周 源，王 戈

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(shè)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(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)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(fā)展得益于其自身的優(yōu)勢(shì)：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(shè)能力強(qiáng)[1]；鋼管內(nèi)填混凝土凝固受力后，形成了SRC 結(jié)構(gòu)，提高了拱橋的剛度、強(qiáng)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(shí)也使結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到提高。

但勁性骨架法也有缺點(diǎn)：施工周期長(zhǎng)，收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響顯著[3]；按應(yīng)力疊加法[4]計(jì)算，特大跨徑拱橋若按常規(guī)澆筑順序，拱腳附近混凝土拱圈最大壓應(yīng)力會(huì)超出規(guī)范容許值[5]，必須對(duì)澆筑方案進(jìn)行多次研算。

為充分發(fā)揮鋼管勁性骨架的優(yōu)勢(shì)，減少混凝土拱圈外包工序，以期在更大跨徑拱橋中應(yīng)用，有專家學(xué)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(nèi)灌注超高性能混凝土[8-9]，優(yōu)化腹桿構(gòu)造，能夠提高鋼管混凝土的承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)通過提高拱截面含鋼管混凝土率，增加勁性骨架的強(qiáng)度和剛度以及對(duì)截面的承載能力貢獻(xiàn)率，由此形成強(qiáng)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(huán)城公路官盛渠江大橋3 座鋼筋混凝土拱橋采用了強(qiáng)勁骨架設(shè)計(jì)，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(huán)均未超過3環(huán)，節(jié)省了工期，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合3 座橋的工程實(shí)例，介紹強(qiáng)勁骨架的應(yīng)用情況以及相關(guān)計(jì)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?yàn)樯铣惺戒摻罨炷料涔皹?，全?7.5 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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)板厚線性漸變段。

勁性骨架為型鋼- 鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，弦桿采用鋼管混凝土，內(nèi)灌C80 混凝土，截面內(nèi)共6 根φ457×14 mm 鋼管，腹桿及平聯(lián)為角鋼；拱肋橫聯(lián)對(duì)應(yīng)位置為加強(qiáng)橫向連接設(shè)置交叉撐。如圖1 所示。

表1 國內(nèi)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(gòu)造（單位：cm）

拱上立柱橫向?yàn)殡p柱，采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，上設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。橋面系采用13 孔28 m 預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，每孔橫向8 片梁。

拱圈的澆筑采用“分環(huán)、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內(nèi)共分為3 環(huán)，第1 環(huán)為底板，第2環(huán)為腹板，第3 環(huán)為頂板，依次澆筑。施工第1 環(huán)時(shí)全橋分為8 個(gè)工作面同時(shí)對(duì)稱平衡澆筑，施工第2、3 環(huán)時(shí)全橋分為16 個(gè)工作面同時(shí)對(duì)稱平衡澆筑。每個(gè)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?yàn)樯铣惺戒摻罨炷料涔皹?，單幅?biāo)準(zhǔn)橋?qū)?2 m，左右幅拱圈間采用橫聯(lián)加強(qiáng)連接。主拱采用C50 混凝土等截面懸鏈線無鉸拱，拱軸系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)板厚線性漸變段。

勁性骨架為型鋼- 鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，弦桿采用鋼管混凝土，內(nèi)灌C100 混凝土，截面內(nèi)共6 根φ401×16～φ401×12 mm 鋼管；腹桿及平聯(lián)為┖80×10 角鋼，腹桿為米字形構(gòu)造。如圖3 所示。

圖3 磨刀溪大橋拱圈勁性骨架構(gòu)造圖（單位：cm）

拱上立柱采用空心薄壁箱型墩，上設(shè)蓋梁；橋面系采用28 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，每孔橫向4 片梁。

拱圈的澆筑采用“分環(huán)、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內(nèi)共分為兩環(huán)，第1 環(huán)為底板和兩外側(cè)腹板，第2 環(huán)為中腹板及頂板，依次澆筑。施工每一環(huán)時(shí)全橋分為16 個(gè)工作面同時(shí)對(duì)稱平衡澆筑。每個(gè)工作面的施工亦分段澆筑，澆筑過程中根據(jù)拱圈受力情況調(diào)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?yàn)橹谐惺戒摻罨炷岭p箱拱橋，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?7 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(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)厚55 cm 的橫隔板。兩拱肋之間共設(shè)8 道橫撐，采用箱型截面。

勁性骨架為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，弦桿采用鋼管混凝土，內(nèi)灌C100 混凝土，截面內(nèi)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(lián)為Φ152×10～Φ152×12 mm 的空鋼管。拱腳至1/4L拱肋處設(shè) ┖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(gòu)造圖（單位：cm）

拱圈的澆筑采用“分環(huán)、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面內(nèi)共分為兩環(huán)，第1 環(huán)為底板+下腹板，第2 環(huán)為上腹板+頂板，依次澆筑。施工每一環(huán)時(shí)全橋分為8 個(gè)工作面同時(shí)對(duì)稱平衡澆筑。每個(gè)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(jì)算結(jié)果

采用Midas Civil 對(duì)成橋及施工階段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算，內(nèi)容包括主拱圈承載能力、拱圈外包階段骨架各構(gòu)件的承載力及應(yīng)力、骨架整體線性穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)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(yàn)算結(jié)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(duì)拱圈承載能力的貢獻(xiàn) %

在拱圈外包過程中，勁性骨架主弦桿及外包混凝土的驗(yàn)算結(jié)果如表3，型鋼腹桿平聯(lián)桿驗(yàn)算結(jié)果如表4。由計(jì)算結(jié)果可見：

a）骨架主弦桿的強(qiáng)度驗(yàn)算由拱圈外包最后一環(huán)控制。

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

c）骨架主弦桿SRC 管內(nèi)混凝土等級(jí)由C80 增加到C100 后，整體剛度增加，骨架變形變小，腹桿、平聯(lián)、斜平聯(lián)等構(gòu)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(yàn)算

表4 鋼構(gòu)件施工階段驗(yàn)算

骨架在混凝土拱圈外包過程中，穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果如圖7～圖9。圖7 中昭化橋施工階段編號(hào)1～10 為第1 環(huán)外包，編號(hào)11～15 為第2 環(huán)外包，編號(hào)16～20 為第3 環(huán)外包；圖8 中磨刀溪橋施工階段編號(hào)1～6 為第 1 環(huán)外包，編號(hào) 7～12 為第 2 環(huán)外包；圖 9中官盛橋施工階段編號(hào)1～5 為第1 環(huán)外包，編號(hào)6～10 為第2 環(huán)外包。由計(jì)算結(jié)果可見：

d）整體穩(wěn)定主要由外包第1 環(huán)控制，最低值一般出現(xiàn)在快合龍的前1～2 個(gè)施工階段。

e）第1 環(huán)澆筑混凝土的比例決定了穩(wěn)定系數(shù)的最低值以及最后一環(huán)穩(wěn)定系數(shù)最高值，一般來說第1 環(huán)澆筑比例越大，整體穩(wěn)定系數(shù)越低，后階段外包穩(wěn)定系數(shù)增加的幅度越大。

f）在強(qiáng)度容許的前提下，第2 環(huán)可適當(dāng)減少分段次數(shù)。

圖7 昭化嘉陵江大橋拱圈外包階段整體線彈性穩(wěn)定分析

圖8 磨刀溪大橋拱圈外包階段整體線彈性穩(wěn)定分析

圖9 官盛渠江大橋拱圈外包階段整體線彈性穩(wěn)定分析

勁性骨架外包的拱圈分環(huán)分段澆筑，截面剛度不斷發(fā)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(duì)分環(huán)分段外包及一次落架兩個(gè)模型做了如下假定：混凝土加載齡期相同，收縮徐變總時(shí)間均為拱圈外包的總工期。計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)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(shè)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(huán)分段澆筑同一次落架位移對(duì)比

圖11 磨刀溪大橋拱圈分環(huán)分段澆筑同一次落架位移對(duì)比

圖12 官盛渠江大橋拱圈分環(huán)分段澆筑同一次落架位移對(duì)比

4 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要回顧了鋼管混凝土勁性骨架拱橋的發(fā)展過程，介紹了采用強(qiáng)勁骨架法施工的3 座鋼筋混凝土拱橋的設(shè)計(jì)基本參數(shù)及拱圈外包工序，并對(duì)拱圈承載力組成成分以及拱圈外包過程中骨架的整體穩(wěn)定性以及各構(gòu)件的受力特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

a）強(qiáng)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(gè)截面承載力的20%以上。

b）強(qiáng)勁骨架的使用，能減少拱圈澆筑分環(huán)次數(shù)及段數(shù)，節(jié)省了工期。

c）強(qiáng)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(yīng)力水平，也能適當(dāng)降低其他構(gòu)件的用鋼量水平。

d）強(qiáng)勁骨架施工過程中的整體穩(wěn)定性一般由第1 環(huán)控制，強(qiáng)度一般由最后一環(huán)控制。

e）強(qiáng)勁骨架的使用，可以布設(shè)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(qiáng)勁骨架的成功使用得益于混凝土材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，但也不能忽略，隨著拱橋跨徑增加，橋梁結(jié)構(gòu)自重所占比例也會(huì)增加，拱圈外包過程中骨架承載負(fù)擔(dān)也會(huì)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(gòu)件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕型化，則會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮強(qiáng)勁骨架的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土拱橋跨徑上的突破。