走向21世紀(jì)的鋼管混凝土拱橋
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【摘 要】 對(duì)鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述,介紹了國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土拱橋的研究現(xiàn)狀,綜述了我國(guó)十多年來(lái)在鋼管混凝土拱橋方面發(fā)展及所取得的成果;對(duì)鋼管混凝土拱橋的發(fā)展進(jìn)行了展望,為今后的建設(shè)提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】 鋼管混凝土; 拱橋; 展望 拱橋是我國(guó)公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。它外形宏偉壯觀,且經(jīng)久耐用[ 1 ]。拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu),隨著跨徑的增大,高強(qiáng)材料的應(yīng)用受到穩(wěn)定問(wèn)題的制約;而鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋由于自重較大,施工架設(shè)問(wèn)題突出。高強(qiáng)材料的應(yīng)用和無(wú)支架施工的困難,制約了拱橋的發(fā)展。將鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋能同時(shí)解決了拱橋材料高強(qiáng)化和拱圈施工輕型化的兩大問(wèn)題。
1 鋼管混凝土拱橋概述
鋼管混凝土作為一種組合材料,其工作的基本原理有兩點(diǎn): (1)借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性; (2)借助鋼管對(duì)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(tài),從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力。
基于鋼管混凝土的工作機(jī)理,將其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于大跨度拱橋的建造,可以較好地解決橋梁結(jié)構(gòu)所要求的用料省、安裝重量輕、施工簡(jiǎn)便以及承載能力大等諸多要求。同時(shí),鋼管混凝土將鋼材和混凝土有機(jī)地結(jié)合在一起,能大大地提高拱橋的跨越能力,并使材料性能得到充分利用。在施工方面,空鋼管架設(shè)吊裝重量輕,又可作為施工支架和內(nèi)填混凝土的模板,施工用鋼量省,而RT工廠化、工業(yè)化水平高,加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的優(yōu)越性,將其應(yīng)用于以受壓力為主的拱橋之中是十分合理的。它對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)約材料、減輕自重、提高跨越能力、方便施工、縮短工期有著積極的意義。正由于鋼管混凝土拱橋具有自架設(shè)的施工優(yōu)勢(shì)及鋼- 混凝土共同受力的性能優(yōu)勢(shì),這種橋型日益顯示出其強(qiáng)大的生命力。
2 國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土拱橋的研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中開始得到研究和應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代。自1990年10月在四川省旺蒼縣首先采用纜索吊裝、無(wú)支架施工法建成跨度115 m的我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋以來(lái),短短10多年間,鋼管混凝土拱橋如雨后春筍,在各地破土而出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),從
 1990 年到1994年間,已建和在建的鋼管混凝土拱橋達(dá)20 多座, 到1997年達(dá)40多座,到1998年則已達(dá)到60多座,到目前又已達(dá)到120多座,其發(fā)展速度之快,為中外建橋史所罕見。表1列出了5座國(guó)內(nèi)已建成的鋼管混凝土拱橋。 鋼管混凝土在國(guó)外橋梁工程中的應(yīng)用已有100多年的歷史。早在1879年,英國(guó)的Severn鐵路橋建設(shè)中就采用了鋼管橋墩,當(dāng)時(shí)在管中灌注混凝土主要用來(lái)防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu),始于20世紀(jì)30年代末期,前蘇聯(lián)著名橋梁專家Perederiy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河跨度101 m的拱梁組合體系。與此同時(shí), 1939年, Rosnovskiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達(dá)140 m的鐵路拱橋。法國(guó)已建的凱澤萊爾橋,主跨為220 m的下承式拱橋。日本的松島橋?yàn)?26m跨徑的上承式鋼管混凝土拱橋。美國(guó)于1999年在芝加哥市修建了一座中承式鋼管混凝土拱橋(DamenAvenueArch) ,主跨74 m,橋長(zhǎng)94 m,橋?qū)?119 m,拱肋采用直徑為5112 cm的鋼管,壁厚25 mm,拱肋間不設(shè)橫撐。總的來(lái)說(shuō),國(guó)外修建鋼管混凝土拱橋的跨徑較小,數(shù)量也不多,相關(guān)報(bào)道較少。
3 鋼管混凝土拱橋的優(yōu)缺點(diǎn)
鋼管混凝土拱橋在短短的幾十年時(shí)間里,能得以飛速的發(fā)展,就其本身而言,鋼管混凝土拱橋具有以下優(yōu)點(diǎn)[ 3 ]、[ 4 ]。
3、1 跨越能力大、適應(yīng)能力強(qiáng)
鋼管混凝土的承載能力大大高于鋼管、混凝土承載能力之和,因此,其跨越能力要高于一般的鋼筋混凝土肋拱。實(shí)踐證明,鋼管混凝土拱橋在100～400 m以內(nèi)具有很強(qiáng)的適
應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)力。
3、2 承載能力大,施工快捷
鋼管對(duì)混凝土具有所謂的“套箍”作用,套箍作用主要體現(xiàn)在混凝土進(jìn)入塑性階段以后,此時(shí)混凝土沿環(huán)向劇烈膨脹,而鋼管能有效約束這種膨脹,從而使混凝土處于三軸受力狀態(tài),強(qiáng)度得以大大提高。鋼管混凝土利用內(nèi)填混凝土增強(qiáng)管壁的穩(wěn)定性,又利用鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用,使鋼管混凝土的優(yōu)越性能得到充分發(fā)揮,具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力,非常適合以偏心受壓為主的拱橋。施工時(shí),鋼管充當(dāng)很好的模板,無(wú)需額外的腳手架和模板,又起到勁性骨架的作用;另一方面,橋梁基坑開挖、基礎(chǔ)與混凝土澆筑、鋼管加工、吊桿制作、橫梁和橋面板預(yù)制可同時(shí)進(jìn)行,模塊化程度高,節(jié)省了施工工期,與同等跨徑的其它體系橋梁相比,可節(jié)省工期30%以上。
3、3 地基適應(yīng)能力強(qiáng)
鋼管混凝土拱橋可根據(jù)不同的地質(zhì)條件和橋位斷面,設(shè)計(jì)成有推力的拱橋(上承式和中承式拱) ,也可設(shè)計(jì)成無(wú)推力的系桿拱橋(下承式或帶半跨邊孔的飛雁式組合拱) 。
3、4 造型優(yōu)美
優(yōu)秀的橋梁建筑,除實(shí)用的功能外,還應(yīng)是一個(gè)高雅的建筑藝術(shù)品,成為一個(gè)城市或地區(qū)的標(biāo)志(象征) ,如舉世聞名的美國(guó)舊金山大橋、悉尼港的鋼拱橋。鋼管混凝土拱橋猶如一道靚麗的彩虹橫跨大江兩岸,配合恰當(dāng)?shù)臒艄庠O(shè)計(jì),令人賞心悅目。
3、5 有較成熟的施工技術(shù)作支撐
中國(guó)是建造拱橋最多的國(guó)家,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索,已掌握了成套的施工技術(shù),如無(wú)支架纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法。前者配合千斤頂由高強(qiáng)鋼絞線做扣索,具有索力和拱軸線型控制精度高,并且突破了只適用于5段以內(nèi)的限制,能用于多節(jié)段拱肋吊裝;后者的平轉(zhuǎn)和豎轉(zhuǎn)技術(shù)也已相當(dāng)成熟,已成功地用于多座鋼管混凝土拱橋的安裝。
3、6 總體布置
由于鋼管混凝土承載能力大,正常使用狀態(tài)是以應(yīng)力控制設(shè)計(jì),外表不存在混凝土裂縫問(wèn)題,因而可以使主拱圈截面及其寬度相對(duì)減小,這樣便可以減小橋面上承重結(jié)構(gòu)所占的寬度,提高了橋面寬度的使用效率。
盡管鋼管混凝土拱橋發(fā)展很快,跨徑也已達(dá)到460 m,但是其設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、規(guī)范制定等方面卻比較落后。如:鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系如何選取,才能使二者的結(jié)合最優(yōu)缺乏研究;鋼管混凝土拱橋的有限元計(jì)算理論缺乏統(tǒng)一性;施工過(guò)程中鋼管聚集的初始應(yīng)力,對(duì)鋼管混凝土極限承載力會(huì)產(chǎn)生影響,但影響值有多大,需深入研究;由于核心混凝土的收縮,鋼管混凝土拱中出現(xiàn)鋼管與混凝土不密貼的現(xiàn)象,對(duì)于這個(gè)問(wèn)題目前還缺乏深入的研究;鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)與柔性吊桿的疲勞問(wèn)題,研究不夠深入;目前對(duì)于鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)、制作、施工并沒(méi)有一套可行的規(guī)范。
其次,鋼管混凝土拱橋在陽(yáng)光照射下,鋼管表面溫度很高,鋼管熱脹容易造成與管內(nèi)混凝土脫空;而當(dāng)采用桁式鋼管混凝土拱肋時(shí),管間焊接接頭構(gòu)造復(fù)雜,是受力的薄弱部位。這些都是鋼管混凝土拱橋亟待解決的問(wèn)題。
4 鋼管混凝土拱橋21世紀(jì)的展望
我國(guó)目前仍處于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高潮,鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用仍在不斷發(fā)展之中。而21世紀(jì)的鋼管混凝土拱橋?qū)⑾虼罂?、寬橋面[ 5 ]、造型美觀、輕質(zhì)、靈敏、環(huán)保等方面發(fā)
展。
4、1 大 跨
在我國(guó)的一般大河上,水面寬度不過(guò)500～600 m,可采用一大拱跨過(guò);在更寬的江面上可以采用多孔系桿拱橋。在建成了跨度460 m的巫峽長(zhǎng)江大橋后,鋼管混凝土拱橋在大跨度拱橋上具有了更廣闊的前景。鋼管混凝土拱橋與鋼橋的跨越能力相差不大,但鋼管混凝土拱橋用鋼量很省,符合我國(guó)的國(guó)情。其次,鋼管混凝土剛架系桿拱在結(jié)構(gòu)和施工方法上都具備更大的跨越能力,為拱橋跨徑的繼續(xù)向增大發(fā)展提供了可能。
4、2 寬橋面
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通量迅猛增長(zhǎng),與之相適應(yīng)的城市橋梁也越做越寬,于是需建城市特寬橋。在我國(guó),近10年來(lái)城市道路的路幅由早期的20 m左右發(fā)展到45 m、64 m、甚至80 m等。城市寬橋的應(yīng)用越來(lái)越廣。而鋼管混凝土拱橋以其在施工、造型等各方面的優(yōu)點(diǎn),在城市寬橋、特寬橋上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。鋼管混凝土拱橋施工簡(jiǎn)便,并且可以自架設(shè),不須搭設(shè)支架和模板,施工周期短,適合城市建設(shè)。而且可以采用轉(zhuǎn)體施工,可以在不影響城市原有交通的情況下進(jìn)行施工。城市橋梁一般橋面較寬,從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力、抗震等多方面考慮,鋼管混凝土拱橋具有較大的優(yōu)勢(shì),可以在橫截面上選擇兩拱肋或三拱肋,在特寬橋中,可采用四拱肋,將橫梁在中間斷開,相當(dāng)于兩座獨(dú)立的橋。
4、3 造型美觀
現(xiàn)代橋梁越來(lái)越注重美學(xué),當(dāng)橋址位于城市出入口時(shí),更要求造型美觀并具有時(shí)代特征,以體現(xiàn)其城市門戶的形象。而中承式鋼管混凝土拱橋就能給人們以出入門戶的感覺(jué),并且可以對(duì)鋼管拱肋、吊桿等進(jìn)行著色配景,使整個(gè)橋梁與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),并使之成為城市的一大景觀。
4、4 輕 質(zhì)
橋梁主體材料將由高強(qiáng)度輕質(zhì)太空材料所取代。高強(qiáng)度鋁合金、玻璃鋼、碳纖維等太空材料將取代當(dāng)代的橋梁鋼、混凝土成為橋梁建筑的主體材料,實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)目標(biāo)。因此,鋼管混凝土拱橋的材料也將實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化。
5 結(jié)束語(yǔ)
鋼管混凝土拱橋因其跨越適應(yīng)能力強(qiáng)、施工方便、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展,可以預(yù)見, 21世紀(jì)的鋼管混凝土拱橋建設(shè)必將取得新的突破,取得更大、更廣的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[ 3 ] 邵旭東. 橋梁設(shè)計(jì)百問(wèn)[M ]. 北京:人民交通出版社, 2003.
[ 4 ] 周海龍,周水興,劉文方. 鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用與發(fā)展[ J ].公路交通技術(shù), 2005 (6) . |
| 原作者： 高興寶,王大均,李華平 |
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