鋼管混凝土拱橋的設計與施工

王德權

摘 要：鋼管混凝土拱橋是一種重要的橋梁形式，本文從基本概況、設計的關鍵點及施工的基本方法分別闡述鋼管混凝土拱橋結構的幾個主要過程和要點。

關鍵詞：拱軸線；矢高；K撐；合攏

1 鋼管混凝土拱橋概況

1.1 原理

鋼管混凝土拱橋是由混凝土填入薄壁鋼管內而形成的一種鋼-混凝土組合結構，其基本原理是荷載通過受力構件傳遞至鋼管拱肋，借助鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態，充分利用混凝土抗壓強度高的特性，使核心混凝土具有更高的抗壓強度和更強的塑性變形能力，完美避開混凝土抗拉強度低的缺點。鋼管混凝土除具有強度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優越的力學性能外，還具有省工省料、架設輕便、施工快速等優越的施工性能。

1.2 鋼管混凝土拱橋的基本結構形式

從設計水平看，我國已建和在建的鋼管混凝土拱橋結構形式豐富多樣，跨徑紀錄也一再被刷新。從拱圈受力形式劃分，主要分為上承式拱橋、中承式有推力拱橋、中承式無推力拱橋（飛燕式）、下承式系桿拱橋；從拱圈約束條件劃分，主要分為三鉸拱（靜定結構）、二鉸拱（一次超靜定結構）、無鉸拱（三次超靜定結構）；從拱圈截面劃分，主要分為鋼管式拱橋和鋼箱式拱橋，其中鋼管式拱橋又分為單管受力拱橋、雙管受力拱橋以及四管受力拱橋。拱橋設計時應根據使用環境、地質水文條件、荷載類型及大小等因素確定結構形式。

1.3 鋼管混凝土拱橋主要的施工方法

鋼管混凝土拱橋在國內外的施工方法也多種多樣，主要有：有支架法施工；平轉法施工；豎轉法施工；纜索吊裝法施工；整體吊裝法施工。

2 鋼管混凝土拱橋的設計

2.1 鋼管混凝土拱橋的矢跨比

鋼管混凝土拱橋矢跨比宜采用1/5～1/8，拱橋的拱軸線形式分為二次拋物線、圓弧線、懸鏈線等形式。

2.2 合理的拱軸線

在一定的荷載作用下，使拱截面內僅產生軸向受力的拱軸線稱為與該荷載對應的合理拱軸線。其特點是壓力線與拱肋軸線重合，拱肋截面只受軸向力作用，彎矩和剪力為零，應力均勻，有利于充分發揮截面材料性能。對于不同的結構形式（三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱），在不同的荷載作用下，拱的合理軸線是不同的。對于三鉸拱，在沿水平方向均布的豎向荷載作用下，合理拱軸線為一拋物線（如圖1所示）。在垂直于拱軸線的均布壓力作用下，合理拱軸線為圓弧線（如圖2所示）。在填土重量作用下，合理的軸線為懸鏈線（如圖3所示）。

圖1 圖2 圖3

2.3 拱的矢高

不同的建設對拱的形式要求不同，有的要求扁平，矢高小；有的則要求矢高大。合理拱軸的曲線方程確定之后，可以根據建筑的外形要求定出拱軸的矢高。矢高對拱的外形影響很大，它直接影響建筑造型和構造處理。矢高還影響拱身軸向的拱推力的大小。水平推力H與矢高f成反比。

3 鋼管混凝土拱橋的制作加工

近年來，在鋼管混凝土拱橋的制作加工中，采用最多的還是有支架法施工，我們在這種方法的施工中也積累了很多豐富的施工經驗，現介紹如下：

3.1 鋼管拱肋主要加工方法的優缺點

不論拱橋采用何種整體施工方法，在整個拱橋的施工中，最為主要的一個環節還是拱肋的加工，而拱肋的加工主要有兩種施工方法：一是卷制長鋼管（12m），然后按拱軸線的形狀進行分段熱煒彎再進行拼裝。此方法的優點是拱肋的對接焊縫少，以及拱肋的曲線更加接近理論曲線；缺點是不但要有成套的先進設備，而且熱煒彎會造成較大的殘余應力，會有較大的時效變形。二是卷制短鋼管（2m左右），然后按拱軸線逐節進行組對拼裝（以直代曲）。此方法的優點是設備相對簡單，適合艱苦的野外施工，并且拱肋內沒有殘余應力，不會引起拱肋曲線的二次變形；缺點是對接焊縫多，焊接工作量大，對焊接的質量提出了更高的要求。隨著現代焊接技術的發展，我們已掌握了成熟的焊接工藝能夠滿足質量要求，因此第二種方法是我們施工中最常用的一種施工方法。

卷制短鋼管施工時，因鋼管節段數較多而造成拱肋軸線線型缺陷的施工事故時有發生，為避免此類事故的發生應在每節段鋼管組對時嚴格控制節段坐標。我們采用計算機放樣與現場實際測量來控制節段鋼管坐標，事先將每節段鋼管所在位置坐標用計算機進行精確放樣，拼裝前將拱肋坐標控制點按照1∶1比例制作拱肋組對平臺。拱肋組對過程中隨時監控拱肋坐標與理論坐標的位置偏差，發現錯誤及時糾正。在拱肋組對時應充分考慮鋼材焊接收縮問題，預留一定的焊接收縮量。

3.2 拱肋K撐的加工

K撐作為拱橋中增加空間穩定性和減小橫向自振的重要構件，其加工制作及安裝的精確性也尤為重要。

K撐的各鋼管為空間結構（相交的三個鋼管的軸線不在同一平面內），這時要用手工或CAD來計算各桿件的相貫線相當困難，利用鋼結構詳圖軟件Tekla進行建模放樣，從而可以利用其Wrap（展開）功能將每一桿件直接展開相貫線，并導出CAD加工圖紙，不但極好地保證了加工精度，還大大提高了加工效率，給加工制作帶來了極大的方便。

K撐的安裝有整體安裝與單節鋼管安裝兩種。整體安裝制作精度較單節鋼管安裝要求高，質量難以保證。但整體安裝施工速度快，可避免大量的高空作業，降低施工危險性，因此K撐安裝方法應根據具體施工環境條件要求權衡確定。

3.3 鋼管拱肋的合攏支架

合攏支架作為合攏施工時的一關鍵環節，我們既要保證其安全可靠，又想使其經濟合理。在參考以往施工經驗的基礎上，用midas Civil進行建模并驗算支架的強度和穩定性，選用最為合理的結構形式。支架多采用格構式鋼結構柱，其具有制作簡單、自重輕、受力大、安裝拆卸簡便等優點，是臨時受力支架的最優結構形式。

支架安裝時應根據拱肋形式及拱肋合攏段長度確定支架位置及高度，應以便于安裝、拆卸為原則。對于高度較大的臨時支架，應保證支架頂部穩定，防止頂部發生側向位移，可采用設置纜風繩等方法解決。在支架頂部應設置可調節標高支座，以在拱肋安裝過程中對誤差大的拱肋節段進行調整。同時在支架頂部搭設空中作業平臺，作業平臺搭設高度以便于作業者操作為佳。

3.4 鋼管拱肋的合攏

拱肋合攏時的關鍵是合攏點的控制，同樣在Tekla模型中，可將橋面的縱坡和橫坡疊加在模型上，對各合攏口進行查詢來精確確定其合攏坐標，每安裝一段拱肋后對其安裝坐標用全站儀進行復核，對于不符合精度要求的拱肋進行精調以滿足安裝精度要求。對整個施工過程用midas Civil進行施工過程監控，以確保每一過程的受力安全。

4 結束語

鋼管混凝土結構的理論研究和工程應用在我國越來越深入和廣泛，這種結構應用到橋梁上，在力學性能、施工、經濟以及美觀等方面，表現出很大程度的優越性，是大跨度橋梁結構的發展方向之一，極大促進了我國橋梁事業的發展。

鋼管混凝土拱橋的施工技術日新月異，這就對施工技術人員提出了更高的要求，我們要不斷將新的施工技術應用于施工中，以提高施工的技術經濟效益。

參考文獻

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋施工問題研究[J].橋梁建設，2002（3）：55-59.

（作者單位：中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司）