为钢管混凝土系杆拱桥“添翼”——四川合江长江三桥关键技术

四川合江长江三桥（又名四川合江长江公路大桥）属于长江干流过境通道，项目的建设是落实合江县城区南北两岸的便捷过江通道，对合江及区域经济发展发挥巨大作用。根据地形地质、通航行洪条件、结构特点，经过主跨420m双碳斜拉桥、主跨507m钢管混凝土拱桥的比较，因工程造价低、材料消耗少、景观协调等特点，选择了飞燕式钢管混凝土系杆拱桥方案。钢管混凝土拱桥方案的主桥，采用了(80.5+507+80.5)m中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨为507m中承式钢管混凝土主拱，边跨为80.5m的钢管混凝土劲性骨架外包混凝土拱桥，主桥长668米，引桥长752米(图1)，为世界最大跨度的钢管混凝土系杆拱桥。

图1 主桥总体布置立面图

钢管混凝土拱桥从1990年四川旺苍东河大桥诞生，已经经历了30多年的发展，在计算理论、材料、结构和工艺等领域取得了突破性发展。但是，要建造主跨507m飞燕式钢管混凝土系杆拱桥方案，面临的技术难题还有：①超高强（≥C70）钢管混凝土承载能力计算方法；②系杆拱桥结构体系合理设计和主拱组合横撑精准构造设计；③主拱安装扣挂体系锚碇在复杂建筑群中设计、主拱高强混凝土灌注工艺模拟试验研究。建设团队通力合作、潜心研究，较好地解决了关键技术，按照预定目标建成了四川合江长江三桥。

现行规范钢管混凝土承载力计算是根据普通钢管混凝土（≤C60）试验研究提出来的。为满足超500m级钢管混凝土拱桥降低自重、提高承载力的目标要求，我们提出了主拱钢管内灌注C70及以上强度等级的混凝土，成为超高强钢管混凝土构件。弄清超高强钢管混凝土的套箍约束、弹性本构模型和破坏本构模型等特点，与常规钢管混凝土受力行为的区别，是保证安全与经济地采用超高强钢管混凝土的重要内容。为此，我们开展了超高强钢管混凝土的压、剪、弯模型试验研究，探明了极限强度、延性发展与衰变历程，与普通钢管混凝土相比，其横向变形系数更大、套箍约束作用更强、与结构受力更同步，提升了刚度和承载能力；基于统一理论建立了超高强钢管混凝土材料本构关系，提出了超高强钢管混凝土轴心受压、偏心受压、受弯和受剪承载力计算方法，为超高强钢管混凝土结构设计奠定了理论基础。

图2 横向变形系数对比

图3 轴压力学行为

图4 模型试验

超大直径钢管混凝土（D≥1.3m）温度计算方法。现行规范对钢管混凝土温度作用计算，是基于小尺寸钢管混凝土（D≤0.85m）试验研究提出的，拱桁截面梯度温度取值与管径无关。500m级钢管混凝土拱桥主管直径超过1.3m，管内核心混凝土温度延迟效应、主拱钢管向阳与背阳面温差效应愈发突出，若沿用常规温度作用计算方法，将使得超大跨径钢管混凝土拱桥的设计安全度低、可靠性差。通过超大直径钢管混凝土（D≥1.3m）足尺模型试验研究和实桥测试，探明了不同部位、环境、日照条件的截面温度分布规律，建立了非线性温度场及温度效应理论，提出了温度作用计算方法，为超大直径钢管混凝土（D≥1.0m）温度作用计算提供了依据。

传统钢管混凝土拱桥收缩徐变计算时，参考钢筋混凝土桥梁规范，将钢管混凝土换算为普通混凝土进行收缩徐变计算，未计入钢管对混凝土径向和纵向的约束效应。500m级钢管混凝土拱桥主管直径超过1.3m，通过节段模型试验，探明了钢管混凝土徐变应力重分布规律，揭示了钢管混凝土含钢率、偏心率影响的徐变特性，提出了考虑套箍约束效应的钢管混凝土收缩和徐变系数计算方法，为超大跨径钢管混凝土拱桥收缩徐变计算的科学性和实用性。

超500m级飞燕式拱桥的主拱、边拱、桥面梁、系杆和吊杆受力和变形相互影响复杂，主桥结构纵横桥向受力变形受主桥墩控制，主桥结构变形完全不同于常规结构体系。通过理论分析和实桥测试，基于超大跨径飞燕式拱桥边拱刚臂设计理念，揭示了主桥结构体系主拱、桥面梁、系杆索变形主要为竖直方向，纵桥方向受主墩和边拱刚臂限制变形很小，纵桥向最大水平变形值≤10mm。基于该项研究结论，系杆与桥面梁纵向滑移较小，简化了系杆支架结构构造和安装工序，主桥交界桥墩伸缩量值由480mm减少到80mm。

图5 系杆张拉和伸缩缝量值设计方法

图6 系杆张拉拱座水平推力

500m级钢管混凝土拱桥最大吊索长度超过100m，吊索和桥面梁组成的主拱悬吊结构体系柔性大、自振频率低，且与主拱的刚度和自振频率相差大，造成主拱与悬吊结构体系动力性能难以协调（图7）。为此，提出了设置吊索抗风减振串联索，提高吊索整体性；增加吊索截面面积，提高吊索抗拉刚度；增加主梁纵横向减振制振限位构造、采用整体式钢-混凝土组合桥面板，降低桥面梁的振动性能；形成了主拱悬吊结构的多维连接体系（图8）。试验研究和实桥测试数据表明，悬吊桥面结构体系一阶自振频率提高51%，主拱与桥面梁的自振频率差降低60%，实现了主拱、吊索、桥面梁的整体匹配和振动协调，提高结构整体性，增强抗震防灾能力。

图7 主拱悬吊结构一阶自振频率

图8 主拱悬吊结构的多维连接体系

500m级钢管混凝土拱桥宽跨比达1/22，主拱腹管长细比达26/1，采用常规主拱横向构造，将导致主拱间横撑和内横隔布置密集、节点应力高、高空作业量大。为此，通过理论分析和试验研究，揭示了主拱横向受力规律，提出了吊索处设置竖向平面撑与顶面设置三角形水平面撑的组合式主拱横撑（图9），以及吊索处受压腹管设置全加劲、其余受压腹管处设置浅加劲的内横隔（图10），形成了主拱横向新型构造。试验和工程应用表明，采用该构造，横撑与主拱连接处的振动应力峰值降低20%，减少材料用量23%，减少高空焊接接头58%，构造更简洁，安装更方便。

图9 主拱横撑对比

图10 矩形拱肋内横隔

随着主拱跨径增加，主拱安装斜拉扣挂体系的施工锚碇体量进一步增大，工程建设成本增高。四川合江长江公路大桥城区岸地质覆盖层厚度超过20m，锚碇与三面包围的楼房最小间距5m，若采用重力式临时锚碇，开挖量和弃土量巨大，且无法保证高层楼房安全。因此，提出了设置承压板与桩基础联系成整体受力结构的锚拉板式锚碇（图11），以及利用桥台张拉预应力锚索的锚碇（图12），形成了施工锚碇新结构。工程实践表明，该新型施工锚碇充分利用了既有桥台，增强了锚碇锚固能力，有效减小锚碇开挖深度，降低了开挖深基坑导致边坡坍塌而威胁房屋安全的施工风险，减少锚碇开挖弃方12000余方，节省工程造价35%，解决了覆盖层厚、周围建筑密集区域的施工锚碇设置难题，同时提升了安全性和经济性。

图11 锚拉板式锚碇

图12 预应力锚索锚碇

500m级钢管混凝土拱桥主管直径超过1.3m，管内C70混凝土的灌注高度≥120m、灌注距离≥300m、单次灌注方量≥900m ³ ，高强度、大体量管内混凝土难以灌注密实，在钢管内形成气孔和气囊，容易发生脱黏、脱空。为此，基于实桥灌注的工艺、工序、施工组织、天气等实际情况，提出了管内混凝土灌注的材料和工艺模型试验方法，开发了管内C70混凝土三级接力灌注工艺。保障了主拱管内混凝土全天候顺利灌注，试验与实桥应用表明，主管内混凝土灌注的密实度达100%，解决了制约钢管混凝土结构发展的脱黏、脱空顽疾。

图13 三级接力灌注工艺试验

图14 主拱三级接力灌注示意图

该工程主桥全长为668m，建造为双向六车道标准。主桥建安费为1.42万元/m ² ；结构钢材用量为621kg/m ² ，普通钢筋用量为239kg/m ² ，混凝土用量为2.66m ³ /m ² 。与斜拉桥、悬索桥比较，不仅桥梁规模更小，而且技术经济指标更优。

该桥为渡口改桥工程项目，渡口改造前的2000年6月22日和2002年8月2日，先后两次发生渡口过江轮渡和过江船只沉船事故，造成155人死亡的严重后果。桥梁建成后，两岸人民兴高采烈步行过桥，感受社会发展带来的安全便利。