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摘要：钢管拱桥梁以其造型美观，结构稳定，跨度较大，在城市公路桥梁以及铁路上都得到较大规模的应用。本文通过普通钢管拱桥与异性钢管拱桥的比较，结合赣州章江大桥钢管拱桥的施工实践，总结本桥梁的施工技术要点、难点及相关技术创新，作为此类桥梁施工的经验借鉴。
关键词：异性拱桥V构 现浇支架 张拉 监控技术创新
Abstract: The steel tube arch bridge with its beautiful appearance, stable structure, large span, in urban road bridge and railway up to get larger application. This article through the ordinary steel tube arch bridge steel tube arch bridge with the comparison of the opposite sex, combined with ZhangJiang bridge steel tube arch bridge ganzhou construction practice, to sum up the bridge construction techniques, difficulties and related technology innovation, as the construction experience of the type of the Bridges for reference.
Key Words: opposite arch bridge, V cast-in-site, stents, constitutive tension, control, technology innovation
中图分类号：U445 文献标识码：A文章编号：
1、钢管拱桥梁的结构特点
钢管拱桥梁以其造型美观，结构稳定，跨度较大，目前在城市公路桥梁以及铁路上都得到较大规模的应用。钢管拱桥梁一般主要由边拱，主拱，拱座，梁，平衡水平力的系杆以及拱梁之间的立柱或者吊杆组成（或其中部分）。钢管拱桥梁可分为普通钢管拱桥梁，异型钢管拱桥梁以及钢管拱组合体系桥梁三种。
1.1、普通钢管拱桥梁
普通钢管拱桥梁按照承载方式可分为上承式，中承式，下承式三种。普通钢管拱桥梁结构比较简单，受力比较明确，制造及安装相对比较常规。如下图所示。
上承式钢管拱桥
中承式钢管拱桥
下承式钢管拱桥
1.2、异性钢管拱桥梁
异型钢管拱桥梁在结构上变化较大，一般以其结构特点命名，不再简单以承载方式分类，以南昌艾西湖大桥为例，在空间上完全颠覆了以往钢管拱桥的印象，以特殊设计的空间结构实现了城市桥梁的景观效果。为追求景观效果，赣州章江大桥设计成“新月”型，在钢管拱制造及施工中具有一定的难度和技术创新。如下图所示。
艾西湖大桥
赣州章江大桥
1.3、组合体系钢管拱桥梁
湘潭莲城大橋主桥为跨度120m+400m+120m斜拉－钢管混凝土拱组合体系桥梁，为世界首创桥型。湘潭莲城大桥桥型结合了索桥与拱桥的优点，造型别具一格。满足了景观效果和跨度的双重要求。其钢管拱部分的结构与普通钢管拱结构类似。
莲城大桥
1.4、普通钢管拱桥与异性钢管拱桥比较
以漳州西洋坪大桥和赣州章江大桥为例，比较普通钢管拱结构和异型钢管拱结构的区别。
1.4.1、以漳州西洋坪大桥为例说明普通钢管拱桥的结构。漳州西洋坪大桥是一座中承式钢管拱桥，成桥图片如下，可以看出，主拱由上下游拱肋通过横向连接系形成稳定结构，结构受力比较简单明确。
西洋坪大桥
1.4.2、普通钢管拱桥与异性钢管拱桥比较表
项目 普通钢管拱桥 异型钢管拱桥
主拱 1、一般采用多片桁架拱或者箱形拱，采用连接系维持稳定。
2、分段制造，整节安装
3、跨度相对可以较大
4、现场施工难度一般大于制造难度 1、形式变化多，特制构件多。
2、分件制造，分批散件安装
3、跨度受结构限制
4、现场施工难度一般小于制造难度
边拱 较多采用飞燕形式即半拱形式或无边拱，钢筋混凝土结构较多 采用V构或无边拱，可以采用预应力钢筋混凝土结构或钢结构
拱座 以承压为主，受力简单明确 受力复杂，拱脚承受偏心弯矩
梁 较多采用混凝土结构或者钢混结合的形式降低成本。 为减轻重量，确保结构安全，大量使用钢箱梁。
系杆 采用通长设置的系杆以平衡拱肋水平推力，以山体等作基础抵抗水平力时不设置系杆。
吊杆 一般在拱肋平面内设置，张拉施工相对简单 可以多方向设置，张拉施工较复杂
2、赣州章江大桥工程概况
章江大桥主桥为三跨飞燕式异型钢管拱桥，主桥采用钢管拱和钢箱梁，主拱设置64根吊杆。边跨采用V构及预应力现浇箱梁结构。主桥长254m，主跨158m。
2.1、钢管拱结构
主拱钢管拱水平投影总长114.5m。纵向共分7节段制造，节段水平投影长2.48～22.5m，第一节段与拱脚预埋板加工成整体运输至工地，钢管规格为φ1800X26mm。单根稳定拱纵向分7节段制造，钢管规格为φ1200X22mm。
拱肋安装时，段与段之间首先通过法兰盘进行联接，然后通过嵌补段将主拱拱肋对接焊联形成整体。
稳定拱与主拱之间采用斜腹杆连接，腹杆采用焊接箱形杆件，杆件在桥梁断面为鱼腹形。稳定拱之间采用钢管连接，分别与两侧稳定拱焊接。为避免后焊接对钢管混凝土的损伤，斜腹杆先焊接一段在主拱上，剩余部分现场安装。
拱脚段将预埋板、第一节主拱、稳定拱及加劲板制作成为整体。
2.2、吊杆体系
主拱共设16对32根吊杆，横桥向成“八”字形。吊杆规格均为LZM7-55型，吊杆索体采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。
吊杆顺桥向间距6m，同一断面横桥向布置两根吊索，分别锚固在主拱拱肋和主梁钢锚箱内，主梁处为张拉端，主拱处为固定端，横桥向间距4.4m。
2.3、系杆体系
全桥共设置4根水平系杆，系杆布置在中央分隔带区域桥面上，两端锚固于边跨混凝土箱梁梁端横梁处梁顶锚体之上，锚体为钢筋混凝土结构，采用C50混凝土，锚体及拱座处埋设系杆预埋钢管。系杆拉索采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。
3、总体施工方案
边拱采用连续钢支架现浇施工，钢箱梁在工厂分节段制造，采用120吨龙门吊安放在水中支架上，钢箱梁在现场焊接成为整体。
在钢箱梁顶面设置拱肋安装支架，拼装40吨龙门吊架拱。钢管拱混凝土采用两端同步顶升的方法灌注。系杆分三次张拉到位，与荷载加载均衡进行。吊杆采用分级张拉到位。
4、边拱施工
4.1、施工方法及流程
V构的施工支架设计巧妙，舍弃以往常规的钻孔桩基础，采用钢管沉入桩基础。工期节约31%，成本减少38%。底平台纵梁端部与承台(拱座)预埋件通过铰座连接，以抵抗混凝土浇注时产生的水平力，也能有效承受结构物自重产生的竖向荷载；斜腿和现浇梁的支架分离设置，现浇梁的支架未设置在斜腿顶面，避免了支撑于斜腿上的支架基础与现浇梁基础不均匀沉降的问题。
斜腿采用分段浇筑施工，分段张拉接长，前段混凝土与底平台的静摩擦力与水平推力平衡，后节段施工不再增加前一阶段的支架水平力，也使得支架更为安全。现浇梁采用分段施工，设置合拢段，支架分步加载，也同时解决了两端张拉空间不足的问题。
V构顶部与钢管拱结合处的钢混结合段钢筋和预应力密集，混凝土施工质量要求高，钢管拱预埋件定位精度要求高，原设计采用一次成形。在施工中研究采用分步施工，既减小了施工难度，同时钢管拱预埋件由原来支撑在较为柔性的现浇支架上改为支撑在刚性的混凝土上，确保了定位精度。
施工流程如下：V腿支架施工→安装V腿第一（二）节底模→安装V腿第一（二）节钢筋、布置预应力→安装内、外侧模→预埋件安装及检查→灌注V腿第一（二）节砼→预应力张拉，压浆→竣工检查→边跨现浇梁支架施工→安装底模→安装第三节V腿及现浇梁以下的钢筋→预应力部分施工→立内外模板→立箱梁底模→绑扎箱梁钢筋→布置箱梁预应力→安装钢管拱拱脚段及其它预埋件→立箱梁侧模及内模→安装拱脚段模板→灌注混凝土→预应力张拉，压浆→箱梁合龙段临时锁定→绑扎合龙段钢筋→布置预应力→灌注混凝土→预应力张拉，压浆→拆除支架及底模→系杆锚固齿块施工→拱脚段钢管拱外包混凝土施工。
4.2、斜腿支架
斜腿采用支架法现浇施工，前斜腿分两个节段，后斜腿分三个节段。前一个节段施工完毕，待混凝土达到强度后，对预应力钢绞线进行张拉及接长，然后进行下一个节段施工。
4.3、钢混结合段施工
拱脚钢混结合段施工是V构施工最为复杂的部分，此处结构物众多，在拱脚钢混结合段区域内布置有如下结构：①钢管拱拱脚板预埋在拱脚混凝土内，拱脚板背部集中有加强角钢，顺拱向的预应力精扎螺纹筋，拱背结构钢筋，钢管拱锚固钢筋。②边跨现浇梁的顺桥向预应力，横桥向预应力，结构钢筋。③拱肋的纵向预应力，结构钢筋。④系杆套管以及其它施工用预埋件。因此此处结构相当复杂，施工难度很高。
因此采用分次施工拱脚钢混结合段，钢混结合段的施工具体方法如下：
主跨侧现浇梁在拱脚处预留一施工槽，施工槽内与箱梁底板一起灌注底板混凝土。所有通过施工槽的钢筋在此处断开，预留焊接长度，并按照规范要求错开50%。现浇梁横梁处的预应力波纹管在施工槽边断开，待拱脚预埋件安装到位后接上波纹管穿上钢绞线，灌注混凝土后张拉。V腿至拱肋的预应力采用后穿波纹管的方式施工。为确保施工槽内混凝土与箱梁混凝土的联结质量，除应强化混凝土面凿毛外，还在混凝土面处设置接缝ф20钢筋。在灌注现浇梁顶板混凝土时埋置钢管拱的拱脚板的定位件。将拱脚预埋件采用定位支架定位牢固后安装。
4.4、施工控制重点
4.4.1、应严格控制钢管桩的沉降，出现较大的沉降或者不均匀沉降对支架结构的影响很大，采用钢管桩荷载试验确定其贯入度。
4.4.2、斜腿钢管桩顶与斜垫块和分配梁之间的焊缝质量要保证，确保钢管桩承受竖向力，无弯矩。
4.4.3、斜腿两侧平衡施工，控制不平衡水平推力。
5、钢管拱的加工
钢管拱的加工技术要求较高，在加工时要考虑以下问题：①每一段钢管拱都是由很多单节管通过对接构成的，钢管拱主拱管壁厚度达到26mm，直径为1.8米，将直管热煨成弯管难度很大，强行热煨有可能对材质产生不利影响，所以本项目考虑以折代曲，但是必须保证其轴心偏离设计值不得大于8mm。确定单节直管的长度还要考虑将对接焊缝避开吊杆锚箱和斜撑的位置，因此每一单节直管的长度都需要排料确定。②拱肋设置预拱度后必须重新计算斜撑的角度，否则难以安装斜撑。③钢管拱的加工预拱度虽然有设计预拱度，但仍需要根据现场施工程序计算施工预拱度提供给加工单位。
6、钢管拱架设
钢管拱的架设分为三个部分，主拱的架设，稳定拱的架设，横撑和斜撑的架设。
6.1、拱肋安装支架
为增加横向稳定性，钢管主拱和稳定拱架设支架设计成整体支架，支架设置在钢箱梁顶面上，支架立柱采用Φ600*6钢管桩，平联及斜撑采用Φ273*5钢管，其与立柱采用“哈弗”焊接，分配梁采用多组工钢。支架的顺桥向采用Φ25钢丝绳锚固，在架设拱肋前预紧。支架顶平面与拱断面垂直，在支架顶平面安装微调装置，每个微调装置下可安放2台50T液压千斤顶用于调节标高。
稳定拱支架和主拱支架结构一致，支架施工时，稳定拱支架和主拱支架横向连接成整体，以保证钢管拱安装时的支架稳定性。
微调装置由可调托盘、底部支撑横梁、两侧的型钢挡板、横向支撑型钢和千斤顶组成。因钢管拱横向位置容易确定，且在拱肋变形过程中其相对位移较小，而下沉量较大，因此在托盘型钢挡板之间每侧预留2厘米空隙用与调节横向位置，在底部支撑横梁与底平台间放置千斤顶的位置预留了10厘米的活动量，因此在拱肋的横向调节为±2cm，竖向调节为±10cm，可以满足调节需要。整个装置简易实用，便于操作，确保了钢管拱的安装精度。
6.2、主拱及稳定拱架设
在钢箱梁顶面安装40吨龙门吊机和拱肋安装支架，依次吊装拼接调整，施工施工步骤为：主拱架设支架安装-主拱架设支架拱顶调节装置→利用支架顶调节装置调节拱肋标高→主拱合拢。稳定拱的架设可以与主拱同步，但是其锁定焊接需要在吊杆张拉完成后进行，以确保其线型满足设计要求。其架设方法与主拱类似。
7、系杆施工
系杆张拉前要完成主拱的体系转换，将支架落架，取消主拱竖向约束，使其在灌注钢管混凝土时能下沉，但横向不允许摆动。系杆是以平衡荷载对拱脚产生的水平推力，是桥梁的生命线，系杆的张拉与荷载的增加需要均衡进行。
因此，分次张拉力应根据荷载的增加量计算确定，在荷载增加及系杆张拉时需要重点监控这几方面的情况：1、拱座，承台和主拱拱脚的位移情况是否超标；2、边拱拱脚处混凝土应力；3、主拱拱脚处上下面应力。有这三项作保证，可以判断系杆的张拉与荷载的增加是否均衡进行。
8、钢管拱砼施工
钢管拱肋在拱圈内灌注C50微膨胀混凝土，混凝土分两次灌注，第一次灌注主拱内混凝土，第二次灌注稳定拱内混凝土，钢管拱混凝土均采用泵送顶升的方式灌注。
8.1、钢管拱砼三特性
①良好的和易性。鋼管拱内充填砼要达到自密实砼要求，即流动性高、扩展性好、不分层离析、坍落度经时损失小且缓凝。
②足够的强度。设计要求强度等级为C50的早强砼，具体要求为5d强度≥80%配置强度，28d强度≥配置强度。胶凝材料总量控制在＜550㎏∕m3。
③良好的体积稳定性。钢管砼属钢—砼组合结构，钢管与核心砼的共同工作依赖于核心砼的体积稳定性，并对钢管砼拱肋结构的承载力和稳定性产生显著影响。
8.2、砼灌注方案
采用快速对称顶升的方法灌注混凝土。
灌注孔位于拱脚侧面，其开口大小呈椭圆形，具体尺寸参照进浆管，每边应比进浆管小1厘米左右，为保证混凝土泵送的顺利进行，进浆管与拱轴线呈45度角，采用连续满焊，焊缝高度应不小于8毫米。进浆管上接进浆阀，进浆阀外接泵送管，采用80泵泵送顶升混凝土。两端各布置一台80泵，另一台在桥面上备用。将泵管接好，试机一次。将悬于空中及位于桥面的泵管用钢丝绳牢固固定，防止高压状态下泵管摆动幅度过大后脱节。将进浆阀门关闭，避免砂浆进入钢管内，将水和砂浆排净后打开进浆阀开始对称灌注混凝土，两侧混凝土灌注速度基本相同。两侧拱上各安排一人顺拱上敲击拱肋，判断混凝土的灌注进程。混凝土灌注应连续进行，保证在5小时内完成混凝土的灌注。混凝土灌注至拱顶出浆口约2米时应暂停，调整两侧进度一致后，同时再继续泵送，将钢管拱混凝土的顶面浮浆尽量排出出浆口，保证拱顶混凝土的质量。确认拱顶排出的是较好的混凝土后即可停止泵送，将进浆阀门关闭。清理桥面混凝土。待钢管拱混凝土终凝后拆除阀门，割除进浆管和出浆管，将开口封闭焊好。
9、吊杆施工
钢管拱吊杆安装在钢管拱主拱浇注完毕后，钢管拱共设16对吊杆，吊杆索体采用新型低应力防腐拉索，主桥钢箱梁上的全部荷载通过这16对吊杆传递给钢管拱。由于结构新颖，没有借鉴工艺和方案，因此必须更加谨慎的考虑张拉施工方案。以下是确定张拉方案及施工流程：
吊杆张拉的张拉端设计在钢箱梁底，上下游的每组吊杆同步张拉，但是箱梁底部为与箱梁密贴的满布安装支架，张拉设备移动极为困难，而且布置通道需要投入200吨临时钢结构，成本过高，施工难度较大。因此考虑改在顶端张拉，即在钢管拱顶张拉，可以利用现有设备。
将张拉改在上端进行后，由于同组吊杆张拉空间重叠，不能同时张拉。吊杆张拉过程中必须确保钢管拱本身的结构安全，避免钢管拱张拉时钢管拱扭曲应力过大和拱脚出现拉应力过大而开裂。因此按照原设计一次张拉单根吊杆到位行不通，必须多步施工以减少应力。
根据以上因素，我们将钢管拱结构按照空间杆系单元建立结构纵向计算模型，将复杂的施工细化，分5次完成吊杆张拉。降低了施工难度，也降低了施工成本；具体如下：
9.1、吊杆张拉顺序
根据实际施工情况，结合理论计算分析，吊杆张拉采用两套千斤顶张拉设备，同一型号吊杆上下游错位不对称张拉进行。
9.2、吊杆张拉阶段目标值
吊杆张拉本阶段目标值的确定方法为：以理想的成桥目标状态吊杆力值为初始状态，对结构按实际施工顺序进行倒拆分析，从倒拆分析中可初步得出本阶段吊杆的张拉力值。然后将此吊杆张拉力值代入，按实际的施工过程对桥梁结构进行正装计算。若计算的成桥状态与理想状态的差别超过规范允许范围，则采用最小二乘法等相关理论修正初始状态和其它相关参数后再次进行倒拆→正装计算分析，即为迭代过程，直至计算的成桥状态与理想状态的差别在规范允许范围之内为止。
9.3、吊杆张拉分步
结合实际施工张拉顺序与理论计算分析，吊杆一次张拉到阶段目标值很难实现。综合考虑张拉过程中结构的应力状态与稳定性问题，采取将阶段目标值分级，逐步张拉到位的方法进行。在实际施工过程中，张拉分级视上步张拉后，结构实际状态与理论计算状态的偏差而定，并在每步张拉中均对上步实际施工偏差进行修正，以保证本轮张拉后，吊杆力值偏差在规范允许范围之内。
9.4、系杆张拉
为避免在拱肋水平推力作用下结构出现裂缝，在吊杆张拉过程中监测拱座与拱脚的纵向位移。
9.5、实际张拉过程
章江大桥吊杆张拉共进行了五轮，期间系杆进行了两次补拉。
张拉完成后各吊杆及系杆力实测与理论偏差基本均在10%以内。且由于吊杆基础力值比较小，实际偏差大部分在3吨以内，已超出了实际施工张拉操作系统的精度范围，张拉已达到监控目标。
吊杆的五次张拉数据总结如下：
①吊杆张拉过程中，后张拉的吊杆对先张拉的吊杆影响较大，在每根吊杆张拉后钢管拱的内力和线型号以及吊杆力都有一个重新分布的过程，因此应以每轮张拉完成后的实测吊杆力作为下轮张拉值计算的依据，而不是以每轮的初始张拉值作为下轮张拉值计算的依据。
②吊杆张拉的阶段张拉力级差越小，张拉力的变化值越稳定，且变化规律一致；
③钢管拱与吊杆属于多次超静定结构，最终的张拉力是多元解，但应满足结构安全的需要。
最终的数据印证了采用错位不对称分级别张拉，钢管拱吊杆张拉也可以达到设计目的。
10、施工监控
飞燕式拱桥为高次超静定结构，安装过程中结构体系将随施工阶段不同而变化；结构的实际参数与理论值有差异，现场施工荷载与环境也是不断变化的；以上种种原因，必将使施工过程中的内力和位移偏离设计值。因此施工过程中必须对线形及内力进行控制，及时掌握结构实际状态，对施工步骤及控制条件作出调整，防止施工中的误差积累，保证成桥线形与结构安全。
异型钢管拱桥的施工监控应从确定施工方案时就开始介入，从施工方案确定，钢结构制造，边拱施工，钢箱梁架设，钢管拱架设，系杆吊杆张拉，桥面施工，直至最后一次系杆和吊杆张拉，覆盖整个过程，为确保结构的安全质量起到了有效的保障。
11、施工方法的创新
11.1、V構施工
V构斜腿为预应力混凝土结构，断面为八角形箱型，前后斜腿与水平面夹角分别为38.15°和18.26°，采用支架现浇施工。支架需具有足够的强度及刚度，以保证结构安全及质量满足要求，斜腿混凝土浇注时，拱座对混凝土的反作用力在水平方向的分力较大，支架需具有克服该水平力的能力。
支架设计特点：1、采用变形较小的钢管打入桩，满足结构刚度要求；2、纵梁端部与承台(拱座)预埋件通过铰座连接，以克服混凝土浇注时产生的水平力；3、承台预埋件在常水位以下，采用螺栓连接，解决水下施工困难的问题；4、箱梁支架采用横桥向布置，中跨跨越V构斜腿的方案，避免了与两侧钢管桩基础不均匀沉降的问题。5、V构的施工支架设计巧妙，舍弃以往常规的钻孔桩基础，采用钢管沉入桩基础。工期节约31%，成本减少38%。
11.2、吊杆张拉
因同组吊杆张拉空间位置重叠，不得不错位张拉。根据建模计算，确定单级张拉力的大小及张拉顺序以控制主拱扭曲应力和拱脚混凝土不出现拉应力，根据单级张拉力的大小再确定分级数。在超静定结构状态下吊杆张拉后伴随着应力的重新分布，每级张拉完成后，吊杆最终力与张拉力变化较大，所以每级张拉完成后实测吊杆力，计算下级张拉力，最终吊杆拉力符合设计目标值。
12、结语
前面的论述中可以看出：异型钢管拱桥的施工有着鲜明的特点，部分施工无检验可遵循，比如V构的施工，是目前世界桥梁中少有的结构，施工方案必须要经过专家的论证和结合现场的实际情况来确定确定最终的施工方案，赣州章江大桥V构支架的施工，是我单位设计部门及项目部各位同事的再三讨论计算而进行的技术创新，不但节约成本，加快施工进度，而且给以后类似桥梁的施工提供了借鉴。但其大部分结构的施工与普通钢管拱桥有着相似点，在施工中共同遵循着以下的原则：
施工加载过程必须均衡有序进行，加载的过程要满足各部位的结构稳定，有必要采用计算，测量，监控等手段在钢管拱施工中印证和保障结构施工的安全。
参考文献：
[1]西南交大土木设计院《章江大桥施工设计图》
[2]中华人民共和国国家标准《公路桥涵施工技术规范》(JGJ041-2000)
[3]周学军编《钢结构设计规范》GB50017
[4]周永兴等《路桥施工计算手册》
[5]陈宝春《钢管砼拱桥设计与施工》人民交通出版社2002
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：异性拱桥V构 现浇支架 张拉 监控技术创新
Abstract: The steel tube arch bridge with its beautiful appearance, stable structure, large span, in urban road bridge and railway up to get larger application. This article through the ordinary steel tube arch bridge steel tube arch bridge with the comparison of the opposite sex, combined with ZhangJiang bridge steel tube arch bridge ganzhou construction practice, to sum up the bridge construction techniques, difficulties and related technology innovation, as the construction experience of the type of the Bridges for reference.
Key Words: opposite arch bridge, V cast-in-site, stents, constitutive tension, control, technology innovation
中图分类号：U445 文献标识码：A文章编号：
1、钢管拱桥梁的结构特点
钢管拱桥梁以其造型美观，结构稳定，跨度较大，目前在城市公路桥梁以及铁路上都得到较大规模的应用。钢管拱桥梁一般主要由边拱，主拱，拱座，梁，平衡水平力的系杆以及拱梁之间的立柱或者吊杆组成（或其中部分）。钢管拱桥梁可分为普通钢管拱桥梁，异型钢管拱桥梁以及钢管拱组合体系桥梁三种。
1.1、普通钢管拱桥梁
普通钢管拱桥梁按照承载方式可分为上承式，中承式，下承式三种。普通钢管拱桥梁结构比较简单，受力比较明确，制造及安装相对比较常规。如下图所示。
上承式钢管拱桥
中承式钢管拱桥
下承式钢管拱桥
1.2、异性钢管拱桥梁
异型钢管拱桥梁在结构上变化较大，一般以其结构特点命名，不再简单以承载方式分类，以南昌艾西湖大桥为例，在空间上完全颠覆了以往钢管拱桥的印象，以特殊设计的空间结构实现了城市桥梁的景观效果。为追求景观效果，赣州章江大桥设计成“新月”型，在钢管拱制造及施工中具有一定的难度和技术创新。如下图所示。
艾西湖大桥
赣州章江大桥
1.3、组合体系钢管拱桥梁
湘潭莲城大橋主桥为跨度120m+400m+120m斜拉－钢管混凝土拱组合体系桥梁，为世界首创桥型。湘潭莲城大桥桥型结合了索桥与拱桥的优点，造型别具一格。满足了景观效果和跨度的双重要求。其钢管拱部分的结构与普通钢管拱结构类似。
莲城大桥
1.4、普通钢管拱桥与异性钢管拱桥比较
以漳州西洋坪大桥和赣州章江大桥为例，比较普通钢管拱结构和异型钢管拱结构的区别。
1.4.1、以漳州西洋坪大桥为例说明普通钢管拱桥的结构。漳州西洋坪大桥是一座中承式钢管拱桥，成桥图片如下，可以看出，主拱由上下游拱肋通过横向连接系形成稳定结构，结构受力比较简单明确。
西洋坪大桥
1.4.2、普通钢管拱桥与异性钢管拱桥比较表
项目 普通钢管拱桥 异型钢管拱桥
主拱 1、一般采用多片桁架拱或者箱形拱，采用连接系维持稳定。
2、分段制造，整节安装
3、跨度相对可以较大
4、现场施工难度一般大于制造难度 1、形式变化多，特制构件多。
2、分件制造，分批散件安装
3、跨度受结构限制
4、现场施工难度一般小于制造难度
边拱 较多采用飞燕形式即半拱形式或无边拱，钢筋混凝土结构较多 采用V构或无边拱，可以采用预应力钢筋混凝土结构或钢结构
拱座 以承压为主，受力简单明确 受力复杂，拱脚承受偏心弯矩
梁 较多采用混凝土结构或者钢混结合的形式降低成本。 为减轻重量，确保结构安全，大量使用钢箱梁。
系杆 采用通长设置的系杆以平衡拱肋水平推力，以山体等作基础抵抗水平力时不设置系杆。
吊杆 一般在拱肋平面内设置，张拉施工相对简单 可以多方向设置，张拉施工较复杂
2、赣州章江大桥工程概况
章江大桥主桥为三跨飞燕式异型钢管拱桥，主桥采用钢管拱和钢箱梁，主拱设置64根吊杆。边跨采用V构及预应力现浇箱梁结构。主桥长254m，主跨158m。
2.1、钢管拱结构
主拱钢管拱水平投影总长114.5m。纵向共分7节段制造，节段水平投影长2.48～22.5m，第一节段与拱脚预埋板加工成整体运输至工地，钢管规格为φ1800X26mm。单根稳定拱纵向分7节段制造，钢管规格为φ1200X22mm。
拱肋安装时，段与段之间首先通过法兰盘进行联接，然后通过嵌补段将主拱拱肋对接焊联形成整体。
稳定拱与主拱之间采用斜腹杆连接，腹杆采用焊接箱形杆件，杆件在桥梁断面为鱼腹形。稳定拱之间采用钢管连接，分别与两侧稳定拱焊接。为避免后焊接对钢管混凝土的损伤，斜腹杆先焊接一段在主拱上，剩余部分现场安装。
拱脚段将预埋板、第一节主拱、稳定拱及加劲板制作成为整体。
2.2、吊杆体系
主拱共设16对32根吊杆，横桥向成“八”字形。吊杆规格均为LZM7-55型，吊杆索体采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。
吊杆顺桥向间距6m，同一断面横桥向布置两根吊索，分别锚固在主拱拱肋和主梁钢锚箱内，主梁处为张拉端，主拱处为固定端，横桥向间距4.4m。
2.3、系杆体系
全桥共设置4根水平系杆，系杆布置在中央分隔带区域桥面上，两端锚固于边跨混凝土箱梁梁端横梁处梁顶锚体之上，锚体为钢筋混凝土结构，采用C50混凝土，锚体及拱座处埋设系杆预埋钢管。系杆拉索采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。
3、总体施工方案
边拱采用连续钢支架现浇施工，钢箱梁在工厂分节段制造，采用120吨龙门吊安放在水中支架上，钢箱梁在现场焊接成为整体。
在钢箱梁顶面设置拱肋安装支架，拼装40吨龙门吊架拱。钢管拱混凝土采用两端同步顶升的方法灌注。系杆分三次张拉到位，与荷载加载均衡进行。吊杆采用分级张拉到位。
4、边拱施工
4.1、施工方法及流程
V构的施工支架设计巧妙，舍弃以往常规的钻孔桩基础，采用钢管沉入桩基础。工期节约31%，成本减少38%。底平台纵梁端部与承台(拱座)预埋件通过铰座连接，以抵抗混凝土浇注时产生的水平力，也能有效承受结构物自重产生的竖向荷载；斜腿和现浇梁的支架分离设置，现浇梁的支架未设置在斜腿顶面，避免了支撑于斜腿上的支架基础与现浇梁基础不均匀沉降的问题。
斜腿采用分段浇筑施工，分段张拉接长，前段混凝土与底平台的静摩擦力与水平推力平衡，后节段施工不再增加前一阶段的支架水平力，也使得支架更为安全。现浇梁采用分段施工，设置合拢段，支架分步加载，也同时解决了两端张拉空间不足的问题。
V构顶部与钢管拱结合处的钢混结合段钢筋和预应力密集，混凝土施工质量要求高，钢管拱预埋件定位精度要求高，原设计采用一次成形。在施工中研究采用分步施工，既减小了施工难度，同时钢管拱预埋件由原来支撑在较为柔性的现浇支架上改为支撑在刚性的混凝土上，确保了定位精度。
施工流程如下：V腿支架施工→安装V腿第一（二）节底模→安装V腿第一（二）节钢筋、布置预应力→安装内、外侧模→预埋件安装及检查→灌注V腿第一（二）节砼→预应力张拉，压浆→竣工检查→边跨现浇梁支架施工→安装底模→安装第三节V腿及现浇梁以下的钢筋→预应力部分施工→立内外模板→立箱梁底模→绑扎箱梁钢筋→布置箱梁预应力→安装钢管拱拱脚段及其它预埋件→立箱梁侧模及内模→安装拱脚段模板→灌注混凝土→预应力张拉，压浆→箱梁合龙段临时锁定→绑扎合龙段钢筋→布置预应力→灌注混凝土→预应力张拉，压浆→拆除支架及底模→系杆锚固齿块施工→拱脚段钢管拱外包混凝土施工。
4.2、斜腿支架
斜腿采用支架法现浇施工，前斜腿分两个节段，后斜腿分三个节段。前一个节段施工完毕，待混凝土达到强度后，对预应力钢绞线进行张拉及接长，然后进行下一个节段施工。
4.3、钢混结合段施工
拱脚钢混结合段施工是V构施工最为复杂的部分，此处结构物众多，在拱脚钢混结合段区域内布置有如下结构：①钢管拱拱脚板预埋在拱脚混凝土内，拱脚板背部集中有加强角钢，顺拱向的预应力精扎螺纹筋，拱背结构钢筋，钢管拱锚固钢筋。②边跨现浇梁的顺桥向预应力，横桥向预应力，结构钢筋。③拱肋的纵向预应力，结构钢筋。④系杆套管以及其它施工用预埋件。因此此处结构相当复杂，施工难度很高。
因此采用分次施工拱脚钢混结合段，钢混结合段的施工具体方法如下：
主跨侧现浇梁在拱脚处预留一施工槽，施工槽内与箱梁底板一起灌注底板混凝土。所有通过施工槽的钢筋在此处断开，预留焊接长度，并按照规范要求错开50%。现浇梁横梁处的预应力波纹管在施工槽边断开，待拱脚预埋件安装到位后接上波纹管穿上钢绞线，灌注混凝土后张拉。V腿至拱肋的预应力采用后穿波纹管的方式施工。为确保施工槽内混凝土与箱梁混凝土的联结质量，除应强化混凝土面凿毛外，还在混凝土面处设置接缝ф20钢筋。在灌注现浇梁顶板混凝土时埋置钢管拱的拱脚板的定位件。将拱脚预埋件采用定位支架定位牢固后安装。
4.4、施工控制重点
4.4.1、应严格控制钢管桩的沉降，出现较大的沉降或者不均匀沉降对支架结构的影响很大，采用钢管桩荷载试验确定其贯入度。
4.4.2、斜腿钢管桩顶与斜垫块和分配梁之间的焊缝质量要保证，确保钢管桩承受竖向力，无弯矩。
4.4.3、斜腿两侧平衡施工，控制不平衡水平推力。
5、钢管拱的加工
钢管拱的加工技术要求较高，在加工时要考虑以下问题：①每一段钢管拱都是由很多单节管通过对接构成的，钢管拱主拱管壁厚度达到26mm，直径为1.8米，将直管热煨成弯管难度很大，强行热煨有可能对材质产生不利影响，所以本项目考虑以折代曲，但是必须保证其轴心偏离设计值不得大于8mm。确定单节直管的长度还要考虑将对接焊缝避开吊杆锚箱和斜撑的位置，因此每一单节直管的长度都需要排料确定。②拱肋设置预拱度后必须重新计算斜撑的角度，否则难以安装斜撑。③钢管拱的加工预拱度虽然有设计预拱度，但仍需要根据现场施工程序计算施工预拱度提供给加工单位。
6、钢管拱架设
钢管拱的架设分为三个部分，主拱的架设，稳定拱的架设，横撑和斜撑的架设。
6.1、拱肋安装支架
为增加横向稳定性，钢管主拱和稳定拱架设支架设计成整体支架，支架设置在钢箱梁顶面上，支架立柱采用Φ600*6钢管桩，平联及斜撑采用Φ273*5钢管，其与立柱采用“哈弗”焊接，分配梁采用多组工钢。支架的顺桥向采用Φ25钢丝绳锚固，在架设拱肋前预紧。支架顶平面与拱断面垂直，在支架顶平面安装微调装置，每个微调装置下可安放2台50T液压千斤顶用于调节标高。
稳定拱支架和主拱支架结构一致，支架施工时，稳定拱支架和主拱支架横向连接成整体，以保证钢管拱安装时的支架稳定性。
微调装置由可调托盘、底部支撑横梁、两侧的型钢挡板、横向支撑型钢和千斤顶组成。因钢管拱横向位置容易确定，且在拱肋变形过程中其相对位移较小，而下沉量较大，因此在托盘型钢挡板之间每侧预留2厘米空隙用与调节横向位置，在底部支撑横梁与底平台间放置千斤顶的位置预留了10厘米的活动量，因此在拱肋的横向调节为±2cm，竖向调节为±10cm，可以满足调节需要。整个装置简易实用，便于操作，确保了钢管拱的安装精度。
6.2、主拱及稳定拱架设
在钢箱梁顶面安装40吨龙门吊机和拱肋安装支架，依次吊装拼接调整，施工施工步骤为：主拱架设支架安装-主拱架设支架拱顶调节装置→利用支架顶调节装置调节拱肋标高→主拱合拢。稳定拱的架设可以与主拱同步，但是其锁定焊接需要在吊杆张拉完成后进行，以确保其线型满足设计要求。其架设方法与主拱类似。
7、系杆施工
系杆张拉前要完成主拱的体系转换，将支架落架，取消主拱竖向约束，使其在灌注钢管混凝土时能下沉，但横向不允许摆动。系杆是以平衡荷载对拱脚产生的水平推力，是桥梁的生命线，系杆的张拉与荷载的增加需要均衡进行。
因此，分次张拉力应根据荷载的增加量计算确定，在荷载增加及系杆张拉时需要重点监控这几方面的情况：1、拱座，承台和主拱拱脚的位移情况是否超标；2、边拱拱脚处混凝土应力；3、主拱拱脚处上下面应力。有这三项作保证，可以判断系杆的张拉与荷载的增加是否均衡进行。
8、钢管拱砼施工
钢管拱肋在拱圈内灌注C50微膨胀混凝土，混凝土分两次灌注，第一次灌注主拱内混凝土，第二次灌注稳定拱内混凝土，钢管拱混凝土均采用泵送顶升的方式灌注。
8.1、钢管拱砼三特性
①良好的和易性。鋼管拱内充填砼要达到自密实砼要求，即流动性高、扩展性好、不分层离析、坍落度经时损失小且缓凝。
②足够的强度。设计要求强度等级为C50的早强砼，具体要求为5d强度≥80%配置强度，28d强度≥配置强度。胶凝材料总量控制在＜550㎏∕m3。
③良好的体积稳定性。钢管砼属钢—砼组合结构，钢管与核心砼的共同工作依赖于核心砼的体积稳定性，并对钢管砼拱肋结构的承载力和稳定性产生显著影响。
8.2、砼灌注方案
采用快速对称顶升的方法灌注混凝土。
灌注孔位于拱脚侧面，其开口大小呈椭圆形，具体尺寸参照进浆管，每边应比进浆管小1厘米左右，为保证混凝土泵送的顺利进行，进浆管与拱轴线呈45度角，采用连续满焊，焊缝高度应不小于8毫米。进浆管上接进浆阀，进浆阀外接泵送管，采用80泵泵送顶升混凝土。两端各布置一台80泵，另一台在桥面上备用。将泵管接好，试机一次。将悬于空中及位于桥面的泵管用钢丝绳牢固固定，防止高压状态下泵管摆动幅度过大后脱节。将进浆阀门关闭，避免砂浆进入钢管内，将水和砂浆排净后打开进浆阀开始对称灌注混凝土，两侧混凝土灌注速度基本相同。两侧拱上各安排一人顺拱上敲击拱肋，判断混凝土的灌注进程。混凝土灌注应连续进行，保证在5小时内完成混凝土的灌注。混凝土灌注至拱顶出浆口约2米时应暂停，调整两侧进度一致后，同时再继续泵送，将钢管拱混凝土的顶面浮浆尽量排出出浆口，保证拱顶混凝土的质量。确认拱顶排出的是较好的混凝土后即可停止泵送，将进浆阀门关闭。清理桥面混凝土。待钢管拱混凝土终凝后拆除阀门，割除进浆管和出浆管，将开口封闭焊好。
9、吊杆施工
钢管拱吊杆安装在钢管拱主拱浇注完毕后，钢管拱共设16对吊杆，吊杆索体采用新型低应力防腐拉索，主桥钢箱梁上的全部荷载通过这16对吊杆传递给钢管拱。由于结构新颖，没有借鉴工艺和方案，因此必须更加谨慎的考虑张拉施工方案。以下是确定张拉方案及施工流程：
吊杆张拉的张拉端设计在钢箱梁底，上下游的每组吊杆同步张拉，但是箱梁底部为与箱梁密贴的满布安装支架，张拉设备移动极为困难，而且布置通道需要投入200吨临时钢结构，成本过高，施工难度较大。因此考虑改在顶端张拉，即在钢管拱顶张拉，可以利用现有设备。
将张拉改在上端进行后，由于同组吊杆张拉空间重叠，不能同时张拉。吊杆张拉过程中必须确保钢管拱本身的结构安全，避免钢管拱张拉时钢管拱扭曲应力过大和拱脚出现拉应力过大而开裂。因此按照原设计一次张拉单根吊杆到位行不通，必须多步施工以减少应力。
根据以上因素，我们将钢管拱结构按照空间杆系单元建立结构纵向计算模型，将复杂的施工细化，分5次完成吊杆张拉。降低了施工难度，也降低了施工成本；具体如下：
9.1、吊杆张拉顺序
根据实际施工情况，结合理论计算分析，吊杆张拉采用两套千斤顶张拉设备，同一型号吊杆上下游错位不对称张拉进行。
9.2、吊杆张拉阶段目标值
吊杆张拉本阶段目标值的确定方法为：以理想的成桥目标状态吊杆力值为初始状态，对结构按实际施工顺序进行倒拆分析，从倒拆分析中可初步得出本阶段吊杆的张拉力值。然后将此吊杆张拉力值代入，按实际的施工过程对桥梁结构进行正装计算。若计算的成桥状态与理想状态的差别超过规范允许范围，则采用最小二乘法等相关理论修正初始状态和其它相关参数后再次进行倒拆→正装计算分析，即为迭代过程，直至计算的成桥状态与理想状态的差别在规范允许范围之内为止。
9.3、吊杆张拉分步
结合实际施工张拉顺序与理论计算分析，吊杆一次张拉到阶段目标值很难实现。综合考虑张拉过程中结构的应力状态与稳定性问题，采取将阶段目标值分级，逐步张拉到位的方法进行。在实际施工过程中，张拉分级视上步张拉后，结构实际状态与理论计算状态的偏差而定，并在每步张拉中均对上步实际施工偏差进行修正，以保证本轮张拉后，吊杆力值偏差在规范允许范围之内。
9.4、系杆张拉
为避免在拱肋水平推力作用下结构出现裂缝，在吊杆张拉过程中监测拱座与拱脚的纵向位移。
9.5、实际张拉过程
章江大桥吊杆张拉共进行了五轮，期间系杆进行了两次补拉。
张拉完成后各吊杆及系杆力实测与理论偏差基本均在10%以内。且由于吊杆基础力值比较小，实际偏差大部分在3吨以内，已超出了实际施工张拉操作系统的精度范围，张拉已达到监控目标。
吊杆的五次张拉数据总结如下：
①吊杆张拉过程中，后张拉的吊杆对先张拉的吊杆影响较大，在每根吊杆张拉后钢管拱的内力和线型号以及吊杆力都有一个重新分布的过程，因此应以每轮张拉完成后的实测吊杆力作为下轮张拉值计算的依据，而不是以每轮的初始张拉值作为下轮张拉值计算的依据。
②吊杆张拉的阶段张拉力级差越小，张拉力的变化值越稳定，且变化规律一致；
③钢管拱与吊杆属于多次超静定结构，最终的张拉力是多元解，但应满足结构安全的需要。
最终的数据印证了采用错位不对称分级别张拉，钢管拱吊杆张拉也可以达到设计目的。
10、施工监控
飞燕式拱桥为高次超静定结构，安装过程中结构体系将随施工阶段不同而变化；结构的实际参数与理论值有差异，现场施工荷载与环境也是不断变化的；以上种种原因，必将使施工过程中的内力和位移偏离设计值。因此施工过程中必须对线形及内力进行控制，及时掌握结构实际状态，对施工步骤及控制条件作出调整，防止施工中的误差积累，保证成桥线形与结构安全。
异型钢管拱桥的施工监控应从确定施工方案时就开始介入，从施工方案确定，钢结构制造，边拱施工，钢箱梁架设，钢管拱架设，系杆吊杆张拉，桥面施工，直至最后一次系杆和吊杆张拉，覆盖整个过程，为确保结构的安全质量起到了有效的保障。
11、施工方法的创新
11.1、V構施工
V构斜腿为预应力混凝土结构，断面为八角形箱型，前后斜腿与水平面夹角分别为38.15°和18.26°，采用支架现浇施工。支架需具有足够的强度及刚度，以保证结构安全及质量满足要求，斜腿混凝土浇注时，拱座对混凝土的反作用力在水平方向的分力较大，支架需具有克服该水平力的能力。
支架设计特点：1、采用变形较小的钢管打入桩，满足结构刚度要求；2、纵梁端部与承台(拱座)预埋件通过铰座连接，以克服混凝土浇注时产生的水平力；3、承台预埋件在常水位以下，采用螺栓连接，解决水下施工困难的问题；4、箱梁支架采用横桥向布置，中跨跨越V构斜腿的方案，避免了与两侧钢管桩基础不均匀沉降的问题。5、V构的施工支架设计巧妙，舍弃以往常规的钻孔桩基础，采用钢管沉入桩基础。工期节约31%，成本减少38%。
11.2、吊杆张拉
因同组吊杆张拉空间位置重叠，不得不错位张拉。根据建模计算，确定单级张拉力的大小及张拉顺序以控制主拱扭曲应力和拱脚混凝土不出现拉应力，根据单级张拉力的大小再确定分级数。在超静定结构状态下吊杆张拉后伴随着应力的重新分布，每级张拉完成后，吊杆最终力与张拉力变化较大，所以每级张拉完成后实测吊杆力，计算下级张拉力，最终吊杆拉力符合设计目标值。
12、结语
前面的论述中可以看出：异型钢管拱桥的施工有着鲜明的特点，部分施工无检验可遵循，比如V构的施工，是目前世界桥梁中少有的结构，施工方案必须要经过专家的论证和结合现场的实际情况来确定确定最终的施工方案，赣州章江大桥V构支架的施工，是我单位设计部门及项目部各位同事的再三讨论计算而进行的技术创新，不但节约成本，加快施工进度，而且给以后类似桥梁的施工提供了借鉴。但其大部分结构的施工与普通钢管拱桥有着相似点，在施工中共同遵循着以下的原则：
施工加载过程必须均衡有序进行，加载的过程要满足各部位的结构稳定，有必要采用计算，测量，监控等手段在钢管拱施工中印证和保障结构施工的安全。
参考文献：
[1]西南交大土木设计院《章江大桥施工设计图》
[2]中华人民共和国国家标准《公路桥涵施工技术规范》(JGJ041-2000)
[3]周学军编《钢结构设计规范》GB50017
[4]周永兴等《路桥施工计算手册》
[5]陈宝春《钢管砼拱桥设计与施工》人民交通出版社2002
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。