王德权

摘 要：钢管混凝土拱桥是一种重要的桥梁形式，本文从基本概况、设计的关键点及施工的基本方法分别阐述钢管混凝土拱桥结构的几个主要过程和要点。

关键词：拱轴线；矢高；K撑；合拢

1 钢管混凝土拱桥概况

1.1 原理

钢管混凝土拱桥是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种钢-混凝土组合结构，其基本原理是荷载通过受力构件传递至钢管拱肋，借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，充分利用混凝土抗压强度高的特性，使核心混凝土具有更高的抗压强度和更强的塑性变形能力，完美避开混凝土抗拉强度低的缺点。钢管混凝土除具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能。

1.2 钢管混凝土拱桥的基本结构形式

从设计水平看，我国已建和在建的钢管混凝土拱桥结构形式丰富多样，跨径纪录也一再被刷新。从拱圈受力形式划分，主要分为上承式拱桥、中承式有推力拱桥、中承式无推力拱桥（飞燕式）、下承式系杆拱桥；从拱圈约束条件划分，主要分为三铰拱（静定结构）、二铰拱（一次超静定结构）、无铰拱（三次超静定结构）；从拱圈截面划分，主要分为钢管式拱桥和钢箱式拱桥，其中钢管式拱桥又分为单管受力拱桥、双管受力拱桥以及四管受力拱桥。拱桥设计时应根据使用环境、地质水文条件、荷载类型及大小等因素确定结构形式。

1.3 钢管混凝土拱桥主要的施工方法

钢管混凝土拱桥在国内外的施工方法也多种多样，主要有：有支架法施工；平转法施工；竖转法施工；缆索吊装法施工；整体吊装法施工。

2 钢管混凝土拱桥的设计

2.1 钢管混凝土拱桥的矢跨比

钢管混凝土拱桥矢跨比宜采用1/5～1/8，拱桥的拱轴线形式分为二次抛物线、圆弧线、悬链线等形式。

2.2 合理的拱轴线

在一定的荷载作用下，使拱截面内仅产生轴向受力的拱轴线称为与该荷载对应的合理拱轴线。其特点是压力线与拱肋轴线重合，拱肋截面只受轴向力作用，弯矩和剪力为零，应力均匀，有利于充分发挥截面材料性能。对于不同的结构形式（三铰拱、两铰拱和无铰拱），在不同的荷载作用下，拱的合理轴线是不同的。对于三铰拱，在沿水平方向均布的竖向荷载作用下，合理拱轴线为一抛物线（如图1所示）。在垂直于拱轴线的均布压力作用下，合理拱轴线为圆弧线（如图2所示）。在填土重量作用下，合理的轴线为悬链线（如图3所示）。

图1 图2 图3

2.3 拱的矢高

不同的建设对拱的形式要求不同，有的要求扁平，矢高小；有的则要求矢高大。合理拱轴的曲线方程确定之后，可以根据建筑的外形要求定出拱轴的矢高。矢高对拱的外形影响很大，它直接影响建筑造型和构造处理。矢高还影响拱身轴向的拱推力的大小。水平推力H与矢高f成反比。

3 钢管混凝土拱桥的制作加工

近年来，在钢管混凝土拱桥的制作加工中，采用最多的还是有支架法施工，我们在这种方法的施工中也积累了很多丰富的施工经验，现介绍如下：

3.1 钢管拱肋主要加工方法的优缺点

不论拱桥采用何种整体施工方法，在整个拱桥的施工中，最为主要的一个环节还是拱肋的加工，而拱肋的加工主要有两种施工方法：一是卷制长钢管（12m），然后按拱轴线的形状进行分段热炜弯再进行拼装。此方法的优点是拱肋的对接焊缝少，以及拱肋的曲线更加接近理论曲线；缺点是不但要有成套的先进设备，而且热炜弯会造成较大的残余应力，会有较大的时效变形。二是卷制短钢管（2m左右），然后按拱轴线逐节进行组对拼装（以直代曲）。此方法的优点是设备相对简单，适合艰苦的野外施工，并且拱肋内没有残余应力，不会引起拱肋曲线的二次变形；缺点是对接焊缝多，焊接工作量大，对焊接的质量提出了更高的要求。随着现代焊接技术的发展，我们已掌握了成熟的焊接工艺能够满足质量要求，因此第二种方法是我们施工中最常用的一种施工方法。

卷制短钢管施工时，因钢管节段数较多而造成拱肋轴线线型缺陷的施工事故时有发生，为避免此类事故的发生应在每节段钢管组对时严格控制节段坐标。我们采用计算机放样与现场实际测量来控制节段钢管坐标，事先将每节段钢管所在位置坐标用计算机进行精确放样，拼装前将拱肋坐标控制点按照1∶1比例制作拱肋组对平台。拱肋组对过程中随时监控拱肋坐标与理论坐标的位置偏差，发现错误及时纠正。在拱肋组对时应充分考虑钢材焊接收缩问题，预留一定的焊接收缩量。

3.2 拱肋K撑的加工

K撑作为拱桥中增加空间稳定性和减小横向自振的重要构件，其加工制作及安装的精确性也尤为重要。

K撑的各钢管为空间结构（相交的三个钢管的轴线不在同一平面内），这时要用手工或CAD来计算各杆件的相贯线相当困难，利用钢结构详图软件Tekla进行建模放样，从而可以利用其Wrap（展开）功能将每一杆件直接展开相贯线，并导出CAD加工图纸，不但极好地保证了加工精度，还大大提高了加工效率，给加工制作带来了极大的方便。

K撑的安装有整体安装与单节钢管安装两种。整体安装制作精度较单节钢管安装要求高，质量难以保证。但整体安装施工速度快，可避免大量的高空作业，降低施工危险性，因此K撑安装方法应根据具体施工环境条件要求权衡确定。

3.3 钢管拱肋的合拢支架

合拢支架作为合拢施工时的一关键环节，我们既要保证其安全可靠，又想使其经济合理。在参考以往施工经验的基础上，用midas Civil进行建模并验算支架的强度和稳定性，选用最为合理的结构形式。支架多采用格构式钢结构柱，其具有制作简单、自重轻、受力大、安装拆卸简便等优点，是临时受力支架的最优结构形式。

支架安装时应根据拱肋形式及拱肋合拢段长度确定支架位置及高度，应以便于安装、拆卸为原则。对于高度较大的临时支架，应保证支架顶部稳定，防止顶部发生侧向位移，可采用设置缆风绳等方法解决。在支架顶部应设置可调节标高支座，以在拱肋安装过程中对误差大的拱肋节段进行调整。同时在支架顶部搭设空中作业平台，作业平台搭设高度以便于作业者操作为佳。

3.4 钢管拱肋的合拢

拱肋合拢时的关键是合拢点的控制，同样在Tekla模型中，可将桥面的纵坡和横坡叠加在模型上，对各合拢口进行查询来精确确定其合拢坐标，每安装一段拱肋后对其安装坐标用全站仪进行复核，对于不符合精度要求的拱肋进行精调以满足安装精度要求。对整个施工过程用midas Civil进行施工过程监控，以确保每一过程的受力安全。

4 结束语

钢管混凝土结构的理论研究和工程应用在我国越来越深入和广泛，这种结构应用到桥梁上，在力学性能、施工、经济以及美观等方面，表现出很大程度的优越性，是大跨度桥梁结构的发展方向之一，极大促进了我国桥梁事业的发展。

钢管混凝土拱桥的施工技术日新月异，这就对施工技术人员提出了更高的要求，我们要不断将新的施工技术应用于施工中，以提高施工的技术经济效益。

参考文献

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥施工问题研究[J].桥梁建设，2002（3）：55-59.

（作者单位：中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司）