【技術】鋼管混凝土拱橋可望實現700m級

特大跨徑鋼管混凝土拱橋具有造價低廉、施工快速、後期維護費用低、抗風抗震性能好等優點。2013年建成的主跨530m世界最大跨徑鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋(波司登大橋)，解決了大跨徑鋼管混凝土拱橋設計中的關鍵問題，積累了真空灌注鋼管內混凝土、主拱桁高精度製造、斜拉扣掛安裝等施工經驗，形成了500m級鋼管混凝土拱橋的成套施工技術。並且，其工程造價相比同橋址懸索橋比較方案節約達9200多萬元，比同屬瀘渝高速公路的另一座跨長江的斜拉橋少1.1億元，經濟性非常顯著。隨著跨徑的增大，鋼管混凝土拱橋的經濟優勢更大，因此開展更大跨徑鋼管混凝土拱橋的可行性研究十分必要。

研究結果表明，建造700m級的鋼管混凝土拱橋已不存在技術門檻，綜合考慮經濟、安全等因素，是該跨徑級別的強力競爭橋型之一，應儘早進行工程實踐和推廣。

700m 級 的 試 設 計

總 體 設 計

以四川某高速公路的一處橋位為背景，開展700m級鋼管混凝土拱橋的試設計。

圖1 橋跨總體布置圖

根據地形地質情況，主孔凈跨徑設計為650m，全橋跨徑組合為32m×21m，全橋長為693m;主跨主拱為鋼管混凝土桁式結構;橋面主梁為「工」形格子梁，格子樑上設置為鋼—混凝土組合橋面板，主橋吊杆採用環氧噴塗鋼絞線，吊杆間距為21m。橋跨總體布置圖見圖1。

主 拱 設 計

主孔跨凈徑為650m的懸鏈線主拱，凈矢跨比為1/4，拱軸係數為1.75，拱腳截面高為20m，拱頂截面高為10m。主拱每肋為桁式矩形截面，主拱上下弦桿採用1500mm×28mm的鋼管，拱腳下弦段採用1500mm×34mm的鋼管，主拱上下弦鋼管內灌注C80自密實高性能混凝土;腹桿採用750mm×16mm的鋼管，腹桿與弦管採用相慣焊縫連接。拱上吊杆和立柱間距均為21m。拱肋中距為29m。兩肋間橋面上的拱桁上弦平面設置「K」形鋼管橫撐，每根吊杆處設置豎向鋼管桁架橫，橋面以下的拱腳段設置徑向鋼管混凝土桁架橫撐。主拱弦管和腹管採用Q345鋼材。

橋面梁由兩道主縱梁(靠近吊杆處)、3道次縱梁、吊杆處主橫樑、吊杆主橫樑間設置的4道次橫樑組成格子橋面梁;主、次縱橫樑均採用「工」形截面。格子樑上橋面板採用鋼—混凝土組合結構，橋面底面鋼板厚8mm，橋面板總體厚度為15cm，橋面鋪裝為5cm厚的改性瀝青混凝土。

橋樑格子梁的受力鋼結構、主拱弦管和腹管採用Q345鋼材。

兩岸的拱座設計為分離式的鋼筋混凝土拱座，基礎置於穩定的、完整的弱風化基岩上，要求地基允許應力不小於2.8Mpa。引橋和橋台基礎置於完整的基礎上，要求地基容許應力大於0.6Mpa。

主拱鋼管在工廠加工完成後運至工地，採用斜拉扣掛法安裝合龍成拱，安裝體系由扣索體系和吊裝體系組成，其中扣索體系由錨固點、索鞍、扣塔、張拉端及扣索五大結構部分組成。主拱鋼管內C80混凝土採用抽真空輔助灌注工藝完成。

主 拱 計 算

表1 主拱內力表

1.靜力計算成果。鋼管混凝土承載能力計算，按內力疊加法計算主拱桁單肢柱內力及承載力計算成果見表1所示(最不利荷載組合)。

按照單肢主拱和桁式主拱分別進行截面抗力計算，驗算按照交通運輸部《公路鋼管混凝土橋樑設計細則》(報批稿下稱《細則》)承載力驗算，表明單肢主管和桁式主拱最小極限承載力安全係數為1.27。驗算按照《細則》的應力法驗算，鋼管混凝土的最大應力為49.7Mpa，小於容許值65.3Mpa，同時，腹管等鋼結構最大應力為169Mpa，滿足Q345鋼材容許應力要求。

2.穩定計算成果。主橋主拱一階彈性穩定安全係數為5.77，為側向整體失穩;主橋主拱一階雙重非線性穩定安全係數為2.07，為側向整體失穩。局部構件失穩的彈性穩定安全係數為12.43，為第9階。

3.動力性能。全橋動力性能，主梁第一階自震頻率為0.12Hz，如果設置縱向阻尼器，主梁第一階自震頻率達0.23Hz。主拱第一階自震頻率為0.18Hz。

關 鍵 施 工 技 術

拱 桁 加 工 制 造

700m級鋼管混凝土拱橋試設計與500m級合江長江一橋相比較，弦桿鋼管直徑由1320mm增大至1500mm，鋼管的最大壁厚(34mm)並未增加，拱桁製造難度沒有明顯增加，現有的鋼管構件的製造工藝滿足要求。

圖2 拱桁立式拼裝

圖3 拱桁卧式拼裝

700m級鋼管拱的拱桁截面高度由16m增加至20m，可能會增加立式拼裝製作的難度。但從合江長江一橋的製造經驗看(見圖2、圖3)，拱肋卧拼製作精度只要達到一定範圍內，可不立拼。合江橋1/3拱桁節段只卧拼，完全滿足了安裝合龍的需要，因此700m級鋼管拱的拱桁製造，卧拼便可。

拱 桁 安 裝

1.拱桁吊裝

通過合江長江一橋的實踐，200t級的纜索吊機實現了500m級鋼管混凝土拱橋的纜索吊裝施工，如要實現700m級的鋼管混凝土拱橋的纜索吊裝施工，可以採取兩種方式：一是增多拱桁安裝節段數量;二是增大纜索吊機的吊重能力。

從國內橋樑施工的應用來看，纜索吊機不論是增大索跨和增大吊重能力均可行。如重慶鵝公岩長江大橋(懸索橋)安裝加勁梁的纜索吊機，工作索跨600m，吊重3000kN;四渡河大橋(懸索橋)安裝加勁梁的纜索吊機，索跨900m，吊重1000kN;寧波明州大橋(鋼箱拱)，纜索吊機索跨450m，吊重4000kN。但因700m級鋼管混凝土拱橋的工作索跨度非常大，增大纜索吊機的吊重能力會對纜索系統提出更高的要求，因此建議以增加拱桁安裝節段數量為主，適當考慮增大纜索吊機的吊重能力。

通過增加拱桁安裝節段數量，將拱桁節段質量控制在2000kN以內，那麼，目前2000kN級纜索吊機僅是工作索跨的增大，700m級的鋼管混凝土拱的纜索吊機的工作索跨預計在800m左右即可滿足要求，在合江長江一橋纜索吊機的基礎上，再增加4根主索基本可以滿足要求，經濟性較優。

圖4 雲桂鐵路南盤江特大橋的鋼管混凝土勁性骨架

筆者首創的鋼絞線斜拉扣掛合龍松索技術，通過千斤頂張拉和放鬆很容易實現對扣索力的調整，從而實現對拱肋安裝標高的調整，並且可以實現無應力狀態下合龍，使合龍的難度與拱肋分段吊裝的段數無關。從目前實踐看，拱桁段數增多，並未造成任何對施工和安裝質量的影響。巫山長江大橋，拱桁(單肋吊裝)共分22段，單段最大質量1280kN;合江長江大橋，拱桁(單肋吊裝)共分18段，單段最大質量1 940kN;雲桂鐵路南盤江特大橋的鋼管混凝土勁性骨架(見圖4)，拱桁(雙肋吊裝)共分38段，單段最大質量1300kN，均實現了拱桁高精度合龍。

經試設計估算，700m級鋼管混凝土拱橋拱桁鋼結構約12000t，拱桁(單肋吊裝)分32節段，可控制單段最大質量在2000kN以內。

2.扣塔和吊塔設計

隨著拱桁跨度的增大，斜拉扣掛體系扣塔的高度也可能會增大，特別是受地形條件的影響，會造成塔架系統的高度較高，不利於纜索吊機的布置。解決該問題可以採用弔扣合一的方式。從試設計的情況來看，合理的地形條件下，並不會引起塔架系統的明顯增高。合江長江一橋的塔架系統總高約180m，該高度也基本滿足前面試設計的700m級拱桁安裝的施工。

圖5 南寧大橋「弔扣合一」塔架

吊塔與扣塔合一的方式通常有兩種：一種是將吊塔置於扣塔頂部，吊塔塔腳為鉸結，需要在扣塔頂部設置鋼樑來支承吊塔塔鉸，如合江長江一橋的方式。另一種是將扣塔直接加高，將纜索吊機的索鞍布置於扣塔頂部，如南寧大橋的方式(見圖5)。兩種方式都具有可行性。

拱 肋 管 內 混 凝 土 灌注

合江長江一橋500m級鋼管混凝土拱橋的單根鋼管混凝土約800m3，拱桁凈矢高111m，採用三級連續真空輔助泵送(抽真空設備為4台2BEA-252型水環式真空泵)，其選用的混凝土泵機為三一HBT80泵，輸送壓力高壓16Mpa，理論高壓輸送量45m3/h，共灌注約12h，實際泵機平均每小時輸送量約30.8m3，其工作效率約為0.685。

試設計的700m級鋼管混凝土拱橋的單根鋼管混凝土約1300m3，拱桁凈矢高162.5m。如選用三一HBT120混凝土輸送泵，基本能滿足分級連續頂升灌注的要求，該輸送泵輸入壓力高壓21Mpa，理論高壓輸送量75m3/h，考慮工作效率0.65，單台泵機的有效輸送能力約49m3/h，兩台泵機兩岸對稱泵送，1300m3混凝土約13h即可灌注完成。用筆者首創的技術，扣掛在拱骨架1/6跨徑附近的兩組拉力隨管內混凝土澆注過程而變化的斜拉索調載，就能把鋼管拱骨架在施工中應力和變形控制在預設範圍內。

施工上仍採用真空輔助分級連續灌注工藝，抽真空設備只需增加1～2台同類型真空泵即可;分級上可以按混凝土供應能力、泵送能力、緩凝時間、運輸能力等綜合考慮，採用三級或四級泵送即可完成。

應 用 推 廣 前 景 可 期

在500m級鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋的設計和建造基礎上，對700m級鋼管混凝土拱橋的設計和建造進行了可行性研究，得到如下結論。

1.在實際橋位上按照現場地形和地質情況試設計的700m級鋼管混凝土拱橋，其靜力、動力和穩定性都滿足規範的要求。

2.700m級鋼管混凝土拱橋的拱桁製造，仍可通過現有工藝完成，難度沒有明顯增加，卧拼工藝可以達到規範規定的安裝精度要求。

3.通過增加拱桁安裝節段數量的方式控制吊重，結合鋼絞線斜拉扣掛合龍松索技術，以現有的工藝即可完成拱桁吊運及懸拼施工，並達到相應的精度控制要求。

4.扣塔和吊塔設計為弔扣合一的方式，既具有較高的經濟性，也具有可行性。用合江長江一橋開發使用的搖臂抱桿系統，安、拆高塔既方便又經濟。

5.採用真空輔助分級連續灌注管內混凝土工藝，可以高質、快速地完成700m級鋼管混凝土拱橋拱肋管內混凝土灌注。利用不斷變換索力的斜拉扣索調載，可以把從拱腳至拱頂連續灌注管內混凝土產生的瞬時應力和變形控制在安全範圍內。

以500m級鋼管混凝土拱橋的設計與建造技術為基礎，進行適度的改造和深化，將之應用到700m級鋼管混凝土拱橋的建設中去，不會有大的技術門檻。考慮到在良好地質或山嶺重丘地區修建拱橋的巨大經濟優勢，應儘早進行700m級鋼管混凝土拱橋的工程實踐和推廣，為該跨徑級別的橋樑修建提供更多、更好的選擇。

作者單位/廣西大學土木建築工程學院

廣西路橋工程集團有限公司

編輯/王碩

美編/落曦

審校/廖玲

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