劲性骨架的进化

采用钢管混凝土作为劲性骨架的钢筋混凝土拱桥，由于其显著的优越性，已建成多座。然而，随着社会、经济的发展，因骨架太弱，造成工序多、工期长、风险大，限制了这种桥型的发展。因此，要获得钢管混凝土骨架与外包混凝土的最佳复合匹配，充分发挥复合结构拱桥的高强性能优势，必须进一步提高骨架的强度，因此提出了强劲骨架。

承载能力满足主拱顶板、腹板、底板三环独立加载的主拱骨架称为强劲骨架，这种施工方法称为强劲骨架法。其界限指标以拱顶截面计算为：①截面含钢管混凝土率>8%；②钢管混凝土截面承载力与总截面承载力之比>20%。

强劲骨架既能简化施工加载程序，又能降低施工风险。同时，强劲骨架与外包钢筋混凝土共同受力，减小主拱和外包钢筋混凝土截面面积，综合造价更低。

“溜索改桥”方案的选择

布拖县冯家坪金沙江“溜索改桥”工程跨越四川省与云南省交界的金沙江，其北岸接布拖县冯家坪村，南岸接云南省巧家县茂租镇鹦哥村。长期以来，两岸群众往来需乘坐悬空溜索滑到对面，该溜索离金沙江江面高度约260m，横跨金沙江两岸，长470m，是连接金沙江两岸的溜索中最险峻的一个，也是当地村民出行的主要交通工具。这种出行方式十分不便，也存在较大安全隐患。

图1 布拖县冯家坪金沙江“溜索改桥”工程照片

该桥主要技术标准如下：

荷载等级：公路—Ⅰ级；桥梁宽度：2×0.5m (护栏) +2×0.5m (路缘带) +2×3. 5m (行车道) =9.0m；地震基本烈度：Ⅷ度；地震动峰值加速度：0.231g；设计基本风速25.9m/s。

1.总体设计

桥位处地形陡峻，两岸陡崖间距离约247m。此跨径可选用的桥型有连续刚构桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥。由于两岸地形所限，采用常规的预应力混凝土连续刚构桥边跨布置困难，不推荐采用。同时，因该桥所在位置偏僻，资金不足，养护人员和技术条件有限，无法对悬索桥、斜拉桥等桥型进行有效的后期维护，也不是合适的桥型。因此，拱桥是最为合适的选择。

由于养护、维修及工程造价的因素，钢拱桥和钢管混凝土拱桥也不适宜在该工程选用。因此，考虑采用上承式钢筋混凝土拱桥一跨跨越金沙江。

桥位地处溪洛渡库区，桥面标高远高于最高蓄水位，桥下也有足够的通航净空。桥梁跨度的布设不受库区回水影响，主要受控于地形。根据桥型处地形、地质条件，陡岩处有卸荷裂隙发育，拱座埋深应适当加大，确保基础的稳定。因此，本方案主桥采用净跨径260m上承式钢筋混凝土箱拱，全桥长385.2m。主桥桥面采用3%的单向纵坡。全桥跨径组合为3×21.2m（预应力混凝土小箱梁）＋13×21.2m（钢筋混凝土拱桥）＋35m（现浇预应力混凝土箱梁），主孔净跨为260m，起拱标高为711.19m。主桥长275.6m，引桥长109.6m。

图2 桥跨总体布置图

2.结构设计

①主拱圈设计

主拱采用等截面悬链线无铰拱。拱圈采用单箱双室截面，横向采用等宽8m，纵向采用外形等高4.5m，标准段顶、底板厚0.4m，腹板厚0.3m。拱圈拱脚至第一根立柱间为渐变段，顶、底板混凝土厚度由0.7m线性变化至0.4m，边腹板厚度由0.55m线性变化至0.3m。拱圈详细构造如图3、图4所示。

图3 拱圈构造图

图4 拱圈横断面图（单位：cm）

②主拱强劲骨架

强劲骨架为型钢与钢管混凝土组成的桁架结构，上、下各三根φ508×16（24）mm、内灌C60混凝土的钢管混凝土弦杆；弦杆通过横联角钢和竖向角钢连接而构成型钢-钢管混凝土桁架，在拱肋横联对应位置设交叉撑，加强横向连接。腹杆及平联与弦杆均采用焊接连接。

③拱上构造

拱上构造由垫梁、拱上立柱、盖梁组成拱上排架，采用搭架现浇的施工方法。

拱上垫梁较低一侧高均为50cm，另一侧高度随垫梁位置的变化而变化。

拱上立柱横向为双柱，最高的1号和12号立柱采用空心薄壁结构，空心立柱横桥向宽1.6m，纵桥向墩顶宽1.6m，纵桥向按100：1的比例向下变宽，空心墩薄壁厚度为40cm。其余立柱采用实心结构，立柱横桥向宽1.6m，纵桥向宽1.4m。

盖梁宽为2.2m，高为1.5m，盖梁底面水平，通过垫石的高度变化来满足桥面横坡。

④行车道梁

行车道板采用21.2m预应力混凝土小箱梁，每孔横向3片梁，梁高为1.4m，中板宽为3.25m，边板宽为2.875m。

⑤拱座和交界墩

拱座设计为钢筋混凝土拱座，拱座基础应置于稳定的、完整的弱风化基岩上。

交界墩为双柱薄壁空心墩，横桥向墩宽2.5m，纵桥向墩顶宽4m，墩薄壁厚度为40cm。

⑥引桥

四川岸引桥为21.2m预应力混凝土简支小箱梁。单幅每孔由3片梁组成，梁高为1.4m，中板宽为3.25m，边板宽为2.875m，桥面连续。

云南岸引桥采用预应力混凝土现浇箱梁，跨径35m，梁高2.2m。由于位于平交交叉口内，宽度由9m变化至10.541m。

引桥桥墩采用双柱实心墩，横桥向墩宽1.6m，纵桥向宽1.4m，采用方桩基础。

两岸均采用重力式桥台。

⑦桥面系

桥面铺装采用10cm厚水泥混凝土，其中布置10×10cmD9钢筋网片。桥面上设有防撞护杆。每片小箱梁设两块高阻尼橡胶支座。两岸桥台各设一道80mm伸缩缝，交界墩处各设一道240mm伸缩缝。

图5 劲性骨架构造图

图6 拱上构造图(单位：cm)

图7 行车道梁横断面布置图

强劲骨架法施工

1.强劲骨架节段安装

强劲骨架采用斜拉扣挂法施工，扣吊分离。扣塔立于两岸交界墩上；缆索吊的设置充分利用地形，四川岸吊塔较高，采用钢管塔，立于1号墩位置；因地势原因，云南岸吊塔很矮，采用万能杆件拼装，设于桥后方山体上。

2.钢管混凝土浇筑

上、下弦钢管内混凝土灌注的C60高强、高性能混凝土。采用泵压法自拱脚向拱顶压注完成。钢管混凝土的施工质量检查采用敲击法配合超声波物探手段进行。

3.拱圈浇筑

拱圈的浇筑采用“两环十二工作面”的浇筑方式。即先两岸对称浇筑底板+边腹板直至合龙，然后再两岸对称方式浇筑中腹板+顶板混凝土(如图8、图9所示)。

图8 拱圈混凝土浇筑顺序图

图9 拱圈混凝土外包照片

提高承载力、综合造价低

1.本项目面临的困难

根据本项目具体特点：①受当地施工条件所限，超高强混凝土配制较困难，应用受限；②为早日解决当地居民的困难，需尽快完成桥梁的架设，工期紧张；③地震烈度高；④风环境复杂。

2.承载力的计算原理

进行拱圈承载力计算时假定：①横截面变形后仍然为平面，即符合平截面假定； ②不考虑混凝土的抗拉强度；③不考虑钢筋混凝土与钢管混凝土之间的组合作用。

拱圈属偏心受压，考虑拱圈与强劲骨架的复合受力效应，其偏压承载力简化公式如下：

Nuo=Nrc+Ncft

即主拱截面的复合承载力为钢筋混凝土主拱计算承载能力（不包括强劲骨架）和钢管混凝土强劲骨架承载能力（不包括钢筋混凝土）之和。

3.强劲骨架在本桥中的技术先进性

根据工期、材料价格、施工条件和结构受力性能，对骨架含钢率、管内混凝土标号、骨架构造形式以及外包流程等内容进行了优选。最终的强劲骨架采用φ508mm钢管和高强自密实混凝土等级（C60）构成的钢管混凝土弦杆；腹杆采用刚度大、经济合理的型钢构件共同组成。大大提高了骨架的强度和刚度，采用“两环十二工作面”的施工工艺。简化了施工程序，便于模板安装和移动，从而减少外包混凝土工期并保证施工质量。

由于强劲骨架可有效提高结构承载能力（最不利工况下，最不利截面承载力提高约22%），保证结构在强震作用下的安全，并减少主拱截面面积及钢筋用量，降低综合造价。同时，可有效提高合龙前的横向刚度，配合浪风缆，能确保骨架吊装时的抗风性能。强劲骨架成拱后，其抗风能力佳，可保证拱圈混凝土外包时结构的抗风性能。

应对抗风抗震难题

除采用强劲骨架外，该桥还有其他多项技术特点，主要体现在以下几方面：

1.高性能混凝土的应用

在钢管混凝土拱桥中采用C60高强、高性能钢管混凝土，外包混凝土采用了C50高性能混凝土。保证了管内混凝土的灌注质量，降低了外包混凝土振捣作业的难度。

2.移动吊架的使用

主拱劲性骨架采用斜拉扣挂法安装，再按照试验设计方法灌注主拱钢管内C60自密实混凝土，形成强劲骨架。拱圈混凝土外包分两环依次分节段浇筑完成。

由于拱肋为悬链线，各个地方曲率均不相同，再加上拱肋外包混凝土施工悬空过高，因此设置了专用移动吊架,由天车、吊杆、底平台、行走系统、止推装置等组成。该吊架设备解决了原来施工工艺安全风险高、施工难度大、临时材料多的技术难题。

图10 移动吊架

3.合理的抗震设计

本桥桥位位于Ⅷ度地震区，在设计中充分利用强劲骨架为拱圈提供的承载力，优化拱圈断面，既保证结构承载力，又不增加过多结构自重。在拱上结构的设计中，合理通过设计立柱构造和尺寸、设置抗震支座等措施来保证结构抗震需要。

4.抗风研究

桥区地处干热河谷，岸坡陡峭，地势险峻，桥位处金沙江峡谷蜿蜒转折幅度较大，存在分叉水道，自然风经峡谷的峡管效应放大。有阵风强烈、端流强度大、风攻角大、风速沿桥轴线分布不均匀等特点，对桥梁主体、临时结构不利影响很大。在设计中，通过现场实测和数值分析，得出两座大桥桥址处的风场特征及平均风速分布规律；通过分析研究，得出两座大桥的设计风参数；再进行结构设计。设计中充分利用强劲骨架提供的较强的横向刚度，并结合合理布置抗风缆等措施，保证结构施工和运营中的抗风性能。

布拖县冯家坪溜索改桥主桥已具备通车条件。在我国山区，像冯家坪村这样因沟谷、河流分割，交通不便的地方还很多。采用钢管混凝土强劲骨架的钢筋混凝土拱桥，可有效地解决建设条件复杂、运输条件不便、施工条件恶劣、后期养护困难等诸多问题，成为峡谷桥梁的一种优选方案。

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知识点：溜索改桥