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楼庄鸿:我国钢筋混凝土拱桥(一)
2011-09-08 来源:中国桥梁网
1前言

    新中国成立以后,桥梁建设得到了较迅速的发展。就拱桥而言,上世纪50年代开始,石拱桥得到了发展,60年代初跨径即突破了百米,至今最大的是跨径146m的山西晋城丹河新桥,居世界首位。

    上世纪60年代起,钢筋混凝土拱桥得到了发展,60年代双曲拱兴起;70年代箱形拱得到了发展,同时桁架拱也开始采用;80年代又发展了桁式组合拱以及刚架拱。

    从上世纪90年代开始,修建了钢管混凝土拱,目前最大者是正在建设的四川泸州合江长江一桥,跨径达530m;已建成的为跨径460m的巫山长江大桥,居世界首位。

    从21世纪起,钢拱得到了较迅速的发展,目前最大的是跨径552m的重庆朝天门长江大桥,居世界首位。

    近日,因参加中国拱桥图鉴中的钢筋混凝土拱桥的工作,以下仅就钢筋混凝土拱桥的桥型和施工方法两个问题进行叙述。

    2 钢筋混凝土拱桥的桥型

    钢筋混凝土拱桥的桥型,内容丰富,种类繁多,现讨论其主要者。

    2.1 双曲拱

    上世纪60年代无锡从改造农桥而提出双曲拱,其拱圈由拱肋、拱波、拱板及横系梁所组成,在当时缺乏钢材及吊装设备的历史背景下,对农桥改造起了很大的推动作用。后来又发展用于公路桥梁甚至曾用于铁路桥梁。最大的双曲拱是河南前河大桥,跨径150m。跨径超过100m的有12座【7】。最长的双曲拱是湖南长沙湘江大桥,至今仍在完好地运营。

    但是,由于双曲拱拱圈是由肋、波、板所组成,组合截面的整体性差,界面易开裂,耐久性也较差,随着钢材的丰富及吊装能力的加强,现该桥型已趋向不用,基本完成了其历史使命。

    2.2 箱形拱,箱肋拱

    箱型拱是大跨径拱桥中用得最多的桥型。拱圈往往由若干个箱所组成。吊装完成后,各箱腹板间及顶板上浇筑整体混凝土,形成整体拱圈。为了减轻吊装重量,预制腹板往往搞得很薄,甚至以开口箱进行吊装。原来有跨径自60m~100m的箱形拱定型设计图。目前最大的箱形拱是跨径420m的重庆万县长江大桥,居钢筋混凝土拱桥跨径世界之最,见图1。


    图1 重庆万县长江大桥(单位:m)

    但是,箱形拱也存在一些缺点,就是腹板间浇筑的混凝土量较大,而这部分混凝土对拱承载能力的贡献相对较小。于是近年来出现了一种趋势,就是向箱肋拱发展,以减少腹板的总厚度。目前最大的箱肋拱,是四川广元嘉陵江大桥【6】,跨径达350m,是上承式拱,拱圈由两个双室箱拱肋组成。见图2。


    1/2 拱顶截面 1/2 拱脚截面

    图2 四川广元嘉陵江大桥(单位:上m,下cm)

    在较小跨径的钢筋混凝土拱桥中,也有采用工字形的拱肋,甚至是矩形肋和圆管形拱肋的,如盐源金河雅砻河大桥,跨径170m,采用工字形肋;跨径60m的成渝高速公路黑水函大桥,采用矩形拱肋;跨径35m的内蒙赤峰各各召桥,采用四条管形拱肋。[page]

    2.3 桁架拱,桁式组合拱

    是一种轻型的拱桥,主拱圈由桁架拱片及横向连接杆件组成,上设桥面而成桥。后来也将桁架中的斜拉杆搞成预应力杆件。

    在上世纪80年代,又将桁架拱发展为桁式组合拱,以适应大跨径的要求。桁片上下弦均为箱形截面,上弦分段张拉预应力束悬臂拼装桁片节段后,即安装上下弦杆的中室顶底板,形成三室箱,直至合龙。然后在约四分点附近的设计位置,解除上弦杆的预应力连接器,转换体系而成拱结构。目前最大的桁式组合拱,是贵州江界河大桥,跨径达330m,见图3。跨径在150m及以上的已有17座。【8】

    但是,由于桁架节点较多,节点较易开裂,耐久性及动力性能较差。尤其在跨径很大时,施工阶段内力很大。目前已趋向于少用。


    图3 贵州江界河大桥(单位:cm)
 
    2.4 刚架拱

    也是一种轻型拱桥,主拱圈由包括拱腿、实腹段、斜撑与上弦的刚架拱片及横向连接件组成,上设桥面而成桥。与桁架拱比,杆件较少,较简洁,而适用跨径也相应减少。原来有30-60m的定型设计图。目前最大的刚架拱,是跨径130m的江西太白大桥,采用平转法施工,见图4,最长的刚架拱是广东清远北江大桥,主桥8×70m (净跨),全长1058.04m【17】。

    但是,刚架拱的上弦大小节点也较易出现裂缝,必须谨慎设计,加强节点。

    福州尤溪洲闽江大桥则采用了空腹式刚架拱,见图5,跨径80+120+80m。与一般刚架拱比,取消了斜撑及墩上立柱,减少了节点;同时因空腹距离较大,布置了预应力。采用的施工方法,是设临时支墩,首先形成三角区,再悬臂施工【11】,这种新的尝试也获得了成功。


    图4 江西太白大桥(单位:cm)



    图5 福州尤溪洲闽江大桥(单位:cm)

    2.5 系杆拱

    在拱上设系杆,平衡推力,形成无推力的拱。其基本形式有两种:一是下承式拱,带系杆,设支座,放在墩上;二是中承式飞燕式拱,边跨近似半跨拱,两边跨端部间以系杆拉住。前者如广东罗浮山大桥,跨径60+100+60m,见图6,后者如福建南平玉屏山大桥,跨径55+100+55m,见图7。



    图6 广东罗浮山大桥(单位:cm)



    图7 福建南平玉屏山大桥[page]

    2.6 特殊拱

    1) 异形拱

    适用于风景区,下承式,吊杆斜置,拱轴不对称,往往两孔并列。这类桥型首先在河南安阳修建。图8为湖南长沙黄柏浏阳河大桥,2孔跨径60m拱,矢跨比1/4.42,拱圈工字形截面,高1.6m,宽1.2m。吊杆斜率1.25:1,拱轴用与斜杆方向对称的抛物线,系杆用预应力【12】。


    图8 湖南长沙黄柏浏阳河大桥

    2) 单肋拱

    广东开平大桥,跨径40+60+40m系杆拱,仅有一条拱肋,设在横断面中部,桥面用抗扭刚度较大的箱梁【16】,见图9。


    图9 广东开平大桥(单位:m)

    3) 斜靠拱,又称复式提篮拱,或双提篮拱

    这种类型以钢管混凝土拱居多,钢拱也有,这里仅介绍钢筋混凝土斜靠拱,图10为河南平顶山市城东河路湛河大桥,每拱由内外两拱组成,内拱跨径120m,矢跨比1/4.44;外拱跨径92m,矢跨比1/2.8。拱轴均为抛物线。内拱向桥外侧倾斜1°,外拱向内倾斜8.0075°,内外拱间用横隔梁连接,内拱间不设横撑。拱肋宽1.5m,高2.7m。桥面用梁格系,上设桥面板,吊杆间距4m【13】。

    复式拱肋有利于横向稳定及设景观平台,但会使构造复杂。


    图10 河南平顶山市城东河路湛河大桥(单位:cm)
 
    4) 尼尔森体系拱

    所谓尼尔森体系是指中承式或下承式拱,采用交叉形吊杆者。图11为四川内江新龙坳大桥,为提篮拱,跨径120m,矢跨比1/4,拱肋高3m,宽2m,向内倾斜12°,每道横梁设两根斜吊杆,其夹角为45°。



    图11 四川内江新龙坳大桥
 
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