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              世界最大跨径石拱桥研究与实践
              2010-10-13 
              丹河大桥是晋(城)焦(作)高速公路上的一座特大型桥梁,主跨146米,是目前世界上同类桥型结构中最大跨径的桥梁,其桥梁宽度、荷载等级及桥梁高度也使石拱桥的设计建设水平提高到了一个新的高度。本文主要对丹河大桥的设计、施工与科研工作特点作一简要介绍。

                一、  引  言

                丹河大桥位于山西省晋城市太行山西麓上的丹河上,距晋城市约10km,是晋焦高速公路上跨越丹河的一座特大型桥梁。

                该桥于1996年开始初步设计,通过对连续刚构、斜拉桥与拱桥等多方案的技术经济比较,考虑到该桥桥址处的自然地理环境、工程地质条件、原材料储量与运输条件、当地的社会与人文环境等因素,确定采用大跨度石拱桥跨越丹河的桥型方案。该桥于1997年11月开工建设,于2000年7月顺利建成,成为了目前世界最大跨径的石拱桥,也是中国第十八座跨径百米以上的石拱桥。

                建成后的丹河大桥,不仅继承和发扬了石拱桥这一中国的传统优势桥型的建设技术,并在桥梁跨径、桥梁宽度、荷载等级、桥梁高度与建设速度等方面取得了较大的突破,而且,通过采用现代桥梁科研手段与设计、施工技术,加大了石拱桥的技术含量,提高了石拱桥的建设水平,为在高荷载作用下的大跨度石拱桥的建设提供了成功的范例。雄伟壮丽、富于民族特色的丹河大桥建成后,与著名的珏山风景区溶为一体,成为晋城市一道靓丽的风景线(见图-1)。下面就丹河大桥的有关设计、施工与科研情况作一简介。

                图-1建成通车的丹河大桥

                二、桥址自然环境与主要技术指标

                丹河大桥桥址位于太行山脚的低山丘陵地带,河谷常年受水切蚀较深,呈“U”型河谷相对高差近80m。晋城岸基岩裸露,焦作岸基岩埋藏较深,约12m左右,为弱、微风化白云岩,属硬质岩系。丹河受上游水库调节,除洪水期外,常年水流很小。桥址处没有发现大的断裂构造,基岩完整性较好,地震烈度为Ⅵ度。除焦作岸基岩倾斜较严重外,其场地建设条件较适合于修建大跨度石拱桥。

                其主要技术指标为:

                1、  公路等级:四车道高速公路(含两侧人行道);

                2、  计算行车速度:80km/h;

                3、  荷载等级:汽车-超20级,挂车-120;人群 3.5kN/m2

                4、  主孔净跨径:146m;

                5、  净矢高:32.444m;

                6、  主拱圈厚度:Hd=2.5m,Hj=3.5m;

                7、  桥面宽度:24.8m;

                8、  桥梁高度:80.6m;

                9、  结构形式:全空腹式变截面石板拱;

                10、  主要材料:主拱圈采用40号小石子混凝土砌100号大料石;基础采用30号片石混凝土;腹拱填料采用加气混凝土;桥面铺装为钢纤维混凝土;其余除推力墩与截面较大的腹拱墩采用浆砌片石外包浆砌料石外均采用30号小石子混凝土砌60号料石。

                三、 结构设计与施工特点

                丹河大桥通过一系列的不同桥梁跨径、不同矢跨比以及不同的拱上建筑形式的综合比选、论证,最终确定的桥型方案为主跨146m的全空腹式变截面石板拱桥。其跨径组成为:2x30m+146m+5x30m。桥梁全长413.7m。主桥拱上建筑由14孔跨径9.4m、厚度0.6m的腹拱组成。桥梁栏杆为表现晋城市历史文化的石雕图画与传统的石狮子组成,体现了现代与传统文明的完美结合。基础除焦作岸引桥采用挖孔桩基础外,其余均采用片石混凝土扩大基础,其中焦作岸主拱座因基岩倾斜较严重、岩石层理发育,采用了锚杆加固措施。

                由于丹河大桥桥高达80m,且沟深谷陡,在跨径达146m的情况下,采用何种形式的支架施工成为了本桥成败的关键因素之一。经过多种结构形式、多种材料选择,丹河大桥拱架最终采用了结构受力明确、稳定性与安全度高、施工速度快、设备重复利用率高的空间排架式钢拱架。横向5排,纵向8跨,由16Mn钢万能杆件与军用墩组成。拱盔部分采用圆松木排架与弓形木及模板构成(见图-2)。卸架设备则采用了传统的单木楔与组合木楔完成。方便、稳妥、可控性强。根据实际施工过程来看,这种方案是十分成功的。

                主拱圈及拱上建筑的砌筑,拚弃了传统的缆索吊装与扒杆施工方法,采用两台塔吊直接吊装施工,由于跨径大,主拱圈料石的分类也相对简单。本桥主拱圈共采用了厚度为36Cm~60Cm的100号料石336路共34409块,分5环10段砌筑。每环纵向设置了11道空缝,由扁铁塞垫;砌缝宽度为3Cm,砌缝材料为40号小石子混凝土,采用小直径振捣棒振捣。加载顺序根据变形与受力观测结果,通过施工仿真模拟计算后确定。主拱圈采用环环合拢,两阶段逐次循环落架方案。整个施工过程,均处于严密而科学的控制之中,使丹河大桥主拱圈施工仅用了短短的四个月时间,各项工程指标均达到了设计理想状态。

                四、主要科研设计内容与成果

                 由于丹河大桥推荐方案主跨达146m,为目前世界上最大跨径的石拱桥,且荷载标准高,桥梁高度大,在桥梁设计与施工过程中,有许多关键技术问题需要解决。而且,我国的现行规范及世界相关规范中也没有这样高标号的砌体力学性能指标可供使用或借鉴。鉴于此,1997年7月成立了“特大跨径石拱桥设计与施工关键技术研究”课题组,开展课题研究工作,其主要目的是:

                1.通过原材料试验及砌体力学性能试验,掌握高标号小石子混凝土的配比及施工工艺;

                2.掌握高标号砌体结构的力学性能,从而补充有关规范未及内容;

                3.为丹河桥设计及施工监控提供参数;

                4.通过对特大跨径石拱桥设计关键技术研究,总结一套适应于特大跨径石拱桥的设计与分析方法;

                5.通过对特大跨径石拱桥施工关键技术研究,确定丹河大桥的施工及加载工艺,总结一套实用的大跨径石拱桥的施工工艺与施工控制技术;

                6.通过净、动载试验与各工况的模型试验,掌握丹河大桥各主要工况下主体结构受力情况,为桥梁的设计、施工质量及结构的安全性提供依据。

                按照上述主要目标,由晋城市交通局主持,中交第一公路勘察设计研究院为主要承担单位,联合了丹河大桥项目部、重庆交通学院、长安大学、山西省交通科学研究所等单位对以下主要内容进行了重点研究:

                1.特大跨径石拱桥设计与施工关键技术研究:

                1.1  研究大跨径石拱桥设计技术;

                1.2  研究大跨径石拱桥拱上建筑共同作用的影响程度;

                1.3  研究基础变位对大跨径石拱桥结构受力及变形的影响情况;

                1.4  研究温度变化对大跨径石拱桥结构受力及变形的影响情况;

                1.5  研究非线性问题对主拱圈受力及变形的影响情况;

                1.6  研究钢拱架设计方案与施工工艺;

                1.7  研究主拱圈加载顺序与砌筑工艺;

                1.8  研究主拱圈落架技术与施工工艺;

                2.大型砌体结构力学性能研究:

                2.1  现场原材料的物理、化学及力学指标测定;

                2.2  砌体力学性能试验研究;

                2.3  高标号小石子混凝土配合比试验研究;

                3.主拱圈模型试验;

                4.大跨径石拱桥美学研究

                5.施工监测与施工控制;

                6.成桥静、动载试验;

                课题主要研究内容已于近期陆续完成,主要成果都已成功的应用到了丹河大桥的建设中(其各项主要研究成果将陆续予以专题介绍),对丹河大桥的顺利建成起到了很好的技术保障作用。对我国大跨度石拱桥的发展与进步,提供一整套较系统、较完善的科学方法。

                通过试验研究,不仅完成了高标号小石子混凝土砌体的力学指标试验以及1:10的模型试验,为设计与施工控制的基本参数的取用提供了依据。而且,通过采用仿真模拟分析及多种现代结构分析方法与传统的悬链线拱轴理论的对比研究,对大跨度石拱桥的设计方法与施工关键工艺提出了建议。其主要结论有:

                1、  传统的悬链线拱轴理论对大跨度石拱桥主要控制断面的内力可起到初步控制作用,但不能反映分步施工主拱圈断面的受力情况;

                2、  采用有限元法分析大跨度石拱桥的结构受力是可行的,其计算精度在计算模型及单元选择合理的情况下,完全年满足设计与施工控制精度要求;

                3、  几种常用的不同有限单元均能用于石拱桥分析中,相对而言,实体单元更能适应大跨度分步施工石拱桥的受力特点。

                4、  拱圈成桥状态结构受力,其计入拱上建筑联合作用后,对拱顶、3L/8的应力有一定影响,可改善拱顶区域的应力分布,所占应力比例最大可达10%,对拱脚、L/4的应力影响较小。大跨度石拱桥结构受力分析应考虑拱上建筑的联合作用效果。

                5、  拱上建筑联合作用对主拱圈低频振动响应影响不大,但对高频振动响应频率有降低,效果较明显,这与腹拱结构形式有一定关系。

                6、  主拱圈的稳定性分析表明,考虑拱上建筑联合作用后,对主拱圈的稳定安全性会有较明显改善。

                7、  由于主拱圈施工过程中,空缝内有扁铁支顶,实际主拱圈第一环无论合拢与否,其主拱圈轴力已经发生传递。因此,采用第一环不合拢的方法来达到减少第一环应力是不现实的。

                8、  采用实体单元模拟石拱桥结构受力是合理的,其受力状况能达到模拟每一环实际砌筑过程的程度,计算时间在目前的计算机水平下只需一分钟左右,完全能实现跟踪模拟。

                9、  空缝的设置对大跨度石拱桥来讲,应适当多一点,且设置位置要根据拱架的实际支撑情况确定,以达到适应施工中变形的目的。

                10、合理细化主拱圈砌筑程序,即根据主拱圈施工过程中的受力及变形情况,经常性调整砌筑部位,对改善主拱圈施工过程中及成桥后的应力状况都是有好处的。

                11、采用加气混凝土作为拱上填料,可有效地减小了填料自重及恒载,减轻了主拱、墩台及地基的负担。对提高拱上建筑的整体刚度,改善车辆荷载的分布状况,减少填料对侧墙的挤压力,改善桥面防水措施,提高高速公路上大跨径拱桥的桥面质量有一定作用

                12、晋城产白云岩的物理性质试验指标分析可知该桥选定的采石场出产的灰色白云岩和棕色白云岩石质均匀,无风化;吸水率、抗冻性和坚固性符合《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-89)对大跨径桥梁砌块石料的要求;石料力性能试验表明两种白云岩抗压强度符合桥梁施工规范(JTJ041-89)对大跨径拱桥主拱圈砌块材料强度等级的要求;试验测得岩石的弹性模量、泊松比、内摩擦角及s-e曲线可供砌体和拱桥力学分析之用。

                13、模型试验表明实桥施工过程受力分析结果可信,施工方案合理。

                14、在支架上分环分段砌筑大跨径石拱桥时,先期砌筑的拱环参与拱架共同受力作用明显,其贡献度可达30%左右。

                15、实桥在施工过程中及恒载状态下,其主拱圈的最大压应力将在10Mpa以内。主拱圈具有足够的稳定性,其极限承载能力由强度控制。

                五、结束语

                丹河大桥是一座目前世界最大跨径的石拱桥。它的建成,不仅标志着石拱桥建设在跨径、荷载标准、桥梁宽度与高度以及材料强度等技术指标上的跨越。更主要的是,通过采用一系列的现代桥梁结构的设计、分析、检测与控制手段,使石拱桥这一富于中国民族特色、体现中国传统文明的桥梁结构形式赋予了新的生命力。无疑会对世界大跨度石拱桥的发展起到一定的推动作用。

                  图-2 .  主拱圈模拟分析计算图式

                
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