懸澆鋼筋混凝土拱橋在跨水庫橋梁工程中的應(yīng)用前景探討

陳 強，杜洪亮

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

水電站一般建于高山峽谷深處，在水庫形成前，其地形多呈深切“V”形谷、峽谷地形；水庫形成后，水庫上游形成平湖，其湖面橋址為跨水庫寬水面，水面寬100～300 m，水深100～200 m，梁橋不再是唯一選擇，此跨徑斜拉橋和懸索橋優(yōu)勢不明顯，對于這些橋址，拱橋有著不可取代的優(yōu)勢。雖然鋼管混凝土拱橋、鋼拱橋和鋼筋混凝土拱橋均是合適的橋梁結(jié)構(gòu)，但從全壽命設(shè)計角度看，鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋用鋼量大、后期維護費用較高，而鋼筋混凝土拱橋養(yǎng)護費用低，尤其適用于經(jīng)濟欠發(fā)達的山區(qū)[1]。雖然纜索吊裝法降低了施工裝備要求，但由于人為將拱圈劃分為若干拱肋再組拼，致使主拱圈整體性差、各片拱肋受力不均勻，暴露出了不少病害和耐久性的問題。懸臂澆筑施工的拱圈具有外形美觀、整體性好及不阻礙通航等優(yōu)勢，當(dāng)拱橋跨度較大時，可以綜合運用懸臂澆筑和勁性骨架法施工，從而降低對拱圈懸澆階段的扣錨系統(tǒng)要求，而且該方法用鋼量省、主拱合龍時間早，既提高了懸臂澆筑的安全性，又充分發(fā)揮了兩種施工方法的優(yōu)勢。

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，今后一定時期內(nèi)，鐵路、公路、管道等橫跨水庫的需求將越來越大，庫區(qū)橋梁中拱圈懸臂澆筑法的應(yīng)用前景巨大。

2 懸澆拱橋設(shè)計

懸臂澆筑的拱圈在施工過程中相當(dāng)于一個受到許多彈性節(jié)點支承的懸臂曲梁，其錨固體系主要是橋臺、橋墩承臺等基礎(chǔ)，以此來平衡扣索力。

隨著拱圈跨度的增加，扣錨索的索力會不斷增大，拱圈上錨塊的局部應(yīng)力增大，需要強大的地錨系統(tǒng)。因此，為了改善拱圈的受力，需要增加拱圈的截面尺寸，這便會引起一系列的技術(shù)難題。目前世界上最大的懸臂澆筑拱橋為美國的胡佛水壩大橋，主拱跨度323 m[2-4](見圖1～2)；而國內(nèi)最大的懸澆拱橋為貴州沙坨特大橋，該橋主拱跨度240 m(見圖3)。綜合施工技術(shù)以及建設(shè)成本，懸澆拱橋的跨度在100～300 m左右較為合適。懸澆拱橋僅主拱圈在施工過程中與傳統(tǒng)鋼筋混凝土拱橋存在差異，對于拱上立柱、墊梁及橋面系的設(shè)計按常規(guī)方法設(shè)計即可，本文主要闡述懸澆拱圈與普通鋼筋混凝土拱橋拱圈設(shè)計的不同之處。

圖1 懸澆中的胡佛水壩大橋

2.1 拱圈懸澆節(jié)段的劃分

懸澆拱橋拱圈節(jié)段劃分受多種因素制約，拱圈懸澆節(jié)段不宜過長或過短。過長會導(dǎo)致懸澆節(jié)段的重量增加，引起掛籃設(shè)計成本增加，并且施工過程中拱圈應(yīng)力難以控制，易使拉應(yīng)力超標；過短會增加懸澆次數(shù)，使扣索布置更加密集，也會使扣索在扣塔上的錨固端設(shè)計更加復(fù)雜。拱圈節(jié)段劃分可根據(jù)以往的工程實例進行劃分，通過扣錨索的布置，合理優(yōu)化施工階段扣錨索的初張力，使拱圈的線形及應(yīng)力滿足要求。

一般懸澆節(jié)段懸臂端需要設(shè)置橫隔板來分散扣索的集中力，保證施工過程中拱圈的局部穩(wěn)定性，當(dāng)橫隔板位置處設(shè)置拱上立柱時，其厚度需要增加，以分散拱圈合龍后拱上建筑傳來的力[5]。

圖2 成橋后的胡佛水壩大橋 圖3 懸澆中的沙坨特大橋

2.2 拱圈扣錨索布置

國內(nèi)常見的拱橋拱圈扣索布置多為星式和扇形(見圖4～5)，根據(jù)地形及部跨方式，并結(jié)合懸澆節(jié)段分段線及橫隔板位置布置。扣索在拱圈上的錨固可分別錨固在拱圈底板和頂板上(見圖6～7)，兩者分別在四川白沙溝1號橋和貴州海馬大橋有所應(yīng)用。錨固在拱圈頂板，施工過程中腹板將產(chǎn)生拉應(yīng)力，對腹板不利；錨固在拱圈底板，腹板受壓，對腹板有利；當(dāng)然，設(shè)計者也可以通過合理的鋼筋布設(shè)使得兩種拱圈上的錨固方式都可行。錨固處因承受著巨大的集中力，需要設(shè)置加強錨塊(見圖8)，錨塊設(shè)計需要根據(jù)扣索力的大小和有限元實體分析確定。

圖4 星式扣索布置 圖5 扇形扣索布置

圖6 錨固在拱圈底板 圖7 錨固在拱圈頂板

錨索的布置需要結(jié)合扣索的布置以及布跨時橋臺、承臺的位置確定，以平衡扣索傳來的水平分力，其錨點一般穿過橋臺、承臺，錨固于該構(gòu)造物遠離跨中的一側(cè)(見圖9)。

2.3 施工索力優(yōu)化

懸澆拱橋設(shè)計難度是扣錨索力求解，只有扣錨索力有解，才代表拱圈節(jié)段的劃分以及扣錨索系統(tǒng)布置是合理的。目前有許多成熟優(yōu)化理論在工程上得以應(yīng)用，如零位移法、零彎矩法、最小彎曲能量法、應(yīng)力平衡法等。隨著懸澆拱橋跨度的增加，施工索力優(yōu)化的難度也會增加，施工過程中必定會出現(xiàn)扣錨索拆除、分級張拉、分層澆筑的情況，甚至出現(xiàn)扣

圖8 拱圈加強錨塊施工示意

圖9 錨索地錨布置

錨索二次張拉等復(fù)雜工序。

所有的索力優(yōu)化都是為了滿足拱圈施工過程中的控制目標，即：拱圈截面應(yīng)力、線形和扣塔偏位滿足要求。設(shè)計人員可通過ANSYS的優(yōu)化模塊進行二次開發(fā)，或者通過MATLAB的優(yōu)化工具箱設(shè)定目標函數(shù)、約束條件求解優(yōu)化問題，求得施工索力。

3 懸澆拱橋的施工

3.1 掛 籃

拱圈懸澆施工過程中，掛籃是極其重要的臨時設(shè)備，早期出現(xiàn)的桁架掛籃(見圖10)在克羅地亞Meslanica橋和日本宇佐川大橋中得到應(yīng)用。第二種便是三角掛籃(見圖11)，此種形式掛籃在美國胡佛水壩大橋、貴州夜郎湖大橋等得到應(yīng)用。第三種便是倒三角掛籃(見圖12)，在四川白沙溝1號橋等橋梁中得到應(yīng)用。掛籃設(shè)計是施工中一大難點，需施工單位結(jié)合設(shè)計單位圖紙設(shè)計出用于懸澆的臨時掛籃。

3.2 扣塔系統(tǒng)

國內(nèi)的扣塔系統(tǒng)通常由交界墩和置于交界墩上的臨時鋼塔(見圖13)組成，扣塔與交界墩頂固結(jié)，扣錨索通過錨箱(見圖14)與扣塔共同作用實現(xiàn)傳力。設(shè)計單位通常給出扣錨索的布置樣式之后，施工單位結(jié)合已經(jīng)擁有的物資對扣塔進行設(shè)計，在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時，降低施工成本。

圖10 桁架掛籃(單位：mm)

圖11 三角掛籃

圖12 倒三角掛籃(單位：mm)

圖13 扣塔 圖14 錨箱

3.3 懸澆鋼筋混凝土施工步驟

懸澆鋼筋混凝土拱橋施工主要按照以下步驟進行：

(1)基礎(chǔ)、拱座及交界墩施工；

(2)扣塔安裝及支架現(xiàn)澆段支架安裝；

(3)支架預(yù)壓，1號節(jié)段混凝土澆筑；

(4)達到設(shè)計強度，張拉1號節(jié)段扣錨索索力，并拆除支架；

(5)安裝掛籃，掛籃荷載試驗；

(6)安裝模板、綁扎2號節(jié)段鋼筋澆筑2號節(jié)段混凝土；

(7)達到設(shè)計強度，張拉2號扣錨索索力；

(8)高程及應(yīng)力滿足要求后，行走掛籃；

(9)重復(fù)步驟(6)～(8)，直至拱圈合龍；

(10)拆除扣錨索；

(11)施工拱上立柱；

(12)架梁；

(13)二期鋪裝。

4 懸澆拱橋的優(yōu)越性

懸澆拱橋在一定跨度范圍內(nèi)充分體現(xiàn)了其競爭能力，國內(nèi)學(xué)者[6]曾在同一橋位布置主跨210 m懸澆拱橋、主跨210 m鋼管混凝土拱橋以及主跨180 m連續(xù)鋼構(gòu)進行對比分析，結(jié)果見表1。

通過比較得出如下結(jié)論：

(1)拱圈懸澆技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)趨于成熟，技術(shù)上先進可行；

(2)在一定跨度范圍內(nèi)，懸澆拱橋工程投資低，從全生命周期看其維護費用少；

(3)懸澆拱橋工期適中，與環(huán)境協(xié)調(diào)；

(4)懸澆拱橋在合適的庫區(qū)峽谷地形或庫區(qū)平湖地形經(jīng)濟適用。

5 懸澆拱橋發(fā)展趨勢

世界各國的鋼筋混凝土拱橋飛速發(fā)展，中國位居第一，日本和克羅地亞分列第二和第三位，有學(xué)者提出了千米級混凝土拱橋的研究。鋼筋混凝土拱橋的發(fā)展推動懸澆拱橋的發(fā)展，美國、克羅地亞、日本、南非、德國等國家都開展過懸澆拱橋的建設(shè)。近十年來，懸澆拱橋在國內(nèi)遍地開花，四川、貴州及重慶先后修建十余座懸澆拱橋，跨度刷新至240 m，施工方法也從懸臂澆筑法過渡至組合施工法(懸臂澆筑法和勁性骨架組合施工)，可見懸澆拱橋發(fā)展迅猛，在特定的地理環(huán)境中有著不可取代的優(yōu)勢。

庫區(qū)交通在運營養(yǎng)護階段，人跡罕至。在蓄水前，基本上是深切的山區(qū)峽谷地形；蓄水后形成高山平湖，設(shè)備物料難以供應(yīng)。因此，在此地形上選擇一種后期運行簡單、維護費用少，并能與峽谷地形相輔相成的橋型尤為重要。拱圈懸澆施工便能很好地與此種條件契合，庫區(qū)橋梁中懸澆拱橋可成為一種新的選擇。

表1 方案對比

6 結(jié) 語

本文介紹了懸澆拱橋在設(shè)計上的重難點，論證了懸澆拱橋的技術(shù)適用性及經(jīng)濟適用性，認為懸澆拱橋在庫區(qū)應(yīng)用是可行的。目前貴州赤望高速上的普定水電站庫區(qū)范圍內(nèi)的夜郎湖大橋、美國胡佛水壩庫區(qū)的胡佛水壩大橋均在水電站庫區(qū)范圍內(nèi)修建。懸澆施工的鋼筋混凝土拱橋在施工過程中，其技術(shù)難度較為復(fù)雜，但整體性好、后期維護費用低、抗震性能優(yōu)良是其重要優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。懸澆拱橋在庫區(qū)修建還應(yīng)做到如下幾點：

(1)庫區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，拱座基礎(chǔ)開挖應(yīng)制定合理支護方案，確保拱座附近邊坡穩(wěn)定。

(2)錨碇系統(tǒng)承受巨大拉拔力，庫區(qū)地質(zhì)若不能采用重力式基礎(chǔ)平衡時，需要設(shè)置錨樁等其他措施來平衡此力，從而滿足抗滑移、抗傾覆及抗拔要求。

(3)庫區(qū)橋位若風(fēng)速較大，需做抗風(fēng)驗算，必要時還需做風(fēng)洞試驗，確保施工及運營期間結(jié)構(gòu)安全。

(4)庫區(qū)橋梁為重要永久性結(jié)構(gòu)，需進行抗震設(shè)計，確保地震時結(jié)構(gòu)安全可靠。

(5)需針對此種橋梁制定合適的監(jiān)控方案，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移兩種數(shù)據(jù)判定結(jié)構(gòu)施工中的安全性，數(shù)據(jù)異常時需制定合理應(yīng)急方案以確保結(jié)構(gòu)安全。

(6)懸澆拱橋澆筑周期越長，風(fēng)險越高，庫區(qū)施工現(xiàn)場的物、機、料必須充足及時供應(yīng)，盡早實現(xiàn)主拱合龍，避免施工中的不確定性。