鋼筋混凝土拱橋懸澆-骨架組合法主拱關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

王 鵬， 朱俊良， 劉 杰， 魏思斯

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067)

拱圈懸臂澆筑法是指鋼筋混凝土拱橋主拱圈施工中，采用2個(gè)斜爬掛籃工作平臺(tái)自兩拱腳向跨中對(duì)稱、均衡分節(jié)段現(xiàn)澆拱圈混凝土，在完成一個(gè)節(jié)段拱圈施工后，掛籃對(duì)稱向前各移動(dòng)一個(gè)節(jié)段，進(jìn)行下一對(duì)拱圈節(jié)段施工，循序前行，直至拱圈懸臂段澆筑完成的施工方法，簡(jiǎn)稱“懸澆法”或“CC法”。懸臂澆筑與勁性骨架組合法是指在大跨徑鋼筋混凝土拱橋施工中，拱圈自兩側(cè)拱腳起向拱頂一定長(zhǎng)度范圍采用懸臂澆筑法施工，而后在剩余的中央?yún)^(qū)段先安裝拱形勁性骨架合龍，再將勁性骨架作為支架澆筑該段混凝土形成拱圈的施工方法，簡(jiǎn)稱“懸澆-骨架組合法”或“CCSS法”。該施工方法不僅可縮短拱圈懸臂澆筑段的長(zhǎng)度，減輕懸臂的重量，降低對(duì)扣錨系統(tǒng)的受力要求，還易于控制拱軸線形，大大減少勁性骨架的用鋼量，并能盡快形成拱結(jié)構(gòu)，從而減少施工風(fēng)險(xiǎn)、降低工程造價(jià)，是鋼筋混凝土拱橋最具發(fā)展前景的施工方法之一。

日本從20世紀(jì)80年代開始，采用懸澆法和懸澆-骨架組合法修建了一批大跨鋼筋混凝土拱橋。1982年采用懸澆-骨架組合法建成跨度204 m的宇佐川橋[1]，其兩側(cè)各50 m采用懸臂扣掛澆筑，跨中100 m段拱圈采用勁性骨架合龍；1989年和2000年相繼建成跨度235 m的別府明礬橋[2-3]和跨度260 m的天翔大橋[4]，其兩側(cè)用懸臂桁架施工，跨中段采用勁性骨架合龍；1996年，日本建成頭島大橋[5-7]，主跨218 m，其中跨中勁性骨架段達(dá)130 m；1999年，日本土木協(xié)會(huì)組織進(jìn)行了600 m級(jí)跨徑的鋼筋混凝土拱橋試設(shè)計(jì)研究[8-9]。

法國(guó)也曾在特大跨徑拱橋中做過相關(guān)研究，1996年，在Millau高架橋方案設(shè)計(jì)中，Jean Muller 國(guó)際顧問工程師公司與Alian Spielmann顧問建筑師公司聯(lián)合提出采用懸澆-骨架組合施工法建造主跨602 m的鋼筋混凝土拱橋方案。

我國(guó)自2012年開始采用懸澆法進(jìn)行鋼筋混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工，并于2016年開始探索懸澆-骨架組合法用于工程實(shí)踐。目前已有8座拱橋采用懸澆法施工，并已在涪陵烏江大橋復(fù)線橋、夜郎湖大橋2座橋梁開展了懸澆-骨架組合法工程應(yīng)用，并形成了中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CECS G：D62-01—2021《鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑與勁性骨架組合法技術(shù)規(guī)程》，目前已發(fā)布，筆者主編了此規(guī)程，這里僅就其中部分調(diào)研成果作介紹。

大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱圈總體布置可采用單箱多室箱型拱圈，或采用懸挑橋面，增加蓋梁、橋道梁懸出寬度，也可根據(jù)道路標(biāo)準(zhǔn)斷面凈寬要求采用左右分幅設(shè)計(jì)。當(dāng)跨徑超過300 m時(shí)，為減輕懸澆節(jié)段重量，增加橫向穩(wěn)定性，通常采用雙箱型肋設(shè)計(jì)，肋間設(shè)置橫系梁。如跨徑323 m的美國(guó)Hoover水壩大橋[10]、跨徑384 m的西班牙Almonte河高架橋[11-12]，均采用拱腳區(qū)段雙肋至跨中區(qū)段合并成整體拱圈的變高、變寬設(shè)計(jì)。以下就鋼筋混凝土拱橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)展開分析。

1 拱軸線及拱軸系數(shù)

拱軸線的形狀直接影響主拱截面內(nèi)力分布和大小，大跨徑鋼筋混凝土拱橋拱軸線多采用懸鏈線。調(diào)研國(guó)內(nèi)外已建懸澆法及懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋共31座設(shè)計(jì)參數(shù)，其中懸澆法拱橋21座，懸澆-骨架組合法拱橋10座，超過85%的橋采用懸鏈線。31座拱橋中，12座橋梁提供了拱軸系數(shù)數(shù)據(jù)，見表1[1-27]，設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)在1.5～2.5之間；國(guó)內(nèi)10座鋼筋混凝土拱橋拱軸系數(shù)取1.677～2.268，其中6座橋梁采用了1.988、1.990的拱軸系數(shù)；國(guó)外2座為日本的帝釋大橋，拱軸系數(shù)取2.5，宇佐川橋分左右幅，左幅拱軸系數(shù)取1.5，右幅取2.0。

2 矢跨比

拱橋的矢跨比由通航凈空要求和地形條件決定，影響拱圈內(nèi)力。從結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定、施工方便等方面考慮，拱橋矢跨比一般取1/4～1/8。但在應(yīng)用中，結(jié)合地形、線路設(shè)計(jì)要求，矢跨比取值也有突破。主拱圈計(jì)算跨徑及矢高見圖1。

圖1 主拱圈計(jì)算跨徑及矢高

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已建懸澆法及懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋開展調(diào)研，31座拱橋的調(diào)研統(tǒng)計(jì)見表1。從表1可知，矢跨比均在1/3.08～1/9之間。其中，1/3～1/4(不含)6座，占19.4%；1/4～1/5(不含)2座，占6.5%；1/5～1/6(不含)10座，占32.3%；1/6～1/7(不含)8座，占25.8%；1/7～1/8(不含)2座，占6.5%；1/8～1/9(不含)3座，占9.7%；1/9的1座，占3.2%。大部分拱橋矢跨比為1/3.4～1/8，其中我國(guó)的10座拱橋采用的矢跨比為1/5～1/7；已建懸澆-骨架組合法拱橋的矢跨比為1/4.83～1/9。由此可見，該類橋梁的矢跨比適用范圍較寬，一般可取1/3.4～1/8，具體應(yīng)結(jié)合橋位地形等建設(shè)條件確定。

表1 鋼筋混凝土拱橋矢跨比及拱軸系數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3 拱截面尺寸

3.1 截面形式

大跨徑鋼筋混凝土拱橋主要采用箱形截面。這主要是由于箱形截面具有挖空率大、自重輕、截面慣性矩大、抗彎抗扭剛度大、整體性好、受力均勻等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)有關(guān)截面形式的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)上承式鋼筋混凝土拱橋中箱形截面占80%以上。日本跨徑在100 m以上的上承式鋼筋混凝土拱橋中，除倒朗格爾拱板拱外，均采用了箱形截面。拱圈截面不僅可采用等截面，也可采用變截面。如我國(guó)貴州沿河縣沙坨特大橋主跨240 m、重慶涪陵烏江大橋復(fù)線橋主跨220 m，拱圈均采用等高等寬設(shè)計(jì)；日本天翔(高松)大橋主跨260 m、別府明礬橋主跨235 m、頭島大橋主跨218 m、立山大橋主跨188 m，拱圈均采用變高設(shè)計(jì)。調(diào)研得到了國(guó)內(nèi)外鋼筋混凝土拱橋拱圈高度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 鋼筋混凝土拱橋拱圈高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表2可見，懸澆法或懸澆-骨架組合法拱橋中，國(guó)內(nèi)均采用C50混凝土，國(guó)外一般采用C50等級(jí)以上的混凝土。采用較高等級(jí)的混凝土有利于降低拱圈自重，提升跨越能力，有條件時(shí)建議采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

3.2 拱圈高度估算

擬定箱形拱截面尺寸主要包括拱圈的高度、寬度、箱肋的寬度及頂、底及腹板尺寸。其中拱圈高度h是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，其大小與拱圈跨度L和拱圈混凝土強(qiáng)度有關(guān)。

根據(jù)表2對(duì)已建鋼筋混凝土拱橋拱圈截面高度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，可擬合得到采用等高設(shè)計(jì)時(shí)拱圈高度取值的估算公式：

(1)

式中：h為拱圈高度，m；L為拱圈計(jì)算跨徑，m；α為混凝土強(qiáng)度等級(jí)修正系數(shù)；fcu,50為C50混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)；fcu為拱圈混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)。

式(1)適用于主跨100 m以上懸澆法及懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋，其計(jì)算值為箱型截面拱圈高度初步擬定值，可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步優(yōu)化確定設(shè)計(jì)取用值。

拱圈采用變高的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，拱頂截面高度可取跨徑的1/60～1/90，拱腳可取跨徑的1/30～1/62。拱頂截面高可取式(1)計(jì)算值的0.70～0.95倍，相應(yīng)地，拱腳截面高取拱頂截面高的1.2～1.7倍。拱圈截面估算高度與實(shí)橋拱圈截面高度比較見圖2，其中調(diào)研數(shù)據(jù)中變截面拱圈采用拱圈高度平均值。

圖2 拱橋截面擬合高度取值與實(shí)際高度比較

3.3 拱圈截面詳細(xì)尺寸

主拱圈一般采用等寬設(shè)計(jì)，見圖3，拱圈寬度可取橋面寬的0.6～1.0倍，寬跨比宜取1/15～1/30。必要時(shí)也可采用變寬設(shè)計(jì)，拱腳寬，跨中區(qū)段窄，可考慮約(1/3～2/3)L跨中區(qū)段等寬設(shè)計(jì)。拱圈寬度與拱圈高度的比值一般為2.5～3.5。

圖3 主拱圈截面設(shè)計(jì)

對(duì)于由薄板構(gòu)成的箱形截面拱圈，需確保在拱橋整體失穩(wěn)前其頂板、底板和腹板不率先發(fā)生局部屈曲。隨著高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用，拱圈壁厚趨于減小，其局部屈曲更為突出，因此限定板的寬厚比很有必要。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，鋼筋混凝土拱橋主拱圈頂、底及腹板尺寸統(tǒng)計(jì)見表3。對(duì)于箱形截面拱橋，其標(biāo)準(zhǔn)斷面頂、底板厚度在20 cm～50 cm之間、外側(cè)腹板厚度在30 cm～100 cm、內(nèi)側(cè)腹板厚度在20 cm～35 cm之間，同時(shí)考慮到拱腳節(jié)段抵抗彎矩及構(gòu)造要求，應(yīng)加大拱腳段截面的頂、底板及腹板厚度；頂、底板及腹板厚度取值為拱圈高度的1/4～1/15，頂、底板厚度與板寬的比值為1/10～1/32，腹板厚度與拱圈高度的比值為1/3.6～1/16。對(duì)于單箱雙室或3室截面，中腹板可取拱圈高度的1/11～1/16。主拱圈混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，拱圈頂、底板及腹板厚度可取上述范圍中的較小值。初步擬定尺寸后，再根據(jù)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步優(yōu)化確定。

4 懸澆-骨架組合法的勁性骨架區(qū)段設(shè)計(jì)

懸澆-骨架組合法采用勁性骨架合龍，可縮短拱圈懸臂澆筑長(zhǎng)度，降低對(duì)斜拉扣掛系統(tǒng)的受力要求，同時(shí)可使拱圈提前合龍，增強(qiáng)施工過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。勁性骨架宜采用型鋼桁架結(jié)構(gòu)、鋼管桁架結(jié)構(gòu)或箱桁組合結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)勁性骨架剛度要求較高時(shí)可采用箱桁組合結(jié)構(gòu)，如日本頭島大橋采用長(zhǎng)度130.4 m鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)作為勁性骨架。但鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)勁性骨架存在用鋼量較大、自身重量較大的問題，因此，需根據(jù)施工條件綜合確定。

根據(jù)筆者課題組對(duì)勁性骨架長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)及相關(guān)研究[5，7]，勁性骨架區(qū)段水平投影長(zhǎng)度宜取拱圈跨徑的0.3～0.6倍，應(yīng)結(jié)合施工條件等因素綜合確定。日本多座鋼筋混凝土拱橋采用懸澆-骨架組合法，其勁性骨架長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見表4。國(guó)內(nèi)重慶涪陵烏江大橋復(fù)線橋、貴州織普高速公路夜郎湖大橋首次嘗試采用懸澆-骨架組合法，勁性骨架長(zhǎng)度取值偏小。

表3 鋼筋混凝土主拱圈頂、底板及腹板尺寸統(tǒng)計(jì)

表4 懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋的勁性骨架長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

考慮到施工與設(shè)計(jì)的差異以及其他因素影響，勁性骨架在拱圈懸澆段中的預(yù)埋長(zhǎng)度應(yīng)不小于勁性骨架上下弦桿中心距，預(yù)埋段宜增設(shè)錨筋、栓釘、附加箍筋等構(gòu)造措施；其在截面中的位置應(yīng)不影響拱圈主筋、構(gòu)造鋼筋布設(shè)。

5 拱上建筑布置

工程實(shí)踐表明，拱上橋道梁采用空心板等簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)營(yíng)中存在行車舒適性差、伸縮縫病害、板梁病害等諸多問題，而采用連續(xù)梁或連續(xù)剛架時(shí)，不但可減輕自重、增加橋梁的整體受力性能，還可提高行車的舒適性、拱上建筑的通透性和橋梁的整體美感。

因此，拱上橋道梁宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼-混組合連續(xù)梁或剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系等輕型結(jié)構(gòu)。拱上建筑構(gòu)造宜統(tǒng)一，根據(jù)調(diào)研，腹孔跨徑宜取主拱跨徑的1/7～1/17。 拱頂兩側(cè)腹孔應(yīng)對(duì)稱設(shè)置，必要時(shí)可將拱頂區(qū)段的橋道梁與拱圈結(jié)合成一體。

6 結(jié)論

1) 懸澆法及懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋的截面形式主要采用箱形截面，一般可采用等高或等寬變高設(shè)計(jì)。

2) 該類拱橋的設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)可取1.5～2.5，矢跨比一般可取1/3.4～1/8，應(yīng)結(jié)合橋位地形等建設(shè)條件選擇。

3) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，在考慮跨徑及混凝土強(qiáng)度影響基礎(chǔ)上，提出了跨徑100 m以上懸澆法及懸澆-骨架組合法鋼筋混凝土拱橋拱圈截面高度估算公式。

4) 拱圈標(biāo)準(zhǔn)斷面頂、底板厚度可取20 cm～50 cm，外側(cè)腹板厚度可取30 cm～100 cm，內(nèi)側(cè)腹板厚度可取20 cm～35 cm。

5) 勁性骨架區(qū)段水平投影長(zhǎng)度宜取拱圈跨徑的0.3～0.6倍，應(yīng)結(jié)合施工條件等因素綜合確定。

6) 拱上橋道梁宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼-混組合連續(xù)梁或剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系等輕型結(jié)構(gòu)，腹孔跨徑宜取主拱跨徑的1/7～1/17，對(duì)稱設(shè)置。