)度和超高韌性，這依靠加入短纖維來實(shí)現(xiàn)。UHPC還具有高彈模、低徐變等突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC經(jīng)熱養(yǎng)，后收縮基本為零，抗壓強(qiáng)度通常在150MPa以上，非常適用于拱橋建設(shè)。

2預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋

2.1預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋的產(chǎn)生

預(yù)應(yīng)力桁式組合拱是在連續(xù)桁架拱、一般桁架拱及桁式T構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新橋型。

連續(xù)桁架拱橋的本質(zhì)是桁式剛構(gòu)橋，內(nèi)部超靜定次數(shù)較高，溫變內(nèi)力太大，溫變引起的上弦拉應(yīng)力為恒載軸力的107%，引起的拱頂彎矩、軸力分別為恒載的45%和31%，所以受力上不可取，必須將上弦在某點(diǎn)斷開;如果將上弦從墩臺處斷開，即為一般桁架拱，它的缺點(diǎn)是全部荷載交由拱腳承擔(dān)，拱腳負(fù)擔(dān)太重，除彎矩很大外，軸力也較其他橋型大;如果將上弦在跨中位置斷開，即為桁式T構(gòu)，又稱拱桁梁。它在營運(yùn)階段仍保持兩個半跨懸臂體系，活載和溫變使上弦根部產(chǎn)生更大拉力，需要設(shè)置更多的永存預(yù)應(yīng)力筋，而且，由于懸臂端部的豎向變位較大，會影響橋面的平順進(jìn)而影響行車的舒適性。

為了改善以上橋型的缺點(diǎn)，出于對橋型結(jié)構(gòu)受力的合理性和施工階段與營運(yùn)階段材料使用的協(xié)調(diào)性兩個方面考慮，貴州省交通廳在1979年首次提出了一種新橋型的構(gòu)想，既不像一般桁架拱在墩臺處斷開，也不像桁式T構(gòu)在跨中斷開，而是在墩臺和跨中之間的一個合理位置斷開，使由橋墩伸出的懸臂桁架和跨徑中部的桁架拱串聯(lián)起來，成為拱梁組合體系新橋型，即桁式組合拱，如圖4。

2.2預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋的優(yōu)越性

相對于其他拱橋橋型，預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋有著獨(dú)特的優(yōu)越性。

首先是受力性能上，較之箱型拱橋，拱上建筑與主拱圈聯(lián)合受力，整體性好，縱橫向剛度大，穩(wěn)定性好。較之一般桁架拱，拱腳受力狀況大為改善，恒載引起的拱腳推力可減少10%左右，彎矩可減少40%左右，拱頂軸力可減小20%左右。且斷縫處桁片高度較小，對橫向穩(wěn)定較有利;較之拱桁梁橋，恒載引起的上弦根部拉力可減小90%左右，可以大幅減小預(yù)應(yīng)力筋用量[6]。綜上，桁式組合拱橋的上弦根部、拱頂、拱腳等特征截面沒有一處是處于最不利狀況的，橋梁荷載被均勻分布到上弦、斜桿、拱頂、拱腳等各個部位，以上便是桁式組合拱橋力學(xué)性能上的主要優(yōu)點(diǎn)[7]。

其次是桁式組合拱橋的經(jīng)濟(jì)性。桁式組合拱橋由于拱上建筑聯(lián)合作用較好，且受力均勻，所以各桿件的截面尺寸可以做得較小，從而可以減小工程數(shù)量和結(jié)構(gòu)自重[8]。以150米跨徑的橋梁為例，國內(nèi)外已建成的鋼筋混凝土箱型拱的主拱圈高度一般在2～3米之間，而桁式組合拱橋的下弦高度僅1.5米左右。同時，上部構(gòu)造的工程數(shù)量較同跨徑的箱型拱橋可減少30%左右。

再就是桁式組合拱橋材料使用上的協(xié)調(diào)性。桁式橋梁在用桁架伸臂法施工時，施工中穩(wěn)定構(gòu)件所需的上弦和斜拉桿即為結(jié)構(gòu)永久性桿件，能夠顯示出更大的優(yōu)越性[9]。另外，桁式組合拱橋施工階段和使用階段桿件保持一致，預(yù)應(yīng)力鋼筋用量也相近，故施工階段和使用階段在桿件和材料的使用上能夠保持很好的協(xié)調(diào)性。

最后是桁式組合拱橋的施工工藝，目前所建成的桁式組合拱橋幾乎都采用人字桅桿吊機(jī)進(jìn)行施工。人字桅桿吊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、起重量大、運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。人字桅桿的吊裝設(shè)備較省，以150米跨徑的橋梁為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人字桅桿吊機(jī)比纜索吊機(jī)減少施工用鋼80%以上。

2.3桁式組合拱橋的消失的原因

近年來，我國桁式組合拱橋新建數(shù)目寥寥無幾，甚至由于結(jié)構(gòu)開裂等原因，許多桁式組合拱橋都被拆除，桁式組合拱橋在當(dāng)今社會快要消失的原因如下：首先，此種橋型的修建是為了加快建設(shè)我國工業(yè)化水平而提出的，我國當(dāng)時工業(yè)水平低，沒有先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，橋梁建設(shè)所需鋼筋、建筑材料以及施工設(shè)備等嚴(yán)重缺乏，使修建的橋梁布筋少，材料質(zhì)量低，致使該類橋梁出現(xiàn)了許多病害;其次，當(dāng)時的設(shè)計(jì)交通量、橋面承載能力、橋面寬度均已無法滿足現(xiàn)在的交通要求;最后，由于當(dāng)時缺乏成熟的理論與技術(shù)支持，缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且該橋型是我國首創(chuàng)的橋型，沒有可供參考的已建橋梁，也沒有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的部分位置設(shè)計(jì)受力與實(shí)際不符。

3 結(jié)論與展望

3.1結(jié)論

總的來說，我國拱橋從材料上經(jīng)歷了從石拱橋到鋼筋混凝土拱橋再到鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋的進(jìn)步;從結(jié)構(gòu)上說，在20世紀(jì)60年代初到80年代末，受限于建筑材料的品質(zhì)不高及產(chǎn)量不足，智慧的中國人民自創(chuàng)發(fā)明了雙曲拱橋、桁式組合拱橋及鋼架拱橋這類既節(jié)省材料，又能滿足當(dāng)時交通要求的新橋型。

桁式組合拱橋有著優(yōu)越的受力性能及經(jīng)濟(jì)效益，但受限于當(dāng)時施工工藝及施工材料的限制，導(dǎo)致許多桁式組合拱橋出現(xiàn)裂縫等病害，面臨被拆除的風(fēng)險。

3.2展望

我國橋梁實(shí)現(xiàn)跨徑上的突破，一般從結(jié)構(gòu)和材料入手。在材料層面，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展，目前建筑材料的質(zhì)量已經(jīng)大幅度提升。在結(jié)構(gòu)層面，曾經(jīng)的預(yù)應(yīng)力桁式組合拱具有優(yōu)越的受力性能。如果能把今天的建筑材料應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力桁式組合拱這種結(jié)構(gòu)上，例如將UHPC應(yīng)用至預(yù)應(yīng)力桁式組合拱的濕接縫和負(fù)彎矩區(qū)等特殊位置，使其克服構(gòu)造上的缺陷，就能讓預(yù)應(yīng)力桁式組合拱煥發(fā)新的活力。這將為大跨徑拱橋的建設(shè)提供新的思路。

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基金項(xiàng)目：拱橋原橋位拆除重建綜合解決方案研究（2020-123-018）。