拱桥——跨越峡谷的理想选择

贵州是全国唯一没有平原的省份,山地面积占了全省面积的90%以上,境内崇山峻岭,沟壑纵横。随着近十年高速公路和国省道建设的突飞猛进,其中大跨径拱桥的建设也取得了跨越式的发展,本文就贵州省内大跨径拱桥建设的情况作综述。

针对地形设计桥形

本文所述的大跨径拱桥是指净跨径在150m以上的拱桥,包括了悬臂浇筑混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥这三种结构型式。由于特殊的地形限制,在峡谷桥梁的建设方案中,尤其是跨越深切的V形峡谷时,拱桥(特别是钢筋混凝土拱桥)往往是造价最优的选择。同时,还有后期维护简便的特点,但是拱桥在施工中相对难度较大、风险较高,特别是成拱工艺往往是确保施工安全的至关重要控制性因素。

长期以来,贵州省内的桥梁建设从业人员对拱桥的设计、施工比较熟悉,有着丰富的经验,创造出混凝土桁式组合拱桥这一新桥型,主跨330m的江界河大桥至今依然是这类桥型的最大跨径纪录。随着拱桥跨径的不断增加,过去普遍采用的在150m以内采用的满堂支架现浇、135 m以内采用的悬拼钢拱架现浇、200m以内采用的预制吊装等施工工艺,已经无法满足桥梁耐久性、施工安全性和结构安全性的需求,必须针对贵州的地形、地质和运输条件,提出大跨径拱桥建设的成套解决方案,以满足高速路网和国省道建设的需求。现在贵州省内150m以上大跨径拱桥的解决方案集中在悬臂浇筑混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥这三种结构型式。0世纪60年代,随着预应力技术的诞生,拓展了混凝土拱桥的施工方法。1966年克罗地亚首先采用塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法建成了跨度为246m的Sibenik桥,1968年又以相同的方法和相同的挂篮建造了跨度193m的Pag桥。随后这种类型的拱桥在欧洲、日本和美国都得到了成功的应用。

国内采用悬臂浇筑法施工的混凝土拱桥始于本世纪初。2008年,四川省首次将悬臂浇筑法工艺应用到混凝土拱桥主拱圈施工中,建成了净跨150m的白沙沟1号大桥,之后,又相继建造了攀枝花新密地大桥(2013年)和攀枝花鱼大桥(2015年)。贵州省于2013年建成了主跨165m的木蓬大桥,相较以前采用的预制吊装工艺,悬臂浇筑混凝土拱桥的拱圈一次成型,确保了结构的整体性,施工过程的安全性也更加可靠,在此之后相继建设了多座同类桥梁。其中主跨210m的夜朗湖大桥在跨中设置了25m的型钢劲性骨架合龙段,并采用了箱宽7m的单箱单室断面,进一步减轻了结构自重,提高了施工便捷性。在闵家沟大桥和清水江大桥的设计中,拱上腹孔采用了工型钢混组合梁,在减轻结构自重的同时,为此类桥梁向300m及更大跨径做了有益的探索。

悬臂浇筑法是利用预应力钢绞线一端扣挂拱圈节段,另一端向后锚固于岩体上,从拱脚开始逐段向拱顶悬臂浇筑直至拱顶合龙。施工中的横向稳定和抗风性能强,利用桥位两岸岩体锚固锚索平衡斜拉扣索力,临时措施成本低,当钢筋混凝土拱桥在施工现场周边没有预制场地或预制件运输困难时,悬臂浇筑法具有独特优势。采用预应力钢绞线作为悬臂施工中的临时扣索,具有张拉行程准、扣索非弹性变形小的优势,容易控制拱圈变形和调整悬臂浇筑过程中混凝土拉应力值。

沙坨大桥为国道G211跨越乌江沙坨电站而建,从桥型布置图中可以看出,两岸地形相对平缓,主跨达到240m,如果布置成连续刚构,主墩高度无法满足受力要求。如果布置成钢管拱、斜拉桥或者悬索桥,工程造价相对增加至少一倍以上,采用悬臂浇筑混凝土拱桥明显更适合贵州省的桥梁建设条件。

桥梁布置为6x30m预应力混凝土T梁+240m钢筋混凝土箱形拱桥+6x30m预应力混凝土T梁,桥梁全长626.8m,桥面全宽20m。设计荷载:公路—Ⅰ级。主拱圈为等高度悬链线钢筋混凝土箱形截面,净跨径240m,净矢高40m,净矢跨比1/6,拱轴系数m=1.85,拱圈宽度10m、高4.5m,单箱双室断面。拱圈纵向共分为37个节段,其中两岸拱脚位置1号节段为支架现浇段,拱顶设一个吊架浇筑合龙段,其余34个节段为悬浇段。拱圈采用C60混凝土。

悬臂浇筑混凝土拱桥的设计过程中应充分考虑施工需要,拱圈节段长度应控制在8m以内,如果节段超过8m则会导致挂篮重量过重而不经济,在满足挂篮浇筑要求下应尽量减少节段数量,尽快实现合龙。扣锚系统的设计应尽量采用岩锚以及利用墩、柱和桥台等永久结构,在增加安全性的条件下降低临时措施的投入。施工监控的重点是扣塔的位移、扣索的索力、拱圈的应力,以确保拱圈线形、结构安全和施工安全。

悬臂浇筑混凝土拱桥跨越能力强(150m~400m)、拱圈一次成型,结构整体性好、施工安全性高、造价便宜(15000元/桥面平方)、养护方便,对于基础地质条件要求较高,特别适应我国西部山区。预期未来会建造更多此类桥梁,跨径也将向300 m以上发展。

劲性骨架混凝土拱桥

贵州省内目前有两座劲性骨架混凝土拱桥,其中之一是沪昆高铁北盘江大桥(主跨445m,是目前世界最大跨径混凝土拱桥)。另外一座是正安县鱼塘大桥,该桥的设计和施工简介如下。

鱼塘大桥净跨200m,净矢跨比1/5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.988,拱圈为单箱双室断面,拱圈高度为360cm,拱圈宽度为850 cm,顶板、底板和腹板厚度为35cm,立柱下横隔板厚度为40cm。拱圈混凝土为C55。拱上腹孔为11孔、19.3m预应力混凝土T形梁。劲性骨架为6根Φ377x14mm钢管,管内灌注C80自密实混凝土,腹板采用4根L75x10mm的组合角钢,上、下平联及横联采用单肢L140x10mm角钢,腹杆、平联及横联均采用X形交叉布置,劲性骨架材料均采用Q390D,总重量为418t。该桥已于2020年建成通车。

贵州省内钢管拱桥起步较晚,第一座钢管混凝土拱桥是主跨175m的花溪特大桥,于2009年建成,位于贵阳市南环高速公路上,跨越花溪河。钢管混凝土拱桥的跨越能力大,景观效果好,随后在贵州省发展得较快。特别是在宽度300 m以上的V形峡谷区域,钢管拱可以一跨跨越,不像斜拉桥还需配设边跨,悬索桥明显造价偏高,因此在甄选方案阶段钢管拱的优势明显。

贵州省内钢管混凝土拱桥具有如下特点:

1. 结构形式多为上承式

由于省内河流宽度普遍不宽,又多为深切峡谷,11座钢管混凝土拱桥仅有3座为中承式,其余均为上承式。目前世界最大跨径的上承式钢管混凝土拱桥是主跨450m的大小井大桥,正在建设中的白鹭湖乌江大桥又将这一纪录提高至475m。上承式钢管拱与中承式钢管拱有着明显的区别,主要是腹孔和拱上排架的布置。中承式钢管拱的桥面高程通常布置在拱圈矢高的1/3以内,桥面系多为纵横向的梁格结构,通过吊杆将桥面系的重量传至拱圈,吊杆的间距通常为7m左右,因此桥面系可以相对轻薄,恒载也相对均匀,拱圈受力较为合理。而上承式钢管拱的腹孔跨径多为主跨的1/10至1/12之间。随着跨径到400m以上,拱上排架的高度也通常达到了90m以上,腹孔的跨径也需达到30m以上,拱上立柱处集中力较大,拱上立柱稳定性也成为设计控制性因素。为减轻桥面系恒载重量,常常将桥面系设计成钢混组合结构。

2. “下灌上顶”灌注混凝土

钢管混凝土拱桥管内混凝土普遍采用“自下而上”灌注,并采取真空辅助、分级连续泵送的工艺。在主跨300m的香火岩大桥施工过程中,采用了“下灌上顶”的施工工艺。即拱圈矢高的2/3处设置注浆孔,在拱脚的2/3矢高段采取自上而下自由流动灌注,在2/3矢高的拱顶段,采取自下而上连续顶升灌注。经检验,该桥的管内混凝土灌注满足相关规范要求。主跨180m的花鱼洞大桥也采用了“下灌上顶”的施工工艺。

3.拱圈节段现场制作

由于省内水路运输条件的限制,大多数桥梁的拱圈节段均在施工现场焊接,仅有花鱼洞大桥的拱圈节段是在工厂制作完成以后,运输到现场吊装。从已经运营的多座桥梁来看,现场制作的拱圈节段质量完全可以保证达标。

贵州省内还有多座大跨径拱桥正在建设过程中,从目前的案例中可以看出,大跨径拱桥的发展方向主要集中于桥面系结构的轻型化、拱圈节段现场制作的工厂化、缆索吊装的精细化和施工监控的智能化四个重点。

拱桥是我国山区峡谷条件下最理想的桥型,在“交通强国”战略的引领下,在高质量发展的建设新阶段,贵州将为大跨径拱桥建设技术的进步提供新的舞台,必将成为桥梁强国的重要支撑。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年 第1期 总第99期

作者 / 杨健 刘建军 叶洪平

作者单位 / 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司

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