目前世界上已建成最大跨度的拱桥是广西平南三桥的钢管混凝土拱桥,其主跨跨径为575米,天峨龙滩特大桥600米的劲性骨架上承式混凝土拱桥已在全面建设中。几年前,有专家对700米级钢管混凝土的拱桥设计与建造的可行性,做了一些有益的探讨,那么拱桥的跨径上限究竟可达多少米?有关理论分析指出,钢拱桥的跨越能力大于混凝土拱桥,且能超过千米,但受屈曲稳定性制约,随着钢拱桥跨度增大,解决稳定问题所需的代价亦将快速上升,因而在经济性方面逊于斜拉桥。钢管混凝土拱桥在结构能力与技术经济上介于钢拱桥与混凝土拱桥之间,通过技术创新使得拱桥在700米左右显现出较强的竞争优势,主要得益于钢管混凝土结构对钢与混凝土的合理运用。因此,能充分的发挥材料优点的结构及形式必然会取得较好的技术经济效益。
受“夹芯板式钢-混凝土组合截面斜拉桥主梁”的启发,笔者在一座跨径150米的上承式单线铁路拱桥初步设计中,比较了芯板式钢-混凝土组合拱肋(后简称为“芯板式拱肋”)结构方案,计划将劲性骨架的所需钢材转化为永久结构的一部分,既作为施工支撑骨架,又可视为永久受力结构,因为跨径较小,钢桁架可以靠自身能力完成悬拼成拱。同时,为减少纯钢结构用钢量较大的问题而引入芯板混凝土,让芯板尽可能多地分担拱肋轴力,拱肋弯矩(主要是活载弯矩)则由钢结构承担,并借芯板结构增大桥梁整体横向刚度,改善结构使用性能。为衡量该技术的经济可行性,在设计中参照钢管混凝土拱桥,把所使用的混凝土等量转化,用于钢-混组合结构的芯板,并置于其组合截面的中心,混凝土故而只受压却不受弯,完全避免了其受拉开裂问题,使它的受力状态得到一定的改善,可提升结构耐久性。初步设计根据结果得出,此项拱桥技术的两种主要建材用量与钢管混凝土拱肋结构基本持平,但具有横向刚度很大的显著特点,这主要受益于宽而扁的混凝土芯板较大的面外刚度。为探究其横向刚度的数值,粗略地参照平南三桥所拟定的600米跨径中、下承式拱桥进行计算,其第一类弹性稳定系数轻松地达到6,体现出一定的结构承载能力,但因为板状的拱肋不足以满足中、下承式拱桥的桥面通行车辆的使用功能,换而言之,该技术只适用于上承式拱桥。众所周知,由于上承式拱桥拱上立柱重于中、下承式的吊杆,在同等条件下,其跨越能力不如中、下承式拱桥。
最终,笔者拟定800米上承式拱桥进行预设计研究。有关文献资料显示,超大跨径拱桥的横向稳定性是控制设计的主要指标之一,考虑到上承式拱桥的拱上结构较重,研究中牺牲一些竖向承载力(一般拱桥的竖向刚度及承载能力较强,设计中存有较大回旋余地),并超常规地选用了1/6的矢跨比,以降低桥梁高度,尽可能地减小高桥带来的不利影响(中、下承式拱桥桥面低,相对较为有利),经初步计算,得到其弹性稳定系数在8之上,结果好于预期,有望更进一步推高拱桥经济跨度上限值。
在结构计算分析中,依靠一款软件强大的建模与分析能力,能较为轻松地完成下述繁重的计算分析工作。
1.体系的核心是将混凝土芯板引入到钢桁拱肋中形成一种组合结构,因为芯板置于“截面中性轴”处而只受压,无开裂之忧;
3.引入类似于悬索桥跨中索扣的拱顶斜撑结构承受纵向水平力,将“温度零点”置于桥跨中心,缓和温度对主梁的伸缩影响;
从相关文献中获悉,设计的重点是对大跨度拱桥的横向性能的控制,为此在总体设计上,使拱肋在平面呈跨中窄、拱脚宽的纺锤状,以获得更大横向刚度;同时为顺应拱肋竖向受力,拱肋在跨中的桁高小、拱脚的桁高大,见图1-图3。设计中采用了参数化驱动技术对拱肋弦杆空间线形加以择优,以提高效率。
拱肋组成如图4所示,包含上、下钢弦杆,其中间为混凝土芯板,在弦杆与芯板之间则为上、下腹杆,腹杆在横截面方向呈斜向布置,并与上、下横联一起在横截面上形成桁架结构,钢桁拱肋其实就是空间网架结构。
与中、下承式拱桥相比,上乘式拱桥非拱肋部分的结构重量相对较大,不利于对拱肋提供有效的承载能力。为使结构轻量化,设计中采用了独特的格构式拱上立柱,以提供足够的横向刚度,见图5。对于纵向刚度则采用拱顶斜撑构造,并将温度零点定在拱顶,减小主梁温度对跨长的影响,如图6所示。
为使主梁结构轻量化,采用倒扣U肋正交异性桥面板结合梁技术方案,一方面通过倒扣U避免了通常U肋正交异性桥面板复杂的焊缝结构及其不利影响,解决了焊缝疲劳耐久性问题;另一方面,借鉴了双曲拱桥横向成拱的思路,通过倒扣U肋孔洞减轻桥面结构层自重,并利用桥面钢板充当“拱肋”抵抗水平推力的系梁,以避免桥面在“拱顶”纵向开裂,见图7。
芯板式钢-混凝土组合拱肋是一种基于钢桁拱的技术改良,它利用混凝土尽量分担拱肋轴力,以缓和钢结构受压屈曲稳定问题,进而提高拱肋整体承载能力。由上述可知,芯板拱肋结构就是在钢桁架中心增加一道混凝土“中弦杆”,因为芯板居中,而板自身又很薄,几乎不受拱肋弯矩的影响,始终处于受压状态,故而可以最大限度地发挥混凝土的承压能力,甚至超过了钢管混凝土中的混凝土的利用效率。实际上,钢管混凝土拱肋中的混凝土的能力弱于高层建筑中的柱,其在拱肋的某些区域无法充分的发挥作用。
实际上,通常会在桥梁拱脚处设计为T构或独矮塔斜拉结构,以避免近拱脚处的拱上立柱太高,同时也可以分担一部分拱肋荷载。在此仅为说明芯板式拱肋的结构特点,对具体技术细节不再累述。
施工则采用斜拉扣挂悬拼方法,并使用大节段提升钢拱肋的技术,进一步推高钢拱肋施工跨径。该法类似于钢管混凝土拱肋或钢桁拱肋施工方法,通过借助临时塔架及斜拉扣挂系统,先悬臂拼装拱肋组合截面的钢桁架部分,待至钢桁架合龙后铺设预制或现浇混凝土芯板。笔者建议采用预制混凝土板进行拼装(类似于盾构的管片技术),可经过控制混凝土加载龄期减少混凝土收缩量以发挥更大作用。芯板合龙后可选择性地释放钢桁上、下弦杆在拱脚的约束,将钢结构的一部分轴力转移到混凝土芯板,充分的发挥芯板承受纯压力的优势,最大限度地减少钢材用量,进一步改善经济指标,提高结构方案的经济可行性。但此方法在理论上会降低施工全套工艺流程中的稳定性,存在一定的风险。
按上述施工全套工艺流程进行结构计算分析,在参考《700m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究》《大跨径拱桥的发展及展望》《钢管混凝土拱桥吊装过程的最优化计算分析》《平南三桥施工重难点及关键研发技术》《拱桥极限跨度技术探讨研究》等技术文献基础上,把拱桥技术可行性的目标设定为1阶稳定系数》6。
弹性稳定系数和结构动力特性计算结果摘录于表2-表4,并与文献《700m级钢管混凝土拱桥试设计与技术关键》数值加以比较,后者在表中简称为“文献值”。
可见,芯板式拱肋桥梁的稳定系数及动力特性指标均大于文献提出的参考值,说明结构在承载能力方面能满足技术规范要求。如果把桥梁稳定系数目标定在6左右,结构还有优化空间,或还可加大跨径。
此外,混凝土芯板轴向反力为弦杆轴向反力之和的35%,如采取调整措施,混凝土芯板可以分担更多拱肋轴力。
对计算加以延伸,在相同的结构尺寸下,仅将拱肋中心线,除立柱因增高引起局部稳定系数有所降低外,整体面内、外稳定系数均略有增大,分别为8.90、8.99,但首阶自振频率略有降低,为0.15赫兹。若结构较稳定时,可侧重从材料用量(桥高工程量必然增大)及地基承载能力(主要是地基提供水平推力的保障率)方面考虑矢跨比的合理取值。
大瑞铁路怒江特大桥,主跨采用490米钢桁拱,用钢量为4.6万吨,其中钢拱桁悬拼重2.8万吨;朝天门公轨两用长江大桥,是主跨552米的钢桁架系杆拱桥,共用钢材5万吨。
卢浦大桥飞燕式系杆拱桥,跨径550米,钢箱拱肋用钢量12219吨;香溪大桥单跨推力拱桥,跨径531米,钢桁拱肋用钢量11516吨;合江一桥单跨推力拱桥,跨径535米,钢管混凝土拱肋用钢量6148吨。由此可见,钢管混凝土拱肋用钢量大约为纯钢拱肋的一半,造价优势明显。
从大瑞铁路怒江特大桥与卢浦大桥的对比发现,铁路桥荷载因素对拱肋用钢量影响较大,怒江桥是卢浦大桥的2.3倍,如果把两者的跨度修正一致,其相差至少2.5倍。
根据欧阳平《平南三桥桥型方案设计研究》主跨450、350、250米钢管混凝土拱桥所列的经济指标,以及平南三桥的经济指标,推算出800米钢管拱的造价约为86,000万元,假设造价与拱肋用钢量为线性比例关系,那么,根据平南三桥拱肋钢量可以推测800米钢管拱的钢量约为18060吨,见图8。
800米芯板式拱肋预设计的主要建筑材料为:拱肋弦杆采用Q420d钢材,拱肋腹杆使用Q345d,拱肋钢约2.10万吨(钢管拱推测值为18060吨),全桥用钢量共约3.30万吨;芯板C60混凝土16820立方米(与管内混凝土基本持平),下弦管内拱脚局部填充C80混凝土2807立方米。
通过上述分析得出,芯板式拱肋经济指标稍劣于钢管拱,但优于纯钢拱肋;芯板对拱肋结构体系的最大的作用是大幅度提高其横向刚度。
结构工程技术的发展总是依赖材料技术的进步。从石材、混凝土到钢结构,拱桥的跨度在推进;从藤索、铁链索到高强钢丝索,柔性体系结构跨度在增加。换而言之,在特定建筑材料下,受经济指标制约,特定结构体系存在跨度上的瓶颈。得益于对材料的合理使用,钢管混凝土结构体系的出现使拱桥的经济跨度大幅度的提高。同样,芯板式拱肋也是从结构体系的角度来探求如何合理规划利用材料性能。
1.目前研究尚有待深入,例如腹杆截面偏大,仅有对应拱上立柱的腹杆应力较为合适,其余大部分腹杆应力均较低,导致目前结构赘肉较多。此外在下弦杆近拱脚一些范围灌注了管内混凝土,亦造成经济性欠佳,显然这样一些问题在优化设计后会得到某些特定的程度的改善。
2.影响拱肋结构受力的重要的条件矢跨比、拱轴线形、拱轴系数等均未作优化比选,所指定的1/6的矢跨比也超出了通常取值,致使拱脚水平推力偏大,对基础抗推能力要求高,实际工程一般多会选用1/4左右的矢跨比的悬链线拱轴,这就使得预设计未能达到较为合理的受力状态,也会拉高造价。
3.经济性方面尚难以定论。一是本身的精细程度不足、合理性有待提升;二是无法与同等跨度拱桥及斜拉桥进行对比。
4.该结构及形式突破了现有拱桥体系的框架,无论是设计研究还是施工建造,都将带来一些新的难题,例如混凝土芯板与钢桁拱的连接构造形式及可靠性需要加以试验研究,获取相应对策。
虽然存在一些不足,但芯板式拱肋在结构性能上的优势比较突出。基于改善钢拱肋压屈稳定性能的出发点注定了其更偏向于钢结构的本质,未利用上钢管对混凝土的套箍效应所具有的经济优势,会导致造价略高于钢管拱。芯板除了对拱肋横向刚度的贡献外,因其无受拉开裂之忧,对混凝土结构耐久性较为有利。此外,可优先考虑在局部受力较大处使用超高性能混凝土逐步降低结构自重,使结构更轻量化。