丹河大橋是晉（城）焦（作）高速公路上的一座特大型橋梁，主跨146米，是目前世界上同類橋型結(jié)構(gòu)中最大跨徑的橋梁，其橋梁寬度、荷載等級(jí)及橋梁高度也使石拱橋的設(shè)計(jì)建設(shè)水平提高到了一個(gè)新的高度。本文主要對丹河大橋的設(shè)計(jì)、施工與科研工作特點(diǎn)作一簡要介紹。
一、 引 言
丹河大橋位于山西省晉城市太行山西麓上的丹河上，距晉城市約10km，是晉焦高速公路上跨越丹河的一座特大型橋梁。
該橋于1996年開始初步設(shè)計(jì)，通過對連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋與拱橋等多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，考慮到該橋橋址處的自然地理環(huán)境、工程地質(zhì)條件、原材料儲(chǔ)量與運(yùn)輸條件、當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)與人文環(huán)境等因素，確定采用大跨度石拱橋跨越丹河的橋型方案。該橋于1997年11月開工建設(shè)，于2000年7月順利建成，成為了目前世界最大跨徑的石拱橋，也是中國第十八座跨徑百米以上的石拱橋。
建成后的丹河大橋，不僅繼承和發(fā)揚(yáng)了石拱橋這一中國的傳統(tǒng)優(yōu)勢橋型的建設(shè)技術(shù)，并在橋梁跨徑、橋梁寬度、荷載等級(jí)、橋梁高度與建設(shè)速度等方面取得了較大的突破，而且，通過采用現(xiàn)代橋梁科研手段與設(shè)計(jì)、施工技術(shù)，加大了石拱橋的技術(shù)含量，提高了石拱橋的建設(shè)水平，為在高荷載作用下的大跨度石拱橋的建設(shè)提供了成功的范例。雄偉壯麗、富于民族特色的丹河大橋建成后，與著名的玨山風(fēng)景區(qū)溶為一體，成為晉城市一道靚麗的風(fēng)景線(見圖-1)。下面就丹河大橋的有關(guān)設(shè)計(jì)、施工與科研情況作一簡介。
圖-1建成通車的丹河大橋
二、橋址自然環(huán)境與主要技術(shù)指標(biāo)
丹河大橋橋址位于太行山腳的低山丘陵地帶，河谷常年受水切蝕較深，呈“U”型河谷相對高差近80m。晉城岸基巖裸露，焦作岸基巖埋藏較深，約12m左右，為弱、微風(fēng)化白云巖，屬硬質(zhì)巖系。丹河受上游水庫調(diào)節(jié)，除洪水期外，常年水流很小。橋址處沒有發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，基巖完整性較好，地震烈度為Ⅵ度。除焦作岸基巖傾斜較嚴(yán)重外，其場地建設(shè)條件較適合于修建大跨度石拱橋。
其主要技術(shù)指標(biāo)為：
1、 公路等級(jí)：四車道高速公路（含兩側(cè)人行道）；
2、 計(jì)算行車速度：80km/h；
3、 荷載等級(jí)：汽車－超20級(jí)，掛車－120；人群 3.5kN/m
2；
4、 主孔凈跨徑：146m；
5、 凈矢高：32.444m；
6、 主拱圈厚度：H
d=2.5m，H
j=3.5m；
7、 橋面寬度：24.8m；
8、 橋梁高度：80.6m；
9、 結(jié)構(gòu)形式：全空腹式變截面石板拱；
10、 主要材料：主拱圈采用40號(hào)小石子混凝土砌100號(hào)大料石；基礎(chǔ)采用30號(hào)片石混凝土；腹拱填料采用加氣混凝土；橋面鋪裝為鋼纖維混凝土；其余除推力墩與截面較大的腹拱墩采用漿砌片石外包漿砌料石外均采用30號(hào)小石子混凝土砌60號(hào)料石。
三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)
丹河大橋通過一系列的不同橋梁跨徑、不同矢跨比以及不同的拱上建筑形式的綜合比選、論證，最終確定的橋型方案為主跨146m的全空腹式變截面石板拱橋。其跨徑組成為：2x30m+146m+5x30m。橋梁全長413.7m。主橋拱上建筑由14孔跨徑9.4m、厚度0.6m的腹拱組成。橋梁欄桿為表現(xiàn)晉城市歷史文化的石雕圖畫與傳統(tǒng)的石獅子組成，體現(xiàn)了現(xiàn)代與傳統(tǒng)文明的完美結(jié)合。基礎(chǔ)除焦作岸引橋采用挖孔樁基礎(chǔ)外，其余均采用片石混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，其中焦作岸主拱座因基巖傾斜較嚴(yán)重、巖石層理發(fā)育，采用了錨桿加固措施。
由于丹河大橋橋高達(dá)80m，且溝深谷陡，在跨徑達(dá)146m的情況下，采用何種形式的支架施工成為了本橋成敗的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)形式、多種材料選擇，丹河大橋拱架最終采用了結(jié)構(gòu)受力明確、穩(wěn)定性與安全度高、施工速度快、設(shè)備重復(fù)利用率高的空間排架式鋼拱架。橫向5排，縱向8跨，由16Mn鋼萬能桿件與軍用墩組成。拱盔部分采用圓松木排架與弓形木及模板構(gòu)成（見圖－2）。卸架設(shè)備則采用了傳統(tǒng)的單木楔與組合木楔完成。方便、穩(wěn)妥、可控性強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際施工過程來看，這種方案是十分成功的。
主拱圈及拱上建筑的砌筑，拚棄了傳統(tǒng)的纜索吊裝與扒桿施工方法，采用兩臺(tái)塔吊直接吊裝施工，由于跨徑大，主拱圈料石的分類也相對簡單。本橋主拱圈共采用了厚度為36Cm～60Cm的100號(hào)料石336路共34409塊，分5環(huán)10段砌筑。每環(huán)縱向設(shè)置了11道空縫，由扁鐵塞墊；砌縫寬度為3Cm，砌縫材料為40號(hào)小石子混凝土，采用小直徑振搗棒振搗。加載順序根據(jù)變形與受力觀測結(jié)果，通過施工仿真模擬計(jì)算后確定。主拱圈采用環(huán)環(huán)合攏，兩階段逐次循環(huán)落架方案。整個(gè)施工過程，均處于嚴(yán)密而科學(xué)的控制之中，使丹河大橋主拱圈施工僅用了短短的四個(gè)月時(shí)間，各項(xiàng)工程指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。
四、主要科研設(shè)計(jì)內(nèi)容與成果
由于丹河大橋推薦方案主跨達(dá)146m，為目前世界上最大跨徑的石拱橋，且荷載標(biāo)準(zhǔn)高，橋梁高度大，在橋梁設(shè)計(jì)與施工過程中，有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。而且，我國的現(xiàn)行規(guī)范及世界相關(guān)規(guī)范中也沒有這樣高標(biāo)號(hào)的砌體力學(xué)性能指標(biāo)可供使用或借鑒。鑒于此，1997年7月成立了“特大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組，開展課題研究工作，其主要目的是：
1.通過原材料試驗(yàn)及砌體力學(xué)性能試驗(yàn)，掌握高標(biāo)號(hào)小石子混凝土的配比及施工工藝；
2.掌握高標(biāo)號(hào)砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，從而補(bǔ)充有關(guān)規(guī)范未及內(nèi)容；
3.為丹河橋設(shè)計(jì)及施工監(jiān)控提供參數(shù)；
4.通過對特大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究，總結(jié)一套適應(yīng)于特大跨徑石拱橋的設(shè)計(jì)與分析方法；
5.通過對特大跨徑石拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究，確定丹河大橋的施工及加載工藝，總結(jié)一套實(shí)用的大跨徑石拱橋的施工工藝與施工控制技術(shù)；
6.通過凈、動(dòng)載試驗(yàn)與各工況的模型試驗(yàn)，掌握丹河大橋各主要工況下主體結(jié)構(gòu)受力情況，為橋梁的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的安全性提供依據(jù)。
按照上述主要目標(biāo)，由晉城市交通局主持，中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院為主要承擔(dān)單位，聯(lián)合了丹河大橋項(xiàng)目部、重慶交通學(xué)院、長安大學(xué)、山西省交通科學(xué)研究所等單位對以下主要內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究：
1.特大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究：
1.1 研究大跨徑石拱橋設(shè)計(jì)技術(shù)；
1.2 研究大跨徑石拱橋拱上建筑共同作用的影響程度；
1.3 研究基礎(chǔ)變位對大跨徑石拱橋結(jié)構(gòu)受力及變形的影響情況；
1.4 研究溫度變化對大跨徑石拱橋結(jié)構(gòu)受力及變形的影響情況；
1.5 研究非線性問題對主拱圈受力及變形的影響情況；
1.6 研究鋼拱架設(shè)計(jì)方案與施工工藝；
1.7 研究主拱圈加載順序與砌筑工藝；
1.8 研究主拱圈落架技術(shù)與施工工藝；
2.大型砌體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究：
2.1 現(xiàn)場原材料的物理、化學(xué)及力學(xué)指標(biāo)測定；
2.2 砌體力學(xué)性能試驗(yàn)研究；
2.3 高標(biāo)號(hào)小石子混凝土配合比試驗(yàn)研究；
3.主拱圈模型試驗(yàn)；
4.大跨徑石拱橋美學(xué)研究
5.施工監(jiān)測與施工控制；
6.成橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)；
課題主要研究內(nèi)容已于近期陸續(xù)完成，主要成果都已成功的應(yīng)用到了丹河大橋的建設(shè)中（其各項(xiàng)主要研究成果將陸續(xù)予以專題介紹），對丹河大橋的順利建成起到了很好的技術(shù)保障作用。對我國大跨度石拱橋的發(fā)展與進(jìn)步，提供一整套較系統(tǒng)、較完善的科學(xué)方法。
通過試驗(yàn)研究，不僅完成了高標(biāo)號(hào)小石子混凝土砌體的力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)以及1:10的模型試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)與施工控制的基本參數(shù)的取用提供了依據(jù)。而且，通過采用仿真模擬分析及多種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法與傳統(tǒng)的懸鏈線拱軸理論的對比研究，對大跨度石拱橋的設(shè)計(jì)方法與施工關(guān)鍵工藝提出了建議。其主要結(jié)論有：
1、 傳統(tǒng)的懸鏈線拱軸理論對大跨度石拱橋主要控制斷面的內(nèi)力可起到初步控制作用，但不能反映分步施工主拱圈斷面的受力情況；
2、 采用有限元法分析大跨度石拱橋的結(jié)構(gòu)受力是可行的，其計(jì)算精度在計(jì)算模型及單元選擇合理的情況下，完全年滿足設(shè)計(jì)與施工控制精度要求；
3、 幾種常用的不同有限單元均能用于石拱橋分析中，相對而言，實(shí)體單元更能適應(yīng)大跨度分步施工石拱橋的受力特點(diǎn)。
4、 拱圈成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力，其計(jì)入拱上建筑聯(lián)合作用后，對拱頂、3L/8的應(yīng)力有一定影響，可改善拱頂區(qū)域的應(yīng)力分布，所占應(yīng)力比例最大可達(dá)10％，對拱腳、L/4的應(yīng)力影響較小。大跨度石拱橋結(jié)構(gòu)受力分析應(yīng)考慮拱上建筑的聯(lián)合作用效果。
5、 拱上建筑聯(lián)合作用對主拱圈低頻振動(dòng)響應(yīng)影響不大，但對高頻振動(dòng)響應(yīng)頻率有降低，效果較明顯，這與腹拱結(jié)構(gòu)形式有一定關(guān)系。
6、 主拱圈的穩(wěn)定性分析表明，考慮拱上建筑聯(lián)合作用后，對主拱圈的穩(wěn)定安全性會(huì)有較明顯改善。
7、 由于主拱圈施工過程中，空縫內(nèi)有扁鐵支頂，實(shí)際主拱圈第一環(huán)無論合攏與否，其主拱圈軸力已經(jīng)發(fā)生傳遞。因此，采用第一環(huán)不合攏的方法來達(dá)到減少第一環(huán)應(yīng)力是不現(xiàn)實(shí)的。
8、 采用實(shí)體單元模擬石拱橋結(jié)構(gòu)受力是合理的，其受力狀況能達(dá)到模擬每一環(huán)實(shí)際砌筑過程的程度，計(jì)算時(shí)間在目前的計(jì)算機(jī)水平下只需一分鐘左右，完全能實(shí)現(xiàn)跟蹤模擬。
9、 空縫的設(shè)置對大跨度石拱橋來講，應(yīng)適當(dāng)多一點(diǎn)，且設(shè)置位置要根據(jù)拱架的實(shí)際支撐情況確定，以達(dá)到適應(yīng)施工中變形的目的。
10、合理細(xì)化主拱圈砌筑程序，即根據(jù)主拱圈施工過程中的受力及變形情況，經(jīng)常性調(diào)整砌筑部位，對改善主拱圈施工過程中及成橋后的應(yīng)力狀況都是有好處的。
11、采用加氣混凝土作為拱上填料，可有效地減小了填料自重及恒載，減輕了主拱、墩臺(tái)及地基的負(fù)擔(dān)。對提高拱上建筑的整體剛度，改善車輛荷載的分布狀況，減少填料對側(cè)墻的擠壓力，改善橋面防水措施，提高高速公路上大跨徑拱橋的橋面質(zhì)量有一定作用
12、晉城產(chǎn)白云巖的物理性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)分析可知該橋選定的采石場出產(chǎn)的灰色白云巖和棕色白云巖石質(zhì)均勻，無風(fēng)化；吸水率、抗凍性和堅(jiān)固性符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041-89)對大跨徑橋梁砌塊石料的要求；石料力性能試驗(yàn)表明兩種白云巖抗壓強(qiáng)度符合橋梁施工規(guī)范(JTJ041-89)對大跨徑拱橋主拱圈砌塊材料強(qiáng)度等級(jí)的要求；試驗(yàn)測得巖石的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及s-e曲線可供砌體和拱橋力學(xué)分析之用。
13、模型試驗(yàn)表明實(shí)橋施工過程受力分析結(jié)果可信，施工方案合理。
14、在支架上分環(huán)分段砌筑大跨徑石拱橋時(shí)，先期砌筑的拱環(huán)參與拱架共同受力作用明顯，其貢獻(xiàn)度可達(dá)30%左右。
15、實(shí)橋在施工過程中及恒載狀態(tài)下，其主拱圈的最大壓應(yīng)力將在10Mpa以內(nèi)。主拱圈具有足夠的穩(wěn)定性，其極限承載能力由強(qiáng)度控制。
五、結(jié)束語
丹河大橋是一座目前世界最大跨徑的石拱橋。它的建成，不僅標(biāo)志著石拱橋建設(shè)在跨徑、荷載標(biāo)準(zhǔn)、橋梁寬度與高度以及材料強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)上的跨越。更主要的是，通過采用一系列的現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、檢測與控制手段，使石拱橋這一富于中國民族特色、體現(xiàn)中國傳統(tǒng)文明的橋梁結(jié)構(gòu)形式賦予了新的生命力。無疑會(huì)對世界大跨度石拱橋的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。
圖－2 . 主拱圈模擬分析計(jì)算圖式
