山区拱桥结构特点及施工方法研究

旷斌

摘要：本文就山区拱桥的结构类型特点作了简明的介绍，并结合贵州地区地形、地质特点，阐述了贵州特色的施工技术方法，以供同行参考。

1.1引言

拱桥作为贵州山区最常见的桥型之一，他具有跨越能力大、承载能力高、适宜就地取材、造价经济、维修养护费用低、造型优美等诸多优势，因此，贵州山区成为了名符其实的拱桥之乡，拱桥是贵州交通建设的经典桥型。

1.2拱桥类型介绍

石拱桥充分利用圬工材料抗压性能好的特点，因此在地质条件良好和中小跨度桥梁中应用广泛。然而石拱桥自重大，需要有支架施工，存在一定的局限性。

混凝土和钢材在拱桥中的应用，不仅增大了拱桥跨度，而且在构造形式、结构体系等方面有了很大发展，尤其是与新的施工方法，如转体施工法，缆索吊装法，劲性骨架法等施工技术的结合，进一步提升了拱桥的发展。石拱桥至今仍以低造价、简单施工工艺成为中小跨径桥梁结构的首选。尤其在我国石料丰富，地质条件良好的山区，石拱桥仍然占有公路桥梁30％以上的比例。

钢筋混凝土拱桥是在混凝土拱圈中配置受力钢筋，以达到减小拱圈截面尺寸和增大跨越能力的一种结构型式。桥梁跨径大，而且结构形式优美，线条流畅，施工方法先进。我省在上个世纪60年代以前，也建造了不少钢筋混凝土拱桥，但跨度不大。60年代以后，双曲拱桥适应当时经济、资源和技术条件，在省内广泛修建。最大跨径发展到150m。由于双曲拱桥采用分块吊装的施工方式，导致结构整体性差，在使用过程中变形大、开裂严重。随着其他拱桥结构设计和施工技术的成熟，双曲拱桥成为一种历史桥型。

钢管混凝土主要是指钢管内填素混凝土的圆形钢管混凝土结构。一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性, 提高钢管的抗腐蚀性和耐久性, 另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用，使核心混凝土具有更高的抗压强度和塑性变形的能力，将钢材和混凝土有机地组合起来；并且通过钢管紧箍力的作用，使核心混凝土处于三向受压的状态，与拱桥的拱圈以承受轴向压力为主的特性相结合，使钢管和混凝土的材料特性得以更充分的发挥。在铁路桥梁中，由于动荷载较大，因此采用钢管混凝土拱桥能充分发挥结构特性。我省第一座铁路钢管混凝土拱桥即贵州水柏铁路北盘江大桥，采用上承提篮式钢管混凝土拱构造，是目前我省最大跨度铁路拱桥。

随着钢铁工业的发展，钢拱桥出现在拱桥的历史舞台。由于钢拱桥的吊装重量比钢筋混凝土拱桥小，空间跨越能力优于钢筋混凝土拱桥，使得钢拱桥在拱桥历史上占有重要的地位。根据理论推算，钢拱桥的极限跨径可达1200m左右。

1.3拱桥主要施工方法

受到施工方法的限制，传统拱桥的跨径通常在200ｍ以下。随着拱桥跨径的增大，不但增大了拱桥自重和水平推力，对拱脚支承体系的要求提高，而且大大增加拱桥的施工难度。

拱桥上部结构的施工方法可以分为非自架设法和自架设法。非自架设的方法主要是支架施工法，指在支架上现浇或拼装拱肋，用于石拱桥、混凝土及钢筋混凝土拱桥，适用于较小跨径。采用此方法施工，施工支架结构受力明确、稳定性与安全度高、施工速度快、设备重复利用率高。自架设法又称为无支架法，指在拱桥施工过程中将上部结构分成几个部分，采用现浇或拼装的方式，通过多个施工阶段架设全桥，施工阶段的施工机具和安装构件都用已完成的结构作为支承。自架设方法适合于在峡谷、水深流急的河段、通航河流上、支架施工不可行等条件下修建拱桥。自架设方法施工的关键主要有三点:

①先期架设的结构部分要轻、强度要高，才能为后续施工的结构部分提供强有力的支撑；

②架设过程的受力情况与成桥后受力情况越靠近就越能减少施工中的临时辅助设施和因施工需要而增加的结构材料；

③自架设体系桥梁先架设部分先受力，后架设部分后受力，因而结构要有受力自调整能力或能够借助外来力量调整内力。

目前常用的大跨度拱桥施工方法有以下几种：转体施工法，劲性骨架法，少支架法，同步提升法，无支架缆索吊装法。

1.3.1 转体施工法

桥梁转体施工方法是指在适当位置，利用地形或使用简便的支架将半桥预制完成，之后以桥梁结构本身为转动体，将两个半桥转体到桥位轴线位置合龙成桥。根据转体的方法可分为平面转体、竖向转体和平竖结合转体。拱圈做竖向自旋转合龙的称为竖向转体施工法，拱圈绕拱座做水平旋转合龙的称为平面转体施工法。平面转体又分为有平衡重转体和无平衡重转体。有平衡重转体是指采用平衡重稳定转动体系和调整重心位置，同时作为桥体上部结构转体用拉杆的锚碇反力墙。因此，平衡重既要作为平衡重量，又要承受桥梁转体重量的锚固力。无平衡重转体是指没有平衡重结构，以两岸山体岩土锚洞作为锚碇来平衡半跨桥梁悬臂状态时产生的拉力。

平竖相结合转体施工方法即先后使用平、竖转体技术，使两个半桥转体到桥位轴线位置合龙。

1.3.2 劲性骨架法

劲性骨架施工法是无支架现浇法的重要组成，是以劲性骨架作为支撑，分层、分段现浇混凝土，逐步形成拱肋截面的施工方法，它既免除支架施工的巨额支架耗费，又可以化缆索吊装施工的拱箱大吨位吊重为劲性骨架小吨位吊重，把主拱圈的大部分重量分散到各个施工阶段。由于其施工周期较长，各组分砼之间存在较大的龄期差, 同时对逐步形成的砼组合截面, 其几何特性和持续荷载在不断的变化, 由此产生的徐变、收缩内力、变形及应力分布十分复杂，因此，目前大跨径桥上施工已较少采用此方法。

1.3.3 少支架法

少支架法是指在各个节段接头处设置钢支架，用汽车吊、门架吊或浮吊安装。在支架顶部设置微调装置，一般用千斤顶、丝杠等，以调整每段拱肋的标高、平面位置。在施工过程中主要控制拱肋的标高和监控钢管拱肋截面处的应力。适用于拱肋离地面不高或桥下水位不深，可以通过缩窄河道得到开阔平整场地的情况。工程费用低，技术难度比无支架缆索吊装和转体施工低。

1.3.4 同步提升法

同步提升是指将拱桥中间节段通过浮运就位，通过利用液压千斤顶等提升设备提升到设计位置进行合龙的方法。同步提升合龙精度高，施工工期短，但同步提升需要中断通航。

1.3.5 无支架缆索吊装法

缆索吊装悬拼施工方法是大跨度拱桥施工的主要方法之一，自六十年代以来，我省已用这种方法修建了许多双曲拱桥和箱形拱桥。由于传统的缆索吊装方法是采用卷扬机钢丝绳系统完成拱肋的分段扣挂悬臂架设的，因此，当跨径较大时，拱肋节段增多、重量增大时，常常会出现调控失误、标高不准确等险情，施工相当困难，因此迫切需要采用新技术、新工艺对原系统进行改造和创新，后来由于开发研究了千斤顶钢绞线斜拉扣挂法，由于该技术中采用了高强度、低松弛、张拉行程控制准确的预应力钢铰线作为拱肋悬臂拼装的扣索，使得拱肋的线形控制相对容易。千斤顶钢绞线斜拉扣挂法完成拱肋悬拼合龙的基本程序如下：

(1)在地面或工厂制作拱肋段；

(2)用缆索起重机或其它机具把拱肋段吊至跨间；

(3)用钢绞线或高强钢丝把拱肋段扣挂在指定位置，用千斤顶在锚锭上施力收紧或放松；

(4)第一段拱肋与拱座铰结，以后每扣挂一段立即与前段固结；

(5)最后一段缩短30～50cm制作，吊运就位后，根据实际间隙制作特殊连接件并完成固结。

(6)如全跨只有一条拱肋，则放松并摘除扣索即完成了悬拼合龙全部工序。有两条及两条以上拱肋时，每条肋重复上述(1)～(5)步，待所有拱肋悬拼合龙完成后，分次、对称放松所有扣索，就完成了全跨拱肋的悬拼合龙工作。

利用千斤顶钢绞线斜拉扣挂架设工艺，有如下技术优势：

(1)千斤顶斜拉扣挂架设方法，与其他拱桥的施工方法相比，具有使用机具少、施工时间短、扣索钢绞线可回收使用，经济效益显著，并能解决大跨度拱桥节段悬拼、扣索系统操作复杂、拱轴线难于控制、风险大等难题。

(2)该技术具有设备简单、轻巧、安全、可靠，操作方便，悬拼过程稳定性好，合龙精度高、快捷的优点，300m左右跨径拱桥，拱肋悬拼合龙时间不超过两个月，这是其他桥型或其他方法难于实现的。

(3)千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法，克服传统的卷扬机钢丝绳斜拉扣挂悬臂系统设备较多、拉力大、调整困难、施工难度大等弱点，较好地解决了用卷扬机钢丝绳悬拼架设法存在的问题。采用强度高、承载力大、延伸量小、变形稳定的钢丝线作扣索，减小了架设过程中的不稳定非弹性变形；采用千斤顶张拉系统对斜拉索加卸拉力、收放索长，具有张拉能力大，行程控制精度高，索力调整和控制灵活，锚固可靠等优点。

(4)利用千斤顶斜拉扣挂连续浇注混凝土的施工技术对钢骨架拱肋进行调载，能将拱肋混凝土浇注过程中出现的结构内力和变形控制在目标函数内。与过去的调载方法比较，它巧妙地变加载为减载，提高了施工的稳定性，并可以重复使用悬拼骨架的设备，节约了投资，同时大大提高了施工的进度。

(5)吊装节段在数量上不受限制。传统的缆索吊装一般是分5段、或7段吊装。然而，对于大跨径拱桥来说，吊装重量一般是有所限制的，需要增加节段的数量，才能满足吊装重量的要求。对于大跨度拱桥，由于吊装段数多，当前一段拱肋扣挂后，会对前面已经扣挂好的拱肋产生影响，特别是相邻的那两三段拱肋受到的影响会更大一些。因此，每扣挂一段拱肋，都要对相邻那两三段拱肋的索力进行调整，从而达到调整拱肋标高之目的。调整时，主索跑车吊点继续吊住当前拱肋段，逐步调整相邻拱肋的索力来调整拱肋的标高。当符合要求时慢慢放松跑车吊点，重新观测拱肋标高，符合要求后才拆除跑车吊点，进行下一段拱肋的安装。当最后一段拱肋安装就位，扣索钢绞线张拉完毕，拱肋标高及中线调整好，跑车吊点放松后，立即实测合龙段的空隙长度，下料钢管并焊接。合龙温度采用低温合龙，如果合龙时温度不太理想，可以先焊接钢管的一端，待到晚上温度比较合适时再焊接钢管的另外一端。

采用千斤顶钢绞线斜拉扣挂法进行施工时，也存在着以下一些技术问题：

(1) 在拱肋的悬拼施工中，除最后吊装的跨中拱肋节段外，已吊装就位的各拱肋节段均受后续节段安装的影响。因此，拱肋吊装施工控制的任务是：提供各拱肋节段吊装时吊点标高的的预抬高值；控制的目标是：使拱肋在合龙后各控制点的标高满足设计要求，最终使成桥后的拱轴线与设计拱轴线相吻合。采用千斤顶斜拉扣挂技术进行施工，在整个悬拼架设的过程中，每扣挂一段即与上段固结，克服了传统卷扬机滑轮组合龙技术中多铰稳定性差的缺陷，并使拱桥的合龙难度与分段多少无关，但也对拱桥的施工控制提出了更高的要求。在传统的拱桥合龙技术中，各段拱肋间采用铰支连接，扣索索力可以实时调整，结构的可变性比较大；而千斤顶斜拉扣挂技术中拱肋间采用固定连接，在整个悬拼过程中，扣索索力不宜经常调整，因此每段拱肋吊装施工前，都应对吊点标高的预抬高值、扣索的索力有一个准确的计算估计，并且比传统的计算要求更高；所以有必要对千斤顶斜拉扣挂技术的施工控制计算理论展开更进一步深入的研究。

(2) 采用千斤顶斜拉扣挂技术进行施工，另一个急需解决的问题就是拱肋的合龙精度问题。传统的拱桥合龙都采用松索合龙的方式，即把各拱肋段抬高，待最后一段拱肋吊装上去后再按比例、多次循环放松扣索，以便向最后一段肋靠近、碰上、合龙；而新的合龙方式为合龙后松扣索，即当长度缩短了30-50cm的最后一段拱肋就位并与两端悬挂拱肋固结后再松索成拱。这显然存在着一个问题，最后一段究竟要预留多大的长度，才能使拱肋合龙后，拱轴线满足设计的要求，有些拱桥最后一段合龙时左右误差甚至达到二十多厘米。影响拱肋悬拼精度的因素有很多，如温度变化、制作误差、非弹性压缩、拱肋固结点的变形等各种因素，有必要对这些因素进行分析研究，为拱桥的施工控制计算提供理论上的指导依据。

1.4 总结

综上所述，拱桥常见类型有石拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢架拱桥；上世纪90年代我省桥梁专家还发明了桁式组合拱桥，因近年来新建较少，故不再进行阐述。其施工方法有转体施工法、劲性骨架法、少支架法、同步提升法、无支架缆索吊装法。拱桥的设计应遵行安全、经济、实用、耐久的原则择优选用，具体施工方法应根据实际地形、地质等施工条件综合考虑。