預應力混凝土桁式組合拱橋的再應用

蔡亞玲 杜斌

摘 要：我國自創的桁式組合拱橋受到修建時代技術和材料的限制，使用到今天在構造上出現了許多問題，面臨被拆的困境;UHPC具有超高的力學性能，已在橋梁中得到初步應用。本文通過調研統計的方法，以時間線為主軸，從材料和結構方面入手，回顧了我國自古代到現代拱橋的發展歷史，并在此基礎上提出將UHPC應用至預應力混凝土桁式組合拱橋的建議，為預應力混凝土桁式組合拱橋的重新應用提供一種思路。

關鍵詞：拱橋發展;UHPC;預應力桁式組合拱橋

中國拱橋的發展史是一部建筑材料的進步史。預應力混凝土桁式組合拱橋是我國自創的橋型，它有許多構造上的優越性。但由于當時建設預應力桁式組合拱時，為了追求經濟性，將構件尺寸做得較小，再者受限于當時的施工水平及材料質量，導致現存的預應力桁式組合拱橋出現了許多病害。本文將在研究中國拱橋發展歷史的基礎上思考桁式組合拱橋的再利用問題，使桁式組合拱橋在現代材料的支持下重新煥發光彩。

1中國拱橋的發展歷程

中國拱橋發展到今天，已經從原始時期的自然倒下的樹木、河流中凸起的石塊、岸邊生長的樹藤演變成如今高大宏偉的混凝土拱橋、勁性骨架拱橋、鋼拱橋等多種拱橋形式。筆者對我國各時間段具有代表性的拱橋進行了統計，得出了拱橋類型隨時間演變的結果見圖1。

1.1 石拱橋時代

在20世紀50年代以前至60年代，拱橋的主要修建材料是石料，其優點是取材方便，相對木橋更為耐久。據考證，中國最早的石拱橋出現在東漢時期（公元25～220年）。中國古代拱橋的橋墩和拱圈均建得比較輕薄，有利于減輕結構自重，穩定墩基礎。目前世界上歷史最悠久且保存最完好的是我國河北的趙州橋，如圖2。

從1952年至2002年，我國相繼建成了寶成鐵路松樹坡拱橋、小關溝拱橋，湖南黃虎港橋、武夷湖南鳳凰河大橋等數十座具有跨徑沖刺意義的石拱橋，具體見表1。直到2002年，丹河新橋建成，全長146米，成為了中國跨度最大的石拱橋，自此，丹河新橋也成了世界上最大跨徑的石拱橋[2]。表1為具有代表性的石拱橋。

1.2 混凝土拱橋時代

1.2.1 探索期

20世紀50年代末60年代初，鋼材煉制技術逐漸發展，鋼材成為重要建筑材料。但當時的中國正處于大動蕩時期，國民經濟緊張，鋼材數量緊缺，大量建設鋼筋混凝土梁式橋在我國是行不通的，我國由此進入了混凝土拱橋的探索時期。為了滿足節省鋼材及大規模進行社會主義建設的需求，1964年，施工方便，造價低廉，節約工期的雙曲拱被無錫的農村橋隊發明出來，如圖3。

不過，雙曲拱的結構有缺陷：主拱圈由構件拼接而成，整體性差，且截面受力復雜，聯結水平低，容易產生病害，施工時間的長短因雙曲拱部位的不同而有所不同，混凝土的齡期也有很大差異，如此會對結構產生不良附加應力。為了克服雙曲拱構造上的缺點，同濟大學于1970年創造了一種適合軟土地基的桁架拱橋型，并于1981年在普通桁架拱橋基礎上創新出了桁式組合拱結構。20世紀70年代后期，交通運輸部科學研究院創造出了剛架拱橋這種新橋型。在20世紀70年代后期，我國還大量修建了預應力混凝土箱拱和肋拱。以1985-1998年期間最為迅速，后期增長趨勢放緩。

1.2.2成熟期

20世紀90年代開始，隨著我國社會主義建設成果初步顯現，鋼材數量及質量都得到了顯著提升，自此我國開始修建勁性骨架混凝土拱橋。勁性骨架施工拱橋是指在事先形成的桁式拱骨架外分環分段澆筑混凝土，最終形成鋼筋混凝土箱板拱或箱肋拱。

總的來說，20世紀60年代至90年代初，我國拱橋的主打橋型就是混凝土拱橋。其中60年代初至70年代末的主要橋型是雙曲拱。桁架拱和剛架拱是70年代末到90年代初期的主要橋型。同時，從70年代開始，我國的預應力混凝土箱拱和肋拱也得到了長足發展。

1.3鋼材時代

與此同時，我國在90年代開始修建鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋的建設大概可以分為3個階段：第一階段是1990年到1994年的摸索階段（9座），第二階段是1995年到1999年的推廣階段（69座），第三階段是2000年以后至今的全面應用階段（346座）[4]。自1991年我國首座鋼管混凝土拱橋——四川旺蒼東河大橋建成后，我國共修建了400多座鋼管混凝土拱橋，跨徑超過400米的有7座。中國鋼拱橋的修建以2000年為界，2000年以前很少，2000年以后數量增多，但總數上還是遠遠不及鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋。

1.4 新材料時代

目前除了鋼材的應用，值得一提的就是超高性能混凝土（UHPC）的應用，UHPC具有超高的力學性能，主要體現在超高抗拉強度和超高韌性，這依靠加入短纖維來實現。UHPC還具有高彈模、低徐變等突出優點。實驗結果表明，UHPC經熱養，后收縮基本為零，抗壓強度通常在150MPa以上，非常適用于拱橋建設。

2預應力桁式組合拱橋

2.1預應力桁式組合拱橋的產生

預應力桁式組合拱是在連續桁架拱、一般桁架拱及桁式T構的基礎上發展而來的新橋型。

連續桁架拱橋的本質是桁式剛構橋，內部超靜定次數較高，溫變內力太大，溫變引起的上弦拉應力為恒載軸力的107%，引起的拱頂彎矩、軸力分別為恒載的45%和31%，所以受力上不可取，必須將上弦在某點斷開;如果將上弦從墩臺處斷開，即為一般桁架拱，它的缺點是全部荷載交由拱腳承擔，拱腳負擔太重，除彎矩很大外，軸力也較其他橋型大;如果將上弦在跨中位置斷開，即為桁式T構，又稱拱桁梁。它在營運階段仍保持兩個半跨懸臂體系，活載和溫變使上弦根部產生更大拉力，需要設置更多的永存預應力筋，而且，由于懸臂端部的豎向變位較大，會影響橋面的平順進而影響行車的舒適性。

為了改善以上橋型的缺點，出于對橋型結構受力的合理性和施工階段與營運階段材料使用的協調性兩個方面考慮，貴州省交通廳在1979年首次提出了一種新橋型的構想，既不像一般桁架拱在墩臺處斷開，也不像桁式T構在跨中斷開，而是在墩臺和跨中之間的一個合理位置斷開，使由橋墩伸出的懸臂桁架和跨徑中部的桁架拱串聯起來，成為拱梁組合體系新橋型，即桁式組合拱，如圖4。

2.2預應力桁式組合拱橋的優越性

相對于其他拱橋橋型，預應力桁式組合拱橋有著獨特的優越性。

首先是受力性能上，較之箱型拱橋，拱上建筑與主拱圈聯合受力，整體性好，縱橫向剛度大，穩定性好。較之一般桁架拱，拱腳受力狀況大為改善，恒載引起的拱腳推力可減少10%左右，彎矩可減少40%左右，拱頂軸力可減小20%左右。且斷縫處桁片高度較小，對橫向穩定較有利;較之拱桁梁橋，恒載引起的上弦根部拉力可減小90%左右，可以大幅減小預應力筋用量[6]。綜上，桁式組合拱橋的上弦根部、拱頂、拱腳等特征截面沒有一處是處于最不利狀況的，橋梁荷載被均勻分布到上弦、斜桿、拱頂、拱腳等各個部位，以上便是桁式組合拱橋力學性能上的主要優點[7]。

其次是桁式組合拱橋的經濟性。桁式組合拱橋由于拱上建筑聯合作用較好，且受力均勻，所以各桿件的截面尺寸可以做得較小，從而可以減小工程數量和結構自重[8]。以150米跨徑的橋梁為例，國內外已建成的鋼筋混凝土箱型拱的主拱圈高度一般在2～3米之間，而桁式組合拱橋的下弦高度僅1.5米左右。同時，上部構造的工程數量較同跨徑的箱型拱橋可減少30%左右。

再就是桁式組合拱橋材料使用上的協調性。桁式橋梁在用桁架伸臂法施工時，施工中穩定構件所需的上弦和斜拉桿即為結構永久性桿件，能夠顯示出更大的優越性[9]。另外，桁式組合拱橋施工階段和使用階段桿件保持一致，預應力鋼筋用量也相近，故施工階段和使用階段在桿件和材料的使用上能夠保持很好的協調性。

最后是桁式組合拱橋的施工工藝，目前所建成的桁式組合拱橋幾乎都采用人字桅桿吊機進行施工。人字桅桿吊機具有結構簡單、操作方便、起重量大、運轉安全可靠等優點。人字桅桿的吊裝設備較省，以150米跨徑的橋梁為例，據統計，人字桅桿吊機比纜索吊機減少施工用鋼80%以上。

2.3桁式組合拱橋的消失的原因

近年來，我國桁式組合拱橋新建數目寥寥無幾，甚至由于結構開裂等原因，許多桁式組合拱橋都被拆除，桁式組合拱橋在當今社會快要消失的原因如下：首先，此種橋型的修建是為了加快建設我國工業化水平而提出的，我國當時工業水平低，沒有先進的生產技術，橋梁建設所需鋼筋、建筑材料以及施工設備等嚴重缺乏，使修建的橋梁布筋少，材料質量低，致使該類橋梁出現了許多病害;其次，當時的設計交通量、橋面承載能力、橋面寬度均已無法滿足現在的交通要求;最后，由于當時缺乏成熟的理論與技術支持，缺乏設計經驗，而且該橋型是我國首創的橋型，沒有可供參考的已建橋梁，也沒有計算機輔助設計，導致橋梁結構的部分位置設計受力與實際不符。

3 結論與展望

3.1結論

總的來說，我國拱橋從材料上經歷了從石拱橋到鋼筋混凝土拱橋再到鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋的進步;從結構上說，在20世紀60年代初到80年代末，受限于建筑材料的品質不高及產量不足，智慧的中國人民自創發明了雙曲拱橋、桁式組合拱橋及鋼架拱橋這類既節省材料，又能滿足當時交通要求的新橋型。

桁式組合拱橋有著優越的受力性能及經濟效益，但受限于當時施工工藝及施工材料的限制，導致許多桁式組合拱橋出現裂縫等病害，面臨被拆除的風險。

3.2展望

我國橋梁實現跨徑上的突破，一般從結構和材料入手。在材料層面，隨著我國經濟的高速健康發展，目前建筑材料的質量已經大幅度提升。在結構層面，曾經的預應力桁式組合拱具有優越的受力性能。如果能把今天的建筑材料應用到預應力桁式組合拱這種結構上，例如將UHPC應用至預應力桁式組合拱的濕接縫和負彎矩區等特殊位置，使其克服構造上的缺陷，就能讓預應力桁式組合拱煥發新的活力。這將為大跨徑拱橋的建設提供新的思路。

參考文獻：

[1]彭夢澤.圬工拱橋計算方法研究[D].武漢理工大學，2008.

[2]沈昕.溫嶺市躍進橋方案設計與結構優化分析研究[D].浙江工業大學，2014.

[3]陳方.雙曲拱橋加固[J].公路與汽運，2010（02）：130-133.

[4]陳寶春，韋建剛，周俊，劉君平.我國鋼管混凝土拱橋應用現狀與展望[J].土木工程學報，2017，50（06）：50-61.

[5]鄭皆連.我國大跨徑混凝土拱橋的發展新趨勢[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（S1）：8-11.

[6]劉曉東.目前桁式組合拱橋加固方法存在的誤區剖析及加固方法探討[D].重慶交通大學，2010.

[7]代璞.既有桁式組合拱橋承載能力與損傷分析研究[D].西南交通大學，2005.

[8]何大學.桁式組合拱橋受力特點及施工工藝淺析[J].城市道橋與防洪，2002（02）：77-78+0.

[9]艾國志.海兒洼預應力混凝土組合桁架拱橋介紹[A]. 中國公路學會.第二屆全國公路科技創新高層論壇論文集（上卷）[C].中國公路學會：中國公路學會，2004：4.

基金項目：拱橋原橋位拆除重建綜合解決方案研究（2020-123-018）。