鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

二、肋拱橋橫向結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土拱橋均為助拱橋,由于其材料強(qiáng)度高,隨著跨徑的增大,橫向穩(wěn)定問題較為突出,所以其橫向結(jié)構(gòu)的合理采用至關(guān)重要。上承式助供,可采用多助結(jié)構(gòu)(多于二的),橫向聯(lián)系通常布置成等間距的徑向根撐(或根系梁),其橫向穩(wěn)定主要取決于整橋的寬跨比。對于中不承式拱,橫向聯(lián)系的布置在橋面附近受到行車空間的限制,同時(shí)對橫向動(dòng)力特性和美觀也有很大的影響,合理布且尤為重要。有時(shí)為加強(qiáng)其橫向穩(wěn)定性,將其兩助內(nèi)傾而成提亞扶。與之相對應(yīng),一般助扶則稱為平行肋供。當(dāng)然,對于跨徑不是很大的城市橋梁,或出于景觀考慮,也有做成無風(fēng)撐的。

l橫撐布置

橫撐布置對結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定的影響要大于其自身剛度。研究表明,拱頂附近揭撐布置成與拱軸線正交、在其他地方與拱軸線相切,對提高橫同穩(wěn)定效果較好[4]。這是因?yàn)?拱助橫向先穩(wěn)向面外惻傾時(shí),拱頂處的債撐主要承受洪助的扭轉(zhuǎn)變形,采用豎向布置的橫撐增強(qiáng)了對拱肋在拱頂處的扭轉(zhuǎn)變形的約束,能提高拱的面外穩(wěn)定性。在其他地方,尤其是L/4附近拱助側(cè)傾時(shí)根撐要承受供助的相對錯(cuò)動(dòng),對核撐是橫向?yàn)尘?因此,采用切向布置(如K撐),對約束拱助的相對錯(cuò)動(dòng)有較大的作用。

橫撐在增加橫向穩(wěn)定的同時(shí),由于它使得供的橫向整體剛和質(zhì)量的提高,特別對于中下承式拱橋由于重心的提高,使得拱對橫向地震波的響應(yīng)增大[5]。對于鋼管混凝土拱橋來說,在橫向受力時(shí),由于結(jié)構(gòu)受力并不以受壓為主,因此鋼管混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)并沒有得到充分發(fā)揮出.相對于寶鋼管拱橋來說,鋼管混凝土拱橋鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量加大了供的橫向受力。因此,正確處理鋼管混凝土拱橋的橫向穩(wěn)定和抗橫向地震作用力這一矛盾顯得十分重要。

拱橋的橫向基頻與結(jié)構(gòu)型式和橫向構(gòu)造有關(guān)。中不承式拱的橫向基頻較上承式的低;在下承式中,拱架組合體系的橫向基頻較剛架系桿拱的低。不同位置的根撐對助供的橫向基頻也有著不同的影響。拱頂模搜數(shù)量和剛度變化較供腳的根撐數(shù)量變化,對面外基頻影響要明顯得多。因此,對于中承式拱在拱腳采用較強(qiáng)的橫向聯(lián)系(如K撐、X撐)、在拱頂采用較少較弱的橫撐,既能滿足橫向穩(wěn)定要求,又有利于減小橫向地震力作用,同時(shí)建筑造型也較佳。

由于目前鋼管混凝土拱橋橫向穩(wěn)定計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)方法的還不完善,一些設(shè)計(jì)者由于擔(dān)心橫向先穩(wěn)而采用過強(qiáng)的橫向聯(lián)系,既造成浪費(fèi),也不利于抗震安全社,這在位于強(qiáng)震區(qū)的橋梁尤其有害。

2提籃拱

提籃拱(又稱X型肋拱)顯然能提高洪的橫向穩(wěn)定性。但提籃供隨著傾角的增加,會(huì)使下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量也相應(yīng)增加。對拱應(yīng)直接坐落于基巖時(shí),由于可采用分離式拱座,工程數(shù)量增加有限。拱肋的傾斜也會(huì)給施工帶來困難,因此,應(yīng)選擇合適的傾角。有關(guān)研究認(rèn)為采用X型肋拱其橫向穩(wěn)定性可比平性助拱提高12-20倍,同時(shí)也會(huì)降低供肋的面內(nèi)極限承載力【6】。所以,X型肋拱的內(nèi)傾角也不是越大越好,一般控制在3度 ~15度之間,以10度附近為佳。

盡管我國一些學(xué)者在研究的基礎(chǔ)上,提倡采用提籃拱,但由于過去以鋼筋混凝土材料為主的拱橋在施工上的困難而極少采用。1993年竣工的四川成渝高速公路上的內(nèi)江新龍拗大橋,采用了提籃拱。該橋?yàn)閱慰玟摴芑炷羷判怨羌芟渲?。目前在建的徐州一連云港高速公路徐州京杭大運(yùn)河特大橋采用了提籃拱。該橋?yàn)閹冶鄣闹谐形鋭偣禇U鋼管混凝土拱,跨徑布置為57.5米+235m+57.5米 ,主拱斷面為根啞鈴形平行四邊形行式,拱肋內(nèi)傾9.934度,成提籃狀。

應(yīng)該指出,提籃拱在提高橫向穩(wěn)定性的同時(shí),也使得造型較佳,然而對于寬跨比較大的橋梁,純粹為了造型的原因而采用提籃拱是增加了下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的工程量,增加了施工的難度,是不必要、不合理、也是不經(jīng)濟(jì)的。

3無風(fēng)撐供

無風(fēng)撐拱指中、下承式肋拱,出于美觀考慮,或當(dāng)橋面較寬而跨徑又不大時(shí)出于經(jīng)濟(jì)和美觀考慮,將兩肋之間的橫撐(或稱風(fēng)撐)完全取消的肋拱橋,也有稱之為做四拱的。無風(fēng)撐拱主要解決拱助的橫向失穩(wěn)問題。解決這一問題的途徑主要有兩個(gè)。一是提高拱肋自身的橫向抗彎剛度;二是提高結(jié)構(gòu)體系的橫向穩(wěn)定性。

采用橫向圓端形截面(加浙江義烏篁園橋、杭州新塘橋)、橫向雙圓肋(如浙江義烏賓王橋)、橫向底箱肋(如廣東中山二橋)、三肢桁肋(如黑龍江依蘭牡丹江大橋)等等,都是提高拱肋自身橫向抗彎能力而采取的截面形式。

對于拱梁組合體系,宜作成剛性系桿剛性拱或剛性系桿柔性拱,系桿(梁)通常采用箱形梁,除自身有較強(qiáng)的抗扭、抗拉和抗彎能力外,與縱梁固結(jié)的橋面橫梁也能極大地提高橋面系的剛度,這樣為拱肋的橫向穩(wěn)定提供了較大的非保向力作用。

對于鋼管混凝土中下承式拱橋,其橋面系一般為簡單懸掛的結(jié)構(gòu),其自身的橫向剛度不大,吊桿的剛度也很柔,所以橋面系對拱肋橫向穩(wěn)定的貢獻(xiàn)與拱梁組合體系有很大的差別,因此,對于剛架系桿拱應(yīng)慎用無風(fēng)撐供。

三、拱肋截面構(gòu)造

鋼管混凝土拱橋的拱助,當(dāng)跨徑不大時(shí)可采用單管截面。單管截面主要有圓形和國端形,單圓管加工簡單,抗扭性能好,抗軸向力性能由于緊箍力作用顯示出優(yōu)越性,但抗彎效率較低,主要用于跨徑不大(80米以下)的城市橋梁和人行橋中。

肋拱橋中絕大部分為啞鈴形斷面,跨徑從幾十米到160m,以100m附近為多。啞鈴形截面較之單圓管截面,截面抗彎剛度較大,類似于工字形截面,但由于兩圓管的直徑與高度之比在1/2.5附近,因而不能視為鋼管混凝土格構(gòu)式截面。腹腔內(nèi)的混凝土受鋼板橫向套箍作用機(jī)理復(fù)雜,缺乏研究,若采用鋼管混凝土理論計(jì)算,計(jì)算將很復(fù)雜。由于鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)理論滯后,現(xiàn)行的計(jì)算方法常將其作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),使這一矛盾并不突出,且考慮到腹腔內(nèi)混凝土處于中和軸附近,設(shè)計(jì)計(jì)算常將其忽略,而只計(jì)及自重。

啞鈴形截面的腹板與圓管相接的交角較小,而且上下兩管彎曲成型后,腹板的焊接有較大的殘余應(yīng)力,所以加工較為困難,質(zhì)量不易得到保證。在灌注混凝土過程中,腹板受混凝土壓力的作用容易外鼓,所以有時(shí)需有拉桿對拉或采用其他措施,這使得較為構(gòu)造復(fù)雜。 從經(jīng)濟(jì)角度來說,鋼管混凝土構(gòu)件中鋼管的作用較大、所占的造價(jià)比重也較大,理應(yīng)將鋼材盡可能地安排在外留(即不計(jì)混凝土?xí)r,應(yīng)是箱形斷面),而啞鈴形截面并沒有使所有的鋼材都處于截面的外圍。這同鋼筋混凝土構(gòu)件將矩形截面變形工字形截面的效果不同。所以鋼管混凝土拱橋,在跨徑較小時(shí)可采用單臂截面,在跨徑增大以后應(yīng)采用行武斷面,采用啞鈴形截面的跨徑范圍不應(yīng)像目前這樣廣泛。

橋式拱助能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度,且桿件以受軸向力為主,能夠充分發(fā)揮材料的特性,對跨徑超過100米的鋼管混凝土拱橋,桁肋是一個(gè)比較合適的截面形式。前蘇聯(lián)30年代建造的NceTb河鐵路拱橋,即為二鉸變截面桁拱。

我國較早出現(xiàn)的桁拱斷面為橫向啞鈴形橋式,其上下為兩個(gè)橫啞鈴形斷面,腹桿用鋼管桁片,廣東南海三山西大橋(主跨200米,帶懸臂中承式剛架系桿拱)、陜西延安王家坪延河大橋(凈跨l90m,中承式)等橋采用這種形式。這種截面形式,根啞鈴形綴板中的混凝土較之前述的啞鈴形斷面對加大抗彎剛度有較大的作用,但這種截面的鋼一混凝土橫腹板的受力特性與國鋼管混凝土相差很大,同樣存在著設(shè)計(jì)計(jì)算上不能采用套箍理論的問題。因此,其后又發(fā)展了混合式的桁式斷面。這種斷面,上弦采取橫啞鈴形,下弦兩根鋼管采用鋼管下平聯(lián)聯(lián)結(jié)。上弦為了縮短綴板的長度,寬度較下弦為短而形成梯形斷面,河南安陽文峰立交橋(主跨135m,下承式剛果系桿拱)、四川高谷烏江大橋(凈跨150m,中承式)等橋采用這一形式。

直接采用多肢桁式(格構(gòu)式)斷面的鋼管混凝土肋拱近年來有較多采用的趨勢。這種拱助弦桿采用鋼管混凝土材料,腹桿和平聯(lián)均采用鋼管,它較之橫啞鈴形橋式截面,材料省自重輕,跨越能力強(qiáng)。同時(shí),由于各肢以受軸向力為主,更易于采用鋼管混凝土理論進(jìn)行計(jì)算。在多肢桁式斷面中,四肢最為常見,截面的高度與寬度之比在2:回附近較為合理,拱肋的面外穩(wěn)定性主要通過橫向聯(lián)系來保證。福建閩清石潭溪大橋(凈跨136m,中承式)、沈陽渾河長青大橋(凈跨140m,中承式)、四川眉山根江大橋(主跨206m,帶懸臂中承式剛架系桿供)、廣西三岸色江大橋(凈跨270m,中承式)等橋采用了完全桁式斷面。

另外,還有一種采用集束鋼管混凝土的肋拱橋。這種結(jié)構(gòu)加工量少,材料用量比桁拱多,未被橋梁界普遍接受,其受力性能有待實(shí)踐與理論驗(yàn)證。

鋼管混凝土材料的顯著優(yōu)點(diǎn)之一是在構(gòu)件受壓時(shí),鋼管對混凝土的緊箍力作用使混凝土的受壓強(qiáng)度得到提高。為使這一優(yōu)勢得到充分發(fā)揮,應(yīng)采用強(qiáng)度較高的鋼材,但含銅率不必太大。在鋼管混凝土拱橋中通常合鋼車在5%~12%之間。但日前有些鋼管混凝土拱橋的拱肋合鋼車接近 20% 。通常所說的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)其合鋼率在20%以下。接近或超過20%則其受力性能與鋼結(jié)構(gòu)相近。鋼管管壁較厚時(shí),鋼管的局部屈曲問題并不突出,填充混凝土的必要性不足,而且鋼管的加工也困難。因此,采用太高的含銅率是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。

因?yàn)橛袖摴艿奶坠孔饔谩⒍夜笆浇Y(jié)構(gòu)常以穩(wěn)定控制,所以管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度不必要求太高,一般采用C40。但由于現(xiàn)在混凝土標(biāo)號的提高不會(huì)使造價(jià)成倍增加,所以也有采用C50甚至C60。

四、橋面系

鋼管混凝土拱橋除拱梁組合體系橋面系為以縱梁為主外,其余均以橫梁為主結(jié)構(gòu)。它將橫梁設(shè)置于立柱上或吊桿下,然后縱向鋪設(shè)橋面板(梁)?；钶d經(jīng)橋面系通常橫梁傳給立柱或吊桿,立柱或吊桿再將荷載傳給拱肋。

這種橋面系不參與總體受力,屬于局部受力傳力結(jié)構(gòu),其單位自重不隨著橋梁跨徑的增加而明顯增加,這也是這類拱橋跨徑可以較大的原因之一。在已建成的鋼管混凝土中下承式拱橋中,主拱跨徑在五六十米時(shí),吊桿間距一般在4m左右;主供跨徑在60~150m時(shí),吊桿間距在5~10m之間;跨徑超過150m以后,吊桿間距宜在12m附近。吊桿間距再大以后,橋面板的自重會(huì)增加較多,建筑高度也會(huì)隨之增大,這對中下承式供,特別是下承式拱的總體經(jīng)濟(jì)性是不利的。當(dāng)然,無論橋梁跨徑多大,一成不變地采用4m,5米的吊桿間距也是不合理的。因?yàn)樵谶@種非拱架組合體系拱橋的橋面系中,橋面板和橫梁中活載占總荷載的比例較大,而吊杯及其錯(cuò)具的受力更是以活載(尤其是掛車荷載)控制,在4~12m的吊杯間距范圍內(nèi),吊桿、橫梁、橋面板的受力并不隨著吊桿間距的增大而明顯增大。因此,隨著橋梁跨徑的增大,吊桿的間距適當(dāng)?shù)丶哟?總體經(jīng)濟(jì)效益是好的,而且也符合審美的需要。

鋼管混凝土拱橋由于拱助截面的輕型化,使得橋面系在恒載中所占的比例上升。無論是從結(jié)構(gòu)還是從施工方面來說,橋面系的輕型化問題都顯得十分必要。尤其是寬橋,橫梁的受力很大,其重量在橋面系自身中所占的比例也很大。橫梁的跨度一般等于兩拱助的中距。橫梁所承擔(dān)的荷載長度為兩吊桿或立柱的間距。當(dāng)橫梁跨徑在10m附近時(shí),通常采用鋼筋混凝土構(gòu)造;在20m附近時(shí),則應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)造;跨徑更大時(shí),可以考慮采用鋼一混凝土或鋼一預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁構(gòu)造。

廣州丫髻沙大橋主跨 360米,橋面?zhèn)认蚩倢挾? 32.4m(含分隔帶),吊桿橫梁采用了鋼一混凝土組合梁。橫梁計(jì)算跨徑31.62m和 35.5米,鋼橫梁為二字形,橋面橫坡通常橫梁腹板的變化形成。一根鋼橫梁的自重在30t左右,吊裝后在其頂板上澆筑混凝土約18t,總重僅46t左右。若采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁則重達(dá)100t左右,結(jié)構(gòu)自重和吊裝重量均大很多。

深圳北站大橋是一座城市跨鐵路站場的立交橋,主跨 150m,橋?qū)? 23.5米。橫梁采用預(yù)應(yīng)力鋼一混凝土組合梁。利用縱鋪的預(yù)應(yīng)力空心橋面板作為組合梁受壓翼緣的一部分,組合梁中的鋼梁采用了高托座預(yù)應(yīng)力鋼箱梁。

五、結(jié)束語

鋼管混凝土拱橋是一種優(yōu)勢明顯、極具發(fā)展?jié)摿Φ臉蛐?及時(shí)總結(jié)其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)是非常必要的,而開展深入系統(tǒng)的研究則更為重要。然而到目前為止,除少數(shù)研究單位進(jìn)行了為數(shù)有限的鋼管混凝土拱橋受力全過程性能、極限承載力、溫度應(yīng)力、混凝土徐變等實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)和理論外,大部分的研究是針對具體橋梁進(jìn)行的實(shí)橋測試、驗(yàn)證性試驗(yàn)和以大型通用程序?yàn)橹鞯挠邢拊治?動(dòng)力性能研究則更少,對鋼管混凝土拱橋受力性能的研究還缺乏深入細(xì)致和全面系統(tǒng)的了解。這就使得我國鋼管混凝土拱橋的大規(guī)模應(yīng)用缺乏必要的技術(shù)準(zhǔn)備,實(shí)際應(yīng)用帶有較大的盲目性。在實(shí)際應(yīng)用方面,目前還未有鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范,使得工程設(shè)計(jì)與施工無章可循,這可能給工程造成浪費(fèi)和留下質(zhì)量問題和安全隱患。因此建議有關(guān)方面應(yīng)重視鋼管混凝土拱橋的技術(shù)研究,投入較多的經(jīng)費(fèi),組織科技攻關(guān);盡快制定頒發(fā)鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范,以使這一具有中國特色的橋梁結(jié)構(gòu)顯示其應(yīng)有的技術(shù)先進(jìn)性的經(jīng)濟(jì)合理性。在當(dāng)前的情況下,應(yīng)慎重發(fā)展鋼管混凝土拱橋,尤其是大跨徑、大規(guī)模的鋼管混凝土拱橋。

參考文獻(xiàn)

[l]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工北京;人民交通出版社,1999.3

[2]ZHENG,Zhenfei;CHEN ,Baochun and Wu,Qingxiong."Recent Development of CFST Arch Bridge in china",Composite and Hybird Structures(Procceedings of 6th ASCCS C onference),Los Angeles,USA,March,2000

[3]陳寶春,鄒中權(quán),蘭溪大橋鋼管混凝土剛架系桿拱設(shè)計(jì).湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),13(4),1998年12月

【4】項(xiàng)海帆,劉光棟.拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng).北京:人民交通出版社,1991

【5】劉玉擎,陳寶春,彥坂熙等,非線形地震應(yīng)答特性.第25回地震工學(xué)研究發(fā)表會(huì)講演論文集,1999.7