淺談鋼管混凝土拱橋及其施工方法

1、淺談鋼管混凝土拱橋及其施工方法第二工程有限公司.聶忠會.摘要.本文對拱橋的建設(shè)史進(jìn)行了簡要回顧，對拱橋施工方法進(jìn)行了簡要敘述。.關(guān)鍵詞.鋼管混凝土拱橋.施工1 . 前言在橋梁結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展變化過程中，拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu)，隨著跨徑的增大，高強(qiáng)材料的應(yīng)用受到穩(wěn)定問題的制約；而鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋由于自重較大，施工架設(shè)問題突出。高強(qiáng)材料的應(yīng)用和無支架施工的困難，也制約了拱橋的發(fā)展。梁式橋在采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)之后，由于預(yù)應(yīng)力使得高強(qiáng)度的鋼材和高標(biāo)號混凝土得以應(yīng)用，在施工方面又實(shí)現(xiàn)了節(jié)段施工，因而煥發(fā)了生機(jī)。在此情況下，許多橋梁工作者在拱橋高強(qiáng)材料應(yīng)用和施工等方面進(jìn)行了一系列的探索，預(yù)應(yīng)力材料的應(yīng)用、

2、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)、無支架施工方法的發(fā)展等等，都是這些探索的結(jié)果。2 .鋼管混凝土拱橋發(fā)展現(xiàn)況自從1990年我國第一座鋼管混凝土拱橋！ ！ ！四川旺蒼東河大橋(跨徑115m下承式系桿拱)建成以來，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁上的應(yīng)用，同時(shí)解決了拱橋高強(qiáng)度材料應(yīng)用和施工兩 大難題，因此，鋼管混凝土拱橋在我國得到迅速的發(fā)展。盡管鋼管混凝土拱橋在30年代的前蘇聯(lián)就已出現(xiàn)，近年來國外也有少量的修建，但其真正的發(fā)展是在90年代的中國，其原因主要有以下幾點(diǎn)。(1) 近幾年來，我國大力加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需修建大量的橋梁，對我國橋梁設(shè)計(jì)、施 工、科研工作提出了新的要求，也提供了極好的發(fā)展條件，使得我國橋梁技術(shù)迅速接

3、近、有些方面 已達(dá)到國際先進(jìn)水平。拱橋作為橋梁的基本橋型之一，在我國過去的公路、鐵路以及市政工程中得到廣泛的應(yīng)用，是我國的主橋型。除鋼拱外，我國的拱橋技術(shù)已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。由于我 國的國情，拱橋橋型中主要是鋼筋混凝土拱和圬工拱，直到現(xiàn)在也還無法大量應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)；而材料強(qiáng)度低，施工方面的困難一直困擾著拱橋跨徑的發(fā)展。鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用，無疑給拱橋的發(fā)展注入了新的活力，在許多適合拱橋的情況下給予大量應(yīng)用。(2) 我國從50年代開始鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究，雖然起步較晚，但進(jìn)展很快，近十幾年來 我國鋼管混凝土基礎(chǔ)理論研究處于世界前列。鋼管混凝土在廠房、高層建筑、輸變電工程中的應(yīng)用不斷發(fā)展，為鋼管

4、混凝土應(yīng)用于拱橋奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐基礎(chǔ)。(3) 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，社會勞動(dòng)生產(chǎn)率不斷提高，人工費(fèi)用上漲幅度較大。另一方面，冶金業(yè)的發(fā)展，鋼產(chǎn)量不斷上升，雖然大量使用鋼結(jié)構(gòu)還不適合國情，但適當(dāng)增加鋼材用量減少人工費(fèi)用，提高機(jī)械化、裝配化水平，加快施工進(jìn)度，可能求得較佳的綜合效益。此外 ，鋼管 混凝土結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)用鋼量增加，但施工用鋼量減少，所以工程實(shí)際用鋼量并沒有急驟上升，這是鋼管混凝土拱橋得以迅速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)原因。(4) 橋梁美學(xué)日益受到重視。拱橋是一種極具美學(xué)價(jià)值的橋梁形式，在我國又有深厚的文化 基礎(chǔ)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使拱橋更加輕巧，表現(xiàn)力也更強(qiáng)，中承式、下承式等形式在

5、城 市橋梁中18淺談鋼管混凝土拱橋及其施工方法得到青睞。已建和在建的鋼管混凝土拱橋有一半左右是城市橋梁，其中，中下承形式占了絕大多數(shù)。3 .鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋的類型鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋有兩大類型，一種是鋼管外露的，鋼管以參與結(jié)構(gòu)受力為主，同時(shí)也是施工過程的支架和澆筑管內(nèi)混凝土的模板，成橋過程先合攏鋼管骨架，再澆筑管內(nèi)混凝土形成主拱圈；另一種鋼管以施工受力為主，當(dāng)然也參與成橋的受力，成橋過程先合攏鋼管骨架，然后 澆筑管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土勁性骨架，再將鋼管混凝土勁性骨架作為埋置式拱架澆筑外包混凝土 形成主拱圈。顯然利用鋼管骨架或隨之形成的鋼管混凝土作為勁性骨架，較之傳統(tǒng)的型鋼骨架，大大地減少

6、了用鋼量，減輕了骨架的重量。因?yàn)楣皹騽判怨羌苁┕さ闹饕ｋU(xiǎn)在于失穩(wěn)，剛度要求突出，而鋼管和鋼管混凝土能較好地解決剛度問題。4 .鋼管混凝土拱橋主要施工方法鋼管混凝土拱橋的施工方法本質(zhì)上是勁性骨架方法，雖然鋼管骨架較之鋼筋混凝土輕許多，但跨徑增大以后，鋼管骨架本身的架設(shè)也具有很大的難度。對于100m以下的跨徑，鋼管骨架一般分為3段，吊裝質(zhì)量一般僅十幾噸，可根據(jù)實(shí)際情況采用浮吊、汽車吊等進(jìn)行吊裝；邊段用扣索扣住進(jìn)行合攏，也可以采用少支架支撐。個(gè)別橋梁采用支架施工，在支架上高空焊接一節(jié)節(jié)鋼管成拱，這種方法既沒有發(fā)揮鋼管作為勁性骨架的優(yōu)勢，質(zhì)量又無保證，應(yīng)該避免。對于跨徑在50m左右的，架設(shè)方法更為靈

7、活。當(dāng)跨徑超過百米以后，常用的架設(shè)方法，主要是纜索吊裝和轉(zhuǎn)體施工方法，在條件許可的地方還提出了整體吊裝和分段吊裝的施工方法。下面主要就纜索吊裝法和轉(zhuǎn)體施工法進(jìn)行敘述。4. 1 . 纜索吊裝法纜索吊裝施工方法是我國修建大跨度拱橋的主要方法之一。將鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋中，需要架設(shè)的鋼管骨架比肋拱的質(zhì)量輕很多，因而跨徑可以增大。當(dāng)跨徑不大時(shí)，拱肋分三段吊裝，兩邊段吊裝后用斜扣索扣住，橫向加纜風(fēng)。一般情況下， 應(yīng)該雙肋吊裝、雙肋合攏，兩肋之間設(shè)臨時(shí)橫撐，或?qū)M撐臨時(shí)固定；但雙肋吊裝、雙肋合攏的 吊裝質(zhì)量較大，段與段之間的拼裝難度也較大 ，若拱肋寬度較大（如桁式），則可采用單肋合攏。在 合攏之前各段之間

8、的接頭為上開口 ，要注意接頭的傳力情況；為合攏方便，各段應(yīng)略有上抬，合攏后 逐步落下，調(diào)至設(shè)計(jì)標(biāo)高（留預(yù)拱度）；聯(lián)接各接頭和橫撐，封拱腳成無鉸拱，然后進(jìn)行管內(nèi)混凝 土澆筑。當(dāng)跨徑較大，鋼管勁性骨架節(jié)段多、質(zhì)量大時(shí)，纜索吊裝方法需在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，采用一些其他的新技術(shù)、新工藝 ，以保證施工的安全和拼裝成橋的質(zhì)量。4. 2 . 轉(zhuǎn)體施工法轉(zhuǎn)體施工法是將拱圈分為兩個(gè)半跨在兩岸制作，通過轉(zhuǎn)體合攏的一種施工方法。拱圈繞拱座做豎直旋轉(zhuǎn)合攏的稱為豎向轉(zhuǎn)體施工法，拱圈繞拱座做水平旋轉(zhuǎn)的稱為平面轉(zhuǎn)體施工法。豎向轉(zhuǎn)體施工法是在豎向位置利用地形或搭支架澆筑拱肋混凝土，然后再從兩邊逐漸放倒預(yù)制拱肋搭接成橋的

9、施工方法。豎轉(zhuǎn)施工法當(dāng)跨徑增大以后，拱肋過長，則豎向轉(zhuǎn)動(dòng)不易控制， 施工中容易出現(xiàn)問題，因此一般只在中小跨徑拱橋中應(yīng)用。平面轉(zhuǎn)體施工法是我國首創(chuàng)的施工方法。1977年在四川省遂寧市采用該法建成1孔70m鋼筋混凝土箱肋拱。隨后，這一方法在我國的鋼筋混凝土拱橋中得到推廣應(yīng)用。平面轉(zhuǎn)體施工 法根據(jù)是否采用平衡塊來防止轉(zhuǎn)體過程中的傾覆，又分為平衡重轉(zhuǎn)體和無平衡重轉(zhuǎn)體。平衡重轉(zhuǎn)體主要由平衡體系、轉(zhuǎn)動(dòng)體系（轉(zhuǎn)軸、環(huán)道）和位控體系三部分組成。其平衡體系一般利用橋臺或配重來平衡懸臂主拱，主拱與橋臺一起轉(zhuǎn)動(dòng)。平衡重轉(zhuǎn)體施工方法，當(dāng)跨徑增大后，因平衡重而大大增加了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，給轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)、制 造和. 工程科技 20

10、06年第1期19轉(zhuǎn)動(dòng)、控制都帶來很大困難，而且增加了材料的費(fèi)用，因此隨后又發(fā)展了無平衡重轉(zhuǎn)體施工 方法。無平衡重轉(zhuǎn)體施工法采用錨碇體系平衡懸臂主拱，取消平衡重。錨碇體系通常由作為壓桿的立柱、作為撐梁的引橋主梁以及后錨等部分組成。對于多跨或帶懸臂半跨的拱橋，還可以利用結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量采用自平衡轉(zhuǎn)體施工方法。轉(zhuǎn)體施工方法被廣泛應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋之中，因?yàn)楫?dāng)橋梁跨徑相當(dāng)時(shí)，鋼管混凝土拱橋與鋼筋混凝土拱橋相比，其轉(zhuǎn)體部分是鋼管骨架，因此比鋼筋混凝土拱橋輕很多 ；當(dāng)轉(zhuǎn)體質(zhì)量 相當(dāng)時(shí)，鋼管混凝土拱橋的跨徑就比鋼筋混凝土拱橋大很多。轉(zhuǎn)體施工法在鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用中，除上述因鋼管混凝土拱橋自身的優(yōu)勢使跨徑有

11、很大突破外，在轉(zhuǎn)體質(zhì)量、施工工藝、施工方法等方面也均有了新的突破。5 .鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性問題拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題歷來受到重視。拱橋成橋后拱上建筑或中下承形式的懸吊橋面系有助于加強(qiáng)拱肋的整體穩(wěn)定性，而施工階段為裸拱，穩(wěn)定問題更為突出。國內(nèi)拱橋架設(shè)中 因拱肋失穩(wěn)而造成橋毀人亡事故已有多例，主要是發(fā)生在雙曲拱橋施工之中。眾所周知，雙曲拱橋是由拱肋、拱波、拱板組成，施工時(shí)集零為整，先拱肋、后拱波，再現(xiàn)澆拱板，主拱圈斷面逐步形成，屬自架設(shè)體系。失穩(wěn)事故往往發(fā)生在拱肋合攏階段，或施工加載階段。 鋼管混凝土拱橋亦屬于自架設(shè)體系 ，先架設(shè)空鋼管，再現(xiàn)澆管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土拱。 對于鋼管混凝土勁性

12、骨架拱橋，還要再掛模板澆筑混凝土形成鋼筋混凝土拱橋。當(dāng)然，鋼管混凝土拱橋先期合攏的空鋼管較之雙曲拱橋中的拱肋，強(qiáng)度、剛度均大很多，穩(wěn)定性也相對較高，這也是鋼管混凝土拱的一大優(yōu)點(diǎn)。然而鋼管混凝土材料強(qiáng)度較高，在同等強(qiáng)度的條件下剛度相對較低，且跨越能力強(qiáng)，跨徑較大，因此，這種橋梁出現(xiàn)以后，穩(wěn)定性問題，特別是施工穩(wěn)定性問題就受到 高度的重視。鋼管混凝土拱橋施工過程中的穩(wěn)定問題主要有鋼管骨架吊裝或轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定問題、鋼管 骨架合攏時(shí)的穩(wěn)定問題以及加載過程中的穩(wěn)定問題等。為了保證鋼管拱肋施工階段的安全，常采用扣索和橫向纜風(fēng)索增強(qiáng)其穩(wěn)定性。常見的施工穩(wěn) 定分析中均采用通用程序進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算 ，而這些通用

13、程序又往往無法考慮扣索和橫向纜風(fēng) 的作用，扣索和纜風(fēng)索僅作為安全儲備。然而隨著跨徑的增大，不計(jì)扣索和纜風(fēng)時(shí)計(jì)算所得的安全系數(shù)均不大，勢必要增加施工的費(fèi)用，這是不合理的。鋼管骨架的拱肋始終處于偏心受壓的狀態(tài)，在施工過程中，斜拉索的分力對每一節(jié)段的鋼管骨架都產(chǎn)生偏心受壓的效應(yīng)。成拱后 ，在水平力和豎向力的共同作用下 ，鋼管骨架拱中也始終 存在壓應(yīng)力。對于軸向受力的構(gòu)件來說，需考慮其穩(wěn)定問題，求出臨界力。求臨界力的問題對第一類穩(wěn)定問題可以歸結(jié)為求廣義特征值的問題，但對于構(gòu)件本身具有初始偏心及大撓曲的鋼管骨架拱 而言，其穩(wěn)定問題應(yīng)為第二類穩(wěn)定問題，其臨界力按常規(guī)方法求解較為麻煩。這里采用增量法，每級荷

14、載作用下的幾何非線性方程采用迭代法求解，由位移收斂性判斷并求結(jié)構(gòu)的臨界荷載。也就是說，在解非線性方程時(shí)，每次迭代后求得的位移Ui 若逐步收斂，最后趨于某一限值，則結(jié)構(gòu)具 有整體穩(wěn)定性。如果在某級荷載作用下，每次迭代后求得的位移Ui逐步發(fā)散，直到無限大，則結(jié)構(gòu) 將會失去穩(wěn)定性。程序中用大于1的系數(shù).乘以結(jié)構(gòu)實(shí)際的荷載作用在結(jié)構(gòu)上，逐步增大值，直到迭代過程發(fā)散為止。臨近發(fā)散前的那次收斂為臨界狀態(tài)，這時(shí)的.就是結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的安全系數(shù)。鋼管混凝土拱橋的施工方法是典型的結(jié)構(gòu)組分不斷增加的自架設(shè)方法，施工過程是主拱圈不斷形成的過程，主拱圈截面中先后施工的材料先后受力，施工加載程序?qū)κ┕さ陌踩①|(zhì)量和后期成

15、橋受力有很大的影響，因此應(yīng)進(jìn)行施工加載程序設(shè)計(jì)，以使施工各個(gè)階段都能滿足強(qiáng)度和 剛度的要求，同時(shí)根據(jù)施工過程的變形和其它因素設(shè)置合理的預(yù)拱度。在滿足上述要求的前提下，還要盡20淺談鋼管混凝土拱橋及其施工方法量簡化施工工藝，以方便施工，加快建橋速度。對于以鋼管混凝土為勁性骨架的鋼筋混凝土 拱橋，由于先期骨架拱圈的各個(gè)組成部分中所占的比例較狹義的鋼管混凝土拱橋要小，所以施工加載程序尤其顯得重要。鋼管混凝土拱橋在管內(nèi)混凝土形成強(qiáng)度以前的施工受力驗(yàn)算，宜采用應(yīng)力疊加法計(jì)算鋼管應(yīng)力，用容許應(yīng)力法驗(yàn)算鋼管的應(yīng)力是否滿足要求。在管內(nèi)混凝土形成強(qiáng)度后，則可用內(nèi)力疊加法計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后用極限承載力法進(jìn)行鋼管

16、混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力驗(yàn)算。為方便起見，大部分施工加載驗(yàn)算不以管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度為分界線采用不同的受力計(jì)算與驗(yàn)算方法，而是偏安全地均采用應(yīng)力疊加法計(jì)算應(yīng)力，然后用容許應(yīng)力法進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。施工加載的受力計(jì)算除強(qiáng)度外，穩(wěn)定計(jì)算顯得非常重要。施工穩(wěn)定主要考慮一類穩(wěn)定問題，即平衡分枝失穩(wěn)。因?yàn)榈谝活愂Х€(wěn)具有突發(fā)性和災(zāi)難性，且計(jì)算理論上采用求特征值的方法，當(dāng)不考慮材料非線性時(shí)，計(jì)算求解比較容易，并且有大型通用程序可資應(yīng)用。由于考慮材料非線性 后，其穩(wěn)定系數(shù)會降低，且這類失穩(wěn)具有災(zāi)難性，一般要求其安全系數(shù)應(yīng)取較大值。6 .結(jié)束語目前，作為一種應(yīng)用新材料的橋型，鋼管混凝土拱橋的理論研究還相對滯后，跟不上其發(fā)

17、展的步伐。對鋼管混凝土拱的結(jié)構(gòu)受力特性的研究還剛剛開始；其中長細(xì)比、曲桿、壓彎、交替彎矩等特性顯然與建筑物中的柱子受力特性不同；而直接套用圬工拱橋或鋼筋混凝土拱橋的計(jì)算方法也不合理，更何況拱橋的設(shè)計(jì)理論也不完善。鋼管混凝土拱橋由于材料強(qiáng)度的提高，施工及成橋后的穩(wěn)定問題突出，雖已引起注意，但目前的研究基本上沒有考慮其材料特性。內(nèi)力計(jì)算方面，主要是混凝土收縮、徐變、溫度變化等因素引起的內(nèi)力計(jì)算的研究，但這些因素的影響量值的研究也還在初期階段。另外，對鋼管的防銹問題也不容忽視。隨著跨徑的提高和規(guī)模的增大，鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力性能和抗震性能研究日益顯得迫切，而這方面的研究也遠(yuǎn)未深入。因此，應(yīng)進(jìn)一步總結(jié)

18、經(jīng)驗(yàn)，深入開展理論研究，盡快制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范以及調(diào)查、收集其預(yù)算數(shù)據(jù)等等，以推動(dòng)這種橋型的發(fā)展完善。相信隨著研究的深入，鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中必將得到更多的應(yīng)用。.( 上接第17頁)(6)加強(qiáng)風(fēng)速監(jiān)控，一般情況下遇有六級以上大風(fēng)，停止一切高空和裝吊作業(yè)。8 .效益分析(1) 解決了跨海大橋淺海灘涂區(qū)大跨度大噸位箱梁運(yùn)架施工的難題，開創(chuàng)了世界橋梁史的新(2) 降低工程造價(jià)、縮短工程工期，提高跨海大橋工程建設(shè)速度。(3) 人性化設(shè)計(jì)，設(shè)備機(jī)械化程度高、操作簡單、方便，安全可靠度高，充分簡化了傳統(tǒng)的 架梁程序，減少了勞動(dòng)力的投入。9 . 結(jié)語目前整套運(yùn)架設(shè)備在杭州灣跨海大橋南引橋?yàn)┩繀^(qū)成

19、功的架設(shè)了50m預(yù)制箱梁138片，工程合格率100%,優(yōu)良率100%,設(shè)備運(yùn)行良好，有望提前7個(gè)月完成全部運(yùn)架任務(wù)。實(shí)踐證明 采用梁上運(yùn)梁架設(shè)淺海灘涂區(qū)預(yù)制箱梁安全、快速，是目前解決淺海灘涂區(qū)架梁的最好方案。.工程科技 2006年第1期21當(dāng)然，我們也不否認(rèn)一見鐘情，就不能天長地久，但不是所有的人，都有這么好的福氣，遇到愿意疼你愛你，陪你在俗世煙火里細(xì)水長流的人。讓你心動(dòng)的，不一定可以陪你一生到老，只有愿意陪你在柴米油鹽醬醋茶里，過平淡生活的人，才是你最終的選擇。我們很多人，心里都有一顆浪漫的種子，只是有的種子不斷發(fā)芽，抽枝，最后長成了一棵參天大樹。密匝的情感葉子，遮擋住了現(xiàn)實(shí)的視線，沉迷在浪漫的追求之中，不得自拔。都說婚姻，是一座圍城，它圍住了你的某一些欲望，尤其對浪漫的欲望。如果沒有婚姻這座圍城，那么關(guān)于性，人和低級動(dòng)物，就沒有了區(qū)別。那么你的人生，可真謂是亂七八糟。別一直去詢問對方愛不愛你，嘴巴上的甜言蜜語