钢管混凝土拱桥是一种优良的钢混组合桥梁。主要结构中，钢管因混凝土的填充提高了局部稳定性，混凝土因钢管的套箍作用增大了韧性和强度。

20多年来，中国建成的钢管混凝土拱桥数量超过了400座，最大跨径达到了530m，至今仍保持着高速发展态势。本文介绍了中国钢管混凝土拱桥和以钢管混凝土为劲性骨架的混凝土拱桥的发展状况及主要创新技术。

钢管混凝土拱桥

数量、跨度快速增长

图1 钢管混凝土拱桥数量增长趋势图

表1 中国建成的钢管混凝土拱桥一览表(跨径L≥300m)

图2 钢管混凝土拱桥最大跨径增长趋势图

1990年，中国建成第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥，之后每年以18座左右的数目迅速增长(图1)。据统计，截至2015年底中国建成的钢管混凝土拱桥已超过400座，其中跨径超过200m的54座，超过300m的11座(表1)，超过400m的4座。2013年通车的合江长江一桥是目前世界跨径最大的钢管混凝土拱桥，在各类拱桥中跨径排第三。钢管混凝土拱桥最大跨径增长情况见图2。

--------->>

钢管拱桁的架设

<<---------

1.斜拉扣挂悬拼

该工法能保证5个拱段以内、跨径100m左右拱圈(拱肋)的悬拼施工安全和快捷。因为扣挂系统简单，所以施工费用低廉。按每平米桥面计算对比，100m跨径的混凝土拱桥与30m跨径混凝土简支梁桥的单价持平。上千座拱桥的拱圈采用了此工法完成架设，其代表是1972年建成的长沙湘江双曲拱大桥，其总长1250m，最大跨径为76m。

1994年开发了钢绞线斜拉扣挂悬拼合龙后松索工法，首次成功应用于跨径312m的钢管劲性拱骨架的悬拼安装。通过千斤顶收放钢绞线斜拉扣索，控制精度可达到毫米级。该工法在施工过程中，拱段逐段扣挂、逐段固结，无论总拼装段数多少，合龙时仅3段，且在静态中完成，适用于100m以上跨径拱桥的悬拼施工。采用此工法完成了数百座拱桥拱圈架设，包括跨径550m的上海卢浦大桥、跨径530m的合江长江一桥、跨径420m的万州长江大桥，以及跨径445m的沪昆高铁北盘江特大桥。

上述两种工法同时用在杭州复兴大桥上，实现了两天合龙一孔的高速施工，为两年建成跨越钱塘江、全长1370m、双层总桥面积700002的大桥作出了贡献。

陈宝春教授对能收集到的103座钢管混凝土拱桥的施工方法进行统计，缆索吊运斜拉扣挂占67%。跨径超300m的11座钢管混凝土拱桥中，10座采用了缆索吊运斜拉扣挂施工(表1)。

2.转体

1977年中国工程师开发了拱桥转体施工方法，包括平转、竖转和平竖转组合三种方式，至今已完成了70多座桥梁的建设。平转的典型工程之一为跨径236m的上承式钢管混凝土拱桥——贵州水柏铁路北盘江大桥;竖转的典型工程之一是跨径175m的中承式钢管混凝土系杆拱桥——广西梧州桂江三桥;平竖转组合的典型工程是广州丫髻沙大桥，其主桥为(76+360+76)m的三跨中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，转体质量达到13850t、转出水平长度为180m，均为目前的最高纪录。转体施工方法的优点是对桥下空间干扰最少、转体过程中结构受力不变、施工安全性好;缺点是构筑转盘等转动体系投入较大，阻碍了转体工法应用于更大跨径的拱桥。

3.大节段提升

我国大吊段提升的钢拱桥有两座，其一是2007年建成的广州新光大桥。主桥为(177+428+177)m三跨连续刚架钢桁系杆拱桥，跨越珠江，两边跨在原位低支架上拼装、整体提升，中跨分三大段在预制场制作好，船运至桥位采用同步液压提升技术，提升至支架上合龙。其单件最大质量达2850t，施工对通航的阻碍时间仅为56小时。

另一座是2 0 1 3年建成的广州南沙凤凰三桥，总长1196m，主桥为(61+308+61)m三跨钢桁系杆拱，吊段长为249.5m、质量为4080t，通过船运至桥位，采用同步液压设备整体提升合龙成拱。

这项技术的高空作业减到了最少，可通过临时系杆来降低拱桁的施工应力，使增大吊段长度成为可能，而吊重的增加可通过相应增加千斤顶来解决。因此大节段提升方法施工的钢拱桥跨径还能继续增大，成为特大跨径钢管拱桁架设的一种优选方法。

最大跨径的钢管混凝土拱桥

合江长江一桥是目前世界上最大跨径的钢管混凝土拱桥，净跨径为500m，按多跨桥梁跨径计算方法，跨径达530m，在世界所有拱桥中位列第三。合江长江一桥主拱圈采用中承式钢管混凝土桁拱结构，拱脚、拱顶截面径向高分别为16m、8m，肋宽为4m。每肋为4φ1320mm钢管拱桁， 壁厚按位置不同而变化， 分别为2 2 m m 、26mm、30mm、34mm。管内灌C60混凝土。横联钢管为φ762×16mm，腹杆为φ660×12mm。拱桁采用缆索吊机吊运、斜拉扣挂悬拼合龙后松索工法施工。

1.钢管拱桁设计、制造与安装

在进行钢管拱桁设计时，除按其他桥梁一样进行整体静力、动力计算外，还应进行吊段设计。合江长江一桥钢管拱桁分两肋，每肋分为18个吊段，吊段间弦杆设内法兰栓接、同时加填半圆钢管焊接，接头得到加强且施工方便。每个吊段设一道横向风构，既能保证成桥后的整体稳定，也能保证每一吊段悬拼过程中的稳定。拱脚设临时铰，在安装过程中使用。标准吊段可参见图5b。

在钢管拱桁的制造与安装中，中国工程师首推大吊段，吊段质量通常为100～200t。目前缆索吊机跨径已达1196m，最大吊段质量达400t。吊段无论制作和拼装都会产生误差，从而降低钢管拱桁的承载能力，研究表明钢管拱桁面内反对称误差的影响较大。另外，制作误差还会影响拼装的顺利进行。

图3 拱桁吊段立拼耦合校验

图4 拱桁吊段卧拼耦合制作

合江长江一桥总重7 2 7 0 t 的钢拱桁在武昌船舶重工有限公司制造，共分为54个吊段，其中含18个横向风构和36个大型拱肋吊段，最大吊段质量为192t，尺寸为(4×16×45)m。为提高吊段制作精度，工程人员建立了全桥主拱三维模型，将预拱度值加入到对应的坐标值中。考虑各杆件焊接收缩量、切割设备精度、装配误差等因素后，确定杆件的几何尺寸。通过逐级匹配制造消除误差累积。制造总体方案为：筒节制造→单元件制造→弦管片装分段制造→单侧2+1卧拼耦合制作→主拱肋立拼检验→涂装。经多次验证，吊段制造误差控制在3mm内，可取消立拼耦合校验(图3)。最后1/3数量的吊段直接由卧拼耦合制作完成(图4)，经斜拉扣挂悬拼检验，能保证拱桁线形精度和接头法兰密贴。立拼耦合校验的取消，避免了用龙门架实施大型吊段翻转的风险，加快了制造速度，降低了费用，为制造更大跨径钢管拱桁提供了经验。

图5 合江长江一桥扣挂、吊运系统总体布置

a(上图)  扣挂、吊运系统整体布置

b(下图)  扣挂布置

合江长江一桥钢管拱桁两肋共36个吊段，通过船运至桥址，由缆索起重机吊运，每岸9组钢绞线斜拉扣索(包括3组临时扣索)进行扣挂，在扣塔上与背扣平衡张拉。合江长江一桥扣挂、吊运系统总体布置见图5。缆索起重机主跨554m，吊装能力为2×1000kN，主索可移动到构件安装位置。承重索由2×8φ50mm密封钢丝绳组成。扣塔架高度达到150m，为钢管混凝土格构，吊塔高29.6m，铰接在扣塔顶。

图6 内法兰密贴情况

两肋各悬拼一个吊段后，安装横向风构及侧风缆。每半拱分为9个吊段，悬拼到第6段时固结临时铰，悬拼到第9段后，在气温稳定时段合龙。在封铰前、合龙前，各调整一次拱桁标高，通过扣索、侧风缆来控制拱桁的标高和轴线，最终保证了内法兰密贴(图6)。

表2 拱肋1#～9#节段复测标高数据列表（单位/m）

表3 3#～9#节段轴线偏位汇总表（单位/mm）

注:①本表中以上游偏位为“正”，下游偏位为“负”;

②“—”表示该节段测量管被破坏或者视线原因不能测读。

全桥36个吊段和全部横联安装共用时58个工作日，精度高于规范要求。合龙后，两岸和两肋从拱脚至拱顶对称放松斜拉扣索，形成钢管桁拱。表2为拱肋对称点高差，最大为0.030m，远小于规范规定的L/3000=0.167m，该偏差对承载能力影响较大;表3为拱轴线误差，最大为10mm，远小于规范规定的L/6000=83mm。

2.管内混凝土

①钢管与混凝土共同工作机理

钢管混凝土拱桥的承载能力和耐久性是靠钢管及其管内混凝土联合工作来保证的。中国学者研究并通过试验，测试了界面抗剪粘结力主要分成4类：化学胶结力、机械咬合力、“宏观咬合力”和摩阻力。其中化学胶结力占比很小，并且在小应变导致的局部滑移情况下即会丧失;“宏观咬合力”和摩阻力在产生大应变滑移以后才发挥作用;机械咬合力则在发生小应变滑移之后、较大应变滑移之前的阶段存在。钢管内脱粘和脱空，影响界面抗剪粘结力和钢管局部稳定性，要想避免脱粘和脱空，首先要在管内混凝土灌注过程中保证密实，其次要解决混凝土全生命周期内的膨胀与收缩不匹配的问题。

②管内混凝土制备技术

目前管内混凝土制备主要需解决自填充和无收缩两个关键问题，进而实现施工阶段高流态与稳定性的协同和分阶段全过程收缩抑制。中国工程师团队提出，通过界面吸附分散调控和剪切行为调控保证稳定性、通过间隙液黏度调控和水膜层厚度调控来降低黏度，从而保证混凝土的流变性能，解决高流态与稳定性的协同;通过塑性膨胀解决凝缩问题，通过化学减缩、补偿收缩和内养护技术解决自干燥收缩问题，从而保证分阶段、全过程的收缩抑制，实现管内混凝土膨胀收缩可设计，还能按设计需求保存一定压应力储备。

高流态、高稳定性及无收缩混凝土制备技术的研发和应用，在保证管内混凝土施工方便快捷的基础上，为解决钢管混凝土长期工作性能中存在的脱粘、脱空等问题奠定了基础。

③管内混凝土灌注工艺的发展

钢管混凝土拱桥管内混凝土的灌注方式经历了现场分仓浇筑、泵送压力顶升法灌注、真空辅助压力顶升法灌注几个发展阶段。

为保证管内混凝土灌注密实性， 合江长江一桥在建设过程中，进行了常规压力灌注和真空辅助灌注管内混凝土的大比例模型对比试验，证明钢管内抽真空至负压-0.07Mpa～-0.09Mpa条件下压注混凝土比传统的压力灌注管内混凝土密实度大许多。以试验成果为基础，结合工程实践研发了真空辅助压力灌注管内混凝土工法。大桥拱桁一根弦杆钢管弧长近600m，需要灌注C60混凝土近800m3，采用了三级连续泵送真空辅助压力灌注工法。分级连续泵送降低了混凝土需要保持高流动性的时间，减少了泵送阻力，可根据管内混凝土量及施工能力决定分级数。用不断改变索力的斜拉扣索调载，减少了拱顶瞬时上挠。平均用12小时完成一条弦杆管内混凝土的灌注，33天完成主拱全部8根弦杆管内混凝土灌注。在管内混凝土3天龄期时，用超声波检验144个内法兰处混凝土密实度，合格率达100%，优良率达92%，保证了管内混凝土的灌注质量。此外，真空辅助灌注工法还加快了灌注速度，从而降低了施工费用。

真空辅助灌注管内混凝土方法成功解决了钢管混凝土拱桥发展的最大技术瓶颈，加上制造安装技术的进步，2013年建成的世界最大跨径钢管混凝土拱桥——主跨530m的合江长江一桥，竣工造价2.6亿元人民币，造价之低廉，是任何其他桥型都不可能达到的。比同期建成的混凝土斜拉桥——跨径420m的合江长江二桥造价低了1.1亿元人民币。

经过荷载试验表明，合江长江一桥建造质量完全达到设计要求。

--------->>

更大跨径钢管混凝土拱桥的研究

<<---------

图7 桥跨总体布置

2013年建成了主跨530m的世界最大跨径钢管混凝土拱桥，研发了500m级钢管混凝土拱桥的成套施工技术。以此为基础，中国工程师以四川某高速公路的一处桥位为背景，开展700m级钢管混凝土拱桥的试设计与建造可行性研究。初步结论是，净跨650m的钢管混凝土拱桥静力、动力性能都满足规范要求，采用现有制造设备和技术、缆索吊机吊运和斜拉扣挂悬拼等技术能完成施工。700m级的钢管混凝土拱桥可替代千米级的悬索桥跨越山谷，其经济价值更为可观。

以钢管混凝土为劲性骨架的混凝土拱桥

中国工程师的创新

劲性骨架混凝土拱桥由奥地利工程师Josef Melan(约瑟夫·米兰)在1898年发明，又称米兰拱。其拱圈施工程序是：首先架设钢劲性骨架，在其上挂模板浇注拱圈混凝土，两者共同构成钢混组合的拱圈。上世纪90年代，中国工程师首先提出用钢管混凝土拱替代钢拱桁作为劲性骨架，减少了劲性骨架一半左右的用钢量。跨度300m以上混凝土拱桥的劲性骨架，除鸭池河大桥采用型钢外，其余8座桥均采用钢管混凝土。

表4 中国跨径大于300m劲性骨架混凝土拱桥

钢管拱桁质量约占混凝土拱圈总质量的1/14左右(表4)，虽然在灌完管内混凝土后其承载能力及刚度得到提高，但是钢管混凝土劲性拱骨架要承担拱圈外包混凝土自重，这比拱圈二期恒载及活荷载总和还要大得多。而骨架弦管内混凝土初始压应力储备少，极易导致瞬时拉应力超过容许状态，因此必须采取调载措施。中国工程师开发了斜拉扣索调载、拱圈混凝土分环、环内混凝土多工作面同时浇筑的工法——把拱圈混凝土分成若干环，一环混凝土获得一定强度后与劲性骨架形成组合结构再浇筑下一环混凝土。这样逐次组合，承载能力逐渐提高，减少了劲性拱骨架的受力。以每一环或者每一次浇筑的混凝土荷载加上后结构保持安全为原则来确定分环方案。但因为一环混凝土不可能瞬时完成浇筑和加载，在浇筑过程中若不采取措施，会产生比完成一环浇筑后大得多的瞬时应力和变形，采用多工作面同时浇筑，减少了劲性骨架承受的瞬时应力、变形，再通过斜拉扣索调载就能把瞬时应力、变形控制在安全范围内，还能降低劲性骨架的永存应力。实践证明，中国工程师提出的钢管混凝土劲性骨架混凝土拱桥施工方法，比国外流行的两端挂篮悬浇+中间劲性骨架施工方法风险更小、工期更短、费用更低。

中国2016年建成的世界最大跨径混凝土拱桥——445m跨径的沪昆高铁北盘江特大桥及416m跨径的云桂铁路南盘江特大桥，原批准的初步设计就是两端挂篮悬浇+中间钢管混凝土劲性骨架施工方法，后经反复比较后放弃了原方法，改而采用了全跨钢管混凝土劲性骨架、斜拉扣索调载、拱圈混凝土分5环、环内混凝土6工作面同时浇筑的工法，最终获得成功。中国修建劲性骨架混凝土拱桥30多年来，跨径超过400m的4座、超过300m的9座，而国外修建劲性骨架混凝土拱桥100多年来，最大跨径仅达到260m，中外施工方法的不同，是其中的主要原因。

表5 国外跨径大于300m混凝土拱桥一览表

尽管中国工程师1968年就开发了拱桥斜拉扣挂悬拼工法，1977年开发了拱桥转体施工工法，2008年首次进行了拱桥挂篮悬浇施工，上述三种工法都能建成跨径400m内的混凝土拱桥，但是至今中国采用这三种工法建成的最大跨径混凝土拱桥仅为210m，跨径超过300m的混凝土拱桥全是劲性骨架混凝土拱桥(见表4)。国外跨径超过300m的混凝土拱桥共4座(表5)，全部采用悬拼或悬浇施工。

表6 劲性骨架混凝土拱桥与挂篮悬浇混凝土拱桥比较

表6中昭化嘉陵江大桥钢管劲性骨架重1866t，为拱圈混凝土质量的1/14.9，工期比采用挂篮悬浇的美国胡佛大桥少两年，费用仅为其1/8，这是中国跨径超过300m的混凝土拱桥不采用悬浇、悬拼的主要原因。

斜拉索调载

斜拉索调载公式为：

(1)

式中Fi表示编号为i的一对斜拉索施加的拉力;σKi表示编号为i的一对斜拉索索力为l时，在K截面产生的应力，σKi是系数，可用有限元计算，也可在桥梁现场简单地直接量测，因此是可信的;ΔσK表示斜拉索在截面产生的应力。

在一次连续浇注混凝土过程中σKi不变，截面应力不断改变，当控制截面应力超过容许值时，改变Fi，使ΔσK与控制截面应力组合值在容许值范围内，其他截面应力也不超标;利用σKi随拱结构刚度增大而减小的特性，在结构刚度小时拉上索力，在刚度大时撤除索力，就能降低控制截面上的永存应力，降幅大小取决于对其他截面应力的不利影响在可接受范围内。

斜拉索调载的效果取决于索的作用位置和索力大小、施加及撤除时机。借用悬拼劲性骨架的斜拉索，几乎不花成本就完成了调载。斜拉扣索调载法首创于广西邕宁邕江大桥，发展于云桂铁路南盘江特大桥。

工程实例

1.广西邕宁邕江大桥

1996年建成通车的广西邕宁邕江大桥是当时世界上最大跨径的中承式混凝土肋拱桥，计算跨径L=312m，矢跨比1/6，桥面总宽度18.9m，设计荷载为：汽车-超20级，挂车-120。

这座以钢管混凝土做劲性骨架的混凝土拱桥，钢管拱桁为等宽变高的双肋结构，总质量851t，每肋分成9个吊段，25天完成钢管拱桁斜拉扣挂悬拼合龙，28天完成管内混凝土压力灌注。双肋混凝土共4702m3，分四环在钢管混凝土劲性拱骨架上浇筑。在世界上首次通过三组不断变化索力的斜拉索调载，耗时40小时实现了底板混凝土从两端L/12至拱顶L/2的连续浇筑，浇筑全过程控制瞬时应力不超标、拱顶几乎不上挠，总索力最大值为2200kN。

2.云桂铁路南盘江特大桥

图8 底板混凝土连续浇筑劲性骨架上下弦管内混凝土瞬时应力

云桂铁路南盘江特大桥通行客货双线铁路，跨径为416m。拱圈为单箱三室，箱高8.5m，拱脚、拱顶分别宽28m、18m。首先分38段斜拉扣挂悬拼质量4000t的钢管拱桁架，然后在弦管内灌注混凝土后形成钢管混凝土劲性骨架，再分5环浇筑24000m3外包混凝土形成拱圈，拱圈刚度比劲性骨架提高了7.9倍，满足高铁对桥梁刚度的要求。图8显示底板6795m3混凝土从拱脚至拱顶连续浇筑，劲性骨架上下弦管内混凝土应力的变化过程。从图中可以看出，瞬时名义拉应力达24Mpa、压应力达42Mpa，均集中在拱脚，大大超过浇筑环末应力，其他截面瞬时应力较小，显然不采取措施，瞬时应力会导致拱脚破坏。从图8分析，采用多工作面同时浇注能降低瞬时应力，在拱脚附近设倾斜向上的拉索，能高效降低拱脚截面劲性骨架的瞬时应力，对其他截面负面影响小。

图9 外包混凝土浇筑工序示意图

图10 外包混凝土浇筑过程中拱桁挠度图

表7 南盘江特大桥外包混凝土浇筑过程中拱桁变形、最终偏差及混凝土累计方量

南盘江大桥拱圈外包混凝土共24000m3，分5环浇筑，计算每环分6工作面浇筑，如图9所示分3次完成一环浇筑。两组共4000kN斜拉索在底板混凝土第一次浇筑时加上，在完成边室底板、腹板、顶板3环混凝土浇筑并获得强度后撤除，可使上弦管内混凝土增加5.51Mpa压应力储备，使下弦管内混凝土永存压应力减少5.40Mpa，在整个浇筑阶段没出现超过容许值的拉应力。如无斜拉索调载，上弦管内混凝土在第35个混凝土浇筑阶段出现拉应力，最大值达7.39Mpa，下弦管内混凝土压应力超标。因为工地混凝土生产、泵送能力不足，边室底板、腹板、顶板三环各分6次，中室顶、底板各分3次，共分24次，完成了24000m3外包混凝土在4000t钢管混凝土拱桁上的浇筑，每一次的拱桁变形实测值与理论值都很相近(见表7和图10)。

图11 两种浇筑方法下拱顶挠度计算值比较

图11是底板混凝土从拱脚至拱顶一次连续浇筑和分6工作面、3次浇筑两种不同情况下拱顶挠度的比较，显然后者控制效果好得多。

对南盘江大桥拱圈外包混凝土分环连续浇筑进行了研究，共分6环，设3组不断改变索力的斜拉索，3组索力最大值分别为3500kN、3000kN、1500kN。可实现每一环混凝土从拱脚至拱顶连续浇筑，并且能降低劲性骨架控制截面的永存应力。分环连续浇筑施工速度快、环内混凝土无工作缝，但要求混凝土生产和浇筑能力达到500m3/h，因工地条件不具备而放弃了该方案。

期待钢管拱桥加速领跑

目前，已建和在建跨径超400m的钢管混凝土拱桥已达7座，广泛应用于公路和城市桥梁中，少量应用于铁路桥梁中。中国拉(萨)林(芝)铁路臧木雅鲁藏布江特大桥——跨径430m的钢管混凝土拱桥正在施工，预计将于2018年建成。此外，劲性骨架混凝土拱桥刚度更大、日温差不敏感、耐久性好，最适合在高铁上应用。近年来，在高铁建设中，同时建设了5座跨径超过300m的劲性骨架混凝土拱桥。同时，构件轻、施工不需大型机械的钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥更适合建在山区，在替代斜拉桥和悬索桥跨越峡谷时，经济优势更为突出。

然而，目前的钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥还不能完全满足一带一路以及中国公路、铁路建设的需要，在技术上仍需继续创新。如在提高焊接节点抗疲劳性能、斜拉索调载的最优控制方法、分环和工作面的最优化设置等方面，还需要深入研究，进一步降低劲性骨架重量、减少施工费用及风险、缩短工期、继续增大跨径。

目前，我们已初步论证了净跨650m的钢管混凝土拱桥的可行性，并期待其跨径早日超过700m，成为引领拱桥发展的新领袖。

内容源于网络，旨在分享，如有侵权，请联系删除

相关资料推荐：

钢管混凝土拱桥技术规程

https://ziliao.co188.com/p62306550.html

知识点：我国钢管混凝土拱桥的发展状况及主要创新技术