【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)、設計與實踐。拱肋鋼管的"無極繩"吊運，橋道橫梁"蕩提法"安裝，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，較通常的天線吊裝，節(jié)省費用50％以上。
【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土 拱橋
鋼管混凝土（CFST）拱橋，在公路建設中，發(fā)展勢頭很好，無論結(jié)構(gòu)形式還是建設規(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。作為工程實踐，于1999年10月建成了洪州大橋，試驗及初步運營表明，結(jié)構(gòu)性能、景觀效果均獲好評。
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）；全橋設計荷載：汽-20級，掛-100級，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。
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，實現(xiàn)全截面抗力的要求。計算和實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的強度和剛度優(yōu)勢；
·最大限度地減少管道節(jié)點，特別是活載受力的節(jié)點，以避免節(jié)點應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，橋道以下斜撐節(jié)點作了緩和應力集中的構(gòu)造處理和疲勞設計。
·保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，對于輕型結(jié)構(gòu)的特大橋，剛度往往控制設計。多管集束截面，整體性強，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“風撐”（[3]），筆者曾在文獻［1］中，對此表達過見解。現(xiàn)今的拱式體系中，橫撐的作用，主要在于剛度貢獻，而非只是承受風載的"風撐"，其構(gòu)造尺寸也不是依據(jù)風載作用決定，而是根據(jù)剛度設計的需要取定的。
洪州大橋主跨橋道以上不設橫撐，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)適當處理和正確計算后，可以不設橫撐，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。相應地橋道以下則須布置強勁可靠的橫向聯(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，緩和或避免節(jié)點應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用開始，對于橋道與拱肋相交處就采取了只設橫撐不兼橫梁，以使拱肋受力明確。分析認為，近年發(fā)生的某些重大橋梁事故，與該部位設置模撐兼作橫梁的聯(lián)系構(gòu)造以及使用加載不當，有一定的關(guān)系。
4．吊杯吊具
吊桿為121φ7平行高強鋼絲束。本橋吊桿吊具設計的要點是見圖2。
·連接器
拱肋內(nèi)側(cè)設置吊桿連接器，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)設固定錨板，連接器下端設連接環(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)各設兩根吊桿（即一橫梁4根吊桿），按一根承載（至少是恒載）設計，同時布置兩根。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。吊杯及連接器防護與一般無異，不詳述。
5．鋼管防護
本橋鋼管采用復合材料防護。厚度為1～3mm，防護構(gòu)造由隔離、強度及耐候膠衣三層組成，如圖3所示。
防護構(gòu)造含有不低于鋼材強度的纖維增強層，以適應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。
防護施工，采用專用設備噴涂，只需清除鋼管表面異物，清潔、干燥即可，勿須噴砂除銹等費時費事的環(huán)節(jié)。
復合材料防護層，成強過程中具有一定的收縮量，因此，防護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)中國科學院金屬所對比實驗表明：復合材料防護之抗酸雨、鹽霧、濕熱等腐蝕性能，顯著地優(yōu)于噴鋅、噴鉛防護，防護壽命遠比后者長。
已有的工程應用之價格，低于噴鋅、噴鉛防護。
6．拱座
拱肋鋼管伸入拱座混凝土0.5mm左右，與拱座內(nèi)預埋鋼板相焊接，管內(nèi)設有埋入拱座的錨固筋。拱座內(nèi)設有多層鋼筋網(wǎng)。
二、拱肋計算
橋道以上無橫撐集束鋼管混凝土肋拱橋，除了通常的設計計算以外，具有特點的是拱肋的穩(wěn)定性計算及施工計算。
1．拱肋強度計算
強度設計驗算，按橋規(guī)作了不同荷載及其組合工況的計算，控制截面最不利組合的計算成果，均能滿足橋規(guī)之極限狀態(tài)設計準則。
2．拱肋穩(wěn)定性計算
本橋為變截面肋拱，橋道以上沒有橫撐，單肋獨立承載，為全面考查體系的面內(nèi)、外穩(wěn)定性，取兩種計算模型：全拱模型、橋道以上的單肋模型。
計算結(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．施工計算
對大橋施工中可能出現(xiàn)的各種典型工況進行了驗算，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泵灌之混凝土成強后，再泵灌2管及3管；泵灌2，3管時，將對拱肋作抗扭計算。
按規(guī)范指示，施工驗算，取容許應力方法及相應的準則及判據(jù)。
三、施工
橫梁吊裝亦需進行控制計算，計算不難在內(nèi)力影響線上實現(xiàn)，計算響應的位移和應力，用以控制施工。
本橋主跨拱肋的施工，特點是拱肋鋼管的焊接和無極繩運送，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。施工放樣所需坐標及參數(shù)為管徑ri；，截面形心（C）坐標（xc，yc），每個截面的拱腹和拱背坐標，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（圖5），采用環(huán)狀封閉的無極繩系統(tǒng)，以小噸位（5t）卷揚機作動力，輕型塔架支撐。鋼管吊件的水平運輸以無極鋼繩的周向運動實現(xiàn)，豎向運輸以塔架上的豎向滑車組收、放實現(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，價格達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為水平移動系統(tǒng)。根據(jù)設備能力，確定水平蕩移的角度≤17．5°，相應的移動平距為10～12m；滑車組豎直提升，可根據(jù)設備能力決定。當完成了工序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。具體細節(jié)，在此不再贅述。
4．效果
吊裝所用設備很少，施工操作安全，運行自如，速度不算低。整個吊裝費用僅90萬元左右。
本橋原設計為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70t，吊裝費用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)省吊裝費用110萬元。
四、實驗檢定
洪州大橋的體系、構(gòu)造及施工均有其特點，按竣工驗收要求，進行了實載檢定試驗。
現(xiàn)代大跨徑橋梁，采用高強材料，體系輕型，按極限狀態(tài)理論設計：加之一般的電測法，野外觀測應變的可行性、可靠性值得商準。因此檢定實驗，以活載變形（剛度）檢測為主，以動載響應為主。在完成了規(guī)定的試驗工況后，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．試驗設備及方法
通常的靜載試驗及量測為大家所熟知，不詳述。
動載試驗采用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；用B＆K2635雙積分電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，將方向的信號記錄于XR-50C的不同聲道上；再以HP3562A動態(tài)信號分析儀進行分析處理，得到被測對象的固有頻率、振幅、加速度等；進而求得前五階模態(tài)兩個方向的頻率、阻尼比、振型等。
2．試驗結(jié)果
靜載試驗按設計之最不利加載，荷載效率取η=1.0。其主要響應如表2，表3。
動載試驗之撓度峰值為5.01mm；加速度峰值為0.463cm／s2；平均沖擊系數(shù)DAF＝1.135。
3．試驗分析
·靜載試驗分析及結(jié)論
（1）試驗結(jié)果，拱頂Mmax工況的設計計算值為Sstat＝18.0mm，試驗峰值為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η≈1．0時，彈性變形之實測值（Se）與計算值（Sstat）相比，前者僅為后者的1/3左右，系因設計計算模型偏安全取定所致；表明設計和施工均是可靠的。
（2）靜載試驗非彈性的殘余變形很小--小于量測精度，這是因為荷載試驗前，橋梁實際已經(jīng)承受施工活載及非正式運營載荷，非彈性變形已基本消除。
（3）拱肋非對稱加載，如L／4截面Mmin工況，所發(fā)生的拱肋撓度亦為非對稱，且與理論預測接近。
（4）對比上下游拱肋在各工況下的變形響應，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）試驗未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，拱腳無位移。
·動載試驗分析與結(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)體系的特點相符。
（2）橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)平均為1．135，相應的車速為20km/h。這與結(jié)構(gòu)的剛度，橋面的平整度及障礙物有關(guān)。當橋面不平整或遇障礙物時，將加大對橋梁的直接沖擊，增大振幅，加大沖擊系數(shù)。
（3）當汽車以V＝40km/h通過時，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，橋面振動幅值在0．51～0．32mm之間，屬于正常彈性振動。
（5）橋上行人的有感震動頻率為2～6Hz，試驗中的感受得到了證實。
大橋已經(jīng)運行兩年，情況良好。
先后參加此項工作的還有謝玲玲、姜瑞娟、董海、饒俊勇和張耀等。
參考文獻
[1]湯國棟等．拱式橋梁的新進展--成渝公路內(nèi)江提籃拱橋建成．成都科技大學學報，1996年第2期，p4l～52
[2]鐘善桐．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)．哈爾濱：黑龍江科學技術(shù)出版社，1994
[3]陳寶春．鋼管混凝土拱橋設計與施工．北京：人民交通出版社，1999
[4]湯國棟，湯羽．軸向受壓鋼管混凝土短柱的表觀彈塑性本構(gòu)方程及其極限承載力．中國公路學報，1991年，第13期
