陈宝春

(福州大学土木工程学院，中国福建福州350108)

1 引言

早在公元前的古罗马就已经使用混凝土建筑拱桥结构，当时应用的是天然混凝土，这种技术在中世纪失传。1759年波特兰水泥出现后，混凝土开始在拱桥中应用，为拱桥的发展注入了新的生机和活力。拱桥在垂直荷载作用下有水平反力，需要较好的地质条件，因此，在岛国和山地修建较多，如中国、日本、克罗地亚等。混凝土拱桥在我国有相当长时期内成为主导桥型。20世纪60～70年代，为减轻自重、节约建筑材料、方便施工，大量应用了双曲拱桥、桁架拱和刚架拱。1980年后，钢筋混凝土箱拱桥和肋拱桥应用日多。1997年建成了世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥——重庆万县(万州)长江大桥(420 m)［1］。

拱桥因以受压为主，所以将抗压强度高、抗拉强度低的混凝土材料应用于拱桥之中从结构上来说是合理的。然而，其施工难度较大，特别是当跨径增大以后。而二战以后，随着预应力技术的发展，悬臂节段施工方法的应用，使得预应力连续梁、连续刚度等桥型在100～200 m的跨径范围内具有很强的竞争能力。当跨径更大一些后，混凝土斜拉桥施工难度较小的优势，也挤占了混凝土拱桥的应用范围，使得大跨度混凝土拱桥的应用越来越少。从近20年来，国内外新建的混凝土拱桥和应用基础来看，主要的发展趋势是应用高强与超高强材料、应用组合结构，以减轻结构自重、简化施工［2－3］。

1992年建成的西班牙Barqueta桥，主跨270 m，宽43 m，主拱采用C75混凝土、桥道系采用C60混凝土;2004年建成的西班牙Los Tilos桥，主拱圈与拱上立柱均采用了C75的高强混凝土［2］。日本在跨径达600 m的钢筋混凝土拱桥可行性研究中，拱圈采用了设计强度为100～120 MPa的高强混凝土［4］。克罗地亚在跨径达432 m的巴卡尔(Bakar)桥的设计构思和跨径达500，750，1 000 m混凝土拱桥的系列研究中，提出采用超高强混凝土－活性粉末混凝土(RPC)的设想［5－6］。已建成的超高强混凝土拱有2座，一座是韩国仙游人行桥，跨径为120 m，矢跨比为1/8［7］;另一座为奥地利Wild桥，跨径为70 m，桥面宽度为9.3 m［8］。我国也开展了RPC在大跨度混凝土拱桥中应用的系列研究［9］。

在组合结构应用方面，国外主要在拱上建筑中采用。德国的Wilde Gera桥、日本富士川桥、美国Colorado桥、克罗地亚Skradin桥等，桥道系均采用了钢－混凝土组合结构。桥道系施工时，钢梁多采用顶推法［2］。2004年克罗地亚建成的跨径为204 m的Krka桥，桥道系采用了钢－混凝土组合结构，整个结构的自重比同在克罗地亚的跨径为200 m的原Maslenica桥减轻了35%［10］。然而，拱上建筑并不是整体承受结构，如果主拱仍为混凝土拱，这种拱桥仍不能称为钢－混凝土组合拱。笔者所说的钢－混凝土组合拱是指主拱为钢－混凝土组合结构的拱桥。它主要有2种，一种是钢管混凝土拱;另一种是钢腹板(杆)－混凝土组合箱拱。

2 钢管混凝土拱桥

钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点，近20余年来在我国得到大量的应用。截至到2010年6月，根据收集到的资料，我国已建成的跨径大于或等于50 m的钢管混凝土拱桥共计327座，每年新增数量在18座以上，行业以市政与公路为主，近年在铁路中也得到了大量的应用;地域分成上以华东为主，遍及各个省份［11］。

在大量应用的同时，有关研究也不断地展开。除众多实桥为保证顺利建成所进行的研究和省级及其它各级各类的研究课题外，2000年以来国家自然科学基金资助了多项与之相关的应用基础研究项目。西部交通科技项目2003年为此专门安排了“钢管混凝土拱桥设计、施工、养护关键技术研究”等课题。

伴随着钢管混凝土拱桥在我国的大量应用与经验积累，有关钢管混凝土拱桥的科学研究也在不断深入，设计计算理论基本体系已经形成，施工与养护技术也在不断进步，编制钢管混凝土拱桥的时机已经成熟。JTJ 41—2000《公路桥涵施工技术规范》［12］、JTJ 071—97《公路工程质量检验评定标准》［13］分别增加和修订了有关钢管混凝土拱桥的内容。交通运输部和铁道部正组织编制公路与铁路的钢管混凝土拱桥设计规范。2008年开始编制的福建省地方建设标准《钢管混凝土拱桥技术规程》［14］已于2011年完成，2011年7月15日开始正式执行。该规程的钢管混凝土拱桥是指以圆形钢管内浇筑混凝土为拱肋、以钢管混凝土拱肋为主要承重构件的拱桥。规程适用于福建省市政工程与各级公路钢管混凝土拱桥的设计、施工与养护工作。

规程分为4个部分(共19章)和条文说明，主要技术内容包括:第1部分为通用部分(1.总则、2.术语和符号、3.材料);第2部分为钢管混凝土拱桥设计(4.基本规定、5.持久状况承载能力极限状态计算、6.持久状况正常使用极限状态计算、7.施工阶段计算、8.结构与构造、9.耐久性设计);第3部分为钢管混凝土拱桥施工。(10.基本规定、11.钢管拱肋制作、12.焊接施工、13.防腐涂装施工、14.钢管拱肋架设、15.管内混凝土的浇注、16.其它构造施工);第4部分为钢管混凝土拱桥养护(17.基本规定、18.检查与评定、19.结构养护)。

该技术规程中，设计部分的内容最多、理论性最强，也是一座新桥全寿命过程中最为关键的阶段，因此，为便于对该规程设计计算方法的理解与实施，应用该规程编写了4个算例，与规程一道将由人民交通出版社出版，供应用中参考［14］。

3 钢腹板(杆)－混凝土拱桥新桥型研究

钢腹板(杆)－混凝土组合拱桥是一种新桥型，它是将混凝土拱圈中的混凝土腹板由钢构件(波形钢腹板、平钢腹板、钢桁腹杆等)来代替，顶底板仍采用混凝土，这样可减轻拱圈(肋)的自重，也可减少了现浇法中现场混凝土浇筑的工作量，缩短工期。

为了探讨这种新桥型是否可行，进行了试设计与模型拱的试验研究，表明这种桥型具有良好的应用前景［15－17］。以已建成的万县(万州)长江大桥(净跨420 m)为例，试设计时上部结构尺寸与原桥相同，仅将原混凝土腹板改为波形钢腹板。施工仍采用钢管混凝土劲性骨架施工法，由于腹板采用波形钢腹板，因此其劲性骨架中连接主弦管的竖向桁片用波形钢板代替。

试设计桥的拱圈仍为单箱三室截面(图1)，腹板采用波形钢板，取用Q345号钢板，厚度10 mm，直接与上下主弦管焊接，具体尺寸详见图2。为了增强拱圈截面整体性和局部屈曲稳定性，大约每15 m设置一道混凝土横隔板，隔板厚0.25 m。

对试设计桥进行了内力计算与设计复核。结果表明，拱圈在自重作用下的轴力降低了，地震荷载作用下的结构反应也相应降低，试设计结构满足设计要求。在此情况下，对拱圈的主要工程数量进行分析，见表1。

表1 拱圈工程数量Table 1 The engineering number of arch ring

从表1中可以看出，波形钢腹板混凝土拱桥的混凝土数量比万县(万州)长江大桥减少了31%;劲性骨架钢材用量2 487 t，较之万县(万州)长江大桥增加19%。主拱圈自重从原设计的29 730 t，减小到21 597 t，减轻自重达27%。与此同时，还开展了钢桁架腹杆混凝土组合拱在大跨径拱桥中应用的研究［18］。

初步研究表明，无论是波形钢腹板、平钢腹板，还是钢腹杆，均可代替钢筋混凝土箱拱中的混凝土腹板，形成钢腹板(杆)－混凝土组合箱拱，以减轻主拱的结构自重，减化施工，增强跨越能力。在现有研究基础上，目前的当务之急是进行依托工程的应用研究，通过实际工程总结经验、提高技术、以利今后的推广。

4 结语

拱桥是重要的桥型之一。对于活载比重较大、动力问题较为突出的铁路桥，钢拱桥(主要是拱梁组合桥)仍是大跨径铁路拱桥的主要型式之一。对于广大的山区、海岛等地区，拱桥仍是具有很强竞争力的桥型。在跨径方面，拱桥是缆索结构桥梁(悬索桥、斜拉桥)跨径可达千米以上的另一种可能的桥型。另外，拱具有极高的美学价值，拱桥也有可能因其优美的造型而被选用。更不用说有大量的还在使用之中的拱桥，它们的评估、维修、加固、改造等，还需要大量的研究与实践。

我国有大面积的山地，劳动力价格也较低，目前还仍处于大规模的基础设施建设时期，拱桥的应用仍有着广阔的前景，尤其是钢－混凝土组合拱桥。对于钢管混凝土拱桥应在现有的技术经验与研究基础上，进一步总结提高，构建科学合理的规范体系，使其成为不但具有中国特色、而且是具有很强的技术优势的桥型。对于钢腹板(杆)－混凝土组合拱桥新桥型应在现有的应用基础研究上，尽快落实到依托工程中去，通过具体工程的应用，总结提高推广。

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