三跨自锚中承式钢管混凝土拱桥设计中的技术处理

1　三跨连续自锚体系拱桥　　南海市于1995年3月建成了国内首座三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥，即三山西大桥主桥。该桥为(45+200+45)m的三跨拱桥，桥面宽度为28m，主桥构造见图1。此桥型外观气势宏伟，造型新颖美观，开创了在平原地区兴建大跨度拱桥的先例，推动了拱桥技术的发展。　　图1　三山西大桥主桥构造拱桥是一种以受压为主的桥型，随着新技术、新材料、新工艺不断应用于桥梁工程结构中，促进了建桥技术的向前发展，取得了较好的社会效益与经济效益。三山西大桥主桥结构有机地将钢管混凝土和钢筋混凝土、中承式拱和上承式拱完善地结合在一起，主拱外形像飞燕，所以常被称作飞燕式拱桥。在三山西大桥之后，广州市市政工程设计研究院又先后设计了中山二桥及梧州市桂江三桥，这些均为三跨自锚拱桥，国内其它设计单位如铁专院在广州珠江上设计了丫髻沙特大桥，主跨达到360m。目前，国内三跨连续自锚中承式钢管(箱)混凝土拱桥见表1。

1　三跨连续自锚体系拱桥

　　南海市于1995年3月建成了国内首座三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥，即三山西大桥主桥。该桥为(45+200+45)m的三跨拱桥，桥面宽度为28m，主桥构造见图1。此桥型外观气势宏伟，造型新颖美观，开创了在平原地区兴建大跨度拱桥的先例，推动了拱桥技术的发展。　　

图1　三山西大桥主桥构造

拱桥是一种以受压为主的桥型，随着新技术、新材料、新工艺不断应用于桥梁工程结构中，促进了建桥技术的向前发展，取得了较好的社会效益与经济效益。三山西大桥主桥结构有机地将钢管混凝土和钢筋混凝土、中承式拱和上承式拱完善地结合在一起，主拱外形像飞燕，所以常被称作飞燕式拱桥。在三山西大桥之后，广州市市政工程设计研究院又先后设计了中山二桥及梧州市桂江三桥，这些均为三跨自锚拱桥，国内其它设计单位如铁专院在广州珠江上设计了丫髻沙特大桥，主跨达到360m。目前，国内三跨连续自锚中承式钢管(箱)混凝土拱桥见表1。

表1　国内三跨连续自锚中承式钢管(箱)混凝土拱桥

桥　　名	建成年份	跨度 m	桥面宽 m	主拱矢跨比	拱轴线	主拱截面尺寸 mm	边拱截面尺寸 m	横撑	施工方法
南海三山西大桥	1995	45+200+45	28.0	1/4.5	悬链线 m=1.3	4φ750×10	2×2实心	一字撑	缆索吊装
中山二桥	1995	41+125+41	40.0	1/5	二次抛物线	2500×2500～ 2 500×3 500	2.5×2～2.5×2.5	无	缆索吊装
宜昌莲沱特大桥	在建	48.3+114+48.3	20.0	1/5	悬链线 m=1.5	2φ1200×14		一字撑	竖转吊装
广州丫髻沙特大桥	在建	76+360+76	39.95	1/5.2	悬链线 m=2	6φ750×12	3.45×4.5箱	X撑	建议转体法施工
梧州市桂江三桥	在建	40+175+40	25.6	1/4	悬链线 m=1.34	4φ750×14	1.8×2.0～ 1.8×2.8实心	K字撑	竖转施工

2　自锚拱桥设计

2.1　桥梁纵向布置
　　三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥在纵向布置时需考虑下面几个方面。
　　(1) 立面外观效果，反映在边中跨比例和边中跨矢高比例协调上，边中跨之比一般为0.20～0.45,取值越大，边跨矢跨比越小或桥面距拱脚越高，边跨矢高为中跨矢高1/3左右为佳。
　　(2) 边中跨恒载对主墩产生水平分力的平衡，这是此桥型设计中的一个特点。边中跨对主墩产生的水平分力与其矢跨比有关，矢跨比越大，产生的水平分力越小。为了保持主墩水平分力的相对平衡，边中跨将采取不同的矢跨比。主跨一般取1/5左右，相对大些，边跨取1/8左右，相对小些，通过调整拱肋截面大小及桥面系恒载，来达到主墩水平力平衡的设计目的。
　　(3) 利用计算机手段，将边中跨跨径、矢跨比、拱肋线形参数等作为变量，将整个桥自动划分单元，利用桥梁有限元分析软件计算结构内力，以拱肋内力为调整目标，通过调整变量，使内力达到较合理的水平，这样可以大大提高设计质量，结构也更加合理，三山西大桥设计时采用了此法效果良好。

2.2　桥梁横向布置
　　根据桥梁交通功能要求，拱肋有2种布置形式：一为两拱肋放在桥面边线内，两拱肋外挑人行道或慢车道；二为两拱肋放在桥面边线之外，桥面位于两拱肋中间。通过两拱肋立柱或吊杆间的横梁来支承荷载，2种拱肋横向布置方式相比，前者人行视野开阔，可利用拱肋来作为分隔带，并在边跨空置位置摆放花草，以美化环境，横梁受力相应合理些，并可采用较小的截面，后者横向刚度大，有利于拱桥的侧倾稳定。

2.3　拱肋尺寸选择
2.3.1　主拱肋
　　根据国内钢管混凝土拱桥实桥设计资料，跨度100m以下的拱肋常采用单根钢管截面；跨度100～200m的拱肋多采用2根钢管的哑铃形；跨度200m以上，则采用4根或4根以上钢管混凝土桁架截面形式；随着跨度加大，达到400m以上，则宜采用多根小直径钢管混凝土桁架，然后挂模浇注，形成外包混凝土的劲性骨架箱形截面，这种截面刚度强大适宜于大跨度拱桥，主跨420m的万县长江大桥即是此种拱肋形式。跨度大于200m时，拱肋截面多采用变截面形式，或外形相同而截面尺寸变化(如三山西大桥)，或截面宽度不变而高度变化(如丫髻沙特大桥)。
2.3.2　边拱肋
　　由于边跨跨度相对小些，拱肋截面常采用等截面钢筋混凝土的矩形实心截面和等截面混凝土箱形截面。若边跨在水中，为了施工方便和节约施工费用，也可采用先架设钢管混凝土的劲性骨架，然后挂模浇注外包混凝土，形成最后边拱截面。

2.4　拱上立柱和吊杆处理
2.4.1　立柱和吊杆间距
　　立柱、吊杆水平间距一般取5m左右，选择间距时必须考虑横梁设计，间距大小对整个桥面系重量有一定影响。间距小，桥面系重量就轻些，会降低工程造价，不利因素是对抗风不利。
2.4.2　吊杆的特殊处理
　　吊杆一般采用镀锌高强低松弛平行钢丝束，用冷铸镦头锚分别锚于主拱肋的钢管顶和吊杆横梁的下缘，并以横梁的下缘作为标高调整端。对于主拱两边短吊杆，由于桥面水平变位较大，而吊杆长度较小，锚头会因吊杆倾斜发生较大的转角，引起吊杆锚头使用寿命降低和出现安全问题，因此，对短吊杆特别是超大跨度拱桥两边的短吊杆，必须进行特殊处理，使其有较大的容许转角变位。

2.5　体外系杆
　　体外水平系杆是三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥实现自锚特征的重要受力构件，是整座桥的生命线，直接影响到桥梁整体安全。系杆在软硬变化处须设置减震块，以保护系杆，系杆按体外柔性索处理，安全系数必须≥2。另外，系杆要具有分级张拉和可换可调特性，有合适防护措施，如设置钢箱保护、内填防护材料。
2.6　桥面系
　　现在实桥桥面系多数采用飘浮体系，即吊杆、立柱支承横梁，横梁上放置预制桥面板或小T梁，然后现浇一层连续混凝土层，使桥面与横梁等形成一个整体。为了加强桥面系统纵向刚度，可在吊杆横梁间设置纵梁(如丫髻沙特大桥)，适当加强桥面系的刚度，从而提高桥的整体稳定安全度。

2.7　横撑
　　横撑的设置直接影响拱桥在施工阶段及成桥阶段的稳定安全度，采用的形式有一字撑、X撑和K字撑。若跨度不大且桥面较宽，可加大拱肋横向抗弯刚度而不须设横撑，这样桥上开阔而通透，当桥跨＜200m时，可采用一字撑或K字撑或其组合，可满足稳定要求，但当跨度＞200m时，则宜采用K字撑或X撑，以达到设计要求的最小稳定安全度。横撑的选取宜在满足桥梁整体稳定的情况下，尽量采用简单的形式，以方便施工，使成桥后横撑看起来简洁明了。

2.8　边墩支承形式
　　三跨连续自锚拱桥边墩支承形式，主要有2种形式，一为抗拉力支承，二为抗压力支承。对于边跨相对比较小的自锚拱桥，边墩在最不利荷载下可能会出现上拔力，采取抗拔力支承，并通过引桥上部结构反压边拱肋端部，使其整个受力过程一直处于受压状态，三山西大桥就是如此。

3　结构分析
3.1　整体静力计算
　　一般采用桥梁平面有限元程序来对拱桥施工阶段及成桥阶段进行内力分析。将桩土相互作用模拟成弹簧，钢管混凝土拱肋等效为等刚度单一材料单元，桥面系的联结形式，可通过程序中的单元节点主从约束反映。这种桥型在恒载下有2种受力图式：一为恒载下的单孔双悬臂结构，目的是为了充分利用边跨恒载来平衡中跨产生的水平分力(如三山西大桥)，二为恒载下三跨连续体系(如丫髻沙特大桥)。产生这2种形式的主要原因在于拱桥边中跨、拱肋线形不同。
3.2　局部杆件内力计算
　　为了设计检算局部杆件，如桁架式主拱截面中的腹杆必须进行局部空间分析计算。
3.3　稳定分析
　　通过对三山西大桥和丫髻沙特大桥弹性稳定分析，发现三跨连续自锚体系拱桥的稳定分析，主桥可近似用单孔无铰拱结构来分析主跨施工阶段和成桥阶段的稳定，其结果同按三跨连续体系结构非常接近，这主要是因为此类拱桥一般拱座很低，接近地面，拱座承台基础刚度相当强大，变形接近无铰拱拱脚，另外边跨稳定安全度一般均大于中跨，不控制所有1阶失稳模态，均为面外失稳，对于主跨跨度在300m以下时，可按第1类失稳(分支点失稳)来分析拱桥的弹性稳定。但对更大跨度，就要考虑在初应力大位移下的几何非线性稳定和成桥状态下的极限承载力，这是大跨度拱桥必须解决的技术难点，拱桥弹性稳定可用Algor Super Sap93或NASTRAN软件来完成。

4　施工方法
　　三跨自锚拱桥施工方法很多，目前用得较多的仍为高空缆索吊装和转体施工法。之所以采用缆索吊装，原因是这种拱桥预制吊装段空钢管相对钢筋混凝土拱段轻，而且可以方便调节拱轴线，控制线形，拱肋施工时较轻，相应转体施工转动重量也较小，这些优点是采用钢管混凝土拱肋在施工时的一大优点。

5　发展前景
　　自从首座三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥建成之后，这种体系拱桥在国内应用越来越多，反映出桥梁界同行对这种桥型的认同，也带动了钢管混凝土拱桥的向前发展。主跨度从200m推进到360m，是一个很大进步，可以预见在不久的将来，中国江河湖泊上，会出现跨度更大的三跨自锚拱桥，但同时必须对下面几个方面进行更进一步的研究和分析。① 大跨度自锚钢管混凝土拱桥的施工线形控制研究；② 大跨度自锚钢管混凝土拱桥大位移小应变几何非线性受力及极限承载力研究(考虑初应力)；③ 施工工艺研究，包括长大钢管顶升混凝土工艺；④ 大跨度自锚钢管混凝土拱桥混凝土收缩徐变影响，即主拱截面应力重分布研究；⑤ 吊杆、系杆锚固性能研究；⑥ 钢管混凝土在自锚拱桥结构中设计理论研究。