【摘要】中承式集束鋼管混凝土平行助拱橋，橋道以上無橫撐，國內(nèi)尚不普遍。本文作為"集束鋼管混凝土提籃拱橋"研究系列之一，探討了結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)與實(shí)踐。拱肋鋼管的"無極繩"吊運(yùn)，橋道橫梁"蕩提法"安裝，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，較通常的天線吊裝，節(jié)省費(fèi)用50％以上。
【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土 拱橋
鋼管混凝土（CFST）拱橋，在公路建設(shè)中，發(fā)展勢(shì)頭很好，無論結(jié)構(gòu)形式還是建設(shè)規(guī)模，均可謂精彩紛呈。本文研究了三管集束拱肋截面，中承式雙肋拱橋，橋道以上無橫撐。作為工程實(shí)踐，于1999年10月建成了洪州大橋，試驗(yàn)及初步運(yùn)營表明，結(jié)構(gòu)性能、景觀效果均獲好評(píng)。
四川省洪雅縣青衣江洪州大橋，全長659m，橋?qū)?6m；孔跨布置由南向北為2＠30＋100＋14＠30m。引孔為跨徑l＝30.0m，拱度f／l＝1／6的空腹式石拱橋（圖1）；全橋設(shè)計(jì)荷載：汽-20級(jí)，掛-100級(jí)，人群3.5kN／平方米。
一、主跨集束鋼管混凝土拱橋
主孔為跨徑l＝100m，拱度f/l＝l／4的中承式肋拱。現(xiàn)擇要敘述本橋的技術(shù)特點(diǎn)。
1．拱肋
拱肋為三管集束截面，即3φ（700～1200）*（8～10）mm。
管間以筋板焊接聯(lián)系為整體，沿管徑方向設(shè)φ32的聯(lián)系筋，管間曲邊三角形灌注砂漿填充，以保證集束截面的整體性，實(shí)現(xiàn)全截面抗力的要求。計(jì)算和實(shí)踐均表明了它的可靠性。
拱肋鋼管材料為Q235b，管心泵灌C40混凝土；拱軸線采取拋物線，優(yōu)化原則是恒載彎矩為最小；拱肋截面變化規(guī)律，取Ritte公式。為了改善拱軸線恒栽變形，鋼管直徑也可沿跨徑方向取拋物線規(guī)律變化。
變截面鋼管采用縱向卷制，沿母線焊接為下大上小的圓臺(tái)形管段，每段長2m左右，然后接長為7～10m的吊裝段。上述構(gòu)思，基于以下考慮：
·拱肋為完全的CFST，可以充分利用CFST的強(qiáng)度和剛度優(yōu)勢(shì)；
·最大限度地減少管道節(jié)點(diǎn)，特別是活載受力的節(jié)點(diǎn)，以避免節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中及活載引起的疲勞損傷。本橋橋道以上無管道節(jié)點(diǎn)，橋道以下斜撐節(jié)點(diǎn)作了緩和應(yīng)力集中的構(gòu)造處理和疲勞設(shè)計(jì)。
·保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)于輕型結(jié)構(gòu)的特大橋，剛度往往控制設(shè)計(jì)。多管集束截面，整體性強(qiáng)，剛度大。很少小于90°的"死角"連接。減少積水，便于防腐操作和保證防護(hù)壽命。
·多管集束，管心混凝土分管泵灌，施工荷載集度劃分變小，有利于施工安全。多管集束可組合為優(yōu)越的截面形式。
2．肋間橫撐
關(guān)于肋間橫撐，有的稱為“風(fēng)撐”（[3]），筆者曾在文獻(xiàn)［1］中，對(duì)此表達(dá)過見解。現(xiàn)今的拱式體系中，橫撐的作用，主要在于剛度貢獻(xiàn)，而非只是承受風(fēng)載的"風(fēng)撐"，其構(gòu)造尺寸也不是依據(jù)風(fēng)載作用決定，而是根據(jù)剛度設(shè)計(jì)的需要取定的。
洪州大橋主跨橋道以上不設(shè)橫撐，不僅是為了構(gòu)造簡單和節(jié)省材料，主要在于肋間構(gòu)造經(jīng)適當(dāng)處理和正確計(jì)算后，可以不設(shè)橫撐，能夠保證結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性所必需的安全度，使長大橋的橋面以上，視野暢通，無阻斷，輕松，簡潔。相應(yīng)地橋道以下則須布置強(qiáng)勁可靠的橫向聯(lián)系，并特別注意單肋根部（拱肋與橋道相交處）的聯(lián)系構(gòu)造（圖1）。本橋橋道以下設(shè)置了兩道K型橫撐，截面為2φ1400*（8～10）mm。除以喇叭口與拱肋連接外，管內(nèi)尚沒必要的聯(lián)結(jié)鋼筋，以保證必需的聯(lián)結(jié)剛度。
顯然，這里注重拱肋的整體性，特別是聯(lián)結(jié)剛度，力求避免如管道桁架體系中那樣，成百上千的管道節(jié)點(diǎn)，緩和或避免節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中及疲勞失效的困擾。
3．橋道系
橋道系為懸吊橫梁加縱向簡支-連續(xù)橋道板組成。橫梁間距5．38m，未設(shè)連續(xù)縱梁。橫梁為P．C混凝土，橋道板為R．C結(jié)構(gòu)。
自1990年成渝高速公路中承式提籃拱橋研究和應(yīng)用開始，對(duì)于橋道與拱肋相交處就采取了只設(shè)橫撐不兼橫梁，以使拱肋受力明確。分析認(rèn)為，近年發(fā)生的某些重大橋梁事故，與該部位設(shè)置模撐兼作橫梁的聯(lián)系構(gòu)造以及使用加載不當(dāng)，有一定的關(guān)系。
4．吊杯吊具
吊桿為121φ7平行高強(qiáng)鋼絲束。本橋吊桿吊具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是見圖2。
·連接器
拱肋內(nèi)側(cè)設(shè)置吊桿連接器，肋內(nèi)連接段的鋼絲數(shù)為吊桿的1.3～1.5倍；拱肋鋼管內(nèi)設(shè)固定錨板，連接器下端設(shè)連接環(huán)與吊桿上端相連接；吊桿之下端，置于橫下緣，錨具為冷鑄激頭錨。
·雙吊杯
橫梁兩側(cè)各設(shè)兩根吊桿（即一橫梁4根吊桿），按一根承載（至少是恒載）設(shè)計(jì)，同時(shí)布置兩根。一則為了安全，再則為了便于吊杯拆換。
·吊桿間距
筆者傾向于取8m左右為宜，目的在于優(yōu)化橫梁與橋道板設(shè)置。本橋基于建筑效果考慮，橫梁間距取為5．38m。吊杯及連接器防護(hù)與一般無異，不詳述。
5．鋼管防護(hù)
本橋鋼管采用復(fù)合材料防護(hù)。厚度為1～3mm，防護(hù)構(gòu)造由隔離、強(qiáng)度及耐候膠衣三層組成，如圖3所示。
防護(hù)構(gòu)造含有不低于鋼材強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)層，以適應(yīng)鋼管受力變形的需要；外層膠衣，抵抗大氣、酸雨、鹽霧、濕熱的腐蝕，可任意配色。耐候膠衣層老化后，尚可重新噴涂覆蓋，煥然一新。
防護(hù)施工，采用專用設(shè)備噴涂，只需清除鋼管表面異物，清潔、干燥即可，勿須噴砂除銹等費(fèi)時(shí)費(fèi)事的環(huán)節(jié)。
復(fù)合材料防護(hù)層，成強(qiáng)過程中具有一定的收縮量，因此，防護(hù)層與鋼管表面除了具有粘結(jié)力外，還具有收縮引起的緊箍力。
經(jīng)中國科學(xué)院金屬所對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：復(fù)合材料防護(hù)之抗酸雨、鹽霧、濕熱等腐蝕性能，顯著地優(yōu)于噴鋅、噴鉛防護(hù)，防護(hù)壽命遠(yuǎn)比后者長。
已有的工程應(yīng)用之價(jià)格，低于噴鋅、噴鉛防護(hù)。
6．拱座
拱肋鋼管伸入拱座混凝土0.5mm左右，與拱座內(nèi)預(yù)埋鋼板相焊接，管內(nèi)設(shè)有埋入拱座的錨固筋。拱座內(nèi)設(shè)有多層鋼筋網(wǎng)。
二、拱肋計(jì)算
橋道以上無橫撐集束鋼管混凝土肋拱橋，除了通常的設(shè)計(jì)計(jì)算以外，具有特點(diǎn)的是拱肋的穩(wěn)定性計(jì)算及施工計(jì)算。
1．拱肋強(qiáng)度計(jì)算
強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)算，按橋規(guī)作了不同荷載及其組合工況的計(jì)算，控制截面最不利組合的計(jì)算成果，均能滿足橋規(guī)之極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
2．拱肋穩(wěn)定性計(jì)算
本橋?yàn)樽兘孛胬吖埃瑯虻酪陨蠜]有橫撐，單肋獨(dú)立承載，為全面考查體系的面內(nèi)、外穩(wěn)定性，取兩種計(jì)算模型：全拱模型、橋道以上的單肋模型。
計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，滿足安全系數(shù)k＞4～5之判據(jù)。
4．施工計(jì)算
對(duì)大橋施工中可能出現(xiàn)的各種典型工況進(jìn)行了驗(yàn)算，即空鋼管狀態(tài)，以及按圖4之1→2→3的順序泵灌混凝土等四種工況。管1泵灌之混凝土成強(qiáng)后，再泵灌2管及3管；泵灌2，3管時(shí)，將對(duì)拱肋作抗扭計(jì)算。
按規(guī)范指示，施工驗(yàn)算，取容許應(yīng)力方法及相應(yīng)的準(zhǔn)則及判據(jù)。
三、施工
橫梁吊裝亦需進(jìn)行控制計(jì)算，計(jì)算不難在內(nèi)力影響線上實(shí)現(xiàn)，計(jì)算響應(yīng)的位移和應(yīng)力，用以控制施工。
本橋主跨拱肋的施工，特點(diǎn)是拱肋鋼管的焊接和無極繩運(yùn)送，以及橫梁的'蕩提法"吊裝。
1．拱肋鋼管
拱肋3根鋼管，在同一截面直徑相同；沿跨徑方向鋼管直徑取為變量。施工放樣所需坐標(biāo)及參數(shù)為管徑ri；，截面形心（C）坐標(biāo)（xc，yc），每個(gè)截面的拱腹和拱背坐標(biāo)，如圖4所示。拱管分段（≈2m）卷制焊接、接長、組拼為吊裝段。
2．拱肋鋼管吊裝
·拱肋鋼管吊裝程序先將圖4之2，3管組拼為吊裝段，重量控制在7t左右，逐段吊裝接長合龍成拱；再在2，3管組成的拱肋上，鋪裝1管，最后形成三管集束截面的拱肋。
·拱肋鋼管吊裝拱助鋼管的吊運(yùn)（圖5），采用環(huán)狀封閉的無極繩系統(tǒng)，以小噸位（5t）卷揚(yáng)機(jī)作動(dòng)力，輕型塔架支撐。鋼管吊件的水平運(yùn)輸以無極鋼繩的周向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，豎向運(yùn)輸以塔架上的豎向滑車組收、放實(shí)現(xiàn)，吊裝布置如圖5所示。
3．橫梁吊裝
橋位處江水水位不穩(wěn)定，大型浮吊無法作業(yè)，通常的天線吊裝，價(jià)格達(dá)210萬元（包括拱肋及橋道）。本橋橋道橫梁用拱肋為支撐，采用"蕩提法"吊裝。所用設(shè)備及工藝均較簡便。橫梁重量38t左右。吊裝布置如圖6。
工藝原理，即T1滑車組為橫梁的提升系統(tǒng)；T2為水平移動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)備能力，確定水平蕩移的角度≤17．5°，相應(yīng)的移動(dòng)平距為10～12m；滑車組豎直提升，可根據(jù)設(shè)備能力決定。當(dāng)完成了工序I后，將橫梁交付到工序Ⅱ的提升滑車組上，繼續(xù)蕩移，循環(huán)移動(dòng)。具體細(xì)節(jié)，在此不再贅述。
4．效果
吊裝所用設(shè)備很少，施工操作安全，運(yùn)行自如，速度不算低。整個(gè)吊裝費(fèi)用僅90萬元左右。
本橋原設(shè)計(jì)為R．C箱肋拱，開工后方才改為現(xiàn)行集束鋼管混凝土肋拱方案。原R．C箱肋拱后吊重達(dá)70t，吊裝費(fèi)用210萬元。兩者相比，蕩提法吊裝橫梁及拱肋鋼管無極繩吊裝，節(jié)省吊裝費(fèi)用110萬元。
四、實(shí)驗(yàn)檢定
洪州大橋的體系、構(gòu)造及施工均有其特點(diǎn)，按竣工驗(yàn)收要求，進(jìn)行了實(shí)載檢定試驗(yàn)。
現(xiàn)代大跨徑橋梁，采用高強(qiáng)材料，體系輕型，按極限狀態(tài)理論設(shè)計(jì)：加之一般的電測法，野外觀測應(yīng)變的可行性、可靠性值得商準(zhǔn)。因此檢定實(shí)驗(yàn)，以活載變形（剛度）檢測為主，以動(dòng)載響應(yīng)為主。在完成了規(guī)定的試驗(yàn)工況后，尚作了一定的超越（包括荷載工況及檢測內(nèi)容），以便為體系研究積累資料。
1．試驗(yàn)設(shè)備及方法
通常的靜載試驗(yàn)及量測為大家所熟知，不詳述。
動(dòng)載試驗(yàn)采用B＆K431三軸向壓電式加速度傳感器，拾取橋梁豎向和橫向信號(hào)；用B＆K2635雙積分電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將方向的信號(hào)記錄于XR-50C的不同聲道上；再以HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行分析處理，得到被測對(duì)象的固有頻率、振幅、加速度等；進(jìn)而求得前五階模態(tài)兩個(gè)方向的頻率、阻尼比、振型等。
2．試驗(yàn)結(jié)果
靜載試驗(yàn)按設(shè)計(jì)之最不利加載，荷載效率取η=1.0。其主要響應(yīng)如表2，表3。
動(dòng)載試驗(yàn)之撓度峰值為5.01mm；加速度峰值為0.463cm／s2；平均沖擊系數(shù)DAF＝1.135。
3．試驗(yàn)分析
·靜載試驗(yàn)分析及結(jié)論
（1）試驗(yàn)結(jié)果，拱頂Mmax工況的設(shè)計(jì)計(jì)算值為Sstat＝18.0mm，試驗(yàn)峰值為S=5.4mm；在各種靜力工況下，拱頂截面最大（面外）橫向撓度為1.0mm，其余各截面測不到讀數(shù)（即小于1.0mm）。結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)η≈1．0時(shí)，彈性變形之實(shí)測值（Se）與計(jì)算值（Sstat）相比，前者僅為后者的1/3左右，系因設(shè)計(jì)計(jì)算模型偏安全取定所致；表明設(shè)計(jì)和施工均是可靠的。
（2）靜載試驗(yàn)非彈性的殘余變形很小--小于量測精度，這是因?yàn)楹奢d試驗(yàn)前，橋梁實(shí)際已經(jīng)承受施工活載及非正式運(yùn)營載荷，非彈性變形已基本消除。
（3）拱肋非對(duì)稱加載，如L／4截面Mmin工況，所發(fā)生的拱肋撓度亦為非對(duì)稱，且與理論預(yù)測接近。
（4）對(duì)比上下游拱肋在各工況下的變形響應(yīng)，小有出入，一般為5％～10％左右，且上下游拱肋或高或低并非一致，荷載愈大相差愈小。
（5）試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，拱腳無位移。
·動(dòng)載試驗(yàn)分析與結(jié)論
（1）結(jié)構(gòu)豎向自振一階頻率為0．82，阻尼比為0．16；橫向自振一階頻率為0．72，阻尼比為0．03，與一般同類橋梁相近，與結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)相符。
（2）橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)平均為1．135，相應(yīng)的車速為20km/h。這與結(jié)構(gòu)的剛度，橋面的平整度及障礙物有關(guān)。當(dāng)橋面不平整或遇障礙物時(shí)，將加大對(duì)橋梁的直接沖擊，增大振幅，加大沖擊系數(shù)。
（3）當(dāng)汽車以V＝40km/h通過時(shí)，沖擊振幅增大，可能系因行車振頻與橋梁低階頻率相近，試驗(yàn)表明沖擊系數(shù)與車速成非線性關(guān)系。
（4）由各階振型曲線可知，橋面振動(dòng)幅值在0．51～0．32mm之間，屬于正常彈性振動(dòng)。
（5）橋上行人的有感震動(dòng)頻率為2～6Hz，試驗(yàn)中的感受得到了證實(shí)。
大橋已經(jīng)運(yùn)行兩年，情況良好。
先后參加此項(xiàng)工作的還有謝玲玲、姜瑞娟、董海、饒俊勇和張耀等。
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