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史進行了簡要回顧，對拱橋施工 方法進行了簡耍敘述。.關鍵詞.鋼管混凝土拱橋施工1刖吞在橋梁結構形式的發展變化過程中，拱橋作為壓彎結構，隨著跨徑 的增大，高強材料的應用受到穩定問題的制約；而鋼筋混凝土和預應力混凝土拱橋由于自重較 大，施工架設問題突出。高強材料的應用和無支架施工的困難，也制約了拱橋的發展。梁式橋在采用 預應力結構之后，由于預應力使得高強度的鋼材和高標號混凝土得以應用，在施工方面又實現了 節段施工，因而煥發了生機。在此情況下，許多橋梁工作者在拱橋高強材料應用和施工等方面進行 了一系列的探索，預應力材料的應用、

2、新結構的開發、無支架施工方法的發展等等，都是這些探索的 結杲。2 .鋼管混凝土拱橋發展現況自從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，由于鋼管混凝土結構在橋梁上的應用，同時解決了拱橋 高強度材料應用和施工兩大難題，因此，鋼管混凝土拱橋在我國得到迅速的發展。盡管鋼管混凝土拱橋在30年代的前蘇聯就已出現，近年來國外也有 少量的修建，但其真正的發展是在90年代的中國，其原因主耍有以下幾點。(1) 近幾年來，我國大力加強交通基礎設施建設，需修建大量的橋 梁，對我國橋梁設計、施工、科研工作提出了新的要求，也提供了極好的發展條件，使得我國橋梁 技術迅速

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

4、，為鋼管混凝土應用于拱橋奠定了堅實的理論基礎和工程實踐 基礎。(3) 隨著我國經濟建設的發展，社會勞動生產率不斷提高，人工費 用上漲幅度較大。另一方面，冶金業的發展，鋼產量不斷上升，雖然大量使用鋼結構還不適合國 情，但適當增加鋼材用量，減少人工費用，提高機械化、裝配化水平，加快施t進度，可能求得較佳的 綜合效益。此外，鋼管混凝土結構雖然結構用鋼量增加，但施t用鋼量減少，所以工程實際用鋼量 并沒有急驟上升，這是鋼管混凝土拱橋得以迅速發展的經濟原因。(4) 橋梁美學h益受到重視。拱橋是一種極具美學價值的橋梁形式, 在我國又有深厚的文化基礎，鋼管混凝土結構的應用，使拱橋更加輕巧，表現力也更強，中 承

5、式、下承式等形式在城市橋梁中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。3 .鋼管混凝土應用于拱橋的類型鋼管混凝土應用于拱橋有兩大類型，一種是鋼管外露的，鋼管以參 與結構受力為主，同吋也是施工過程的支架和澆筑管內混凝土的模板，成橋過程先合攏鋼管骨 架，再澆筑管內混凝土形成主拱圈；另一種鋼管以施工受力為主，當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z

6、傳統的型鋼骨架，大大地減少了用鋼量，減輕了骨架的重量。因為拱橋勁性骨架施工的主要危 險在于失穩，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木質上是勁性骨架方法，雖然鋼管骨架 較z鋼筋混凝土輕許多，但跨徑增大以后，鋼管骨架木身的架設也具有很大的難度。對于100m 以下的跨徑，鋼管骨架一般分為3段，吊裝質量一般僅十兒噸，可根據實際情況采用浮吊、汽車 吊等進行巾裝；邊段用扣索扣住進行合攏，也可以采用少支架支撐。個別橋梁采用支架施工，在支架上 高空焊接一節節鋼管成拱，這種方法既沒有發揮鋼管作為勁性骨架的優勢，質量乂無保證，應該 避免。對于

7、跨徑在50m人右的，架設方法更為靈活。當跨徑超過百米以后，常用的架設方法，主要是 纜索吊裝和轉體施工方法，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體施工法進行敘述。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z。將鋼管混 凝土應用于拱橋中，需要架設的鋼管骨架比肋拱的質量輕很多，因而跨徑可以增大。當跨徑不大吋，拱肋分三段吊裝，兩邊段吊裝后用斜扣索扣住，橫 向加纜風。一般情況下，應該雙肋吊裝、雙肋合攏，兩肋z間設臨時橫撐，或將橫撐臨時固定；但 雙肋吊裝、雙肋合攏的吊裝質量較大，段與段之間的拼裝難度也較大，若拱肋寬度較大（如桁式）， 則

8、可采用單肋合攏。在合攏z前各段之間的接頭為上開口，要注意接頭的傳力情況；為合攏方便， 各段應略有上抬，合攏后逐步落下，調至設計標高（留預拱度）；聯接各接頭和橫撐，封拱腳成無 較拱，然后進行管內混凝土澆筑。當跨徑較大，鋼管勁性骨架節段多、質量大吋，纜索巾裝方法需在傳 統方法的基礎上加以改進，采用一些其他的新技術、新工藝，以保證施工的安全和拼裝成橋的質 里。4. .2 .轉體施工法轉體施工法是將拱圈分為兩個半跨在兩岸制作，通過轉體合攏的一 種施t方法。拱圈繞拱座做豎直旋轉合攏的稱為豎向轉體施工法，拱圈繞拱座做水平旋轉的 稱為平面轉體施工法。豎向轉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，

9、 然后再從兩邊逐漸放倒預制拱肋搭接成橋的施工方法。豎轉施工法當跨徑增大以后，拱肋過長, 則豎向轉動不易控制，施丁中容易出現問題，因此一般只在中小跨徑拱橋中應用。平面轉體施工法是我國首創的施工方法。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 廣應用。平面轉體施工法根據是否采用平衡塊來防止轉體過程中的傾覆，乂分為平衡重轉體和 無平衡重轉體。平衡重轉體主要由平衡體系、轉動體系（轉軸、環道）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，主拱與橋臺一起轉動。平衡重轉體施工方法，當跨徑增大后，因平衡重而大大增加了轉體

10、質量，給轉盤的設計、制造和 工程科技2006年第1期19轉動、控制都帶來很大困難，而且增加了材料的費用，因此隨后又發 展了無平衡重轉體施工方法。無平衡重轉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，還可以利用結構自身的質量采用自 平衡轉體施工方法。轉體施工方法被廣泛應用于鋼管混凝上拱橋z中，因為當橋梁跨徑 相當吋，鋼管混凝土拱橋與鋼筋混凝土拱橋相比，其轉體部分是鋼管骨架，因此比鋼筋混凝土 拱橋輕很多；當轉體質量和當時，鋼管混凝土拱橋的跨徑就比鋼筋混凝土拱橋大很多。轉體施工法在鋼管混凝土拱橋的應用

11、中，除上述因鋼管混凝土拱橋 自身的優勢使跨徑有很大突破外，在轉體質量、施工工藝、施工方法等方面也均有了新的突破。 5 .鋼管混凝土拱橋穩定性問題拱橋作為壓彎結構，穩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拱肋的整體穩定性，而施工階段為裸拱，穩定問題更 為突出。國內拱橋架設中因拱肋失穩而造成橋毀人亡事故已有多例，主要是發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，施工吋集零為整， 先拱肋、后拱波，再現澆拱板，主拱圈斷面逐步形成，屬口架設體系。失穩事故往往發生在拱肋合攏 階段，或施工加載階段。鋼管混凝土拱橋亦屬于自架設體系，先架設空鋼管，再

12、現澆管內混 凝土形成鋼管混凝土拱。對于鋼管混凝土勁性骨架拱橋，還要再掛模板澆筑混凝土形成鋼筋混 凝土拱橋。當然，鋼管混凝土拱橋先期合攏的空鋼管較z雙曲拱橋屮的拱肋，強度、剛度均大很多， 穩定性也相對較高，這也是鋼管混凝土拱的大優點。然而鋼管混凝土材料強度較高，在同等強度的 條件下剛度相對較低，且跨越能力強，跨徑較大，因此，這種橋梁出現以后，穩定性問題，特別 是施工穩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定問題主要有鋼管骨架巾裝或轉體 過程中的穩定問題、鋼管骨架合攏時的穩定問題以及加載過程中的穩定問題等。為了保證鋼管拱肋施工階段的安全，常采用撲i索和橫向纜風索增強 其穩定性。常見

13、的施工穩定分析中均采用通用程序進行穩定性計算，而這些通用程序乂往往 無法考慮扌ii索和橫向纜風的作用，扣索和纜風索僅作為安全儲備。然而隨著跨徑的增大，不計扣索 和纜風時計算所得的安全系數均不大，勢必要增加施工的費用，這是不合理的。鋼管骨架的拱肋始終處于偏心受壓的狀態，在施工過程中，斜拉索 的分力對每一節段的鋼管骨架都產生偏心受壓的效應。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力。對于軸向受力的構件來說，需考慮其穩定問題，求出臨界力。 求臨界力的問題對第一類穩定問題可以歸結為求廣義特征值的問題，但對于構件本身具有初始偏 心及大撓曲的鋼管骨架拱而言，其穩定問題應為第二類穩

14、定問題，其臨界力按常規方法求解較為麻 煩。這里采用增量法，每級荷載作用下的兒何非線性方程釆用迭代法求解，由位移收斂性判斷并求 結構的臨界荷載。也就是說，在解非線性方程時，每次迭代后求得的位移ui 若逐步收斂，最后 趨于某一限值，則結構具有整體穩定性。如果在某級荷載作用下，每次迭代后求得的位移ui逐步發 散，直到無限大，則結構將會失去穩定性。程序中用大于1的系數乘以結構實際的荷載作用在結 構上，逐步增大.值，直到迭代過程發散為止。臨近發散前的那次收斂為臨界狀態，這吋的就是結 構整體穩定的安全系數。鋼管混凝土拱橋的施工方法是典型的結構組分不斷增加的自架設方 法，施工過程是主拱圈不 斷形成的過程，主

15、拱圈截面中先后施工的材料先后受力，施工加載 程序對施工的安全、質量和后期成橋受力有很大的影響，因此應進行施工加載程序設計，以使施工 各個階段都能滿足強度和剛度的 要求，同吋根據施工過程的變形和其它因素設置合理的預拱度。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混凝土形成強度以前的施工受力驗算，宜采 用應力疊加法計算鋼管應力，用容許應力法驗算鋼管的應力是否滿足要求。

16、在管內混凝土形成 強度后，則可用內力疊加法計算結構的內力，然后用極限承載力法進行鋼管混凝土結構的極限承 載力驗算。為方便起見，大部分施工加載驗算不以管內混凝土達到強度為分界線采用不同的受力計 算與驗算方法，而是偏安全地均采用應力疊加法計算應力，然后用容許應力法進行應力驗算。施工加載的受力計算除強度外，穩定計算顯得非常重要。施工穩定主 要考慮一類穩定問題，即平衡分枝失穩。因為第一類失穩具有突發性和災難性，且計算理論上 采用求特征值的方法，當不考慮材料非線性時，計算求解比較容易，并且有大型通用程序可資應 用。由于考慮材料非線性后，其穩定系數會降低，且這類失穩具有災難性，一般要求其安全系數應 取較大

17、值。6 .結束語目前，作為一種應用新材料的橋型，鋼管混凝土拱橋的理論研究還 相對滯后，跟不上其發展的步伐。對鋼管混凝土拱的結構受力特性的研究還剛剛開始；其中長細 比、曲桿、壓彎、交替彎矩等特性顯然與建筑物中的柱了受力特性不同；而首接套用垢工拱橋或鋼 筋混凝土拱橋的計算方法也不合理，更何況拱橋的設計理論也不完善。鋼管混凝土拱橋由于材料強度的提高，施工及成橋后的穩定問題突出，雖已引起注意，但冃前的研究基本上沒有考慮其材料 特性。內力計算方面，主要是混凝土收縮、徐變、溫度變化等因素引起的內力計算的研究，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 模的增大，鋼管混凝土拱橋的動力性能和抗震性能研究h益顯得迫切，而這方面的研究也遠未深 入。因此，應進一步總結經驗，深入開展理論研究，盡快制定相應的設計、施工規范以及調查、收集 其預算數據等等，以推動這種橋型的發展完善。和信隨著研究的深入，鋼管混凝土拱橋在橋梁工程屮 必將得到更多的應用。(上接第17頁)(6)加強風速監控，一般情況下遇有六級以上大風，停止一切高空 和裝吊作業。8 .效益分析(1)