【摘要】鋼管混凝土拱橋在我國的應用發展很快。本文對剛架系桿拱橋型、助供橫向結構、拱助我面設計和橋面系構造等問題進行探討。
關鍵詞 鋼管混凝土 拱橋結構設計 探討
鋼管混凝土拱橋近十年來在我國發展迅速，隨著數量的增多，跨徑與規模也不斷增大，分布區域也越來越廣，除了鋼管混凝土拱橋具有材料強度高、施工方便、造型美觀等優點的原因外，與我國正處于大規模的交通基礎設施建設時期的大環境有密切的關系[2］。本文將根據鋼管混凝土拱橋在我國的應用情況與近幾年的發展趨勢，對結構的合理設計進行定性的討論。
一、剛架系桿拱橋型
鋼管混凝土拱橋結構形式豐富多樣，承載形式上、中、不承式均有。按拱的推力，又可分為有推力供和無推力供。無推力供又有拱架組合體系和剛架系杯供。鋼管混凝土拱橋以中下承式為主，有推力拱和元推力拱均占相當的比重。在無推力拱中，以剛架系桿拱為主。這些都是鋼管混凝土拱橋的構造特點，與我國傳統的石拱橋、鋼管混凝土拱橋均有明顯的不同。
剛架系桿拱是在鋼管混凝土拱橋中出現的拱橋新的結構形式。我國建成的第一座鋼管混凝土拱橋--四川旺蒼東河大橋采用的就是剛架系桿拱。與拱架組合體系不同，剛架系桿供中拱助與橋墩團結，不設支座，采用預應力鋼絞線作為拉桿來平衡換的推力，拉桿獨立于橋面系之外，不參與橋面系受力，而橋面系為局部受力構件。這種結構由于拱和墩連接處為剛結點，屬剛架結構，又帶有系桿，故稱之為剛架系桿拱。
剛架系杯拱為超靜定結構，橋梁上部、下部以及基礎甚至地基連成一體，結構的超靜定次數較多，受力復雜。由于其系桿剛度與供梁組合體系中的系杯梁剛度相比小很多，特別對于大跨徑橋梁，系桿拉力增量將產生很大的變形，而供助、系桿和墩往團結在一起，根據位移交形協調條件，供的水平推力的增量主要由橋墩和拱助自身承受，因而考慮系桿變形后它是有推力的結構。系桿的作用是對拱施加預應力以抵消拱的大部分水平推力（主要是恒載產生的水平推力），因此通常把系杯看成預應力體外索。除去系桿承受的水平推力后余下的拱的水平推力一般來說不大，還可以通過適當的超張拉給予最大限度的減小，從這個角度可以看成無推力拱。剛架系杯拱由于系桿的存在，降低了對下部結構和基礎的要求，使拱橋的應用范圍從山區擴大到了平原和城市。
在施工方面，剛架系桿拱的施工可以像固定供一樣采用無支架施工，因而橋梁的跨越能力也較大，也能夠充分發揮鋼管混凝土拱橋施工方便的優越性。由于這些優點，這種橋型出現以后得到較廣泛的應用。
目前已建成的下承式剛架系杯拱中跨徑最大的是深圳北站大橋（150m），在建的跨徑最大的是湖北武漢漢江三橋（跨徑達280m）；帶雙懸臂半拱的中承武剛架系桿拱（俗稱飛鳥式或飛燕式），已建成的跨徑最大的是廣東東南海三山西大橋（主跨ZDO刎。在建的大跨徑的有主跨達36（）的廣州丫警沙大橋、主跨達280米的武漢漢江五橋和主跨達235m的江蘇徐州京杭運河大橋。由此可以看出，剛架系桿玖正成為大跨徑鋼管混凝土拱橋的主要橋型。
鋼管混凝土拱橋同自架設體系，先架設空鋼管供，再準筑管內混凝土，然后上橫梁、縱梁等橋系構造，最后進行橋回鋪裝和人行道、欄桿等附屬物。在系桿張拉前的水平推力由洪和下部結構承擔。因水平位移對拱的受力的不利影響很大，通常要求下部結構有較大的抗推剛度、承受大部分的水平推力。鋼管混凝土拱先期架設的空鋼管供的自重較輕，通常情況下其恒載水平推力較小．可以由下部結構承受。但此后加上的恒載，如橫梁、縱梁、橋面鋪裝等自重，應由系桿承受。也就是說系桿應隨上部結構的施工逐步張拉。
然而，近期出現的一些大跨寬橋，由于橋面縱坡的存在，使得系桿較難在橫梁架設之前安裝，因而在橫梁架設之前的恒載水平推力要靠橋墩來抵抗。對于寬橋，橫梁的自重在橋梁恒載中所占比重很大，尤其是混凝土橫梁，這就使得橋梁基礎工程量急增，未能充分發揮這類橋型對下部結構和基礎要求低的優勢。因此如何解決這一問題，是這一橋型應用與發展的關鍵之一。
剛架系桿拱供墩團結點的構造較為復雜，俄慢下承式。拱助、橋墩、帽梁匯聚在這里，為不規貝消幾何體。其受力也較復雜，各方向的力也都集中于此點，且受系杯強大的集中力作用，容易在主技應力方向發生開裂；此外橋墩內也可能產生較大的主技應力。這些都應引起重視。【3】
二、肋拱橋橫向結構
鋼管混凝土拱橋均為助拱橋，由于其材料強度高，隨著跨徑的增大，橫向穩定問題較為突出，所以其橫向結構的合理采用至關重要。上承式助供，可采用多助結構（多于二的），橫向聯系通常布置成等間距的徑向根撐（或根系梁），其橫向穩定主要取決于整橋的寬跨比。對于中不承式拱，橫向聯系的布置在橋面附近受到行車空間的限制，同時對橫向動力特性和美觀也有很大的影響，合理布且尤為重要。有時為加強其橫向穩定性，將其兩助內傾而成提亞扶。與之相對應，一般助扶則稱為平行肋供。當然，對于跨徑不是很大的城市橋梁，或出于景觀考慮，也有做成無風撐的。
l橫撐布置
橫撐布置對結構橫向穩定的影響要大于其自身剛度。研究表明，拱頂附近揭撐布置成與拱軸線正交、在其他地方與拱軸線相切，對提高橫同穩定效果較好[4]。這是因為，拱助橫向先穩向面外惻傾時，拱頂處的債撐主要承受洪助的扭轉變形，采用豎向布置的橫撐增強了對拱肋在拱頂處的扭轉變形的約束，能提高拱的面外穩定性。在其他地方，尤其是L／4附近拱助側傾時根撐要承受供助的相對錯動，對核撐是橫向灣矩，因此，采用切向布置（如K撐），對約束拱助的相對錯動有較大的作用。
橫撐在增加橫向穩定的同時，由于它使得供的橫向整體剛和質量的提高，特別對于中下承式拱橋由于重心的提高，使得拱對橫向地震波的響應增大[5]。對于鋼管混凝土拱橋來說，在橫向受力時，由于結構受力并不以受壓為主，因此鋼管混凝土抗壓強度高的特點并沒有得到充分發揮出.相對于寶鋼管拱橋來說，鋼管混凝土拱橋鋼管內混凝土的質量加大了供的橫向受力。因此，正確處理鋼管混凝土拱橋的橫向穩定和抗橫向地震作用力這一矛盾顯得十分重要。
拱橋的橫向基頻與結構型式和橫向構造有關。中不承式拱的橫向基頻較上承式的低；在下承式中，拱架組合體系的橫向基頻較剛架系桿拱的低。不同位置的根撐對助供的橫向基頻也有著不同的影響。拱頂模搜數量和剛度變化較供腳的根撐數量變化，對面外基頻影響要明顯得多。因此，對于中承式拱在拱腳采用較強的橫向聯系（如K撐、X撐）、在拱頂采用較少較弱的橫撐，既能滿足橫向穩定要求，又有利于減小橫向地震力作用，同時建筑造型也較佳。
由于目前鋼管混凝土拱橋橫向穩定計算和抗震設計方法的還不完善，一些設計者由于擔心橫向先穩而采用過強的橫向聯系，既造成浪費，也不利于抗震安全社，這在位于強震區的橋梁尤其有害。
2提籃拱
提籃拱（又稱X型肋拱）顯然能提高洪的橫向穩定性。但提籃供隨著傾角的增加，會使下部結構工程數量也相應增加。對拱應直接坐落于基巖時，由于可采用分離式拱座，工程數量增加有限。拱肋的傾斜也會給施工帶來困難，因此，應選擇合適的傾角。有關研究認為采用X型肋拱其橫向穩定性可比平性助拱提高12-20倍，同時也會降低供肋的面內極限承載力【6】。所以，X型肋拱的內傾角也不是越大越好，一般控制在3度 ～15度之間，以10度附近為佳。
盡管我國一些學者在研究的基礎上，提倡采用提籃拱，但由于過去以鋼筋混凝土材料為主的拱橋在施工上的困難而極少采用。1993年竣工的四川成渝高速公路上的內江新龍拗大橋，采用了提籃拱。該橋為單跨鋼管混凝土勁性骨架箱助拱。目前在建的徐州一連云港高速公路徐州京杭大運河特大橋采用了提籃拱。該橋為帶懸臂的中承武剛果系桿鋼管混凝土拱，跨徑布置為57.5米＋235m＋57.5米 ，主拱斷面為根啞鈴形平行四邊形行式，拱肋內傾9.934度，成提籃狀。
應該指出，提籃拱在提高橫向穩定性的同時，也使得造型較佳，然而對于寬跨比較大的橋梁，純粹為了造型的原因而采用提籃拱是增加了下部結構和基礎的工程量，增加了施工的難度，是不必要、不合理、也是不經濟的。
3無風撐供
無風撐拱指中、下承式肋拱，出于美觀考慮，或當橋面較寬而跨徑又不大時出于經濟和美觀考慮，將兩肋之間的橫撐（或稱風撐）完全取消的肋拱橋，也有稱之為做四拱的。無風撐拱主要解決拱助的橫向失穩問題。解決這一問題的途徑主要有兩個。一是提高拱肋自身的橫向抗彎剛度；二是提高結構體系的橫向穩定性。
采用橫向圓端形截面（加浙江義烏篁園橋、杭州新塘橋）、橫向雙圓肋（如浙江義烏賓王橋）、橫向底箱肋（如廣東中山二橋）、三肢桁肋（如黑龍江依蘭牡丹江大橋）等等，都是提高拱肋自身橫向抗彎能力而采取的截面形式。
對于拱梁組合體系，宜作成剛性系桿剛性拱或剛性系桿柔性拱，系桿（梁）通常采用箱形梁，除自身有較強的抗扭、抗拉和抗彎能力外，與縱梁固結的橋面橫梁也能極大地提高橋面系的剛度，這樣為拱肋的橫向穩定提供了較大的非保向力作用。
對于鋼管混凝土中下承式拱橋，其橋面系一般為簡單懸掛的結構，其自身的橫向剛度不大，吊桿的剛度也很柔，所以橋面系對拱肋橫向穩定的貢獻與拱梁組合體系有很大的差別，因此，對于剛架系桿拱應慎用無風撐供。
三、拱肋截面構造
鋼管混凝土拱橋的拱助，當跨徑不大時可采用單管截面。單管截面主要有圓形和國端形，單圓管加工簡單，抗扭性能好，抗軸向力性能由于緊箍力作用顯示出優越性，但抗彎效率較低，主要用于跨徑不大（80米以下）的城市橋梁和人行橋中。
肋拱橋中絕大部分為啞鈴形斷面，跨徑從幾十米到160m，以100m附近為多。啞鈴形截面較之單圓管截面，截面抗彎剛度較大，類似于工字形截面，但由于兩圓管的直徑與高度之比在1/2.5附近，因而不能視為鋼管混凝土格構式截面。腹腔內的混凝土受鋼板橫向套箍作用機理復雜，缺乏研究，若采用鋼管混凝土理論計算，計算將很復雜。由于鋼管混凝土拱橋設計理論滯后，現行的計算方法常將其作為鋼筋混凝土結構，使這一矛盾并不突出，且考慮到腹腔內混凝土處于中和軸附近，設計計算常將其忽略，而只計及自重。
啞鈴形截面的腹板與圓管相接的交角較小，而且上下兩管彎曲成型后，腹板的焊接有較大的殘余應力，所以加工較為困難，質量不易得到保證。在灌注混凝土過程中，腹板受混凝土壓力的作用容易外鼓，所以有時需有拉桿對拉或采用其他措施，這使得較為構造復雜。 從經濟角度來說，鋼管混凝土構件中鋼管的作用較大、所占的造價比重也較大，理應將鋼材盡可能地安排在外留（即不計混凝土時，應是箱形斷面），而啞鈴形截面并沒有使所有的鋼材都處于截面的外圍。這同鋼筋混凝土構件將矩形截面變形工字形截面的效果不同。所以鋼管混凝土拱橋，在跨徑較小時可采用單臂截面，在跨徑增大以后應采用行武斷面，采用啞鈴形截面的跨徑范圍不應像目前這樣廣泛。
橋式拱助能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以受軸向力為主，能夠充分發揮材料的特性，對跨徑超過100米的鋼管混凝土拱橋，桁肋是一個比較合適的截面形式。前蘇聯30年代建造的NceTb河鐵路拱橋，即為二鉸變截面桁拱。
我國較早出現的桁拱斷面為橫向啞鈴形橋式，其上下為兩個橫啞鈴形斷面，腹桿用鋼管桁片，廣東南海三山西大橋（主跨200米，帶懸臂中承式剛架系桿拱）、陜西延安王家坪延河大橋（凈跨l90m，中承式）等橋采用這種形式。這種截面形式，根啞鈴形綴板中的混凝土較之前述的啞鈴形斷面對加大抗彎剛度有較大的作用，但這種截面的鋼一混凝土橫腹板的受力特性與國鋼管混凝土相差很大，同樣存在著設計計算上不能采用套箍理論的問題。因此，其后又發展了混合式的桁式斷面。這種斷面，上弦采取橫啞鈴形，下弦兩根鋼管采用鋼管下平聯聯結。上弦為了縮短綴板的長度，寬度較下弦為短而形成梯形斷面，河南安陽文峰立交橋（主跨135m，下承式剛果系桿拱）、四川高谷烏江大橋（凈跨150m，中承式）等橋采用這一形式。
直接采用多肢桁式（格構式）斷面的鋼管混凝土肋拱近年來有較多采用的趨勢。這種拱助弦桿采用鋼管混凝土材料，腹桿和平聯均采用鋼管，它較之橫啞鈴形橋式截面，材料省自重輕，跨越能力強。同時，由于各肢以受軸向力為主，更易于采用鋼管混凝土理論進行計算。在多肢桁式斷面中，四肢最為常見，截面的高度與寬度之比在2：回附近較為合理，拱肋的面外穩定性主要通過橫向聯系來保證。福建閩清石潭溪大橋（凈跨136m，中承式）、沈陽渾河長青大橋（凈跨140m，中承式）、四川眉山根江大橋（主跨206m，帶懸臂中承式剛架系桿供）、廣西三岸色江大橋（凈跨270m，中承式）等橋采用了完全桁式斷面。
另外，還有一種采用集束鋼管混凝土的肋拱橋。這種結構加工量少，材料用量比桁拱多，未被橋梁界普遍接受，其受力性能有待實踐與理論驗證。
鋼管混凝土材料的顯著優點之一是在構件受壓時，鋼管對混凝土的緊箍力作用使混凝土的受壓強度得到提高。為使這一優勢得到充分發揮，應采用強度較高的鋼材，但含銅率不必太大。在鋼管混凝土拱橋中通常合鋼車在5％～12％之間。但日前有些鋼管混凝土拱橋的拱肋合鋼車接近 20％ 。通常所說的鋼管混凝土結構其合鋼率在20％以下。接近或超過20％則其受力性能與鋼結構相近。鋼管管壁較厚時，鋼管的局部屈曲問題并不突出，填充混凝土的必要性不足，而且鋼管的加工也困難。因此，采用太高的含銅率是不經濟、不合理的。
因為有鋼管的套箍作用、而且拱式結構常以穩定控制，所以管內混凝土的強度不必要求太高，一般采用C40。但由于現在混凝土標號的提高不會使造價成倍增加，所以也有采用C50甚至C60o
四、橋面系
鋼管混凝土拱橋除拱梁組合體系橋面系為以縱梁為主外，其余均以橫梁為主結構。它將橫梁設置于立柱上或吊桿下，然后縱向鋪設橋面板（梁）?；钶d經橋面系通常橫梁傳給立柱或吊桿，立柱或吊桿再將荷載傳給拱肋。
這種橋面系不參與總體受力，屬于局部受力傳力結構，其單位自重不隨著橋梁跨徑的增加而明顯增加，這也是這類拱橋跨徑可以較大的原因之一。在已建成的鋼管混凝土中下承式拱橋中，主拱跨徑在五六十米時，吊桿間距一般在4m左右；主供跨徑在60～150m時，吊桿間距在5～10m之間；跨徑超過150m以后，吊桿間距宜在12m附近。吊桿間距再大以后，橋面板的自重會增加較多，建筑高度也會隨之增大，這對中下承式供，特別是下承式拱的總體經濟性是不利的。當然，無論橋梁跨徑多大，一成不變地采用4m，5米的吊桿間距也是不合理的。因為在這種非拱架組合體系拱橋的橋面系中，橋面板和橫梁中活載占總荷載的比例較大，而吊杯及其錯具的受力更是以活載（尤其是掛車荷載）控制，在4～12m的吊杯間距范圍內，吊桿、橫梁、橋面板的受力并不隨著吊桿間距的增大而明顯增大。因此，隨著橋梁跨徑的增大，吊桿的間距適當地加大，總體經濟效益是好的，而且也符合審美的需要。
鋼管混凝土拱橋由于拱助截面的輕型化，使得橋面系在恒載中所占的比例上升。無論是從結構還是從施工方面來說，橋面系的輕型化問題都顯得十分必要。尤其是寬橋，橫梁的受力很大，其重量在橋面系自身中所占的比例也很大。橫梁的跨度一般等于兩拱助的中距。橫梁所承擔的荷載長度為兩吊桿或立柱的間距。當橫梁跨徑在10m附近時，通常采用鋼筋混凝土構造；在20m附近時，則應采用預應力構造；跨徑更大時，可以考慮采用鋼一混凝土或鋼一預應力混凝土疊合梁構造。
廣州丫髻沙大橋主跨 360米，橋面側向總寬度 32.4m（含分隔帶），吊桿橫梁采用了鋼一混凝土組合梁。橫梁計算跨徑31.62m和 35.5米，鋼橫梁為二字形，橋面橫坡通常橫梁腹板的變化形成。一根鋼橫梁的自重在30t左右，吊裝后在其頂板上澆筑混凝土約18t，總重僅46t左右。若采用預應力混凝土梁則重達100t左右，結構自重和吊裝重量均大很多。
深圳北站大橋是一座城市跨鐵路站場的立交橋，主跨 150m，橋寬 23.5米。橫梁采用預應力鋼一混凝土組合梁。利用縱鋪的預應力空心橋面板作為組合梁受壓翼緣的一部分，組合梁中的鋼梁采用了高托座預應力鋼箱梁。
五、結束語
鋼管混凝土拱橋是一種優勢明顯、極具發展潛力的橋型，及時總結其應用經驗是非常必要的，而開展深入系統的研究則更為重要。然而到目前為止，除少數研究單位進行了為數有限的鋼管混凝土拱橋受力全過程性能、極限承載力、溫度應力、混凝土徐變等實驗室模型試驗和理論外，大部分的研究是針對具體橋梁進行的實橋測試、驗證性試驗和以大型通用程序為主的有限元分析，動力性能研究則更少，對鋼管混凝土拱橋受力性能的研究還缺乏深入細致和全面系統的了解。這就使得我國鋼管混凝土拱橋的大規模應用缺乏必要的技術準備，實際應用帶有較大的盲目性。在實際應用方面，目前還未有鋼管混凝土拱橋的設計與施工技術規范，使得工程設計與施工無章可循，這可能給工程造成浪費和留下質量問題和安全隱患。因此建議有關方面應重視鋼管混凝土拱橋的技術研究，投入較多的經費，組織科技攻關；盡快制定頒發鋼管混凝土拱橋的設計與施工規范，以使這一具有中國特色的橋梁結構顯示其應有的技術先進性的經濟合理性。在當前的情況下，應慎重發展鋼管混凝土拱橋，尤其是大跨徑、大規模的鋼管混凝土拱橋。
參考文獻
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