桥头堡 › 门户 › 查看主题

从米兰拱到钢管混凝土劲性骨架拱

发布者: redflag | 发布时间: 2018-3-12 14:21| 查看数: 4821| 评论数: 3|帖子模式

在拱桥向大跨度发展的历史进程中，施工技术起到了非常重要的作用。对钢拱桥而言，由于材料强度高，结构自重相对较轻，采用悬臂架设技术，在20世纪30年代就建造出跨度超过500m的桥了（如澳大利亚悉尼港大桥，美国新泽西贝永桥）。对混凝土拱桥，若跨度很大，或需跨越大江大河或深沟峡谷，就难以采用传统的落地支架的方法施工。因此，百多年来，桥梁工程师们一直在探索大跨度钢筋混凝土拱桥的施工方法。最早的且一直影响至今的一种施工方法，就是米兰法（Melan Method）。

米兰法的问世

米兰法的发明者是约瑟夫·米兰（Josef Melan，1854–1941，图1），他是一位奥地利工程师，出版过与混凝土拱桥相关的专著，被业界视为19世纪末期钢筋混凝土桥梁建造的先驱。1892年，米兰提出了专利（图2a），用来建造建筑结构中的拱形楼板，特点是：用型钢做拱架（用钢量偏高），施工便捷（无需落地支架），在非均匀荷载作用下板的承载力更高。很快，这一专利就被用来建造钢筋混凝土拱桥。

图1 约瑟夫·米兰及其著作

基于米兰法的概念，奥地利工程师弗里茨·冯·恩裴查（Fritz von Emperger，1862-1942）1897年提出了用于钢筋混凝土拱桥的专利，见图2b。恩裴查是米兰的学生，也是米兰派驻美国的代表。从图中可见，此时的拱架并不是仅仅布置在拱腹处的大尺寸型钢，而改为布置在拱圈内的由小尺寸型钢组成的拱形桁架。顺便提及，历史上，恩裴查是提出部分预应力混凝土（PPC）概念的第一人。

图2 与米兰法相关的几份专利

   另一件与米兰法相关的专利，是由西班牙的一位教授何塞·欧亨尼奥·里贝拉（José Eugenio Ribera，1864-1936年）在1902年提出的，见图2c。这一专利与图2b者相似但有所改进，可用于更大跨度的空腹式钢筋混凝土拱桥。至此，用于大跨度钢筋混凝土拱桥的米兰系统（指在拱圈或拱肋内用相对刚劲的桁架替代常规的钢筋布置，并由此实现拱桥的无落地支架施工）就形成了。在我国，极少提及米兰法或米兰系统，取而代之的是劲性骨架拱或半刚性拱架。
   米兰法的应用一般认为，米兰法的应用，经历了以下三个阶段。
   阶段1：创新阶段
   这一阶段大概只有10多年时间，指从米兰提出专利（1892年）到在桥梁工程中开始尝试应用（20世纪初）。在这一阶段内，进行了模型荷载试验，建造了逾10万平米的米兰拱形楼面，以及在欧洲和美国建造了若干座跨度不大的拱桥。1898年，在奥地利斯太尔（Steyr）建成了泳校（Schwimmschule）桥，见图3。这桥由米兰设计，拱跨42.4m，矢高仅2.67m，采用6片钢拱架（不知是型钢还是桁架）作为劲性骨架，借助临时扣索来悬拼钢拱。这是当时世界上跨度最大的钢筋混凝土桥，米兰本人也藉此声名远扬。不过，这桥后来因地质问题导致明显挠曲（拱顶下挠26cm），至于何时废弃或改建的，也不得而知。

图3 米兰设计的泳校桥（1898年）

在美国，最早的米兰拱建于1893年，是由恩裴查主持设计的。图4所示为美国俄亥俄州的库克公路（Cooke Road）桥，跨度15.9m，桥宽4m，1896年建成。图5为明尼苏达州的科摩公园（Como Park）人行桥，跨度26.8m，桥宽4.6m，1904年建成；因该桥被列入美国‘国家史迹名录’，2015开始修复。从这两图的破损裸露部分，可大致看出钢拱架构造形式从型钢到桁架的变化。

图4 美国库克公路桥（1896年）

图5 美国科摩公园人行桥（1904年）

阶段2：扩散阶段
这一阶段从20世纪初持续到30年代。30年的工程实践，使米兰法在大跨度钢筋混凝土拱桥的施工中占据了一席之地。在美国，米兰系统的应用曾经十分广泛。有文献说，仅仅美国纽约的一家工程公司就在1894-1904年间建造了300座米兰拱桥。到1924年，美国共建成了5000座米兰拱。1923年，美国在明尼阿波里斯市建成Cappelen纪念桥（也叫富兰克林大道桥）。该桥长321.47m，分跨16.8+60.7+121.9+60.7+16.8m，时为世界上跨度最大的钢筋混凝土拱桥，见图6。在70年代，曾对该桥进行过加宽改造，近年进行了全面维修。

图6 美国Cappelen纪念桥（1923年）

在欧洲，主要在德国、西班牙等国家建造了为数有限的米兰拱。1929年，德国在巴伐利亚州山区建成Echelsbacher 桥，见图7。这是一座两铰拱桥，跨度130m，矢高31.8m，采用悬臂桁架法拼装拱架。在这桥的施工中，开始采用在拱顶配重的方式来控制混凝土浇筑过程中钢桁拱的变形。

图7 德国Echelsbacher桥（1929年）

1931年西班牙建成的塞尔维亚圣特尔莫（San Telmo）桥，是由里贝拉设计的。主桥分跨44+50+44m，边上两孔为拱结构，中间一孔为可开启的悬臂梁结构。钢桁拱架的架设，采用悬臂扣挂与大件浮运吊装相结合的方法，见图8。

图8 西班牙圣特尔莫桥（1931年）

西班牙1934年开建的马丁吉尔（Martin Gil，该桥设计师的名字）铁路高架桥，也叫艾斯拉河桥，主跨达210m；因西班牙内战中断了桥梁施工，直到1942年才得以完成。这桥在施工中通过优化混凝土浇筑工序以尽可能节省钢材，原则是：前一施工阶段所形成的结构可安全承受下一施工阶段所增加的混凝土重量。

图9 西班牙马丁吉尔铁路高架桥（1942年）

   前已述及，米兰法的不足就是钢材配置偏多，远高于钢筋混凝土桥所需者。随着二战的临近，钢材物资十分紧张，于是，米兰拱的建造就慢慢停顿下来，偃旗息鼓了大约40年。

   阶段3：复兴阶段

   这一阶段从20世纪70-80年代持续至今。从80年代起，钢-混组合桥梁结构得到发展，这为重新认识、改造和应用米兰系统提供了新的视角和手段。尽管90年代后欧洲重新使用米兰系统建造了一些钢筋混凝土拱桥，但日本在这一阶段所起到的作用更为突出。实际上，早在19世纪下半叶，日本政府就派遣工程师到欧洲和美国学习桥梁科技。1903年，在京都建造了第一座米兰拱桥。从70年代起，日本结合大跨度组合结构拱桥的施工应用米兰体系，迄今建造的跨度超过百米的钢筋混凝土拱桥不少于20座。日本应用米兰体系建造钢筋混凝土拱桥，与施工方法密切相关。通常是采用悬臂法（悬臂扣挂或悬臂桁架）建造大约1/6-1/3跨长的拱段，再采用其他方法（如浮运架设，或悬臂拼装）安设主跨中间的一段劲性拱架，最后浇筑中间部分的混凝土。图10所示的日本冈山县头岛大桥（Kashirajima，跨度218m，2003年），采用悬臂扣挂法浇筑+浮吊架设劲性拱架（长约130m）的方法施工。图11所示的宫崎县天翔大桥（Tensho，跨度260m，2000年），则采用悬臂桁架法浇筑+悬臂拼装劲性拱架（长约82m）的方法施工。

图10 日本头岛大桥（2003年）

80年代末，日本推出了CLCA（Concrete Lapping with pre-erected Composite Arch）法，即采用钢箱和型钢构件组成组合钢拱架，并外包混凝土。其最大特点是：在外包混凝土之前，先往钢箱内灌注混凝土，以提高钢拱架的刚度。日本1988年建成的Joushi桥（跨度82m，三片钢箱），最早采用这样的构造形式。图12所示为日本冲绳县的Warumi-Ohashi大桥，跨度210m，拱架含两片钢箱，2010年建成。

图12 日本Warumi-Ohashi大桥（2010年）

中国劲性骨架拱桥的创新发展

中国的劲性骨架（亦曾称埋入式拱架）钢筋混凝土拱桥的建设，始于20世纪80年代。这类拱桥的施工技术为：采用型钢拼制半刚性拱架，其也作为配置在拱结构内的（劲性）钢筋；将拱架整体或分段吊装就位，再在拱架上搭设吊架并支立模板；最后，按一定的工序浇筑混凝土。为节省钢材，拱架的刚度不够，故需采用配重或锚索加载的方式，来控制混凝土浇筑过程中拱结构（包括拱架）的应力和变形。可见，尽管我国早期的劲性骨架拱不叫米兰拱，但实际上与米兰拱有着密切关联。按此方法，1983年建成辽宁丹东沙河口大桥（2006年拆除改建），跨度156m，是当时国内跨度最大的钢筋混凝土肋拱桥。另一座桥梁是辽宁阜新清河门桥，主跨120m，1986年建成（2002年拆除）。1990年，采用同样的构造，在四川宜宾建成跨度240m的小南门大桥（图13），使中国的拱桥跨度第一次超过200m。

图13 宜宾小南门大桥（1990年，张佐安供图）

   1990年，中国的钢管混凝土拱桥开始起步。钢管混凝土拱桥所具备的技术优势，使其得到迅猛发展（至今已建造了400余座），成为拱桥建设的主导桥型（参见亚东桥话1：谈谈钢管混凝土拱的起源）。也正是钢管混凝土拱桥的发展，促使中国的劲性骨架钢筋混凝土拱桥走出了一条创新的道路。依笔者拙见，可把中国的与钢管混凝土相关的拱桥大体分为三类。
   第一类：“骨架外置”的钢筋混凝土拱桥  指构造上采用单肢或双肢哑铃形的钢管混凝土拱，如最早建设的四川旺苍东河大桥。对这类跨度有限的钢管混凝土拱，可理解其是把传统的埋入式桁拱置换成了外置式钢管拱。如此，不仅可节省吊架模板，简化施工，而且因钢管的约束效应，拱结构的极限承载能力也得到提升。需要关注的问题是：管内混凝土的脱空和管外的涂装防锈。尽管这类拱桥被称为钢管混凝土拱，但其本质上与埋入式劲性骨架拱一样，可看成是配筋率偏高的钢筋混凝土拱桥。
   第二类：钢管混凝土劲性骨架拱桥  指采用钢管混凝土劲性拱架、外包混凝土的钢筋混凝土拱桥。这样的构造，可避免钢管的涂装防锈，增加拱的刚度，适用于大跨度拱桥。1996年建成的南宁蒲庙大桥（即邕宁邕江大桥，跨度312m），每根拱肋中的劲性骨架由4根钢管混凝土及型钢构件组成；1997年建成的万州长江大桥（跨度420m），箱形拱圈中的劲性骨架由10根钢管混凝土及型钢构件组成；2016年建成的沪昆高铁北盘江特大桥（四线铁路，跨度445m），变宽度箱形拱圈中的劲性骨架由8根钢管混凝土及型钢构件组成。这类拱桥施工的一个共同特点是：让一部分材料先行成拱，形成结构，使其具备承担后续材料自重的能力。从图14可见，万州长江大桥的成拱次序是：劲性骨架成拱-灌注劲性骨架中的管内混凝土-分次浇筑中箱混凝土-分次浇筑边箱混凝土。

图14 万州长江大桥拱圈施工工序

第三类：钢管混凝土桁架拱桥
指构造上采用桁架形式的钢管混凝土拱。这样的构造结合了钢管混凝土与（钢管）桁架的优点，可更有效地利用材料，降低工程造价，适用于大跨度结构。由于采用桁架结构，用钢量明显增加，这类拱桥可视为钢管桁架与混凝土拱的组合结构。大跨度钢管混凝土桁架拱桥的工程实例不胜枚举，目前跨度最大的公路桥是泸渝高速公路波司登长江大桥（跨度530m，2012年），铁路桥是准朔铁路黄河特大桥（跨度360m，2016年完成主体结构的施工），见图15。

图15 波司登长江大桥（左，2012）和准朔铁路黄河特大桥（右，李亚东供图）

不算结语

从混凝土拱桥的发展历史看，影响拱桥在向大跨度发展的技术挑战，主要来自于施工技术。不论是早年国外的米兰拱，还是现在中国的钢管混凝土劲性骨架拱，都是为了避免采用落地支架而发展出来的钢筋混凝土拱桥构造和施工技术。从跨度上看，欧洲采用米兰系统，在20世纪20-30年代建造了100-200m级的钢筋混凝土拱桥；日本结合悬臂施工、组合结构和米兰系统，在80年代后建造了200-300m级的拱桥；中国发展钢管混凝土劲性骨架，在90年代后建造了400-500m级的拱桥。钢筋混凝土拱桥向更大跨度发展，取决于更科学的设计理论、更经济合理的构造形式及其施工技术。在设计方面，主要是应用精细化分析。在构造方面，主要是研发不同形式的钢-混组合结构拱（如钢桁劲性骨架混凝土与钢桁的组合，钢套箱混凝土与钢箱的组合等）。在施工方面，宜采用各种无支架方法，让一部分材料先形成拱，以便减轻施工技术难度并降低建造成本。
（作者注：本文参考了诸多文献资料，不一一列出，在此一并致谢！）

作者李亚东：博士，教授，博士生导师。兼任中国土木工程学会桥梁及结构工程学会常务理事，中国钢结构协会桥梁钢结构协会副理事长，中国铁道学会工程分会桥梁专业委员会副主任。

从米兰拱到钢管混凝土劲性骨架拱

最新评论