钢管混凝土拱桥的回眸与展望

钢管混凝土拱桥的回眸与展望

谢海清,张　方,代　璞

(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)

【摘　要】　介绍了钢管混凝土拱桥的历史,综述了拱桥的类型和我国十多年来在钢管混凝土拱桥方面的发展及所取得的成果;并提出了钢管混凝土拱桥的发展前景,以及进一步研究方向。

【关键词】　钢管混凝土;　拱桥;　历史;　展望

【中图分类号】　U448122 【文献标识码】　B

1　拱桥发展的历史

111　拱桥的起源与发展

人们对拱的概念源于天然拱,溪流穿过岩石缝隙,随着水流冲刷、自然风化,孔隙不断扩大,逐步形成天然拱。如:四川涪陵的小溪天然拱,拱高45m、跨度80m、宽20m。还有法国的阿尔代什、美国的列克敦都是世界著名的天然拱。从天然拱到人工建造石拱桥,经历了漫长的岁月。拱桥的祖先是石拱桥。我国石拱桥历史悠久,在世界桥梁发展史上占有重要的地位。《后汉书・梁冀传》记载的“飞桥”,应是我国最早的石拱桥。比较著名的有:建于隋唐时代(公元605年～618年)的河北赵州桥,1192年落成的卢沟桥,它们堪称石拱桥中的典范。新中国成立以后,我国桥梁得到迅猛发展,跨径不断增大并屡创历史记录。2001年12月在晋焦路上建成的丹河桥,主跨达到146m,为我国当今最大跨径的石拱桥。1946年瑞典建成的绥依纳松特石拱桥,跨径为155m,为该类桥的世界最大跨径。

112　钢管混凝土拱桥的发展

拱桥的发展和其它桥梁一样,始终受力学、材料科学和施工技术的制约。到公元18世纪,工业革命中钢铁的发展以及波特兰水泥的发明和钢筋混凝土的出现引发了桥梁的技术革命。钢管混凝土的产生以及其强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击等方面的性能,受到桥梁工程师们的重视,他们找到了建造拱桥的一种新型材料,并开始将其应用于拱桥。前苏联在30年代用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河的101m梁拱组合体系的公路桥和位于西伯利亚跨径达140m的铁路桁肋拱桥。我国研究钢管混凝土已有50多年的历史,随着1990年我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥的建成,钢管混凝土拱桥犹如异军突起,以其独特的适应能力,在短短的十余年内风靡大江南北。据不完全统计,我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达100余座。

2　我国钢管混凝土拱桥的现状

211　钢管混凝土拱桥发展迅速

同世界上存在的其他事物一样,钢管与混凝土组合使得两者相得益彰。一方面内填的混凝土可以增强钢管壁的稳定性,同时钢管对核心混凝土的套箍作用又使混凝土处于三向应力状态。将其应用于拱桥而成的钢管混凝土拱桥具有以下几方面的独特优点:

21111　施工方便、节省费用

与钢筋混凝土相比,采用钢管混凝土没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序,施工简便,特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落不振捣混凝土和免振自密实混凝土等施工工艺,更可加速钢管混凝土构件的施工进度。一般钢管砼拱桥分两个阶段成拱:第一阶段是钢管成拱,钢管拱既可以作拱架又可作模板,于是大大节省搭设支架和模板费用;第二阶段是浇注管内混凝土,钢管作为模板,又可以节省大量的时间。21112　自重小、安装简便

与钢筋混凝土拱肋相比,钢管拱肋自重小、刚度大,如同其它钢结构一样,属于自架设体系可以采用无支架施工、悬臂拼装、浮运和转体等方法安装,架设容易、设备简单、工期短、费用低。21113　跨越能力大,适应能力强

钢管混凝土的承载能力大大高于钢管、混凝土承载能力之和,因此,其跨越能力要高于一般的钢筋混凝土肋拱。正在建设的巫山长江大桥,主拱为钢管拱桥,跨度460m。在无法或搭设支架困难的大江、大河、深谷、水深激流上,钢管拱显示了自身的优势。

21114　造型美观,体现民族特色

钢管拱适宜构筑成中、下承式结构,做成无推力拱,大大减少墩台的工程量,降低建设高度,减少了两端的引桥工程量,适宜跨越平原的宽浅河流。且钢管拱极易营造出优美的人文景观,体现民族特色,展现时代风貌。

自“九五”以来,恰逢历史的大好机遇,我国公路建设迅速发展。公路桥梁向着大跨径、快速施工方向发展,钢管混凝土拱桥以其以上特点得到迅速发展,跨径与规模不断增大,型式多样,分布区域也越来越广,特别是在广东、浙江、江苏、福建建造较多。

[收稿日期]2003-12-25

[作者简介]谢海清,男(1982～),现为西南交通大学桥梁工程在读硕士研究生,主要从事钢管混凝土拱桥行为和施工控制研究。

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　・　工程结构　・　

四川建筑　第24卷3期　200416

212　钢管混凝土拱桥型式各异21211　钢管混凝土拱桥的分类

(1)按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所起的主要

作用,钢管砼拱桥可分为普通钢管混凝土拱桥和钢管混凝土劲性骨架拱桥。前一种为内包混凝土,即钢管表皮外露,与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分,同时也作为施工时的劲性骨架,这类桥梁目前主要有单管和哑铃形肋拱、桁拱以及桁架拱,跨径从几十米到三百多米,即为我们通常所说的钢管混凝土拱桥;另一种是内外都包混凝土,钢管

表皮不外露,钢管主要作为施工的劲性骨架,先内灌混凝土成钢管混凝土后再挂模板外包混凝土形成断面。其跨越能力较强,最大的为四川巫山长江大桥己达460m 。其设计一般列入钢筋混凝土拱桥的范畴。

(2)钢管混凝土拱桥,按车承形式,可分为上承式、中承式和下承式。上承式拱建筑高度大,对地基要求高,适合于峡谷桥位;下承式拱一般带拉杆(系杆拱),它主要用在建筑高度受限制、通航要求高和地基条件较差的情况下。下承式拱桥的截面只能是肋式或桁式;中承式拱的构造介于上承式和下承式之间,其建筑造型极佳,在城市桥梁中往往受到青睐,但过去用钢筋混凝土建造,则显得过于粗笨。系杆拱按系杆的形式又可分为两种:一种是上下部之间刚接,系杆不参与桥面受力,为纯拉杆,刚架系杆拱。采用此形式的较多,如旺苍东河大桥、南海佛陈大桥等;另一种系杆即为纵梁,属弯拉结构,为拱梁组合体系。

(3)通常的钢管混凝土拱肋为平行,然而为了加强横向稳定可做成非平行拱肋,特别是宽跨比比较小的长大拱桥,常做成X 型拱肋,以加强其横向稳定性。对于中下承式肋拱,我们形象的称为提篮拱。有时为了增强美学效果,与周围环境相协调,将拱肋沿拱脚到拱顶逐渐向外张开,英国称为Lesbury bridge ,我们可以形象地称之为元宝形拱或蝴蝶形拱。不过该类型拱桥的横向稳定性有待进一步研究。

21212　钢管混凝土平行肋拱桥

钢管拱最常见的、最适宜的形式是平行肋拱桥。按钢管的拱肋形式,根据构筑的拱肋钢管数目不同,从已建成的实桥统计分析,主要有以下几种形式:单圆管、哑铃形、集束式、

三根圆管组成的三角形肋、桁式拱肋,其中桁式又有三管桁式、四管桁式、六管桁式。我国已建的钢管混凝土拱桥中,大多采用平行拱肋。

下面表1是已建各截面型式平行肋拱桥的比较:

表1　钢管混凝土肋拱桥截面比较

截面型式经济跨径

已建成最大跨径桥例

单圆管70m ～80m 福建福鼎山前大桥,下承式、跨径80m 、2000年建成

哑铃形80m ～100m 湖北三峡黄柏河大桥,上承式、跨径160m 、1996年建成

集束式140m ～240m 四川峡门口乌江大桥,中承式、跨径140m 、1996年建成

桁式拱肋

100m ～400m

广东丫髻沙大桥,飞鸟式、主跨径360m 、2000年建成

上表列出的是已建成最大跨径的同类桥梁,记录随时可能被刷新,比如:待建中的贵州落脚河大桥截面为集束五管

变截面,跨径达到240m ;正在建设当中的湖南南县茅草街大

桥,为飞鸟式,截面为四管桁式,主跨跨径为368m 。21213　钢管混凝土提篮拱

在我国已建非平行拱肋桥梁当中,提篮拱较常见,它通过改变拱肋的间距,在提高拱肋横向刚度的同时,拱肋的自重和材料用量却没有明显的提高,具有较好的经济性。提篮拱在国外应用较早,多为中下承式。钢筋混凝土拱,由于自重大较难做成提篮的型式,而钢管混凝土拱在施工过程中钢管骨架自重较轻,架设难易程度与钢桥相当。我国最早的钢管砼提篮拱桥是于1993年竣工的四川成渝高速公路上的内江新陇坳大桥;跨径较大的是2002年建成的铜瓦门大桥(L =238m )为中承式提篮拱桥,丹东月亮岛大桥(L =202m )为下承式提篮拱桥。目前在建的徐州京杭大运河特大桥也采用了提篮拱。213　我国钢管混凝土拱桥发展简历

下表列出了我国自1990年首座钢管混凝土拱桥建成以来的每次重大技术突破。

表2　我国钢管混凝土拱桥简历

建成年份

桥 例

1990年四川建成旺苍东河钢管拱桥,跨径115m ,我国第一座钢管拱桥

1993年浙江建成新安江望江钢管拱桥,跨径120m 1995年广东建成南海三山西钢管拱桥,跨径首达200m 1996年广西建成邕江312m 钢管混凝土劲性骨架拱桥2000年广州建成的丫髻沙钢管拱桥,跨径为360m 2003年

四川巫山长江大桥钢管主拱合龙,跨径460m ,为目前该类桥梁世界第一

3　展　望

311　钢管混凝土拱桥的发展前景

我国目前仍处于交通基础设施建设的高潮,钢管混凝土拱

桥的应用仍在不断的发展之中。周先念教授在上世纪90年代初期就提出,在我国的一般大河上,水面宽不过五、六百米,可以一大拱跨过,在更宽的江面上可以采用多孔系杆拱桥。特别是我们现在已经将跨度做到460m ,所以钢管混凝土拱桥在大跨度拱桥上具有广阔的前景。另一方面,随着经济的发展,交通量迅猛增长,与之相适应的城市桥梁也越做越宽,于是需建城市特宽桥。而钢管混凝土拱桥以其在施工、造型等各方面的优点,在城市宽桥、特宽桥上具有很强的竞争力。31111　在大跨度拱桥上的应用

周念先教授曾在其著作《桥梁方案比选》中,提出在500～1000m 的超大跨范围内,可供比选的方案有悬索桥、斜拉桥和系杆拱桥,我们可以以650m 为第一目标,待有了成功经验后,再向1000m 前进。在拱桥当中,钢筋混凝土拱桥由于其构造、施工等各方面的因素,其跨径已经受到限制;而钢管混凝土拱桥与钢桥的跨越能力相差不大,且钢管混凝土拱桥用钢量很省,符合我国的国情。

近几年来,钢管桁架拱优势明显,发展较快。在我国已建的大跨度拱桥中在广东广州建成的丫髻沙钢管拱桥,和正

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