强劲骨架在钢管混凝土劲性骨架拱桥中的应用

周 源，王 戈

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041）

1 概述

作为无支架法施工的一种途径，以钢管混凝土为劲性骨架，在骨架上搭设模板分段分层浇筑外包混凝土，最后形成钢筋混凝土拱桥的工法近年来在我国取得了巨大发展。据不完全统计，截止2018 年，我国建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥已有约40 座，如表1 所示。这其中包括世界第一跨公路钢筋混凝土拱桥420 m 万县长江公路大桥以及世界第一跨铁路钢筋混凝土拱桥445 m 沪昆高铁北盘江特大桥。

劲性骨架钢筋混凝土拱桥的发展得益于其自身的优势：施工过程中钢管起到支架兼模板的作用，安装重量轻、自架设能力强[1]；钢管内填混凝土凝固受力后，形成了SRC 结构，提高了拱桥的刚度、强度和抗震性能[2]；混凝土拱圈分段形成刚度，并承受下一阶段施工荷载，提高了外包混凝土使用效率，同时也使结构的整体稳定性得到提高。

但劲性骨架法也有缺点：施工周期长，收缩徐变对结构的影响显著[3]；按应力叠加法[4]计算，特大跨径拱桥若按常规浇筑顺序，拱脚附近混凝土拱圈最大压应力会超出规范容许值[5]，必须对浇筑方案进行多次研算。

为充分发挥钢管劲性骨架的优势，减少混凝土拱圈外包工序，以期在更大跨径拱桥中应用，有专家学者提出了3 种思路[6]：提高主拱截面SRC 面积比例[1]；减轻主拱自重；增加施工措施[7]。

劲性骨架主弦杆钢管内灌注超高性能混凝土[8-9]，优化腹杆构造，能够提高钢管混凝土的承载力和结构稳定性，同时通过提高拱截面含钢管混凝土率，增加劲性骨架的强度和刚度以及对截面的承载能力贡献率，由此形成强劲骨架[1]。兰海高速公路四川昭化嘉陵江大桥、叙古高速公路磨刀溪大桥、广安环城公路官盛渠江大桥3 座钢筋混凝土拱桥采用了强劲骨架设计，钢管混凝土劲性骨架中灌注C80 或C100 混凝土，混凝土拱圈的外包分环均未超过3环，节省了工期，取得了良好的社会经济效益。本文结合3 座桥的工程实例，介绍强劲骨架的应用情况以及相关计算分析成果。

2 工程概况

2.1 兰海高速公路昭化嘉陵江大桥

主桥为上承式钢筋混凝土箱拱桥，全宽27.5 m。拱圈采用C55 混凝土等截面悬链线无铰拱，净跨径L0=350 m，净矢高f0=83.33 m，f0/L0=1/4.2。主拱圈采用分离式双箱拱，两拱箱间设横向连接，拱箱为单箱双室截面，箱宽8 m，箱高5.8 m，拱箱标准段顶、底板厚0.4 m，腹板厚0.3 m。拱脚段顶、底板厚0.8 m，中腹板厚0.3 m，边腹板厚0.55 m，拱脚至第一根立柱间设板厚线性渐变段。

劲性骨架为型钢- 钢管混凝土桁架结构，弦杆采用钢管混凝土，内灌C80 混凝土，截面内共6 根φ457×14 mm 钢管，腹杆及平联为角钢；拱肋横联对应位置为加强横向连接设置交叉撑。如图1 所示。

表1 国内部分钢管混凝土劲性骨架拱桥

图1 昭化嘉陵江大桥拱圈劲性骨架构造（单位：cm）

拱上立柱横向为双柱，采用空心薄壁结构，上设预应力混凝土盖梁。桥面系采用13 孔28 m 预应力混凝土小箱梁，每孔横向8 片梁。

拱圈的浇筑采用“分环、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面内共分为3 环，第1 环为底板，第2环为腹板，第3 环为顶板，依次浇筑。施工第1 环时全桥分为8 个工作面同时对称平衡浇筑，施工第2、3 环时全桥分为16 个工作面同时对称平衡浇筑。每个工作面的施工亦分段浇筑。如图2 所示。

图2 昭化嘉陵江大桥拱圈混凝土浇筑顺序

2.2 叙古高速公路磨刀溪大桥

主桥为上承式钢筋混凝土箱拱桥，单幅标准桥宽12 m，左右幅拱圈间采用横联加强连接。主拱采用C50 混凝土等截面悬链线无铰拱，拱轴系数2.2，净跨径L0=266 m，净矢跨比3.7∶1。单幅拱圈截面为单箱双室，箱宽7.6 m，箱高4.4 m，拱箱标准段顶、底板厚0.35 m，腹板厚0.3 m。拱脚段顶、底板厚0.65 m，中腹板厚0.3 m，边腹板厚0.5 m，拱脚至第一根立柱间设板厚线性渐变段。

劲性骨架为型钢- 钢管混凝土桁架结构，弦杆采用钢管混凝土，内灌C100 混凝土，截面内共6 根φ401×16～φ401×12 mm 钢管；腹杆及平联为┖80×10 角钢，腹杆为米字形构造。如图3 所示。

图3 磨刀溪大桥拱圈劲性骨架构造图（单位：cm）

拱上立柱采用空心薄壁箱型墩，上设盖梁；桥面系采用28 m预应力混凝土小箱梁，每孔横向4 片梁。

拱圈的浇筑采用“分环、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面内共分为两环，第1 环为底板和两外侧腹板，第2 环为中腹板及顶板，依次浇筑。施工每一环时全桥分为16 个工作面同时对称平衡浇筑。每个工作面的施工亦分段浇筑，浇筑过程中根据拱圈受力情况调整段落浇筑顺序。如图4 所示。

图4 磨刀溪大桥拱圈混凝土浇筑顺序

2.3 广安官盛渠江大桥

主桥为中承式钢筋混凝土双箱拱桥，标准桥宽27 m。主孔净跨L0=300 m，为C50 混凝土变截面悬链线无铰拱，矢跨比1/4，拱轴系数1.5，单片拱肋采用钢筋混凝土单箱单室截面。拱顶截面径向高为3.5 m，拱脚截面径向高为6.0 m，肋宽3.0 m；拱箱标准段顶、底板厚0.65 m，腹板厚0.65 m；拱脚段顶、底板厚2.75 m，腹板厚1.0 m，拱圈拱脚至第1、2 根立柱中间为板厚线性渐变段。吊杆和拱上立柱间距为12.8 m，吊杆处设厚55 cm 的横隔板。两拱肋之间共设8 道横撑，采用箱型截面。

劲性骨架为钢管混凝土桁架结构，弦杆采用钢管混凝土，内灌C100 混凝土，截面内上、下弦杆采用Φ351×14～Φ351×18 mm 钢管，中弦杆采用Φ273×10～Φ273×12 mm 钢管；腹杆及平联为Φ152×10～Φ152×12 mm 的空钢管。拱脚至1/4L拱肋处设 ┖90×10 型钢辅助弦杆。横撑采用型钢桁架。如图5 所示。

图5 官盛渠江大桥拱肋劲性骨架构造图（单位：cm）

拱圈的浇筑采用“分环、多工作面、再分段”的方式。即拱圈截面内共分为两环，第1 环为底板+下腹板，第2 环为上腹板+顶板，依次浇筑。施工每一环时全桥分为8 个工作面同时对称平衡浇筑。每个工作面的施工亦分段浇筑。如图6 所示。

图6 官盛渠江大桥拱肋外包顺序

3 主要计算结果

采用Midas Civil 对成桥及施工阶段进行了结构安全性验算，内容包括主拱圈承载能力、拱圈外包阶段骨架各构件的承载力及应力、骨架整体线性稳定和结构变形。

主拱极限承载能力由钢筋混凝土截面和钢管混凝土骨架截面共同提供[1][10]，验算结果如表2。由表可见，劲性骨架基本提供了20%以上的抗力，拱脚段混凝土截面尺寸增大，劲性骨架抗力占比略有下降。

表2 劲性骨架对拱圈承载能力的贡献 %

在拱圈外包过程中，劲性骨架主弦杆及外包混凝土的验算结果如表3，型钢腹杆平联杆验算结果如表4。由计算结果可见：

a）骨架主弦杆的强度验算由拱圈外包最后一环控制。

b）外包工作面布设越多分段数越少，骨架利用率就越高，拱圈混凝土应力水平越低。

c）骨架主弦杆SRC 管内混凝土等级由C80 增加到C100 后，整体刚度增加，骨架变形变小，腹杆、平联、斜平联等构件的用钢量有明显下降。

表3 劲性骨架主弦杆及外包混凝土验算

表4 钢构件施工阶段验算

骨架在混凝土拱圈外包过程中，稳定验算结果如图7～图9。图7 中昭化桥施工阶段编号1～10 为第1 环外包，编号11～15 为第2 环外包，编号16～20 为第3 环外包；图8 中磨刀溪桥施工阶段编号1～6 为第 1 环外包，编号 7～12 为第 2 环外包；图 9中官盛桥施工阶段编号1～5 为第1 环外包，编号6～10 为第2 环外包。由计算结果可见：

d）整体稳定主要由外包第1 环控制，最低值一般出现在快合龙的前1～2 个施工阶段。

e）第1 环浇筑混凝土的比例决定了稳定系数的最低值以及最后一环稳定系数最高值，一般来说第1 环浇筑比例越大，整体稳定系数越低，后阶段外包稳定系数增加的幅度越大。

f）在强度容许的前提下，第2 环可适当减少分段次数。

图7 昭化嘉陵江大桥拱圈外包阶段整体线弹性稳定分析

图8 磨刀溪大桥拱圈外包阶段整体线弹性稳定分析

图9 官盛渠江大桥拱圈外包阶段整体线弹性稳定分析

劲性骨架外包的拱圈分环分段浇筑，截面刚度不断发生变化，劲性骨架的刚度与加载顺序决定了成拱拱轴线同理想拱轴线的差异。为比较两者的差异，对分环分段外包及一次落架两个模型做了如下假定：混凝土加载龄期相同，收缩徐变总时间均为拱圈外包的总工期。计算结果如图10～图12，劲性骨架法的拱轴线成拱位移均比一次落架法的要大，其中昭化桥最大差异55.8%、磨刀溪桥最大差异53.2%、官盛桥最大差异81.5%；设计中提高骨架SRC 含量，能减少拱轴线同理想值的差异；拱圈外包施工布设多工作面，能使成拱拱轴线线形更接近于一次落架。

图10 昭化嘉陵江大桥拱圈分环分段浇筑同一次落架位移对比

图11 磨刀溪大桥拱圈分环分段浇筑同一次落架位移对比

图12 官盛渠江大桥拱圈分环分段浇筑同一次落架位移对比

4 结语

本文简要回顾了钢管混凝土劲性骨架拱桥的发展过程，介绍了采用强劲骨架法施工的3 座钢筋混凝土拱桥的设计基本参数及拱圈外包工序，并对拱圈承载力组成成分以及拱圈外包过程中骨架的整体稳定性以及各构件的受力特性进行了分析，得到如下结论：

a）强劲骨架法施工的拱桥，主拱拱顶截面含钢管混凝土率一般大于8%，且钢管混凝土提供的承载力占整个截面承载力的20%以上。

b）强劲骨架的使用，能减少拱圈浇筑分环次数及段数，节省了工期。

c）强劲骨架的使用，提高了SRC 的使用效率，能有效降低外包混凝土的应力水平，也能适当降低其他构件的用钢量水平。

d）强劲骨架施工过程中的整体稳定性一般由第1 环控制，强度一般由最后一环控制。

e）强劲骨架的使用，可以布设更多浇筑工作面，骨架受力更均衡，成拱线形更接近于理想中拱圈一次落架的线形。

强劲骨架的成功使用得益于混凝土材料科学技术的进步，但也不能忽略，随着拱桥跨径增加，桥梁结构自重所占比例也会增加，拱圈外包过程中骨架承载负担也会增加，如果桥面系及立柱等拱上建筑能采用钢混凝土组合构件实现结构的轻型化，则会进一步发挥强劲骨架的优势，实现钢筋混凝土拱桥跨径上的突破。