啞鈴型CFST拱橋在我國的應用

杜海彬

引言

根據(jù)CFST拱橋主拱圈截面形狀的不同，主要可分為肋式CFST拱橋和桁式CFST拱橋。肋式CFST拱橋中，由于啞鈴型截面較單圓管截面，具有抗彎剛度大的優(yōu)點，自1990年我國第一座啞鈴型CFST拱橋-四川旺蒼東河大橋建成以來，在工程中發(fā)展迅速、應用廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計已有166座，占CFST拱橋總數(shù)的40.2%（這里的啞鈴型CFST拱橋，不包括橫向啞鈴型桁式CFST拱橋），其最大跨徑也已達到180m，為我國交通建設的發(fā)展做出了顯著貢獻。

近些年來，眾多研究者開展過一些CFST拱橋的調查與研究[1～11]：文獻[12]從CSFT拱橋主拱的結構形式、各種承式構造特點以及常見的施工方法等幾方面分別了介紹；文獻[4]對支架施工、纜索吊裝施工、平轉法和豎轉法等幾種常見拱的肋架設施工方法及其各施工方法的技術要點和適用條件等詳細介紹；文獻[13]統(tǒng)計了截止2010年6月總計327座CFST拱橋（跨徑均在50m以上），并從建設趨勢、行業(yè)分布、區(qū)域分布以及相應的橋型、施工方法和結構參數(shù)（矢跨比、拱軸線、拱肋的截面參數(shù)和材料參數(shù)等、橫撐和橋面系）等幾方面進行了詳細介紹；文獻[2]在文獻[13]的基礎上進一步統(tǒng)計了截止2015年1月共計413座CFST拱橋，并從行業(yè)分布、截面形式、材料參數(shù)、強健性以及施工方法等幾方面進行了綜述和展望；文獻[14]從拱橋數(shù)量、跨徑、構造形式和施工方法等幾個方面對比分析了鋼拱橋、鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋，厘清各種類型拱橋的經濟適用范圍。文獻[3]對勁性骨架CFST拱橋的特點、研究發(fā)展現(xiàn)狀以及計算理論等進行了介紹，并對后期有待研究工作進行了展望；文獻[9]回顧了上承式拱橋的發(fā)展歷程；文獻[6]結合現(xiàn)有設計和施工技術的對700m級CFST拱橋的可行性進行了研究分析，結果表明建造700m級CFST拱橋已不存在技術門檻；文獻[10]總結了CFST拱橋的先進施工技術，并提出了CFST拱橋可向更大跨徑發(fā)展的內在原因和動力。

這些研究均是以CFST拱橋為研究對象，很少針對啞鈴型截面CSFT拱橋進行研究和分析，由于啞鈴型CFST拱橋與其它截面類型的CFST拱橋的發(fā)展趨勢、適用跨徑和材料方面存在一定的差別?；诖?，本文以啞鈴型CFST拱橋為研究對象，對其發(fā)展趨勢、結構構造、施工方式等進行研究和分析，并啞鈴型CFST拱橋所存在的防爆管措施進行了介紹，相關結論能夠為啞鈴型CFST拱橋研究者提供借鑒。

1 應用概況

1.1 建設趨勢

圖1為我國啞鈴型CFST拱橋隨時間的增長曲線。從圖1可知，我國啞鈴型CFST拱橋自1998年以后，以每年平均7.3座的數(shù)量發(fā)展迅速。啞鈴型CFST拱橋以如此迅猛的速度快速增長，表征著啞鈴型CSFT拱橋自身所具有的優(yōu)勢和強大的生命力。

1.2 跨徑范圍分布

圖2為我國啞鈴型CFST拱橋在不同跨徑范圍內的分布情況。圖2表明我國啞鈴型CFST拱橋主要集中在[80，110）跨徑范圍內分布，占總數(shù)的 46.67%，此外，在[50，80）和[110，140）也有較多的分布，分別占總數(shù)的26.67%和19.58%。

備注：當一座橋包括幾座不同范圍的CFST拱橋時，例如浙江溫福鐵路昆陽大橋跨徑為64+136+64m，則視為3座橋計算。

圖1 啞鈴型CSFT拱橋數(shù)量增長趨勢

圖2 各跨徑分布情況

跨徑作為衡量橋梁技術水平的重要指標之一，表1對已建跨徑在150m以上的CFST拱橋進行了統(tǒng)計，占啞鈴型CFST拱橋總數(shù)的7.23%，其最大跨徑為180m。其結構形式主要包括上承式、中承式、下承式和飛鳥式四種，主要包括支架施工、懸臂拼裝、轉體施工三種不同的施工方式。

表1 我國啞鈴型鋼管混凝土拱橋一覽表（L≥150m）

1.3 區(qū)域分布

根據(jù)地理區(qū)域的不同，可將中國劃分為七個不同區(qū)域[13]：華東、華南、華中、華北、西北、西南、東北。圖3表明各地區(qū)啞鈴型CFST拱橋增長較為均勻，其中以華東地區(qū)修建的數(shù)量最多，呈現(xiàn)出近似直線的增長速度，這與該區(qū)域的經濟建設有關，東北地區(qū)和西南地區(qū)的數(shù)量較少，分別為4座和9座。

2 構造參數(shù)

2.1 矢跨比和拱軸線

圖4給出了啞鈴型CFST拱橋矢跨比的分布情況。由圖6可以知道，啞鈴型CFST拱橋的矢跨比在[1/18，1/2）均有分布，其中，主要集中在[1/5，1/4）和[1/4，1/3）區(qū)間內，分別占總數(shù)的 59.60%和 27.81%。

圖3 各區(qū)域啞鈴型CFST拱橋增長趨勢

圖4 矢跨比分布

圖5拱軸線統(tǒng)計對比

圖5 給出了啞鈴型CFST拱橋拱軸線統(tǒng)計圖。由圖5可知，在統(tǒng)計的166座啞鈴型CFST拱橋中，主要包括懸鏈線、拋物線和圓弧曲線三種，其中，拋物線和懸鏈線占絕大多數(shù)，分別占總數(shù)的61.9%和37.41%。此外，由于圓弧形拱放樣簡單，便于施工人員掌握，但是不易于恒載壓力線重合，因此，圓弧形拱軸線也占有較小比值。

2.2 材料參數(shù)

啞鈴型CFST拱橋早期有少數(shù)橋梁采用Q235鋼材，后期隨著工程強度的需要和技術的進步，絕大部分的啞鈴型CFST拱橋采用Q345鋼材。如圖6所示，為進一步研究各階段的混凝土強度使用情況，這里對相關數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。由圖6可知，在2005年以前，我國啞鈴型CFST拱橋混凝土強度絕大多數(shù)為C40和C50，在2005之后，混凝土主要以C50為主，其他類型的混凝土應用較少，并且隨著工程強度的需要C55和C60也應用得越來越多。

圖6 不同時間段各混凝土強度

2.3 截面尺寸隨跨徑的分布情況

如圖7所示，啞鈴型CFST拱肋截面由上單圓管、下弦單圓管和兩塊連接鋼腹板三部分組成，通常情況下，拱肋結構的跨徑越大，其截面尺寸也相應越大，基于此，這里進一步將啞鈴型CSFT拱橋的跨徑劃分為[50，80）、[80，110）、[110，140）和[140，180]四個不同區(qū)間，以截面高度 H或上下弦單圓管直徑D為橫坐標建立啞鈴型CFST拱橋在各跨徑范圍內截面高度和上下弦單圓管直徑的數(shù)量分布情況，如圖8～9所示。

由圖8和圖9所示，啞鈴型CFST拱橋截面高度和單圓管直徑D隨著跨徑的增大而增大，其截面高度H分布在[1.0，4.0]范圍內，且主要集中在[1.8，3.1）區(qū)間，占總數(shù)的85.64%，其截面直徑D分布在[500，1500]范圍內，且主要集中在[800，1100）和[1100，1400）區(qū)間，分別占總數(shù)的 65.73%和25.35%。

圖7 啞鈴型CFST構件

圖8 不同跨徑范圍下各截面高度數(shù)量分布圖

圖9 不同跨徑范圍下圓截面直徑數(shù)量分布圖

3 結語

啞鈴型CFST拱橋在我國發(fā)展已有28年歷史，隨著設計理論和施工技術的日臻成熟，建設的數(shù)量、跨徑、應用范圍也增長迅速，結構形式、施工技術和橋型也越來越復雜。預計在相當長的時間內仍有著廣泛應用。

本文以啞鈴型CFST拱橋為研究對象，共統(tǒng)計了166座啞鈴型CFST拱橋數(shù)據(jù)，并對其建設趨勢、跨徑發(fā)展規(guī)律、橋型、施工方法以及一些矢跨比、拱軸線、材料參數(shù)和截面尺寸等進行統(tǒng)計分析，厘清了啞鈴型CFST拱橋的應用概況和常見的施工方法的應用情況，并對矢跨比、拱軸線和截面尺寸等一些構造參數(shù)的取值進行了量化分析，相關結論可為后續(xù)啞鈴型CFST拱橋的研究者提供參考。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋應用與研究進展[J].公路，2008（11）：57～66.

[2]陳寶春，韋建剛，周俊，等.我國鋼管混凝土拱橋應用現(xiàn)狀與展望[J].土木工程學報，2017，50（6）：50～61.

[3]趙人達，張正陽.我國鋼管混凝土勁性骨架拱橋發(fā)展綜述[J].橋梁建設，2016，46（6）：45～50.

[4]王道斌，李華，武蘭河.鋼管混凝土拱橋施工技術綜述[J].國外橋梁，2001（1）：71～73.

[5]陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土拱橋調查與分析[J].世界橋梁，2006，2：73～77.

[6]鄭皆連，王建軍，牟廷敏，等.700m級鋼管混凝土拱橋設計與建造可行性研究[J].中國工程科學，2014，16（8）：33～37.

[7]陳寶春.鋼管混凝土拱橋計算理論研究進展[J].土木工程學報，2003，36（12）：47～57.

[8]牟廷敏，范碧琨，趙藝程，等.鋼管混凝土橋梁在中國的應用與發(fā)展[J].公路，2017，12：043.

[9]劉迎春，薛素鐸，上官興.上承式拱橋結構形式變化綜述[J].公路，2012，3：014.

[10]鄭皆連.我國大跨徑混凝土拱橋的發(fā)展新趨勢[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（S1）：8～11.

[11]陳寶春，葉 琳.我國混凝土拱橋現(xiàn)狀調查與發(fā)展方向分析[J].中外公路，2008，28（2）：89～96.

[12]陳寶春.鋼管混凝土拱橋發(fā)展綜述[J].橋梁建設，1997，2（8）：13.

[13]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.

[14]陳寶春，陳康明，趙秋.中國鋼拱橋發(fā)展現(xiàn)狀調查與分析[J].中外公路，2011，31（2）：121～127.