钢管混凝土拱桥结构设计探讨

【摘要】钢管混凝土拱桥在我国的应用发展很快。本文对刚架系杆拱桥型、肋拱横向结构、拱肋截面构造设计和桥面系构造等问题进行探讨。
关键词 钢管混凝土 拱桥结构设计 探讨

钢管混凝土拱桥近十年来在我国发展迅速，随着数量的增多，跨径与规模也不断增大，分布区域也越来越广，除了钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点的原因外，与我国正处于大规模的交通基础设施建设时期的大环境有密切的关系[2］。本文将根据钢管混凝土拱桥在我国的应用情况与近几年的发展趋势，对结构的合理设计进行定性的讨论。

一、刚架系杆拱桥型
钢管混凝土拱桥结构形式丰富多样，承载形式上、中、下承式均有。按拱的推力，又可分为有推力拱和无推力拱。无推力拱又有拱架组合体系和刚架系杆拱。钢管混凝土拱桥以中下承式为主，有推力拱和无推力拱均占相当的比重。在无推力拱中，以刚架系杆拱为主。这些都是钢管混凝土拱桥的构造特点，与我国传统的石拱桥、钢管混凝土拱桥均有明显的不同。
刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中出现的拱桥新的结构形式。我国建成的第一座钢管混凝土拱桥--四川旺苍东河大桥采用的就是刚架系杆拱。与拱架组合体系不同，刚架系杆拱中拱肋与桥墩团结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩连接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱。

刚架系杆拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基连成一体，结构的超静定次数较多，受力复杂。由于其系杆刚度与拱梁组合体系中的系杯梁刚度相比小很多，特别对于大跨径桥梁，系杆拉力增量将产生很大的变形，而拱肋、系杆和墩往团结在一起，根据位移交形协调条件，拱的水平推力的增量主要由桥墩和拱肋自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。系杆的作用是对拱施加预应力以抵消拱的大部分水平推力（主要是恒载产生的水平推力），因此通常把系杯看成预应力体外索。除去系杆承受的水平推力后余下的拱的水平推力一般来说不大，还可以通过适当的超张拉给予最大限度的减小，从这个角度可以看成无推力拱。刚架系杯拱由于系杆的存在，降低了对下部结构和基础的要求，使拱桥的应用范围从山区扩大到了平原和城市。

在施工方面，刚架系杆拱的施工可以像固定拱一样采用无支架施工，因而桥梁的跨越能力也较大，也能够充分发挥钢管混凝土拱桥施工方便的优越性。由于这些优点，这种桥型出现以后得到较广泛的应用。

目前已建成的下承式刚架系杆拱中跨径最大的是深圳北站大桥（150m），在建的跨径最大的是湖北武汉汉江三桥（跨径达280m）；带双悬臂半拱的中承式刚架系杆拱（俗称飞鸟式或飞燕式），已建成的跨径最大的是广东东南海三山西大桥（主跨200米）。在建的大跨径的有主跨达（360m）的广州丫警沙大桥、主跨达280米的武汉汉江五桥和主跨达235m的江苏徐州京杭运河大桥。由此可以看出，刚架系杆玖正成为大跨径钢管混凝土拱桥的主要桥型。

钢管混凝土拱桥同自架设体系，先架设空钢管拱，再浇筑管内混凝土，然后上横梁、纵梁等桥系构造，最后进行桥面铺装和人行道、栏杆等附属物。在系杆张拉前的水平推力由拱和下部结构承担。因水平位移对拱的受力的不利影响很大，通常要求下部结构有较大的抗推刚度、承受大部分的水平推力。钢管混凝土拱先期架设的空钢管拱的自重较轻，通常情况下其恒载水平推力较小．可以由下部结构承受。但此后加上的恒载，如横梁、纵梁、桥面铺装等自重，应由系杆承受。也就是说系杆应随上部结构的施工逐步张拉。
然而，近期出现的一些大跨宽桥，由于桥面纵坡的存在，使得系杆较难在横梁架设之前安装，因而在横梁架设之前的恒载水平推力要靠桥墩来抵抗。对于宽桥，横梁的自重在桥梁恒载中所占比重很大，尤其是混凝土横梁，这就使得桥梁基础工程量急增，未能充分发挥这类桥型对下部结构和基础要求低的优势。因此如何解决这一问题，是这一桥型应用与发展的关键之一。
刚架系杆拱拱墩团结点的构造较为复杂，下承式。拱肋、桥墩、帽梁汇聚在这里，为不规贝消几何体。其受力也较复杂，各方向的力也都集中于此点，且受系杯强大的集中力作用，容易在主技应力方向发生开裂；此外桥墩内也可能产生较大的主技应力。这些都应引起重视。【3】

二、肋拱桥横向结构
钢管混凝土拱桥均为肋拱桥，由于其材料强度高，随着跨径的增大，横向稳定问题较为突出，所以其横向结构的合理采用至关重要。上承式肋拱，可采用多肋结构（多于二的），横向联系通常布置成等间距的径向根撑（或根系梁），其横向稳定主要取决于整桥的宽跨比。对于中承式拱，横向联系的布置在桥面附近受到行车空间的限制，同时对横向动力特性和美观也有很大的影响，合理布且尤为重要。有时为加强其横向稳定性，将其两肋内倾而成提亚扶。与之相对应，一般肋拱则称为平行肋拱。当然，对于跨径不是很大的城市桥梁，或出于景观考虑，也有做成无风撑的。

l横撑布置
横撑布置对结构横向稳定的影响要大于其自身刚度。研究表明，拱顶附近揭撑布置成与拱轴线正交、在其他地方与拱轴线相切，对提高横同稳定效果较好[4]。这是因为，拱肋横向先稳向面外恻倾时，拱顶处的债撑主要承受洪肋的扭转变形，采用竖向布置的横撑增强了对拱肋在拱顶处的扭转变形的约束，能提高拱的面外稳定性。在其他地方，尤其是L／4附近拱肋侧倾时根撑要承受拱肋的相对错动，对核撑是横向湾矩，因此，采用切向布置（如K撑），对约束拱肋的相对错动有较大的作用。

横撑在增加横向稳定的同时，由于它使得拱的横向整体刚和质量的提高，特别对于中下承式拱桥由于重心的提高，使得拱对横向地震波的响应增大[5]。对于钢管混凝土拱桥来说，在横向受力时，由于结构受力并不以受压为主，因此钢管混凝土抗压强度高的特点并没有得到充分发挥出.相对于宝钢管拱桥来说，钢管混凝土拱桥钢管内混凝土的质量加大了拱的横向受力。因此，正确处理钢管混凝土拱桥的横向稳定和抗横向地震作用力这一矛盾显得十分重要。

拱桥的横向基频与结构型式和横向构造有关。中不承式拱的横向基频较上承式的低；在下承式中，拱架组合体系的横向基频较刚架系杆拱的低。不同位置的根撑对肋拱的横向基频也有着不同的影响。拱顶模搜数量和刚度变化较拱脚的根撑数量变化，对面外基频影响要明显得多。因此，对于中承式拱在拱脚采用较强的横向联系（如K撑、X撑）、在拱顶采用较少较弱的横撑，既能满足横向稳定要求，又有利于减小横向地震力作用，同时建筑造型也较佳。

由于目前钢管混凝土拱桥横向稳定计算和抗震设计方法的还不完善，一些设计者由于担心横向先稳而采用过强的横向联系，既造成浪费，也不利于抗震安全社，这在位于强震区的桥梁尤其有害。

2提篮拱
提篮拱（又称X型肋拱）显然能提高洪的横向稳定性。但提篮拱随着倾角的增加，会使下部结构工程数量也相应增加。对拱应直接坐落于基岩时，由于可采用分离式拱座，工程数量增加有限。拱肋的倾斜也会给施工带来困难，因此，应选择合适的倾角。有关研究认为采用X型肋拱其横向稳定性可比平性肋拱提高12-20倍，同时也会降低拱肋的面内极限承载力【6】。所以，X型肋拱的内倾角也不是越大越好，一般控制在3度 ～15度之间，以10度附近为佳。

尽管我国一些学者在研究的基础上，提倡采用提篮拱，但由于过去以钢筋混凝土材料为主的拱桥在施工上的困难而极少采用。1993年竣工的四川成渝高速公路上的内江新龙拗大桥，采用了提篮拱。该桥为单跨钢管混凝土劲性骨架箱肋拱。目前在建的徐州一连云港高速公路徐州京杭大运河特大桥采用了提篮拱。该桥为带悬臂的中承武刚果系杆钢管混凝土拱，跨径布置为57.5米＋235m＋57.5米 ，主拱断面为根哑铃形平行四边形行式，拱肋内倾9.934度，成提篮状。

应该指出，提篮拱在提高横向稳定性的同时，也使得造型较佳，然而对于宽跨比较大的桥梁，纯粹为了造型的原因而采用提篮拱是增加了下部结构和基础的工程量，增加了施工的难度，是不必要、不合理、也是不经济的。

3无风撑拱
无风撑拱指中、下承式肋拱，出于美观考虑，或当桥面较宽而跨径又不大时出于经济和美观考虑，将两肋之间的横撑（或称风撑）完全取消的肋拱桥，也有称之为做四拱的。无风撑拱主要解决拱肋的横向失稳问题。解决这一问题的途径主要有两个。一是提高拱肋自身的横向抗弯刚度；二是提高结构体系的横向稳定性。

采用横向圆端形截面（加浙江义乌篁园桥、杭州新塘桥）、横向双圆肋（如浙江义乌宾王桥）、横向底箱肋（如广东中山二桥）、三肢桁肋（如黑龙江依兰牡丹江大桥）等等，都是提高拱肋自身横向抗弯能力而采取的截面形式。
对于拱梁组合体系，宜作成刚性系杆刚性拱或刚性系杆柔性拱，系杆（梁）通常采用箱形梁，除自身有较强的抗扭、抗拉和抗弯能力外，与纵梁固结的桥面横梁也能极大地提高桥面系的刚度，这样为拱肋的横向稳定提拱了较大的非保向力作用。
对于钢管混凝土中下承式拱桥，其桥面系一般为简单悬挂的结构，其自身的横向刚度不大，吊杆的刚度也很柔，所以桥面系对拱肋横向稳定的贡献与拱梁组合体系有很大的差别，因此，对于刚架系杆拱应慎用无风撑拱。

三、拱肋截面构造
钢管混凝土拱桥的拱肋，当跨径不大时可采用单管截面。单管截面主要有圆形和国端形，单圆管加工简单，抗扭性能好，抗轴向力性能由于紧箍力作用显示出优越性，但抗弯效率较低，主要用于跨径不大（80米以下）的城市桥梁和人行桥中。

肋拱桥中绝大部分为哑铃形断面，跨径从几十米到160m，以100m附近为多。哑铃形截面较之单圆管截面，截面抗弯刚度较大，类似于工字形截面，但由于两圆管的直径与高度之比在1/2.5附近，因而不能视为钢管混凝土格构式截面。腹腔内的混凝土受钢板横向套箍作用机理复杂，缺乏研究，若采用钢管混凝土理论计算，计算将很复杂。由于钢管混凝土拱桥设计理论滞后，现行的计算方法常将其作为钢筋混凝土结构，使这一矛盾并不突出，且考虑到腹腔内混凝土处于中和轴附近，设计计算常将其忽略，而只计及自重。

哑铃形截面的腹板与圆管相接的交角较小，而且上下两管弯曲成型后，腹板的焊接有较大的残余应力，所以加工较为困难，质量不易得到保证。在灌注混凝土过程中，腹板受混凝土压力的作用容易外鼓，所以有时需有拉杆对拉或采用其他措施，这使得较为构造复杂。

从经济角度来说，钢管混凝土构件中钢管的作用较大、所占的造价比重也较大，理应将钢材尽可能地安排在外留（即不计混凝土时，应是箱形断面），而哑铃形截面并没有使所有的钢材都处于截面的外围。这同钢筋混凝土构件将矩形截面变形工字形截面的效果不同。所以钢管混凝土拱桥，在跨径较小时可采用单臂截面，在跨径增大以后应采用行武断面，采用哑铃形截面的跨径范围不应像目前这样广泛。
桥式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够充分发挥材料的特性，对跨径超过100米的钢管混凝土拱桥，桁肋是一个比较合适的截面形式。前苏联30年代建造的NceTb河铁路拱桥，即为二铰变截面桁拱。

我国较早出现的桁拱断面为横向哑铃形桥式，其上下为两个横哑铃形断面，腹杆用钢管桁片，广东南海三山西大桥（主跨200米，带悬臂中承式刚架系杆拱）、陕西延安王家坪延河大桥（净跨l90m，中承式）等桥采用这种形式。这种截面形式，根哑铃形缀板中的混凝土较之前述的哑铃形断面对加大抗弯刚度有较大的作用，但这种截面的钢一混凝土横腹板的受力特性与国钢管混凝土相差很大，同样存在着设计计算上不能采用套箍理论的问题。因此，其后又发展了混合式的桁式断面。这种断面，上弦采取横哑铃形，下弦两根钢管采用钢管下平联联结。上弦为了缩短缀板的长度，宽度较下弦为短而形成梯形断面，河南安阳文峰立交桥（主跨135m，下承式刚果系杆拱）、四川高谷乌江大桥（净跨150m，中承式）等桥采用这一形式。

直接采用多肢桁式（格构式）断面的钢管混凝土肋拱近年来有较多采用的趋势。这种拱肋弦杆采用钢管混凝土材料，腹杆和平联均采用钢管，它较之横哑铃形桥式截面，材料省自重轻，跨越能力强。同时，由于各肢以受轴向力为主，更易于采用钢管混凝土理论进行计算。在多肢桁式断面中，四肢最为常见，截面的高度与宽度之比在2：回附近较为合理，拱肋的面外稳定性主要通过横向联系来保证。福建闽清石潭溪大桥（净跨136m，中承式）、沈阳浑河长青大桥（净跨140m，中承式）、四川眉山根江大桥（主跨206m，带悬臂中承式刚架系杆拱）、广西三岸色江大桥（净跨270m，中承式）等桥采用了完全桁式断面。

另外，还有一种采用集束钢管混凝土的肋拱桥。这种结构加工量少，材料用量比桁拱多，未被桥梁界普遍接受，其受力性能有待实践与理论验证。

钢管混凝土材料的显著优点之一是在构件受压时，钢管对混凝土的紧箍力作用使混凝土的受压强度得到提高。为使这一优势得到充分发挥，应采用强度较高的钢材，但含铜率不必太大。在钢管混凝土拱桥中通常合钢车在5％～12％之间。但日前有些钢管混凝土拱桥的拱肋合钢车接近 20％ 。通常所说的钢管混凝土结构其合钢率在20％以下。接近或超过20％则其受力性能与钢结构相近。钢管管壁较厚时，钢管的局部屈曲问题并不突出，填充混凝土的必要性不足，而且钢管的加工也困难。因此，采用太高的含铜率是不经济、不合理的。
因为有钢管的套箍作用、而且拱式结构常以稳定控制，所以管内混凝土的强度不必要求太高，一般采用C40。但由于现在混凝土标号的提高不会使造价成倍增加，所以也有采用C50甚至C60o

四、桥面系
钢管混凝土拱桥除拱梁组合体系桥面系为以纵梁为主外，其余均以横梁为主结构。它将横梁设置于立柱上或吊杆下，然后纵向铺设桥面板（梁）。活载经桥面系通常横梁传给立柱或吊杆，立柱或吊杆再将荷载传给拱肋。

这种桥面系不参与总体受力，属于局部受力传力结构，其单位自重不随着桥梁跨径的增加而明显增加，这也是这类拱桥跨径可以较大的原因之一。在已建成的钢管混凝土中下承式拱桥中，主拱跨径在五六十米时，吊杆间距一般在4m左右；主拱跨径在60～150m时，吊杆间距在5～10m之间；跨径超过150m以后，吊杆间距宜在12m附近。吊杆间距再大以后，桥面板的自重会增加较多，建筑高度也会随之增大，这对中下承式拱，特别是下承式拱的总体经济性是不利的。当然，无论桥梁跨径多大，一成不变地采用4m，5米的吊杆间距也是不合理的。因为在这种非拱架组合体系拱桥的桥面系中，桥面板和横梁中活载占总荷载的比例较大，而吊杯及其错具的受力更是以活载（尤其是挂车荷载）控制，在4～12m的吊杯间距范围内，吊杆、横梁、桥面板的受力并不随着吊杆间距的增大而明显增大。因此，随着桥梁跨径的增大，吊杆的间距适当地加大，总体经济效益是好的，而且也符合审美的需要。

钢管混凝土拱桥由于拱肋截面的轻型化，使得桥面系在恒载中所占的比例上升。无论是从结构还是从施工方面来说，桥面系的轻型化问题都显得十分必要。尤其是宽桥，横梁的受力很大，其重量在桥面系自身中所占的比例也很大。横梁的跨度一般等于两拱肋的中距。横梁所承担的荷载长度为两吊杆或立柱的间距。当横梁跨径在10m附近时，通常采用钢筋混凝土构造；在20m附近时，则应采用预应力构造；跨径更大时，可以考虑采用钢一混凝土或钢一预应力混凝土叠合梁构造。

广州丫髻沙大桥主跨 360米，桥面侧向总宽度 32.4m（含分隔带），吊杆横梁采用了钢一混凝土组合梁。横梁计算跨径31.62m和 35.5米，钢横梁为二字形，桥面横坡通常横梁腹板的变化形成。一根钢横梁的自重在30t左右，吊装后在其顶板上浇筑混凝土约18t，总重仅46t左右。若采用预应力混凝土梁则重达100t左右，结构自重和吊装重量均大很多。
深圳北站大桥是一座城市跨铁路站场的立交桥，主跨 150m，桥宽 23.5米。横梁采用预应力钢一混凝土组合梁。利用纵铺的预应力空心桥面板作为组合梁受压翼缘的一部分，组合梁中的钢梁采用了高托座预应力钢箱梁。

五、结束语
钢管混凝土拱桥是一种优势明显、极具发展潜力的桥型，及时总结其应用经验是非常必要的，而开展深入系统的研究则更为重要。然而到目前为止，除少数研究单位进行了为数有限的钢管混凝土拱桥受力全过程性能、极限承载力、温度应力、混凝土徐变等实验室模型试验和理论外，大部分的研究是针对具体桥梁进行的实桥测试、验证性试验和以大型通用程序为主的有限元分析，动力性能研究则更少，对钢管混凝土拱桥受力性能的研究还缺乏深入细致和全面系统的了解。这就使得我国钢管混凝土拱桥的大规模应用缺乏必要的技术准备，实际应用带有较大的盲目性。在实际应用方面，目前还未有钢管混凝土拱桥的设计与施工技术规范，使得工程设计与施工无章可循，这可能给工程造成浪费和留下质量问题和安全隐患。因此建议有关方面应重视钢管混凝土拱桥的技术研究，投入较多的经费，组织科技攻关；尽快制定颁发钢管混凝土拱桥的设计与施工规范，以使这一具有中国特色的桥梁结构显示其应有的技术先进性的经济合理性。在当前的情况下，应慎重发展钢管混凝土拱桥，尤其是大跨径、大规模的钢管混凝土拱桥。

参考文献
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［2］ZHENG，Zhenfei;CHEN ,Baochun and Wu,Qingxiong."Recent Development of CFST Arch Bridge in china",Composite and Hybird Structures(Procceedings of 6th ASCCS C onference),Los Angeles,USA,March,2000
[3]陈宝春，邹中权，兰溪大桥钢管混凝土刚架系杆拱设计.湘潭矿业学院学报，13（4），1998年12月
【4】项海帆，刘光栋.拱结构稳定与振动.北京：人民交通出版社，1991
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