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  • 拱橋——跨越峽谷的理想選擇

    貴州是全國唯一沒有平原的省份,山地面積占了全省面積的90%以上,境內崇山峻嶺,溝壑縱橫。隨著近十年高速公路和國省道建設的突飛猛進,其中大跨徑拱橋的建設也取得了跨越式的發展,本文就貴州省內大跨徑拱橋建設的情況作綜述。

    針對地形設計橋形

    本文所述的大跨徑拱橋是指凈跨徑在150m以上的拱橋,包括了懸臂澆筑混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋這三種結構型式。由于特殊的地形限制,在峽谷橋梁的建設方案中,尤其是跨越深切的V形峽谷時,拱橋(特別是鋼筋混凝土拱橋)往往是造價最優的選擇。同時,還有后期維護簡便的特點,但是拱橋在施工中相對難度較大、風險較高,特別是成拱工藝往往是確保施工安全的至關重要控制性因素。

    長期以來,貴州省內的橋梁建設從業人員對拱橋的設計、施工比較熟悉,有著豐富的經驗,創造出混凝土桁式組合拱橋這一新橋型,主跨330m的江界河大橋至今依然是這類橋型的最大跨徑紀錄。隨著拱橋跨徑的不斷增加,過去普遍采用的在150m以內采用的滿堂支架現澆、135 m以內采用的懸拼鋼拱架現澆、200m以內采用的預制吊裝等施工工藝,已經無法滿足橋梁耐久性、施工安全性和結構安全性的需求,必須針對貴州的地形、地質和運輸條件,提出大跨徑拱橋建設的成套解決方案,以滿足高速路網和國省道建設的需求?,F在貴州省內150m以上大跨徑拱橋的解決方案集中在懸臂澆筑混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋這三種結構型式。0世紀60年代,隨著預應力技術的誕生,拓展了混凝土拱橋的施工方法。1966年克羅地亞首先采用塔架斜拉扣掛懸臂澆筑法建成了跨度為246m的Sibenik橋,1968年又以相同的方法和相同的掛籃建造了跨度193m的Pag橋。隨后這種類型的拱橋在歐洲、日本和美國都得到了成功的應用。

    國內采用懸臂澆筑法施工的混凝土拱橋始于本世紀初。2008年,四川省首次將懸臂澆筑法工藝應用到混凝土拱橋主拱圈施工中,建成了凈跨150m的白沙溝1號大橋,之后,又相繼建造了攀枝花新密地大橋(2013年)和攀枝花魚大橋(2015年)。貴州省于2013年建成了主跨165m的木蓬大橋,相較以前采用的預制吊裝工藝,懸臂澆筑混凝土拱橋的拱圈一次成型,確保了結構的整體性,施工過程的安全性也更加可靠,在此之后相繼建設了多座同類橋梁。其中主跨210m的夜朗湖大橋在跨中設置了25m的型鋼勁性骨架合龍段,并采用了箱寬7m的單箱單室斷面,進一步減輕了結構自重,提高了施工便捷性。在閔家溝大橋和清水江大橋的設計中,拱上腹孔采用了工型鋼混組合梁,在減輕結構自重的同時,為此類橋梁向300m及更大跨徑做了有益的探索。

    懸臂澆筑法是利用預應力鋼絞線一端扣掛拱圈節段,另一端向后錨固于巖體上,從拱腳開始逐段向拱頂懸臂澆筑直至拱頂合龍。施工中的橫向穩定和抗風性能強,利用橋位兩岸巖體錨固錨索平衡斜拉扣索力,臨時措施成本低,當鋼筋混凝土拱橋在施工現場周邊沒有預制場地或預制件運輸困難時,懸臂澆筑法具有獨特優勢。采用預應力鋼絞線作為懸臂施工中的臨時扣索,具有張拉行程準、扣索非彈性變形小的優勢,容易控制拱圈變形和調整懸臂澆筑過程中混凝土拉應力值。

    沙坨大橋為國道G211跨越烏江沙坨電站而建,從橋型布置圖中可以看出,兩岸地形相對平緩,主跨達到240m,如果布置成連續剛構,主墩高度無法滿足受力要求。如果布置成鋼管拱、斜拉橋或者懸索橋,工程造價相對增加至少一倍以上,采用懸臂澆筑混凝土拱橋明顯更適合貴州省的橋梁建設條件。

    橋梁布置為6x30m預應力混凝土T梁+240m鋼筋混凝土箱形拱橋+6x30m預應力混凝土T梁,橋梁全長626.8m,橋面全寬20m。設計荷載:公路—Ⅰ級。主拱圈為等高度懸鏈線鋼筋混凝土箱形截面,凈跨徑240m,凈矢高40m,凈矢跨比1/6,拱軸系數m=1.85,拱圈寬度10m、高4.5m,單箱雙室斷面。拱圈縱向共分為37個節段,其中兩岸拱腳位置1號節段為支架現澆段,拱頂設一個吊架澆筑合龍段,其余34個節段為懸澆段。拱圈采用C60混凝土。

    懸臂澆筑混凝土拱橋的設計過程中應充分考慮施工需要,拱圈節段長度應控制在8m以內,如果節段超過8m則會導致掛籃重量過重而不經濟,在滿足掛籃澆筑要求下應盡量減少節段數量,盡快實現合龍??坼^系統的設計應盡量采用巖錨以及利用墩、柱和橋臺等永久結構,在增加安全性的條件下降低臨時措施的投入。施工監控的重點是扣塔的位移、扣索的索力、拱圈的應力,以確保拱圈線形、結構安全和施工安全。

    懸臂澆筑混凝土拱橋跨越能力強(150m~400m)、拱圈一次成型,結構整體性好、施工安全性高、造價便宜(15000元/橋面平方)、養護方便,對于基礎地質條件要求較高,特別適應我國西部山區。預期未來會建造更多此類橋梁,跨徑也將向300 m以上發展。

    勁性骨架混凝土拱橋

    貴州省內目前有兩座勁性骨架混凝土拱橋,其中之一是滬昆高鐵北盤江大橋(主跨445m,是目前世界最大跨徑混凝土拱橋)。另外一座是正安縣魚塘大橋,該橋的設計和施工簡介如下。

    魚塘大橋凈跨200m,凈矢跨比1/5,主拱軸線為懸鏈線,拱軸系數m=1.988,拱圈為單箱雙室斷面,拱圈高度為360cm,拱圈寬度為850 cm,頂板、底板和腹板厚度為35cm,立柱下橫隔板厚度為40cm。拱圈混凝土為C55。拱上腹孔為11孔、19.3m預應力混凝土T形梁。勁性骨架為6根Φ377x14mm鋼管,管內灌注C80自密實混凝土,腹板采用4根L75x10mm的組合角鋼,上、下平聯及橫聯采用單肢L140x10mm角鋼,腹桿、平聯及橫聯均采用X形交叉布置,勁性骨架材料均采用Q390D,總重量為418t。該橋已于2020年建成通車。

    貴州省內鋼管拱橋起步較晚,第一座鋼管混凝土拱橋是主跨175m的花溪特大橋,于2009年建成,位于貴陽市南環高速公路上,跨越花溪河。鋼管混凝土拱橋的跨越能力大,景觀效果好,隨后在貴州省發展得較快。特別是在寬度300 m以上的V形峽谷區域,鋼管拱可以一跨跨越,不像斜拉橋還需配設邊跨,懸索橋明顯造價偏高,因此在甄選方案階段鋼管拱的優勢明顯。

    貴州省內鋼管混凝土拱橋具有如下特點:

    1. 結構形式多為上承式

    由于省內河流寬度普遍不寬,又多為深切峽谷,11座鋼管混凝土拱橋僅有3座為中承式,其余均為上承式。目前世界最大跨徑的上承式鋼管混凝土拱橋是主跨450m的大小井大橋,正在建設中的白鷺湖烏江大橋又將這一紀錄提高至475m。上承式鋼管拱與中承式鋼管拱有著明顯的區別,主要是腹孔和拱上排架的布置。中承式鋼管拱的橋面高程通常布置在拱圈矢高的1/3以內,橋面系多為縱橫向的梁格結構,通過吊桿將橋面系的重量傳至拱圈,吊桿的間距通常為7m左右,因此橋面系可以相對輕薄,恒載也相對均勻,拱圈受力較為合理。而上承式鋼管拱的腹孔跨徑多為主跨的1/10至1/12之間。隨著跨徑到400m以上,拱上排架的高度也通常達到了90m以上,腹孔的跨徑也需達到30m以上,拱上立柱處集中力較大,拱上立柱穩定性也成為設計控制性因素。為減輕橋面系恒載重量,常常將橋面系設計成鋼混組合結構。

    2. “下灌上頂”灌注混凝土

    鋼管混凝土拱橋管內混凝土普遍采用“自下而上”灌注,并采取真空輔助、分級連續泵送的工藝。在主跨300m的香火巖大橋施工過程中,采用了“下灌上頂”的施工工藝。即拱圈矢高的2/3處設置注漿孔,在拱腳的2/3矢高段采取自上而下自由流動灌注,在2/3矢高的拱頂段,采取自下而上連續頂升灌注。經檢驗,該橋的管內混凝土灌注滿足相關規范要求。主跨180m的花魚洞大橋也采用了“下灌上頂”的施工工藝。

    3.拱圈節段現場制作

    由于省內水路運輸條件的限制,大多數橋梁的拱圈節段均在施工現場焊接,僅有花魚洞大橋的拱圈節段是在工廠制作完成以后,運輸到現場吊裝。從已經運營的多座橋梁來看,現場制作的拱圈節段質量完全可以保證達標。

    貴州省內還有多座大跨徑拱橋正在建設過程中,從目前的案例中可以看出,大跨徑拱橋的發展方向主要集中于橋面系結構的輕型化、拱圈節段現場制作的工廠化、纜索吊裝的精細化和施工監控的智能化四個重點。

    拱橋是我國山區峽谷條件下最理想的橋型,在“交通強國”戰略的引領下,在高質量發展的建設新階段,貴州將為大跨徑拱橋建設技術的進步提供新的舞臺,必將成為橋梁強國的重要支撐。

    本文刊載 / 《橋梁》雜志 2021年 第1期 總第99期

    作者 / 楊健 劉建軍 葉洪平

    作者單位 / 貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司

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