強勁骨架在鋼管混凝土勁性骨架拱橋中的應用

周 源，王 戈

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041）

1 概述

作為無支架法施工的一種途徑，以鋼管混凝土為勁性骨架，在骨架上搭設模板分段分層澆筑外包混凝土，最后形成鋼筋混凝土拱橋的工法近年來在我國取得了巨大發展。據不完全統計，截止2018 年，我國建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋已有約40 座，如表1 所示。這其中包括世界第一跨公路鋼筋混凝土拱橋420 m 萬縣長江公路大橋以及世界第一跨鐵路鋼筋混凝土拱橋445 m 滬昆高鐵北盤江特大橋。

勁性骨架鋼筋混凝土拱橋的發展得益于其自身的優勢：施工過程中鋼管起到支架兼模板的作用，安裝重量輕、自架設能力強[1]；鋼管內填混凝土凝固受力后，形成了SRC 結構，提高了拱橋的剛度、強度和抗震性能[2]；混凝土拱圈分段形成剛度，并承受下一階段施工荷載，提高了外包混凝土使用效率，同時也使結構的整體穩定性得到提高。

但勁性骨架法也有缺點：施工周期長，收縮徐變對結構的影響顯著[3]；按應力疊加法[4]計算，特大跨徑拱橋若按常規澆筑順序，拱腳附近混凝土拱圈最大壓應力會超出規范容許值[5]，必須對澆筑方案進行多次研算。

為充分發揮鋼管勁性骨架的優勢，減少混凝土拱圈外包工序，以期在更大跨徑拱橋中應用，有專家學者提出了3 種思路[6]：提高主拱截面SRC 面積比例[1]；減輕主拱自重；增加施工措施[7]。

勁性骨架主弦桿鋼管內灌注超高性能混凝土[8-9]，優化腹桿構造，能夠提高鋼管混凝土的承載力和結構穩定性，同時通過提高拱截面含鋼管混凝土率，增加勁性骨架的強度和剛度以及對截面的承載能力貢獻率，由此形成強勁骨架[1]。蘭海高速公路四川昭化嘉陵江大橋、敘古高速公路磨刀溪大橋、廣安環城公路官盛渠江大橋3 座鋼筋混凝土拱橋采用了強勁骨架設計，鋼管混凝土勁性骨架中灌注C80 或C100 混凝土，混凝土拱圈的外包分環均未超過3環，節省了工期，取得了良好的社會經濟效益。本文結合3 座橋的工程實例，介紹強勁骨架的應用情況以及相關計算分析成果。

2 工程概況

2.1 蘭海高速公路昭化嘉陵江大橋

主橋為上承式鋼筋混凝土箱拱橋，全寬27.5 m。拱圈采用C55 混凝土等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨徑L0=350 m，凈矢高f0=83.33 m，f0/L0=1/4.2。主拱圈采用分離式雙箱拱，兩拱箱間設橫向連接，拱箱為單箱雙室截面，箱寬8 m，箱高5.8 m，拱箱標準段頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.3 m。拱腳段頂、底板厚0.8 m，中腹板厚0.3 m，邊腹板厚0.55 m，拱腳至第一根立柱間設板厚線性漸變段。

勁性骨架為型鋼- 鋼管混凝土桁架結構，弦桿采用鋼管混凝土，內灌C80 混凝土，截面內共6 根φ457×14 mm 鋼管，腹桿及平聯為角鋼；拱肋橫聯對應位置為加強橫向連接設置交叉撐。如圖1 所示。

表1 國內部分鋼管混凝土勁性骨架拱橋

圖1 昭化嘉陵江大橋拱圈勁性骨架構造（單位：cm）

拱上立柱橫向為雙柱，采用空心薄壁結構，上設預應力混凝土蓋梁。橋面系采用13 孔28 m 預應力混凝土小箱梁，每孔橫向8 片梁。

拱圈的澆筑采用“分環、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內共分為3 環，第1 環為底板，第2環為腹板，第3 環為頂板，依次澆筑。施工第1 環時全橋分為8 個工作面同時對稱平衡澆筑，施工第2、3 環時全橋分為16 個工作面同時對稱平衡澆筑。每個工作面的施工亦分段澆筑。如圖2 所示。

圖2 昭化嘉陵江大橋拱圈混凝土澆筑順序

2.2 敘古高速公路磨刀溪大橋

主橋為上承式鋼筋混凝土箱拱橋，單幅標準橋寬12 m，左右幅拱圈間采用橫聯加強連接。主拱采用C50 混凝土等截面懸鏈線無鉸拱，拱軸系數2.2，凈跨徑L0=266 m，凈矢跨比3.7∶1。單幅拱圈截面為單箱雙室，箱寬7.6 m，箱高4.4 m，拱箱標準段頂、底板厚0.35 m，腹板厚0.3 m。拱腳段頂、底板厚0.65 m，中腹板厚0.3 m，邊腹板厚0.5 m，拱腳至第一根立柱間設板厚線性漸變段。

勁性骨架為型鋼- 鋼管混凝土桁架結構，弦桿采用鋼管混凝土，內灌C100 混凝土，截面內共6 根φ401×16～φ401×12 mm 鋼管；腹桿及平聯為┖80×10 角鋼，腹桿為米字形構造。如圖3 所示。

圖3 磨刀溪大橋拱圈勁性骨架構造圖（單位：cm）

拱上立柱采用空心薄壁箱型墩，上設蓋梁；橋面系采用28 m預應力混凝土小箱梁，每孔橫向4 片梁。

拱圈的澆筑采用“分環、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內共分為兩環，第1 環為底板和兩外側腹板，第2 環為中腹板及頂板，依次澆筑。施工每一環時全橋分為16 個工作面同時對稱平衡澆筑。每個工作面的施工亦分段澆筑，澆筑過程中根據拱圈受力情況調整段落澆筑順序。如圖4 所示。

圖4 磨刀溪大橋拱圈混凝土澆筑順序

2.3 廣安官盛渠江大橋

主橋為中承式鋼筋混凝土雙箱拱橋，標準橋寬27 m。主孔凈跨L0=300 m，為C50 混凝土變截面懸鏈線無鉸拱，矢跨比1/4，拱軸系數1.5，單片拱肋采用鋼筋混凝土單箱單室截面。拱頂截面徑向高為3.5 m，拱腳截面徑向高為6.0 m，肋寬3.0 m；拱箱標準段頂、底板厚0.65 m，腹板厚0.65 m；拱腳段頂、底板厚2.75 m，腹板厚1.0 m，拱圈拱腳至第1、2 根立柱中間為板厚線性漸變段。吊桿和拱上立柱間距為12.8 m，吊桿處設厚55 cm 的橫隔板。兩拱肋之間共設8 道橫撐，采用箱型截面。

勁性骨架為鋼管混凝土桁架結構，弦桿采用鋼管混凝土，內灌C100 混凝土，截面內上、下弦桿采用Φ351×14～Φ351×18 mm 鋼管，中弦桿采用Φ273×10～Φ273×12 mm 鋼管；腹桿及平聯為Φ152×10～Φ152×12 mm 的空鋼管。拱腳至1/4L拱肋處設 ┖90×10 型鋼輔助弦桿。橫撐采用型鋼桁架。如圖5 所示。

圖5 官盛渠江大橋拱肋勁性骨架構造圖（單位：cm）

拱圈的澆筑采用“分環、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內共分為兩環，第1 環為底板+下腹板，第2 環為上腹板+頂板，依次澆筑。施工每一環時全橋分為8 個工作面同時對稱平衡澆筑。每個工作面的施工亦分段澆筑。如圖6 所示。

圖6 官盛渠江大橋拱肋外包順序

3 主要計算結果

采用Midas Civil 對成橋及施工階段進行了結構安全性驗算，內容包括主拱圈承載能力、拱圈外包階段骨架各構件的承載力及應力、骨架整體線性穩定和結構變形。

主拱極限承載能力由鋼筋混凝土截面和鋼管混凝土骨架截面共同提供[1][10]，驗算結果如表2。由表可見，勁性骨架基本提供了20%以上的抗力，拱腳段混凝土截面尺寸增大，勁性骨架抗力占比略有下降。

表2 勁性骨架對拱圈承載能力的貢獻 %

在拱圈外包過程中，勁性骨架主弦桿及外包混凝土的驗算結果如表3，型鋼腹桿平聯桿驗算結果如表4。由計算結果可見：

a）骨架主弦桿的強度驗算由拱圈外包最后一環控制。

b）外包工作面布設越多分段數越少，骨架利用率就越高，拱圈混凝土應力水平越低。

c）骨架主弦桿SRC 管內混凝土等級由C80 增加到C100 后，整體剛度增加，骨架變形變小，腹桿、平聯、斜平聯等構件的用鋼量有明顯下降。

表3 勁性骨架主弦桿及外包混凝土驗算

表4 鋼構件施工階段驗算

骨架在混凝土拱圈外包過程中，穩定驗算結果如圖7～圖9。圖7 中昭化橋施工階段編號1～10 為第1 環外包，編號11～15 為第2 環外包，編號16～20 為第3 環外包；圖8 中磨刀溪橋施工階段編號1～6 為第 1 環外包，編號 7～12 為第 2 環外包；圖 9中官盛橋施工階段編號1～5 為第1 環外包，編號6～10 為第2 環外包。由計算結果可見：

d）整體穩定主要由外包第1 環控制，最低值一般出現在快合龍的前1～2 個施工階段。

e）第1 環澆筑混凝土的比例決定了穩定系數的最低值以及最后一環穩定系數最高值，一般來說第1 環澆筑比例越大，整體穩定系數越低，后階段外包穩定系數增加的幅度越大。

f）在強度容許的前提下，第2 環可適當減少分段次數。

圖7 昭化嘉陵江大橋拱圈外包階段整體線彈性穩定分析

圖8 磨刀溪大橋拱圈外包階段整體線彈性穩定分析

圖9 官盛渠江大橋拱圈外包階段整體線彈性穩定分析

勁性骨架外包的拱圈分環分段澆筑，截面剛度不斷發生變化，勁性骨架的剛度與加載順序決定了成拱拱軸線同理想拱軸線的差異。為比較兩者的差異，對分環分段外包及一次落架兩個模型做了如下假定：混凝土加載齡期相同，收縮徐變總時間均為拱圈外包的總工期。計算結果如圖10～圖12，勁性骨架法的拱軸線成拱位移均比一次落架法的要大，其中昭化橋最大差異55.8%、磨刀溪橋最大差異53.2%、官盛橋最大差異81.5%；設計中提高骨架SRC 含量，能減少拱軸線同理想值的差異；拱圈外包施工布設多工作面，能使成拱拱軸線線形更接近于一次落架。

圖10 昭化嘉陵江大橋拱圈分環分段澆筑同一次落架位移對比

圖11 磨刀溪大橋拱圈分環分段澆筑同一次落架位移對比

圖12 官盛渠江大橋拱圈分環分段澆筑同一次落架位移對比

4 結語

本文簡要回顧了鋼管混凝土勁性骨架拱橋的發展過程，介紹了采用強勁骨架法施工的3 座鋼筋混凝土拱橋的設計基本參數及拱圈外包工序，并對拱圈承載力組成成分以及拱圈外包過程中骨架的整體穩定性以及各構件的受力特性進行了分析，得到如下結論：

a）強勁骨架法施工的拱橋，主拱拱頂截面含鋼管混凝土率一般大于8%，且鋼管混凝土提供的承載力占整個截面承載力的20%以上。

b）強勁骨架的使用，能減少拱圈澆筑分環次數及段數，節省了工期。

c）強勁骨架的使用，提高了SRC 的使用效率，能有效降低外包混凝土的應力水平，也能適當降低其他構件的用鋼量水平。

d）強勁骨架施工過程中的整體穩定性一般由第1 環控制，強度一般由最后一環控制。

e）強勁骨架的使用，可以布設更多澆筑工作面，骨架受力更均衡，成拱線形更接近于理想中拱圈一次落架的線形。

強勁骨架的成功使用得益于混凝土材料科學技術的進步，但也不能忽略，隨著拱橋跨徑增加，橋梁結構自重所占比例也會增加，拱圈外包過程中骨架承載負擔也會增加，如果橋面系及立柱等拱上建筑能采用鋼混凝土組合構件實現結構的輕型化，則會進一步發揮強勁骨架的優勢，實現鋼筋混凝土拱橋跨徑上的突破。