啞鈴型CFST拱橋在我國(guó)的應(yīng)用

杜海彬

引言

根據(jù)CFST拱橋主拱圈截面形狀的不同，主要可分為肋式CFST拱橋和桁式CFST拱橋。肋式CFST拱橋中，由于啞鈴型截面較單圓管截面，具有抗彎剛度大的優(yōu)點(diǎn)，自1990年我國(guó)第一座啞鈴型CFST拱橋-四川旺蒼東河大橋建成以來(lái)，在工程中發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已有166座，占CFST拱橋總數(shù)的40.2%（這里的啞鈴型CFST拱橋，不包括橫向啞鈴型桁式CFST拱橋），其最大跨徑也已達(dá)到180m，為我國(guó)交通建設(shè)的發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。

近些年來(lái)，眾多研究者開展過(guò)一些CFST拱橋的調(diào)查與研究[1～11]：文獻(xiàn)[12]從CSFT拱橋主拱的結(jié)構(gòu)形式、各種承式構(gòu)造特點(diǎn)以及常見的施工方法等幾方面分別了介紹；文獻(xiàn)[4]對(duì)支架施工、纜索吊裝施工、平轉(zhuǎn)法和豎轉(zhuǎn)法等幾種常見拱的肋架設(shè)施工方法及其各施工方法的技術(shù)要點(diǎn)和適用條件等詳細(xì)介紹；文獻(xiàn)[13]統(tǒng)計(jì)了截止2010年6月總計(jì)327座CFST拱橋（跨徑均在50m以上），并從建設(shè)趨勢(shì)、行業(yè)分布、區(qū)域分布以及相應(yīng)的橋型、施工方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)（矢跨比、拱軸線、拱肋的截面參數(shù)和材料參數(shù)等、橫撐和橋面系）等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹；文獻(xiàn)[2]在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了截止2015年1月共計(jì)413座CFST拱橋，并從行業(yè)分布、截面形式、材料參數(shù)、強(qiáng)健性以及施工方法等幾方面進(jìn)行了綜述和展望；文獻(xiàn)[14]從拱橋數(shù)量、跨徑、構(gòu)造形式和施工方法等幾個(gè)方面對(duì)比分析了鋼拱橋、鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋，厘清各種類型拱橋的經(jīng)濟(jì)適用范圍。文獻(xiàn)[3]對(duì)勁性骨架CFST拱橋的特點(diǎn)、研究發(fā)展現(xiàn)狀以及計(jì)算理論等進(jìn)行了介紹，并對(duì)后期有待研究工作進(jìn)行了展望；文獻(xiàn)[9]回顧了上承式拱橋的發(fā)展歷程；文獻(xiàn)[6]結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的對(duì)700m級(jí)CFST拱橋的可行性進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明建造700m級(jí)CFST拱橋已不存在技術(shù)門檻；文獻(xiàn)[10]總結(jié)了CFST拱橋的先進(jìn)施工技術(shù)，并提出了CFST拱橋可向更大跨徑發(fā)展的內(nèi)在原因和動(dòng)力。

這些研究均是以CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，很少針對(duì)啞鈴型截面CSFT拱橋進(jìn)行研究和分析，由于啞鈴型CFST拱橋與其它截面類型的CFST拱橋的發(fā)展趨勢(shì)、適用跨徑和材料方面存在一定的差別。基于此，本文以啞鈴型CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工方式等進(jìn)行研究和分析，并啞鈴型CFST拱橋所存在的防爆管措施進(jìn)行了介紹，相關(guān)結(jié)論能夠?yàn)閱♀徯虲FST拱橋研究者提供借鑒。

1 應(yīng)用概況

1.1 建設(shè)趨勢(shì)

圖1為我國(guó)啞鈴型CFST拱橋隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線。從圖1可知，我國(guó)啞鈴型CFST拱橋自1998年以后，以每年平均7.3座的數(shù)量發(fā)展迅速。啞鈴型CFST拱橋以如此迅猛的速度快速增長(zhǎng)，表征著啞鈴型CSFT拱橋自身所具有的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的生命力。

1.2 跨徑范圍分布

圖2為我國(guó)啞鈴型CFST拱橋在不同跨徑范圍內(nèi)的分布情況。圖2表明我國(guó)啞鈴型CFST拱橋主要集中在[80，110）跨徑范圍內(nèi)分布，占總數(shù)的 46.67%，此外，在[50，80）和[110，140）也有較多的分布，分別占總數(shù)的26.67%和19.58%。

備注：當(dāng)一座橋包括幾座不同范圍的CFST拱橋時(shí)，例如浙江溫福鐵路昆陽(yáng)大橋跨徑為64+136+64m，則視為3座橋計(jì)算。

圖1 啞鈴型CSFT拱橋數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)

圖2 各跨徑分布情況

跨徑作為衡量橋梁技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一，表1對(duì)已建跨徑在150m以上的CFST拱橋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，占啞鈴型CFST拱橋總數(shù)的7.23%，其最大跨徑為180m。其結(jié)構(gòu)形式主要包括上承式、中承式、下承式和飛鳥式四種，主要包括支架施工、懸臂拼裝、轉(zhuǎn)體施工三種不同的施工方式。

表1 我國(guó)啞鈴型鋼管混凝土拱橋一覽表（L≥150m）

1.3 區(qū)域分布

根據(jù)地理區(qū)域的不同，可將中國(guó)劃分為七個(gè)不同區(qū)域[13]：華東、華南、華中、華北、西北、西南、東北。圖3表明各地區(qū)啞鈴型CFST拱橋增長(zhǎng)較為均勻，其中以華東地區(qū)修建的數(shù)量最多，呈現(xiàn)出近似直線的增長(zhǎng)速度，這與該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有關(guān)，東北地區(qū)和西南地區(qū)的數(shù)量較少，分別為4座和9座。

2 構(gòu)造參數(shù)

2.1 矢跨比和拱軸線

圖4給出了啞鈴型CFST拱橋矢跨比的分布情況。由圖6可以知道，啞鈴型CFST拱橋的矢跨比在[1/18，1/2）均有分布，其中，主要集中在[1/5，1/4）和[1/4，1/3）區(qū)間內(nèi)，分別占總數(shù)的 59.60%和 27.81%。

圖3 各區(qū)域啞鈴型CFST拱橋增長(zhǎng)趨勢(shì)

圖4 矢跨比分布

圖5拱軸線統(tǒng)計(jì)對(duì)比

圖5 給出了啞鈴型CFST拱橋拱軸線統(tǒng)計(jì)圖。由圖5可知，在統(tǒng)計(jì)的166座啞鈴型CFST拱橋中，主要包括懸鏈線、拋物線和圓弧曲線三種，其中，拋物線和懸鏈線占絕大多數(shù)，分別占總數(shù)的61.9%和37.41%。此外，由于圓弧形拱放樣簡(jiǎn)單，便于施工人員掌握，但是不易于恒載壓力線重合，因此，圓弧形拱軸線也占有較小比值。

2.2 材料參數(shù)

啞鈴型CFST拱橋早期有少數(shù)橋梁采用Q235鋼材，后期隨著工程強(qiáng)度的需要和技術(shù)的進(jìn)步，絕大部分的啞鈴型CFST拱橋采用Q345鋼材。如圖6所示，為進(jìn)一步研究各階段的混凝土強(qiáng)度使用情況，這里對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由圖6可知，在2005年以前，我國(guó)啞鈴型CFST拱橋混凝土強(qiáng)度絕大多數(shù)為C40和C50，在2005之后，混凝土主要以C50為主，其他類型的混凝土應(yīng)用較少，并且隨著工程強(qiáng)度的需要C55和C60也應(yīng)用得越來(lái)越多。

圖6 不同時(shí)間段各混凝土強(qiáng)度

2.3 截面尺寸隨跨徑的分布情況

如圖7所示，啞鈴型CFST拱肋截面由上單圓管、下弦單圓管和兩塊連接鋼腹板三部分組成，通常情況下，拱肋結(jié)構(gòu)的跨徑越大，其截面尺寸也相應(yīng)越大，基于此，這里進(jìn)一步將啞鈴型CSFT拱橋的跨徑劃分為[50，80）、[80，110）、[110，140）和[140，180]四個(gè)不同區(qū)間，以截面高度 H或上下弦單圓管直徑D為橫坐標(biāo)建立啞鈴型CFST拱橋在各跨徑范圍內(nèi)截面高度和上下弦單圓管直徑的數(shù)量分布情況，如圖8～9所示。

由圖8和圖9所示，啞鈴型CFST拱橋截面高度和單圓管直徑D隨著跨徑的增大而增大，其截面高度H分布在[1.0，4.0]范圍內(nèi)，且主要集中在[1.8，3.1）區(qū)間，占總數(shù)的85.64%，其截面直徑D分布在[500，1500]范圍內(nèi)，且主要集中在[800，1100）和[1100，1400）區(qū)間，分別占總數(shù)的 65.73%和25.35%。

圖7 啞鈴型CFST構(gòu)件

圖8 不同跨徑范圍下各截面高度數(shù)量分布圖

圖9 不同跨徑范圍下圓截面直徑數(shù)量分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

啞鈴型CFST拱橋在我國(guó)發(fā)展已有28年歷史，隨著設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的日臻成熟，建設(shè)的數(shù)量、跨徑、應(yīng)用范圍也增長(zhǎng)迅速，結(jié)構(gòu)形式、施工技術(shù)和橋型也越來(lái)越復(fù)雜。預(yù)計(jì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍有著廣泛應(yīng)用。

本文以啞鈴型CFST拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，共統(tǒng)計(jì)了166座啞鈴型CFST拱橋數(shù)據(jù)，并對(duì)其建設(shè)趨勢(shì)、跨徑發(fā)展規(guī)律、橋型、施工方法以及一些矢跨比、拱軸線、材料參數(shù)和截面尺寸等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，厘清了啞鈴型CFST拱橋的應(yīng)用概況和常見的施工方法的應(yīng)用情況，并對(duì)矢跨比、拱軸線和截面尺寸等一些構(gòu)造參數(shù)的取值進(jìn)行了量化分析，相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)啞鈴型CFST拱橋的研究者提供參考。

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