鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋應用與分析

陳禮榕, 陳寶春

(1.福州大學土木工程學院， 福建福州350108； 2.福建省交通規(guī)劃設計院， 福建福州350002)

?

鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋應用與分析

陳禮榕1,2, 陳寶春1

(1.福州大學土木工程學院， 福建福州350108； 2.福建省交通規(guī)劃設計院， 福建福州350002)

摘要：為對鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋的工程應用與研究提供參考，文中根據收集到的大量已建鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋基礎資料，介紹了啞鈴形截面拱橋的發(fā)展概況、橋跨結構類型、拱肋截面受力特點和各類啞鈴形拱橋常用施工方法，并對其結構與構造的主要參數，如拱軸線形、矢跨比、寬跨比、拱肋跨高比、拱肋截面高寬比、拱肋材料特性、橫撐和吊桿布置等進行統(tǒng)計分析，提出了鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋主要設計參數的取值范圍。分析表明：大多數啞鈴形拱橋的矢跨比f/L在0.2～0.25范圍；矢跨比為0.2的橋梁最多，約占橋例總數50%；拱肋跨高比L/h主要分布在30～50范圍，跨高比一般隨跨徑增大而增大；拱肋截面高寬比h/d與跨徑關系很小，不同跨徑區(qū)間啞鈴形拱橋的高寬比都集中2.5左右，其中高寬比在2～3范圍的橋梁占總數90%以上。

關鍵詞：鋼管混凝土；啞鈴形截面；拱橋；參數分析；工程應用

0引言

鋼管混凝土拱橋的拱肋截面形式主要有單圓管、啞鈴形和桁式等[1]。單圓管拱肋主要應用于跨徑不超過80 m的鋼管混凝土拱橋[2]；桁式拱肋是大跨鋼管混凝土拱橋主要采用的拱肋結構形式[3]；總體而言，多數啞鈴形拱橋的跨徑介于單圓管拱和桁式拱之間。根據現有統(tǒng)計資料，啞鈴形拱橋約占各類鋼管混凝土拱橋總數的42%，所占比例最大。

鋼管混凝土啞鈴形截面構造特殊，受力性能復雜，目前針對啞鈴形截面拱橋的試驗研究和理論研究較少。鑒于目前鋼管混凝土啞鈴形截面拱的廣泛應用程度及理論研究相對滯后的現狀，為了更好地指導設計和施工，本研究在收集鋼管混凝土啞鈴形拱橋相關資料的基礎上，對該類拱橋的主要結構與構造參數進行統(tǒng)計分析，提出了相關參數的合理取值范圍。

1發(fā)展概況

截止2014年12月，本文共收集到168座鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋資料，在具體參數分析時，以已知結構參數的橋梁為分析對象。表1列出了我國10座跨徑大于150 m的鋼管混凝土啞鈴形拱橋的簡要情況。

表1　跨徑大于150 m的鋼管混凝土啞鈴形拱橋一覽表

圖1　鋼管混凝土啞鈴形拱橋的應用與發(fā)展Fig.1　Application and development of CFSTdumbbell-shaped arch bridge dumbbell-shapedarch bridge dumbbell-shaped arch bridge

圖1示出了鋼管混凝土啞鈴形橋在我國建設發(fā)展簡況。從圖1中可以看出，1990年以來，啞鈴形拱橋建設數量不斷增加，尤其近5年增速進一步加快，期間新建的啞鈴形拱橋約占總數的30%。啞鈴形拱的常用跨徑范圍為60～140 m。這主要是因為，與相同跨徑的預應力混凝土梁橋相比，鋼管混凝土啞鈴形拱橋不僅跨越能力強、結構類型眾多、造型美觀，而且其上下部結構施工方便、造價適中，在不同橋址區(qū)多樣復雜的地形、地質、景觀要求等條件下均可選用適當的結構類型建橋。

從行業(yè)范圍看，啞鈴形拱橋主要應用于公路和市政道路，兩者所占比例接近，合計超過80%，鐵路橋應用相對較少。在已知參數的27座鐵路啞鈴形拱橋中，有25座建造于2005年之后。這主要得益于近10年來我國高速鐵路建設的飛速發(fā)展。

2橋跨結構

2.1結構類型

圖2　鋼管混凝土啞鈴形拱橋的結構類型分布圖Fig.2　Distribution of structure type of CFSTdumbbell-shaped arch bridge

參照文獻[4]的分類方法，根據行車道位置不同和拱腳有無推力，對鋼管混凝土啞鈴形拱橋進行區(qū)分，分為上承式、中承式、下承式拱梁組合、下承式剛架系桿、飛鳥式以及其他等結構類型。各類型拱橋所占比例如圖2所示。下承式拱梁組合橋所占比例最大，占總數的 41.9%；其次為中承式，占總數23.1%，下承式剛架系桿拱占21.9%，上承式和飛鳥式均不超過10%，而包括斜靠式拱[5]、上下復合式拱[6]等其他結構形式所占比例均很小。

啞鈴形拱橋的結構類型與橋址區(qū)的地形、地質、景觀要求等因素關系密切。上承式拱橋主要在地質條件較好的山區(qū)跨越溝谷時應用；下承式拱梁組合橋、系桿拱橋等無推力拱橋主要建造在地質條件一般的平原區(qū)；飛鳥式拱則更多是用于景觀要求較高的橋梁上。

啞鈴形拱橋的結構類型與所應用的行業(yè)也有一定關系。多數飛鳥式和中承式啞鈴形拱橋應用于市政橋，而公路啞鈴形拱橋的結構類型分布與各行業(yè)啞鈴形拱橋整體分布規(guī)律較接近。在鐵路橋中，超過60%的啞鈴形拱橋采用拱梁組合體系。這主要因為拱梁組合橋的上部結構整體剛度大，適用于需承受更大荷載的鐵路橋。

2.2橋跨結構的主要參數

絕大多數啞鈴形拱橋的拱軸線型為二次拋物線和懸鏈線，其中以二次拋物線最多，占已建橋梁總數58.4%，拱軸線形為懸鏈線的占總數37.6%。從圖3可看出，拱軸線形與跨徑有一定相關性，二次拋物線主要用于跨徑小于120 m的啞鈴形拱橋，懸鏈線在各個跨徑的應用較平均。拱軸線型與結構類型也有一定關聯。以拱梁組合橋為例，在收集的67座啞鈴形拱梁組合橋中，超過75%的拱軸線型采用二次拋物線。這主要由于拱梁組合橋具有較大剛度的系梁，橋面上荷載通過系梁均勻地分布到各吊桿再傳遞到拱肋，拱肋軸線設計為二次拋物線，使拱的受力狀態(tài)達到最佳[7]。

矢跨比是拱結構的重要參數，會直接影響拱結構內力狀態(tài)。矢跨比大小跟結構類型、橫撐布置及景觀要求等因素相關。大多數啞鈴形拱橋的矢跨比f/L在0.2～0.25范圍，以0.2最多，占樣本總數的49.0%。

圖3拱軸線形與跨徑關系圖

Fig.3Relationship between arch axial

type and arch span

圖4不同矢跨比的啞鈴形拱橋數量

Fig.4Numbers of dumbbell-shaped arch

bridge with different rise-span ratio

根據收集到的橋例資料，啞鈴形拱橋的寬跨比覆蓋范圍較廣，在1/18.2～1/1.5，其中，寬跨比在1/9～1/3范圍的啞鈴形拱橋占75.5%，而寬跨比與跨徑幾乎不相關。

表2為鋼管混凝土啞鈴形拱橋的橋跨結構主要參數統(tǒng)計分析結果。啞鈴形拱橋的橋梁跨徑與橋梁結構類型有一定關系，占總數近90%的中下承式啞鈴形拱橋的平均跨徑都在100 m左右，應用較少的飛鳥式和上承式拱橋的平均跨徑稍大，尤其是上承式啞鈴形拱橋的平均跨徑達到121.1 m。

表2　橋跨結構主要參數統(tǒng)計

3拱肋構造

3.1拱肋截面受力特點

啞鈴形截面由上、下兩根填充混凝土的圓鋼管及中部腹腔組成，形似運動器械中的“啞鈴”。在上、下鋼管與腹腔的組合作用下，啞鈴形截面抗壓性能好,面內抗彎剛度大，同時,拱肋截面占橋面空間小，故其在橋梁建設中應用較多。然而，由于其特殊的截面構造，啞鈴形截面的面內與面外抗彎剛度相差懸殊，面外抗彎剛度遠小于面內抗彎剛度，應用于大跨拱橋時易發(fā)生面外失穩(wěn)，故在跨徑超過150 m的特大橋中應用較少。當然，影響拱橋面外穩(wěn)定的因素，除了拱肋截面特性外，還有橋跨結構、橫撐布置以及吊桿非保向力效應[8-10]等。

3.2拱肋截面的主要構造參數

根據收集到的資料，鋼管混凝土啞鈴形拱橋拱肋截面高度h的取值范圍為1.2～4 m，其中截面高為2～3 m的占72.2%；拱肋鋼管直徑d(截面寬度)的取值范圍為0.45～1.5 m，其中管徑為0.8～1.2 m的占81.7%；拱肋截面高寬比h/d在1.6～3.5范圍。圖5為拱肋截面高寬比與跨徑關系圖。可以看出，啞鈴形拱橋的拱肋截面高寬比h/d與跨徑關系很小，各跨徑橋梁的拱肋截面高寬比主要集中在2.5左右，其中h/d在2～3的橋梁占總數90%以上。從圖6可看出，拱肋跨高比L/h主要分布在30～50范圍?？绺弑扰c跨徑存在一定相關性。總體而言，跨高比L/h隨跨徑的增大而增大。

圖5拱肋截面高寬比與跨徑關系圖

Fig.5Relationship between height-width

ratio of rib section and arch span

圖6拱肋跨高比與跨徑關系圖

Fig.6Relationship between span-height

ratio of arch rib and arch span

進行啞鈴形截面拱橋設計時，通過拱肋截面的跨高比和高寬比可確定拱肋的截面形狀。拱肋截面主要參數統(tǒng)計見表3。

表3　啞鈴形拱肋截面主要參數統(tǒng)計

根據收集的資料，啞鈴形拱橋的拱肋鋼材主要采用Q345和16Mnq鋼材，其中采用Q345鋼材的占總數66%以上；拱肋填充混凝土以C50和C40混凝土為主，兩者合計約占總數的85%。拱肋截面含鋼率ρ高低直接影響鋼管混凝土截面套箍效應。根據統(tǒng)計資料，啞鈴型拱橋的截面含鋼率主要集中在4%～10%，以5%～7%最多；而截面含鋼率與跨徑幾乎不相關。

4橫撐形式

圖7　啞鈴形拱橋的橫撐布設形式分布圖Fig.7　Distribution of bracing forms ofCFST dumbbell-shaped arch bridge

與其他各類拱橋一樣，合理布置拱肋間的橫撐是保證啞鈴形截面拱橫向穩(wěn)定最可行的方法之一[11]。根據收集到的資料，啞鈴形拱橋橫撐主要形式有全橋一字式橫撐、一字式橫撐與K式橫撐組合、全橋K式橫撐、K式橫撐與X式橫撐組合等等，啞鈴形拱橋的橫撐形式分布見圖7。由圖7可看出，全橋一字式、一字式與K式組合橫撐的應用率較高，分別占統(tǒng)計樣本數的31.7%和25.7%。

5吊桿的布置

拱橋吊桿的布置形式一般有豎直吊桿、斜吊桿、網狀吊桿等3種形式。由于構造和施工均比較復雜，斜吊桿、網狀吊桿在我國很少應用。鋼管混凝土啞鈴形拱橋的吊桿一般豎直布置。吊桿布置間距與啞鈴形拱橋類型和跨徑相關性很小。根據收集到已知吊桿間距的100座啞鈴形拱橋，啞鈴形拱橋跨徑L與吊桿間距b的比值L/b在9～30，超過56%的啞鈴形拱橋的L/b在15～20，L/b的平均值為18.0。

6施工特點

根據結構類型和現場施工條件不同，鋼管混凝土啞鈴形拱橋上部結構的施工方法主要有支架施工、纜索吊裝、轉體施工和整體架設等。本文按橋梁結構類型，介紹各類常見啞鈴形拱橋的施工方法。

上承式鋼管混凝土啞鈴形拱橋根據岸坡的地形和地質條件不同，拱肋架設方法主要有纜索吊裝法、轉體施工法和支架施工。在已知的8座橋例中，4座采用纜索吊裝施工拱肋，2座采用平面轉體法，2座采用支架施工。

下承式鋼管混凝土啞鈴形剛架系桿拱橋的拱肋架設方法主要有纜索吊裝法、支架施工。在已知的19座橋例中，9座采用纜索吊裝施工拱肋，7座采用支架施工。

與上承式和下承式啞鈴形拱橋類似，中承式鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋的拱肋施工方法也以纜索吊裝施工為主。根據收集的資料，超過2/3的中承式啞鈴形拱橋采用纜索吊裝法施工。

鋼管混凝土啞鈴形拱梁組合橋的上部結構施工方法主要有“先梁后拱”、“先拱后梁”和整體架設等。對于采用預應力混凝土系梁的拱梁組合橋，“先梁后拱”主要在跨徑不是很大時應用；跨徑較大的橋梁，更多地采用“先拱后梁”的施工方法[5]。應用于鐵路上的拱梁組合橋通常不設預應力系梁，其上部結構由預應力連續(xù)箱梁和鋼管混凝土拱組合而成。以成渝客運專線沱江特大橋為例，其施工方案是先掛籃懸灌施工連續(xù)箱梁，箱梁合攏后在梁上拼裝鋼管拱，后采用吊車將拱肋逐段吊裝到支架上進行焊接拼裝。

鋼管混凝土飛鳥式啞鈴形拱橋的主拱拱肋為鋼管混凝土,通常采用纜索吊裝或轉體施工方法施工，而邊拱一般為鋼筋混凝土結構,且為主拱的平衡重,通常采用有支架(一般為少支架)現澆方法施工[12]。

7結語

啞鈴形截面拱橋在鋼管混凝土拱橋中所占比例最大，其結構類型眾多，跨越能力較大。在60～140 m的跨徑范圍內，無論從結構或是景觀上都是極具競爭力的一種橋型。本文在搜集橋例資料的基礎上，對這類橋型的發(fā)展概況、施工方法和結構與構造等方面進行了分析，提出了鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋主要設計參數的取值范圍，皆在為其今后的應用與發(fā)展提供參考。

參考文獻：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M]. 2版.北京：人民交通出版社，2007.

[2]葉智威.鋼管混凝土單圓管標準拱橋面外穩(wěn)定性研究[D]. 福州：福州大學, 2012.

[3]宋福春，陳寶春.鋼管混凝土標準桁肋拱面外彈性穩(wěn)定分析[J]. 工程力學，2012, 29(9): 125-132.

[4]陳寶春，劉福忠，韋建剛.327座鋼管混凝土拱橋的統(tǒng)計分析[J]. 中外公路，2011, 31(3): 96-103.

[5]劉昌永.斜靠式鋼管混凝土拱橋靜力性能分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2007.

[6]李大超，莫寧，張偉峰，等.大跨度鋼管混凝土拱橋結構穩(wěn)定性有限元分析[J]. 廣西大學學報(自然科學版)，2009, 34(1): 252-255.

[7]陳昀明，楊亞林，陳寶春.鋼管混凝土拱梁組合橋橋型分析[J]. 公路, 2006, 51(12): 38-41.

[8]GODDEN W G, THOMPSON J G.An experimental study of a model tied-arch bridge[J]. ICE Proceedings, 1959, 14(4):383-394.

[9]TOKARZ F J.Experimental study of lateral buckling of arches[J]. Journal of the Structural Division, 1971, 97(2): 545-559.

[10]GODDEN W G.The lateral buckling of tied arches[J]. ICE Proceedings: Engineering Divisions, 1954, 3(4): 496-514.

[11]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M]. 北京：人民交通出版社，1999.

[12]陳寶春，鄭懷穎.鋼管混凝土飛鳥式拱橋橋型分析[J]. 中外公路，2010, 26(6): 43-51.

(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Application and analysis of concrete-filled steel tubular arch bridge with arc rib of dumbbell-shaped cross section

CHEN Li-rong1,2, CHEN Bao-chun1

(1.College of Civil Engineering， Fuzhou University, Fuzhou 350108, China;

2.Fujian Communications Planning and Design Institute, Fuzhou 350002, China)

Abstract:In order to provide a reference for application and research of concrete-filled steel tube (CFST) arch bridges with arc rib of dumbbell-shaped cross section, the development, structure type and erection method of the arch bridges and the mechanical characteristics of arch rib cross section of the bridges were introduced according to collected information. Structure parameters of arch rib cross section, such as arch axis type, rise-span ratio, width-span ratio, span to section height ratio, height-width ratio, material properties, bracing and suspender arrangement, were statistically analyzed,. The value ranges of the main design parameters of the arch bridges were presented. It is shown that the rise-span ratio of most arch bridges with dumbbell shaped cross section is in the range of 0.2～0.25, and that nearly 50% of the bridges adopt 0.2. Arch span to section height ratio is mainly distributed in the range of 30～50, which generally increases with arch span. The relationship between arch span and height-width ratio of cross section is very small, and the ratios are concentrated around 2.5. More than 90% of height-width ratios are in the range of 2～3.

Key words:concrete-filled steel tubular (CFST); dumbbell-shaped cross section; arch bridge; parameter analysis; engineering application

中圖分類號：U448.22

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0270-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0270

通訊作者：陳禮榕(1981— )，男，福建福州人，福建省交通規(guī)劃設計院高級工程師，博士生；E-mail:robby3368@163.com。

基金項目：住房與城鄉(xiāng)建設部工程建設標準制訂、修訂計劃(2011-1-59)

收稿日期：2015-07-01；

修訂日期：2015-12-10

引文格式：陳禮榕,陳寶春.鋼管混凝土啞鈴形截面拱橋應用與分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：270-275.