大跨混凝土拱的结构创新——轻型、预制腹板（杆）-混凝土组合拱

乌蒙山特大桥

从古至今，拱桥都是非常重要的桥型，在峡谷、海岛等地区具有很强的竞争力，且拱结构具有极高的美学价值。混凝土材料具有良好的受压性能和经济性，非常适用于修建拱桥，但混凝土拱自重大、施工困难，制约着其进一步发展。为减轻混凝土拱的结构自重，简化施工难度，本文作者提出了钢腹板（杆）-混凝土组合拱的创新结构，开展了系列的研究，并首次在乌蒙山特大桥中得到了应用。在此基础上，又提出了UHPC蝶形腹板—混凝土组合拱的新结构。至此，形成了适应山区大跨度拱桥建设需要的系列创新结构：轻型、预制腹板（杆）的混凝土组合拱，丰富了拱桥的桥型，有望进一步推动混凝土拱桥的技术发展。

拱以受压为主，以材料费用低、抗压强度高的混凝土作为结构主要受力材料的混凝土拱桥，从结构方面来说是合理的。但是，随着跨径的增大，结构自重增大，施工难度随之增大，成为制约混凝土拱桥向大跨发展的主要因素。

大跨混凝土拱的施工主要采用悬臂拼装、悬臂浇筑和美兰法。悬臂拼装施工主要是节段吊重、节段数与缆索跨径之间的相互制约，从结构上来说，减小主拱的自重是解决问题的有效途径。悬臂浇筑和美兰法施工主要要减小现浇混凝土的方量和重量，以减化施工工序，并减小斜拉体系或埋置拱架的工程量。

拱虽然以受压为主，但极限承载力计算中仍以受弯极限承载力和稳定控制。因此，大跨混凝土拱桥的主拱或为箱板（一箱多室）或为箱肋，顶、底板是其主要受力部位，腹板主要起传力作用。为减轻自重，腹板板厚较薄。然而，为增大截面效率，截面高度较大，腹板较高，自重仍在截面中占截面总重的一半以上（以万县长江大桥为例，一般段的腹板自重点截面重量约58%）。当采用悬臂浇筑或美兰法施工时，又薄又高的腹板的混凝土浇筑，则是整个主拱的现浇中施工难度最大的部分（以万县长江大桥为例，一般段的腹板厚仅30cm，而高达620cm，且内部还有众多的型钢构件）。

为此，作者于2005年提出采用钢腹板代替混凝土腹板的混凝土拱创新结构，即钢腹板-混凝土顶底板组合拱，简称钢腹板-混凝土组合拱。开展了试设计研究，初步表明了可行性。之后，西部交通建设科技项目《钢腹板－混凝土箱形拱桥研究》获批（合同编号2008-318-000-13），福州大学、四川省交通勘察设计研究院有限公司、交通部公路科学研究院和四川公路桥梁建设集团有限公司等单位联合开展了系统的应用基础研究。为适应跨径更大混凝土拱桥的需要，又提出采用钢腹杆代替钢腹板，以提高抗构件局部屈服稳定性和剪切稳定性的设想，形成了钢腹板（杆）--混凝土顶底板的组合拱系列结构（图1），在科技部国际科技合作计划、国家自然科学基金等项目的资助下，开展了更加深入的研究。

图1 钢腹板（杆）——混凝土顶底板组合拱模型试验

系列研究结果表明，与钢筋混凝土拱肋相比，这类组合拱的自重可减轻30%以上，预制吊装的节段重量减轻和吊装节段数减小，现浇时免除了腹板浇筑混凝土的工序，地震反应力减小，对基础的要求也相应降低，具有很强的技术经济可行性。

对于波形钢腹板—混凝土组合拱采用钢管混凝土拱作为埋置拱架、应用美兰法施工时，拱架结构则为波形钢腹板—钢管混凝土拱。对这种结构也开展了大量的研究（图2）。

图2 波形钢腹板—钢管混凝土弦杆（柱肢）组合结构模型试验

对于钢腹杆—混凝土顶底板组合拱，腹杆与混凝土顶底板的节点是整体结构的受力薄弱环节。模型试验中，采用1/4跨集中力加载，出现了节点局部破坏的现象，见图3。如果采用钢管混凝土埋置拱架的美兰法施工，所形成的结构可称为钢腹杆—钢管混凝土美兰拱。它的桁架节点通过钢管混凝土上下弦杆埋在混凝土顶底板内，节点的受力性能得到了极大的改善，模型拱未呈现出整体破坏的现象，见图4。

图3 钢腹杆-混凝土组合拱节点破坏照片

图4 钢腹杆-钢管混凝土美兰拱模型试验

乌蒙山特大桥是首座采用钢腹板（杆）-混凝土组合拱的创新结构的桥梁，由中交第二公路勘测设计研究院有限公司设计、贵州省公路工程集团有限公司承建。该桥位于贵州省六盘水市，为国家高速公路纳雍至晴隆段的一座特大桥，主桥为上承式拱，主拱采用钢腹杆-混凝土组合拱。大桥为上下行分幅的两座独立桥梁，根据地形地质条件，计算跨径分别为250m和270m。图5为计算跨径270m的大桥总体布置图。

图5 乌蒙山特大桥（270m跨径）总体布置（单位：cm）

主拱矢高54m，矢跨比1/5，拱轴线采用拱轴系数1.95的悬链线。主拱圈为等高的单箱三室截面，截面高5.5m，宽12.0m，顶、底板采用C60混凝土，见图6。施工时先吊装合龙两预制边箱，最后现浇中间部分混凝土顶、底板。每个预制边箱含两片H型Q390qD钢桁架。

图6 乌蒙山特大桥主拱圈截面构造（单位：cm）

该桥跨径不是特别大，根据现场条件和施工单位的装备，采用预制吊装的方法而不是美兰法，是一种较好的选择。钢桁架中的弦杆采用H型钢，既作为腹杆节点的加强构件，又通过伸出预制节段的混凝土顶底板而成为吊装拼接的接头，适应了预制吊装施工的特点，是根据实际工程应用对已提出桥型的深化。针对该桥的具体情况，又开展了相应的结构体系重要参数、节点受力性能等研究，为实际工程应用提供了技术支撑，日前该科研项目通过了中期检查。目前大桥主拱制作进展顺利（图7），将于近期进行拱肋的吊装施工。

图7 乌蒙山特大桥主拱预制节段

混凝土拱中采用钢腹板（杆），存在着钢腹板（杆）的防腐、耐久性问题。它可通过采用现代高效耐久的防腐涂装或采用耐候钢来解决。作者则在上述创新性结构研究与应用的基础上，提出了再创新的结构，即在混凝土箱拱中采用若干个独立放置、不连续连接的UHPC蝶形腹板代替混凝土腹板或者钢腹板（杆），形成UHPC蝶形腹板-混凝土组合拱。目前，已开展了部分UHPC蝶形腹板的受力性能试验、UHPC蝶形腹板-混凝土组合拱的试设计研究和一座人行桥的初步设计（图8）。

图8 UHPC蝶形腹板—混凝土组合拱人行桥效果图

蝶形混凝土腹板在日本的预应力混凝土梁桥、部分斜拉桥中已有应用。蝶形腹板能减少腹板混凝土用量，采用预制装配化施工，且外形美观。现有的应用中，采用高强混凝土，在受拉方向配有钢筋或预应力筋（图9）。本文作者提出的UHPC蝶形腹板，由于UHPC本身具有一定的抗拉强度，且在拱中剪力较小，所以有望不配筋或少配筋。同时，UHPC采用预制施工，可减小其收缩量大的问题，并通过施工等综合效益来克服UHPC材料单价高的缺点，为UHPC材料拓宽应用范围。

图9 预应力梁桥中的高强混凝土蝶形腹板

UHPC蝶形腹板具有如下优点：（1）与混凝土箱拱比，自重轻；（2）与钢腹板（杆）比，耐久性能好；（3）与高强混凝土蝶形腹板比，可不配筋或少配筋；（4）可规模化生产，可有效消除收缩，与钢腹板（杆）同样可实现装配化施工；（5）与板式腹板比，通透率高，可减少约30%的腹板面积，抗风性好；（6）造型美观；（7）与腹杆比，没有点状节点，受力性能好。

上述介绍的轻型、预制腹板（杆）的混凝土组合拱，其受力仍以混凝土顶底板为主，因此，从受力性能上划分仍可归入混凝土拱桥的范畴；但在截面构成上，采用了钢腹板（杆）或UHPC蝶形腹板，与混凝土顶底板无论是材料还是制作方式均不相同，从截面构成来说，它属于组合拱结构，有其受力特点。在这种组合结构中，腹板（杆）具有轻型、预制的特点，自重轻，且无须现浇施工，能有效缓解大跨混凝土拱桥施工的困难，符合现代桥梁装配化施工的发展趋势。这种结构已开展了应用基础研究，证实了技术经济的可行性，研究结果也为工程应用提供了理论基础。今后应通过更多的实际应用，以实际工程为背景开展应用性研究，并不断总结工程经验，推动这种创新型结构的不断应用和技术的不断发展，成为山区大跨拱桥建设的重要桥型，为保持我国拱桥技术国际领先水平作出积极的贡献。

致谢：福州大学土木工程学院刘君平、苏家战