钢管混凝土哑铃形截面拱桥应用

《广西大学学报》2016年第一期

摘要:

为对钢管混凝土哑铃形截面拱桥的工程应用与研究提供参考，文中根据收集到的大量已建钢管混凝土哑铃形截面拱桥基础资料，介绍了哑铃形截面拱桥的发展概况、桥跨结构类型、拱肋截面受力特点和各类哑铃形拱桥常用施工方法，并对其结构与构造的主要参数，如拱轴线形、矢跨比、宽跨比、拱肋跨高比、拱肋截面高宽比、拱肋材料特性、横撑和吊杆布置等进行统计分析，提出了钢管混凝土哑铃形截面拱桥主要设计参数的取值范围。分析表明:大多数哑铃形拱桥的矢跨比f/L在0.2～0.25范围;矢跨比为0.2的桥梁最多，约占桥例总数50%;拱肋跨高比L/h主要分布在30～50范围，跨高比一般随跨径增大而增大;拱肋截面高宽比h/d与跨径关系很小，不同跨径区间哑铃形拱桥的高宽比都集中2.5左右，其中高宽比在2～3范围的桥梁占总数90%以上。

关键词:

钢管混凝土;哑铃形截面;拱桥;参数分析;工程应用

钢管混凝土拱桥的拱肋截面形式主要有单圆管、哑铃形和桁式等［1］。单圆管拱肋主要应用于跨径不超过80m的钢管混凝土拱桥［2］;桁式拱肋是大跨钢管混凝土拱桥主要采用的拱肋结构形式［3］;总体而言，多数哑铃形拱桥的跨径介于单圆管拱和桁式拱之间。根据现有统计资料，哑铃形拱桥约占各类钢管混凝土拱桥总数的42%，所占比例最大。钢管混凝土哑铃形截面构造特殊，受力性能复杂，目前针对哑铃形截面拱桥的试验研究和理论研究较少。鉴于目前钢管混凝土哑铃形截面拱的广泛应用程度及理论研究相对滞后的现状，为了更好地指导设计和施工，本研究在收集钢管混凝土哑铃形拱桥相关资料的基础上，对该类拱桥的主要结构与构造参数进行统计分析，提出了相关参数的合理取值范围。

1发展概况

截止2014年12月，本文共收集到168座钢管混凝土哑铃形截面拱桥资料，在具体参数分析时，以已知结构参数的桥梁为分析对象。表1列出了我国10座跨径大于150m的钢管混凝土哑铃形拱桥的简要情况。图1示出了钢管混凝土哑铃形桥在我国建设发展简况。从图1中可以看出，1990年以来，哑铃形拱桥建设数量不断增加，尤其近5年增速进一步加快，期间新建的哑铃形拱桥约占总数的30%。哑铃形拱的常用跨径范围为60～140m。这主要是因为，与相同跨径的预应力混凝土梁桥相比，钢管混凝土哑铃形拱桥不仅跨越能力强、结构类型众多、造型美观，而且其上下部结构施工方便、造价适中，在不同桥址区多样复杂的地形、地质、景观要求等条件下均可选用适当的结构类型建桥。从行业范围看，哑铃形拱桥主要应用于公路和市政道路，两者所占比例接近，合计超过80%，铁路桥应用相对较少。在已知参数的27座铁路哑铃形拱桥中，有25座建造于2005年之后。这主要得益于近10年来我国高速铁路建设的飞速发展。

2桥跨结构

2.1结构类型参照文献［4］的分类方法，根据行车道位置不同和拱脚有无推力，对钢管混凝土哑铃形拱桥进行区分，分为上承式、中承式、下承式拱梁组合、下承式刚架系杆、飞鸟式以及其他等结构类型。各类型拱桥所占比例如图2所示。下承式拱梁组合桥所占比例最大，占总数的41.9%;其次为中承式，占总数23.1%，下承式刚架系杆拱占21.9%，上承式和飞鸟式均不超过10%，而包括斜靠式拱［5］、上下复合式拱［6］等其他结构形式所占比例均很小。哑铃形拱桥的结构类型与桥址区的地形、地质、景观要求等因素关系密切。上承式拱桥主要在地质条件较好的山区跨越沟谷时应用;下承式拱梁组合桥、系杆拱桥等无推力拱桥主要建造在地质条件一般的平原区;飞鸟式拱则更多是用于景观要求较高的桥梁上。哑铃形拱桥的结构类型与所应用的行业也有一定关系。多数飞鸟式和中承式哑铃形拱桥应用于市政桥，而公路哑铃形拱桥的结构类型分布与各行业哑铃形拱桥整体分布规律较接近。在铁路桥中，超过60%的哑铃形拱桥采用拱梁组合体系。这主要因为拱梁组合桥的上部结构整体刚度大，适用于需承受更大荷载的铁路桥。

2.2桥跨结构的主要参数绝大多数哑铃形拱桥的拱轴线型为二次抛物线和悬链线，其中以二次抛物线最多，占已建桥梁总数58.4%，拱轴线形为悬链线的占总数37.6%。从图3可看出，拱轴线形与跨径有一定相关性，二次抛物线主要用于跨径小于120m的哑铃形拱桥，悬链线在各个跨径的应用较平均。拱轴线型与结构类型也有一定关联。以拱梁组合桥为例，在收集的67座哑铃形拱梁组合桥中，超过75%的拱轴线型采用二次抛物线。这主要由于拱梁组合桥具有较大刚度的系梁，桥面上荷载通过系梁均匀地分布到各吊杆再传递到拱肋，拱肋轴线设计为二次抛物线，使拱的受力状态达到最佳［7］。矢跨比是拱结构的重要参数，会直接影响拱结构内力状态。矢跨比大小跟结构类型、横撑布置及景观要求等因素相关。大多数哑铃形拱桥的矢跨比f/L在0.2～0.25范围，以0.2最多，占样本总数的49.0%。根据收集到的桥例资料，哑铃形拱桥的宽跨比覆盖范围较广，在1/18.2～1/1.5，其中，宽跨比在1/9～1/3范围的哑铃形拱桥占75.5%，而宽跨比与跨径几乎不相关。表2为钢管混凝土哑铃形拱桥的桥跨结构主要参数统计分析结果。哑铃形拱桥的桥梁跨径与桥梁结构类型有一定关系，占总数近90%的中下承式哑铃形拱桥的平均跨径都在100m左右，应用较少的飞鸟式和上承式拱桥的平均跨径稍大，尤其是上承式哑铃形拱桥的平均跨径达到121.1m。

3拱肋构造

3.1拱肋截面受力特点哑铃形截面由上、下两根填充混凝土的圆钢管及中部腹腔组成，形似运动器械中的“哑铃”。在上、下钢管与腹腔的组合作用下，哑铃形截面抗压性能好，面内抗弯刚度大，同时，拱肋截面占桥面空间小，故其在桥梁建设中应用较多。然而，由于其特殊的截面构造，哑铃形截面的面内与面外抗弯刚度相差悬殊，面外抗弯刚度远小于面内抗弯刚度，应用于大跨拱桥时易发生面外失稳，故在跨径超过150m的特大桥中应用较少。当然，影响拱桥面外稳定的因素，除了拱肋截面特性外，还有桥跨结构、横撑布置以及吊杆非保向力效应［8-10］等。

3.2拱肋截面的主要构造参数根据收集到的资料，钢管混凝土哑铃形拱桥拱肋截面高度h的取值范围为1.2～4m，其中截面高为2～3m的占72.2%;拱肋钢管直径d(截面宽度)的取值范围为0.45～1.5m，其中管径为0.8～1.2m的占81.7%;拱肋截面高宽比h/d在1.6～3.5范围。图5为拱肋截面高宽比与跨径关系图。可以看出，哑铃形拱桥的拱肋截面高宽比h/d与跨径关系很小，各跨径桥梁的拱肋截面高宽比主要集中在2.5左右，其中h/d在2～3的桥梁占总数90%以上。从图6可看出，拱肋跨高比L/h主要分布在30～50范围。跨高比与跨径存在一定相关性。总体而言，跨高比L/h随跨径的增大而增大。进行哑铃形截面拱桥设计时，通过拱肋截面的跨高比和高宽比可确定拱肋的截面形状。拱肋截面主要参数统计见表3。根据收集的资料，哑铃形拱桥的拱肋钢材主要采用Q345和16Mnq钢材，其中采用Q345钢材的占总数66%以上;拱肋填充混凝土以C50和C40混凝土为主，两者合计约占总数的85%。拱肋截面含钢率ρ高低直接影响钢管混凝土截面套箍效应。根据统计资料，哑铃型拱桥的截面含钢率主要集中在4%～10%，以5%～7%最多;而截面含钢率与跨径几乎不相关。

4横撑形式

与其他各类拱桥一样，合理布置拱肋间的横撑是保证哑铃形截面拱横向稳定最可行的方法之一［11］。根据收集到的资料，哑铃形拱桥横撑主要形式有全桥一字式横撑、一字式横撑与K式横撑组合、全桥K式横撑、K式横撑与X式横撑组合等等，哑铃形拱桥的横撑形式分布见图7。由图7可看出，全桥一字式、一字式与K式组合横撑的应用率较高，分别占统计样本数的31.7%和25.7%。

5吊杆的布置

拱桥吊杆的布置形式一般有竖直吊杆、斜吊杆、网状吊杆等3种形式。由于构造和施工均比较复杂，斜吊杆、网状吊杆在我国很少应用。钢管混凝土哑铃形拱桥的吊杆一般竖直布置。吊杆布置间距与哑铃形拱桥类型和跨径相关性很小。根据收集到已知吊杆间距的100座哑铃形拱桥，哑铃形拱桥跨径L与吊杆间距b的比值L/b在9～30，超过56%的哑铃形拱桥的L/b在15～20，L/b的平均值为18.0。

6施工特点

根据结构类型和现场施工条件不同，钢管混凝土哑铃形拱桥上部结构的施工方法主要有支架施工、缆索吊装、转体施工和整体架设等。本文按桥梁结构类型，介绍各类常见哑铃形拱桥的施工方法。上承式钢管混凝土哑铃形拱桥根据岸坡的地形和地质条件不同，拱肋架设方法主要有缆索吊装法、转体施工法和支架施工。在已知的8座桥例中，4座采用缆索吊装施工拱肋，2座采用平面转体法，2座采用支架施工。下承式钢管混凝土哑铃形刚架系杆拱桥的拱肋架设方法主要有缆索吊装法、支架施工。在已知的19座桥例中，9座采用缆索吊装施工拱肋，7座采用支架施工。与上承式和下承式哑铃形拱桥类似，中承式钢管混凝土哑铃形截面拱桥的拱肋施工方法也以缆索吊装施工为主。根据收集的资料，超过2/3的中承式哑铃形拱桥采用缆索吊装法施工。钢管混凝土哑铃形拱梁组合桥的上部结构施工方法主要有“先梁后拱”、“先拱后梁”和整体架设等。对于采用预应力混凝土系梁的拱梁组合桥，“先梁后拱”主要在跨径不是很大时应用;跨径较大的桥梁，更多地采用“先拱后梁”的施工方法［5］。应用于铁路上的拱梁组合桥通常不设预应力系梁，其上部结构由预应力连续箱梁和钢管混凝土拱组合而成。以成渝客运专线沱江特大桥为例，其施工方案是先挂篮悬灌施工连续箱梁，箱梁合拢后在梁上拼装钢管拱，后采用吊车将拱肋逐段吊装到支架上进行焊接拼装。钢管混凝土飞鸟式哑铃形拱桥的主拱拱肋为钢管混凝土，通常采用缆索吊装或转体施工方法施工，而边拱一般为钢筋混凝土结构，且为主拱的平衡重，通常采用有支架(一般为少支架)现浇方法施工［12］。

7结语

哑铃形截面拱桥在钢管混凝土拱桥中所占比例最大，其结构类型众多，跨越能力较大。在60～140m的跨径范围内，无论从结构或是景观上都是极具竞争力的一种桥型。本文在搜集桥例资料的基础上，对这类桥型的发展概况、施工方法和结构与构造等方面进行了分析，提出了钢管混凝土哑铃形截面拱桥主要设计参数的取值范围，皆在为其今后的应用与发展提供参考。

参考文献:

［1］陈宝春.钢管混凝土拱桥［M］．2版.北京:人民交通出版社，2007．

［2］叶智威.钢管混凝土单圆管标准拱桥面外稳定性研究［D］．福州:福州大学，2012．

［3］宋福春，陈宝春.钢管混凝土标准桁肋拱面外弹性稳定分析［J］．工程力学，2012，29(9):125-132．

［4］陈宝春，刘福忠，韦建刚.327座钢管混凝土拱桥的统计分析［J］．中外公路，2011，31(3):96-103．

［5］刘昌永.斜靠式钢管混凝土拱桥静力性能分析［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007．

［6］李大超，莫宁，张伟峰，等.大跨度钢管混凝土拱桥结构稳定性有限元分析［J］．广西大学学报(自然科学版)，2009，34(1):252-255．

［7］陈昀明，杨亚林，陈宝春.钢管混凝土拱梁组合桥桥型分析［J］．公路，2006，51(12):38-41．

作者：陈礼榕 陈宝春 单位：福州大学 土木工程学院 福建省交通规划设计院