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世界最大跨徑石拱橋研究與實踐
2010-10-13 
丹河大橋是晉(城)焦(作)高速公路上的一座特大型橋梁,主跨146米,是目前世界上同類橋型結構中最大跨徑的橋梁,其橋梁寬度、荷載等級及橋梁高度也使石拱橋的設計建設水平提高到了一個新的高度。本文主要對丹河大橋的設計、施工與科研工作特點作一簡要介紹。

  一、  引  言

  丹河大橋位于山西省晉城市太行山西麓上的丹河上,距晉城市約10km,是晉焦高速公路上跨越丹河的一座特大型橋梁。

  該橋于1996年開始初步設計,通過對連續剛構、斜拉橋與拱橋等多方案的技術經濟比較,考慮到該橋橋址處的自然地理環境、工程地質條件、原材料儲量與運輸條件、當地的社會與人文環境等因素,確定采用大跨度石拱橋跨越丹河的橋型方案。該橋于1997年11月開工建設,于2000年7月順利建成,成為了目前世界最大跨徑的石拱橋,也是中國第十八座跨徑百米以上的石拱橋。

  建成后的丹河大橋,不僅繼承和發揚了石拱橋這一中國的傳統優勢橋型的建設技術,并在橋梁跨徑、橋梁寬度、荷載等級、橋梁高度與建設速度等方面取得了較大的突破,而且,通過采用現代橋梁科研手段與設計、施工技術,加大了石拱橋的技術含量,提高了石拱橋的建設水平,為在高荷載作用下的大跨度石拱橋的建設提供了成功的范例。雄偉壯麗、富于民族特色的丹河大橋建成后,與著名的玨山風景區溶為一體,成為晉城市一道靚麗的風景線(見圖-1)。下面就丹河大橋的有關設計、施工與科研情況作一簡介。

  圖-1建成通車的丹河大橋

  二、橋址自然環境與主要技術指標

  丹河大橋橋址位于太行山腳的低山丘陵地帶,河谷常年受水切蝕較深,呈“U”型河谷相對高差近80m。晉城岸基巖裸露,焦作岸基巖埋藏較深,約12m左右,為弱、微風化白云巖,屬硬質巖系。丹河受上游水庫調節,除洪水期外,常年水流很小。橋址處沒有發現大的斷裂構造,基巖完整性較好,地震烈度為Ⅵ度。除焦作岸基巖傾斜較嚴重外,其場地建設條件較適合于修建大跨度石拱橋。

  其主要技術指標為:

  1、  公路等級:四車道高速公路(含兩側人行道);

  2、  計算行車速度:80km/h;

  3、  荷載等級:汽車-超20級,掛車-120;人群 3.5kN/m2

  4、  主孔凈跨徑:146m;

  5、  凈矢高:32.444m;

  6、  主拱圈厚度:Hd=2.5m,Hj=3.5m;

  7、  橋面寬度:24.8m;

  8、  橋梁高度:80.6m;

  9、  結構形式:全空腹式變截面石板拱;

  10、  主要材料:主拱圈采用40號小石子混凝土砌100號大料石;基礎采用30號片石混凝土;腹拱填料采用加氣混凝土;橋面鋪裝為鋼纖維混凝土;其余除推力墩與截面較大的腹拱墩采用漿砌片石外包漿砌料石外均采用30號小石子混凝土砌60號料石。

  三、 結構設計與施工特點

  丹河大橋通過一系列的不同橋梁跨徑、不同矢跨比以及不同的拱上建筑形式的綜合比選、論證,最終確定的橋型方案為主跨146m的全空腹式變截面石板拱橋。其跨徑組成為:2x30m+146m+5x30m。橋梁全長413.7m。主橋拱上建筑由14孔跨徑9.4m、厚度0.6m的腹拱組成。橋梁欄桿為表現晉城市歷史文化的石雕圖畫與傳統的石獅子組成,體現了現代與傳統文明的完美結合。基礎除焦作岸引橋采用挖孔樁基礎外,其余均采用片石混凝土擴大基礎,其中焦作岸主拱座因基巖傾斜較嚴重、巖石層理發育,采用了錨桿加固措施。

  由于丹河大橋橋高達80m,且溝深谷陡,在跨徑達146m的情況下,采用何種形式的支架施工成為了本橋成敗的關鍵因素之一。經過多種結構形式、多種材料選擇,丹河大橋拱架最終采用了結構受力明確、穩定性與安全度高、施工速度快、設備重復利用率高的空間排架式鋼拱架。橫向5排,縱向8跨,由16Mn鋼萬能桿件與軍用墩組成。拱盔部分采用圓松木排架與弓形木及模板構成(見圖-2)。卸架設備則采用了傳統的單木楔與組合木楔完成。方便、穩妥、可控性強。根據實際施工過程來看,這種方案是十分成功的。

  主拱圈及拱上建筑的砌筑,拚棄了傳統的纜索吊裝與扒桿施工方法,采用兩臺塔吊直接吊裝施工,由于跨徑大,主拱圈料石的分類也相對簡單。本橋主拱圈共采用了厚度為36Cm~60Cm的100號料石336路共34409塊,分5環10段砌筑。每環縱向設置了11道空縫,由扁鐵塞墊;砌縫寬度為3Cm,砌縫材料為40號小石子混凝土,采用小直徑振搗棒振搗。加載順序根據變形與受力觀測結果,通過施工仿真模擬計算后確定。主拱圈采用環環合攏,兩階段逐次循環落架方案。整個施工過程,均處于嚴密而科學的控制之中,使丹河大橋主拱圈施工僅用了短短的四個月時間,各項工程指標均達到了設計理想狀態。

  四、主要科研設計內容與成果

   由于丹河大橋推薦方案主跨達146m,為目前世界上最大跨徑的石拱橋,且荷載標準高,橋梁高度大,在橋梁設計與施工過程中,有許多關鍵技術問題需要解決。而且,我國的現行規范及世界相關規范中也沒有這樣高標號的砌體力學性能指標可供使用或借鑒。鑒于此,1997年7月成立了“特大跨徑石拱橋設計與施工關鍵技術研究”課題組,開展課題研究工作,其主要目的是:

  1.通過原材料試驗及砌體力學性能試驗,掌握高標號小石子混凝土的配比及施工工藝;

  2.掌握高標號砌體結構的力學性能,從而補充有關規范未及內容;

  3.為丹河橋設計及施工監控提供參數;

  4.通過對特大跨徑石拱橋設計關鍵技術研究,總結一套適應于特大跨徑石拱橋的設計與分析方法;

  5.通過對特大跨徑石拱橋施工關鍵技術研究,確定丹河大橋的施工及加載工藝,總結一套實用的大跨徑石拱橋的施工工藝與施工控制技術;

  6.通過凈、動載試驗與各工況的模型試驗,掌握丹河大橋各主要工況下主體結構受力情況,為橋梁的設計、施工質量及結構的安全性提供依據。

  按照上述主要目標,由晉城市交通局主持,中交第一公路勘察設計研究院為主要承擔單位,聯合了丹河大橋項目部、重慶交通學院、長安大學、山西省交通科學研究所等單位對以下主要內容進行了重點研究:

  1.特大跨徑石拱橋設計與施工關鍵技術研究:

  1.1  研究大跨徑石拱橋設計技術;

  1.2  研究大跨徑石拱橋拱上建筑共同作用的影響程度;

  1.3  研究基礎變位對大跨徑石拱橋結構受力及變形的影響情況;

  1.4  研究溫度變化對大跨徑石拱橋結構受力及變形的影響情況;

  1.5  研究非線性問題對主拱圈受力及變形的影響情況;

  1.6  研究鋼拱架設計方案與施工工藝;

  1.7  研究主拱圈加載順序與砌筑工藝;

  1.8  研究主拱圈落架技術與施工工藝;

  2.大型砌體結構力學性能研究:

  2.1  現場原材料的物理、化學及力學指標測定;

  2.2  砌體力學性能試驗研究;

  2.3  高標號小石子混凝土配合比試驗研究;

  3.主拱圈模型試驗;

  4.大跨徑石拱橋美學研究

  5.施工監測與施工控制;

  6.成橋靜、動載試驗;

  課題主要研究內容已于近期陸續完成,主要成果都已成功的應用到了丹河大橋的建設中(其各項主要研究成果將陸續予以專題介紹),對丹河大橋的順利建成起到了很好的技術保障作用。對我國大跨度石拱橋的發展與進步,提供一整套較系統、較完善的科學方法。

  通過試驗研究,不僅完成了高標號小石子混凝土砌體的力學指標試驗以及1:10的模型試驗,為設計與施工控制的基本參數的取用提供了依據。而且,通過采用仿真模擬分析及多種現代結構分析方法與傳統的懸鏈線拱軸理論的對比研究,對大跨度石拱橋的設計方法與施工關鍵工藝提出了建議。其主要結論有:

  1、  傳統的懸鏈線拱軸理論對大跨度石拱橋主要控制斷面的內力可起到初步控制作用,但不能反映分步施工主拱圈斷面的受力情況;

  2、  采用有限元法分析大跨度石拱橋的結構受力是可行的,其計算精度在計算模型及單元選擇合理的情況下,完全年滿足設計與施工控制精度要求;

  3、  幾種常用的不同有限單元均能用于石拱橋分析中,相對而言,實體單元更能適應大跨度分步施工石拱橋的受力特點。

  4、  拱圈成橋狀態結構受力,其計入拱上建筑聯合作用后,對拱頂、3L/8的應力有一定影響,可改善拱頂區域的應力分布,所占應力比例最大可達10%,對拱腳、L/4的應力影響較小。大跨度石拱橋結構受力分析應考慮拱上建筑的聯合作用效果。

  5、  拱上建筑聯合作用對主拱圈低頻振動響應影響不大,但對高頻振動響應頻率有降低,效果較明顯,這與腹拱結構形式有一定關系。

  6、  主拱圈的穩定性分析表明,考慮拱上建筑聯合作用后,對主拱圈的穩定安全性會有較明顯改善。

  7、  由于主拱圈施工過程中,空縫內有扁鐵支頂,實際主拱圈第一環無論合攏與否,其主拱圈軸力已經發生傳遞。因此,采用第一環不合攏的方法來達到減少第一環應力是不現實的。

  8、  采用實體單元模擬石拱橋結構受力是合理的,其受力狀況能達到模擬每一環實際砌筑過程的程度,計算時間在目前的計算機水平下只需一分鐘左右,完全能實現跟蹤模擬。

  9、  空縫的設置對大跨度石拱橋來講,應適當多一點,且設置位置要根據拱架的實際支撐情況確定,以達到適應施工中變形的目的。

  10、合理細化主拱圈砌筑程序,即根據主拱圈施工過程中的受力及變形情況,經常性調整砌筑部位,對改善主拱圈施工過程中及成橋后的應力狀況都是有好處的。

  11、采用加氣混凝土作為拱上填料,可有效地減小了填料自重及恒載,減輕了主拱、墩臺及地基的負擔。對提高拱上建筑的整體剛度,改善車輛荷載的分布狀況,減少填料對側墻的擠壓力,改善橋面防水措施,提高高速公路上大跨徑拱橋的橋面質量有一定作用

  12、晉城產白云巖的物理性質試驗指標分析可知該橋選定的采石場出產的灰色白云巖和棕色白云巖石質均勻,無風化;吸水率、抗凍性和堅固性符合《公路橋涵施工技術規范》(JTJ041-89)對大跨徑橋梁砌塊石料的要求;石料力性能試驗表明兩種白云巖抗壓強度符合橋梁施工規范(JTJ041-89)對大跨徑拱橋主拱圈砌塊材料強度等級的要求;試驗測得巖石的彈性模量、泊松比、內摩擦角及s-e曲線可供砌體和拱橋力學分析之用。

  13、模型試驗表明實橋施工過程受力分析結果可信,施工方案合理。

  14、在支架上分環分段砌筑大跨徑石拱橋時,先期砌筑的拱環參與拱架共同受力作用明顯,其貢獻度可達30%左右。

  15、實橋在施工過程中及恒載狀態下,其主拱圈的最大壓應力將在10Mpa以內。主拱圈具有足夠的穩定性,其極限承載能力由強度控制。

  五、結束語

  丹河大橋是一座目前世界最大跨徑的石拱橋。它的建成,不僅標志著石拱橋建設在跨徑、荷載標準、橋梁寬度與高度以及材料強度等技術指標上的跨越。更主要的是,通過采用一系列的現代橋梁結構的設計、分析、檢測與控制手段,使石拱橋這一富于中國民族特色、體現中國傳統文明的橋梁結構形式賦予了新的生命力。無疑會對世界大跨度石拱橋的發展起到一定的推動作用。

    圖-2 .  主拱圈模擬分析計算圖式

  
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