【正文】 技 術(shù) 響 應(yīng) 書 項目的背景和必要性 項目概況 拱橋是一種以受壓為主的結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的圬工材料修建，當(dāng)?shù)鼗鶙l件較好時，這種由自重產(chǎn)生的廉價的對結(jié)構(gòu)的壓力，具有很大的經(jīng)濟(jì)性。拱橋的適用跨徑范圍較大，從幾十米到三四百米、甚至更大，在山區(qū)深溝峽谷、庫區(qū)等地形條件下，大跨拱橋能避免高墩或高塔的建造，單跨拱橋不需要象連續(xù)梁、斜拉橋那樣用邊跨來平衡主跨，因此具有很強(qiáng)的競爭力。長期以來，圬工和鋼筋混凝土拱橋在我國得到廣泛的應(yīng)用，尤其在西南山區(qū)的公路建設(shè)中。然而，圬工和鋼筋混凝土拱橋的 自重較大，無支架施工困難等限制了其跨徑的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、勞動力價格的提高和建筑材料供應(yīng)的充分與價格的相對下降，拱橋的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)先進(jìn)性日益受到其它橋型的挑戰(zhàn)。 1990 年代，我國在西南地區(qū)開始了將鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋的實踐。 1990 年第一座鋼管混凝土拱橋 四川旺蒼東河大橋建成。此后，這種橋型在我國的公路建設(shè)中得到大量的應(yīng)用與發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，已建和在建的鋼管混凝土拱橋已達(dá) 200 余座。已建成跨徑最大的是廣州丫髻沙大橋（主跨 360m），在建跨徑最大的是重慶巫峽長江大橋（主跨凈跨 460m）。 鋼管混凝土將 鋼材和混凝土有機(jī)地結(jié)合在一起。在受力方面，一方面借助內(nèi)填混凝土提高鋼管壁耐側(cè)壓穩(wěn)定性，另一方面，通過鋼管 對混凝土的緊箍力作用提高核心混凝土的承載力，因此兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)，材料得到充分的利用。在施工方面，空鋼管架設(shè)吊裝重量輕，工廠化程度高，又可作為施工支架和內(nèi)填混凝土的模板，施工用鋼量省，而且工廠化、工業(yè)化水平高，加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的優(yōu)越性，將其應(yīng)用于以受壓為主的拱橋之中是十分合理，它對于橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)約材料、減輕自重、提高跨越能力、方便施工、縮短工期都有著積極的意義。 在國外，本世紀(jì)的 30 年代前蘇聯(lián)曾建造了兩座鋼管混凝土拱橋。此后，未有此類橋梁建設(shè)的報道。我國鋼管混凝土拱橋近期的迅速發(fā)展已引起了國際橋梁界的注意。近些年國外有個別拱橋應(yīng)用了鋼管混凝土材料，如法國的 Autrenas橋（跨徑 56m）、美國的 Columbus Gateway拱橋等，但這些橋只是在拱腳部分應(yīng)用了鋼管混凝土材料，在設(shè)計上將其視為鋼拱橋，與我國的鋼管混凝土拱橋相比，無論在設(shè)計理論、結(jié)構(gòu)型式，還是施工工藝與技術(shù)上均有很大的不同。 然而，由于我國正處于交通基礎(chǔ)設(shè)施與市政工程設(shè)施建設(shè)的高峰，鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用發(fā)展迅猛，對于 鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)受力性能、施工工藝和要求等方面還處于探討過程之中，仍有許多課題研究有待進(jìn)行，更為重要的是我國迄今為止還沒有專門的鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工規(guī)范，給工程應(yīng)用帶來困難，也制約了鋼管混凝土拱橋的健康發(fā)展。 此外，我國的鋼管混凝土拱橋修建雖然時間不長，但已有一些橋梁暴露出使用與養(yǎng)護(hù)上的一些問題，如懸吊橋面系的整體性較差、吊 桿的安全性與養(yǎng)護(hù)、鋼管拱肋的防腐等，隨著時間的推移，其養(yǎng)護(hù)問題可能更加突出。因此，鋼管混凝土拱橋使用管理與養(yǎng)護(hù)方面的研究也應(yīng)及早開展。 鋼管混凝土拱橋最早從我國的西南發(fā)展起來。我 國西南地處山區(qū)，適合于修建拱橋，鋼管混凝土拱橋是在我國經(jīng)過廣大橋梁工作者對拱橋輕型化、現(xiàn)代化的大量探索之后，找到的一種新型拱橋結(jié)構(gòu)。由于它適合我國生產(chǎn)力、鋼產(chǎn)量不斷提高、對施工工期要求短、對橋梁審美要求提高的國情，在適合條件下具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，因此，鋼管混凝土拱橋一經(jīng)出現(xiàn)很快就向全國發(fā)展。近年來，在西北地區(qū)的交通建設(shè)中，鋼管混凝土拱橋也日益顯示出其強(qiáng)大的生命力。因此，鋼管混凝土拱橋已經(jīng)在、也還將繼續(xù)在西部地區(qū)交通建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用，對鋼管混凝土拱橋的設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)開展研究是非常必要的 。 鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)關(guān)健技術(shù)研究主要內(nèi)容包括 ： 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系的研究 （ 1）鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系研究； （ 2）鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)與構(gòu)造研究； （ 3）橋面結(jié)構(gòu)與構(gòu)造研究。 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及設(shè)計方法的研究 （ 1）鋼管混凝土拱橋極限承載力的研究； （ 2）鋼管混凝土拱橋正常使用極限狀態(tài)受力的研究； （ 3）鋼管混凝土拱橋溫度、收縮徐變問題研究。 鋼管混凝土拱橋施工及施工控制技術(shù)的研究 （ 1）鋼管拱肋加工制作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究； （ 2）鋼管 拱肋架設(shè)技術(shù)方法的研究； （ 3）管內(nèi)高性能混凝土的研究； （ 4）施工控制技術(shù)的研究。 鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究 （ 1）既有鋼管混凝土拱橋的現(xiàn)狀調(diào)查及養(yǎng)護(hù)、改造技術(shù)的研究； （ 2）新建鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究； （ 3）鋼管混凝土拱橋健康診斷及監(jiān)測系統(tǒng)的研究。 項目研究目的 本項目將在鋼管混凝土拱橋大量應(yīng)用及已進(jìn)行的各種研究成果的基礎(chǔ)上，抓住鋼管混凝土拱橋理論與應(yīng)用中關(guān)鍵的技術(shù)問題和在西部地區(qū)應(yīng)用的特點，選取典型的工程作為分析對象， 對鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造型式及受力性能進(jìn)行深入系 統(tǒng)的研究，對各種結(jié)構(gòu) 體系提出合理的構(gòu)造型式與應(yīng)用范圍、提出實用的鋼管混凝土拱橋設(shè)計計算理論、實用算法及應(yīng)用程序、提出鋼管混凝土拱橋設(shè)計指南以指導(dǎo)應(yīng)用；對鋼管拱肋制作工藝及質(zhì)量控制、鋼管拱肋的架設(shè)技術(shù)及施工控制技術(shù)、管內(nèi)混凝土質(zhì)量檢測與控制技術(shù)、施工控制技術(shù)等進(jìn)行研究，編寫鋼管混凝土拱橋施工指南以指導(dǎo)施工；對鋼管混凝土拱橋的使用管理與養(yǎng)護(hù)技術(shù)及健康診斷與監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究，新建橋梁從建設(shè)開始就能為將來的使用與養(yǎng)護(hù)考慮，對于已建橋梁提出合理的使用管理與養(yǎng)護(hù)改造方案，提出鋼管混凝土拱橋健康診斷經(jīng)濟(jì)實用的技術(shù)及安全評 定方法，編寫鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護(hù)手冊，以最大限度地發(fā)揮鋼管混凝土拱橋的社會經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合典型工程，通過研究， 形成比較完善的、適合西部應(yīng)用的鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)成套技術(shù)，并為鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范的制定打下堅實的理論基礎(chǔ)，使這種橋型在我國的西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮更大更好的作用。同時它對解決我國當(dāng)前鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵問題，促進(jìn)鋼管混凝土拱橋的科技進(jìn)步，降低工程造價、提高結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義，將取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 市場需求前景 交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國 西部開發(fā)的重要內(nèi)容之一，橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵內(nèi)容，因此，在西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中必將修建大量的公路、鐵路和市政工程橋梁。 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式多樣，適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)跨徑從幾十米 到二三百米，最大跨徑已達(dá) 460 米。我國西部地區(qū)多處于河流的上流，大河水面寬度以二三百米為多，兩岸地勢陡峭、地質(zhì)條件較好時，可以用有推力的鋼管混凝土拱橋一跨跨越。對于其它情況，其主跨也可以采用鋼管混凝土拱橋。據(jù) 2002 年 11 月人民交通出版社出版的《鋼管混凝土拱橋?qū)嵗ㄒ唬分械淖钚陆y(tǒng)計（不完全統(tǒng)計），已建成的鋼管混凝土拱橋 中有 40%建于西部地區(qū)。目前西部在建的大型鋼管混凝土拱橋有廣西南寧永和大橋（跨徑為 338m）、重慶市巫山縣巫峽長江大橋（主跨凈跨徑 460m）、蘭州雁鹽黃河大橋（三跨一聯(lián)87+127+87m）、湖南省永順縣王村大橋（主跨凈跨徑為 200m）等。其中重慶市巫山縣巫峽長江大橋建成后是我國、也是世界上跨徑最大的鋼管混凝土拱橋。因此，在西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之中，鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用有著廣闊的前景，本項目的研究對我國西部交通建設(shè)有著十分重大的意義。 達(dá)到的技術(shù)水平 鋼管混凝土拱橋是一種適合于中國國情的橋梁結(jié)構(gòu)形 式，國外此類橋梁修建甚少，因此其研究工作開展也極少。國內(nèi)雖然鋼管混凝土拱橋修建了較多，但是以針對具體橋梁的個案問題的研究為主，許多問題還未涉及，一些問題雖開展了研究但不深入，更缺乏對鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)開展過系統(tǒng)的研究。本項目聯(lián)合了國內(nèi)多家在鋼管混凝土拱橋應(yīng)用與研究方面具有相當(dāng)基礎(chǔ)的設(shè)計、科研、高等院校等單位，進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，有望使我國鋼管混凝土拱橋的 設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵問題上取得一些重大的突破，取得較為系統(tǒng)的研究成果，使鋼管混凝土拱橋的技術(shù)躍上一個新的臺階。研究成果將達(dá)國內(nèi)領(lǐng)先水平或 國際先進(jìn)水平。 在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用 西部開發(fā)是我國實現(xiàn)地區(qū)平衡發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措 ,開發(fā)西部首先必須解決公路交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)問題。如前所述，鋼管混凝土拱橋是一種適合 我國西部地區(qū)應(yīng)用的橋型，因此， 本項目對鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)關(guān)健技術(shù)問題的研究， 對 充分發(fā)揮科技創(chuàng)新在西部交通建設(shè)中的作用，對西部交通建設(shè)中充分發(fā)揮投資效益、 實現(xiàn)西部地區(qū)交通的跨越式發(fā)展 起到積極的推動作用。 交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將改善西部地區(qū)的交通狀況，促進(jìn)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速地發(fā)展。同時基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)本身投資巨 大，它將直接刺激建設(shè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)，拉動其經(jīng)濟(jì)增長。大量鋼管混凝土拱橋的修建，將帶動相關(guān)的冶金、建材、建筑等行業(yè)的發(fā)展。因此，本項目的研究對于西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也將有十分積極的作用。 鋼管混凝土拱橋在西部地區(qū)以外的我國廣大地區(qū)也都有著大量的應(yīng)用，本項目的研究對于我國其它地區(qū)的鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用也有著重要的理論意義與應(yīng)用價值，它對促進(jìn)我國橋梁建設(shè)的技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有相當(dāng)重要的意義。 項目前期科研及工作基礎(chǔ) 對 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究水平和發(fā)展趨勢的分析與評價 雖然最早的鋼管 混凝土拱橋出現(xiàn)在本世紀(jì) 30 年代的前蘇聯(lián)，近年來國外有個別拱橋應(yīng)用了鋼管混凝土材料，但國外對鋼管混凝土拱橋的研究開展甚少，在設(shè)計上多將其視為鋼拱橋。 目前國內(nèi)研究已取得的成果 隨著鋼管混凝土拱橋應(yīng)用推廣，我國對鋼管混凝土拱橋的設(shè)計理論與施工技術(shù)研究已取得了一定的成果。許多大跨徑鋼管混凝土拱橋建設(shè)項目中都列有為保證橋梁順利建成所進(jìn)行的應(yīng)用研究，積累了相當(dāng)?shù)膶崪y資料和個案研究成果。一些科研院所和高校也開展了鋼管混凝土拱橋方面的研究 [1][2]。在單圓管的面內(nèi)、面外受力全過程和雙重非線性有限元分析方面 [3][5]、在鋼管混凝土拱的溫度影響方面 [6]、在鋼管拱千斤頂、鋼鉸線斜拉扣掛懸拼技術(shù)及合攏松索技術(shù) [7][8]、轉(zhuǎn)體施工技術(shù) [9]等方面均已取得階段性的成果。此外，在管內(nèi)混凝土收縮徐變問題、桁式結(jié)點疲勞問題、鋼管混凝土拱橋的動力性能及抗震抗風(fēng)問題、 鋼管防腐問題等方面也開展了一些研究。 1999 年以前的研究成果在《鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工》 [1]一書中得到了較為集中的反映。 2002年出版的《鋼管混凝土拱橋?qū)嵗ㄒ唬?[2]的第一章對迄今為止的鋼管混凝土拱橋設(shè)計理論進(jìn)展與施工問題研究進(jìn)行了綜述，該書還給出了十一座有 代表性的鋼管混凝土拱橋的設(shè)計、施工、科研的較詳細(xì)的介紹?！稑蛄河嬎闶纠?— 拱橋（第二版）》 [10]中新增了鋼管混凝土拱橋設(shè)計計算實例。《公路施工手冊 — 橋涵（第二版）》 [11]也增加了鋼管混凝土拱橋的施工內(nèi)容。在標(biāo)準(zhǔn)方面，新修訂的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范 JTJ412000》 [12]增加了鋼管混凝土拱橋的內(nèi)容、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) JTJ07197》 [13]也對原標(biāo)準(zhǔn) 07194 中有關(guān)鋼管混凝土拱橋的內(nèi)容進(jìn)行了修訂。此外，由重慶交通科學(xué)研究院主編的交通部規(guī)范《鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》、《鋼管混凝土拱 橋施工技術(shù)規(guī)范》于 2001 年 6 月在廣西南寧召開了統(tǒng)稿會議，正在緊張制定之中，其中《鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)規(guī)范》正在對征求意見稿的返回意見進(jìn)行修改。 結(jié)構(gòu)體系研究方面存在的主要問題 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式多樣、適用范圍廣，這些結(jié)構(gòu)形式的受力特點各不相同、適應(yīng)條件也不一樣，對鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究，探索各種結(jié)構(gòu)的受力特點，對各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，提出適合于西部地區(qū)應(yīng)用的橋型，這些工作迄今未見研究報道。 鋼管混凝土拱橋中出現(xiàn)了一些新型的結(jié)構(gòu)，如下承式剛架系桿拱、帶雙懸臂半拱的中承式剛架系桿拱， 這種采用高強(qiáng)拉索平衡拱的推力 的新型結(jié)構(gòu)，其各組成結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)造、具體結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計計算特點等方面，針對具體橋梁的設(shè)計探索進(jìn)行得較多，上升到理論高度的研究很少 [14]。 鋼管混凝土拱橋的拱肋截面按管的根數(shù)可分為單管、雙管、三管、四管和六管。單管截面用于跨徑不大的鋼管混凝土拱橋，對單圓管截面的鋼管混凝土拱橋的研究也取得了可喜的進(jìn)展，因此，單圓管截面不作為此次研究的重點。 雙管截面以豎啞鈴形為主，有個別為雙管桁式的。鋼管混凝土拱橋中有相當(dāng)部分采用啞鈴形截面，跨徑從幾十米到 160m，以 100m 附近為多。啞鈴形截面的 極限承載力的計算雖然一些研究人員進(jìn)行了探討，但不同研究提出的計算方法理論各異，結(jié)果相差很大，且迄今未見有關(guān)試驗研究，因此這些計算方法孰優(yōu)孰劣無從判斷。此外，啞鈴形截面在灌注腹腔內(nèi)混凝土?xí)r常發(fā)生爆管事故 [15]，因此，對其施工受力分析、提出合理的施工措施以及從結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的改