鄭萬高鐵梅溪河大橋拱圈外包混凝土澆筑方法探討

蘇延文，曾永平，陳克堅，夏興新

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031； 2.西南交通大學，成都 610031)

引言

近5年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，已修建或正在修建的跨徑大于300 m的勁性骨架混凝土拱橋共有6座[1-2]。統(tǒng)計分析表明，勁性骨架混凝土拱橋在鋼管混凝土勁性骨架成拱后再立模、分環(huán)、分段澆筑拱圈外包混凝土，由于外包混凝土在施工過程中分步加載、逐次形成強度和剛度的思路能夠顯著降低混凝土拱橋的施工難度，所以已成為拱橋跨徑突破的方向[3-10]。為了安全順利地完成拱圈混凝土的澆筑，選擇合理的施工方法是混凝土拱橋修建的關鍵環(huán)節(jié)[11-12]。由于勁性骨架承載力有限，外包混凝土質量大，一次性全部澆筑混凝土會對支撐體系造成不利影響，所以實現拱圈外包混凝土的安全澆筑是工程建設中的難點。

目前，大跨度勁性骨架混凝土拱橋外包混凝土常推薦采用“豎向分環(huán)、縱向多工作面、多次”的澆筑方法，并且按照外包混凝土參與受力與否分為兩類方法，即分段平衡澆筑法和分段連續(xù)澆筑法。然而，平衡澆筑和連續(xù)澆筑方法的適用性，拉索調整控制截面應力與拱圈變形時位置與張拉力的確定、縱向工作面的分段數量影響等問題仍需要深入研究。

為此，以主跨340 m的鄭萬高鐵梅溪河大橋為研究背景，分別針對平衡澆筑法與連續(xù)澆筑法如何安全地實現外包混凝土的澆筑進行深入探討，目的是形成該類型拱橋外包混凝土較為完善的施工方法，研究結論將為大跨度混凝土拱橋的修建提供技術支撐。

1 拱圈混凝土澆筑方法

分段平衡澆筑法的流程可簡述為：當勁性鋼骨架懸臂拼裝完成后，對拱圈外包混凝土進行橫向分環(huán)，對于每一環(huán)外包混凝土，依次沿拱腳至拱頂的多個工作面進行對稱立模澆筑，先期澆筑的混凝土達到強度后能夠參與臨時結構體系的受力，從而一定程度上增加了鋼骨架的剛度[13-14]；分段連續(xù)澆筑法的流程可簡述為：當勁性鋼骨架懸臂拼裝完成后，對拱圈外包混凝土進行橫向分環(huán)，沿橋跨兩側縱向多個工作面對稱連續(xù)澆筑一環(huán)混凝土，待混凝土達到強度后再連續(xù)澆筑下一環(huán)，直至完成所有環(huán)混凝土澆筑[15-18]。其中，平衡澆筑法具有受力均衡，充分發(fā)揮混凝土強度等優(yōu)點，但其施工周期較長，而連續(xù)澆筑法具有縮短施工周期，施工接縫少等優(yōu)點，但模板用量較多。

由于在澆筑過程中外包混凝土的重力相對于勁性鋼骨架較大，一般需要重復利用鋼骨架扣索系統(tǒng)的多組拉索對主拱圈混凝土應力和變形進行調整控制，所以確定拉索位置和索力大小是保證拱橋結構應力和變形滿足設計要求的關鍵。

以拉索調整主拱圈控制截面應力為例，常規(guī)的確定方法為：首先計算各控制截面應力過程線(即各控制截面應力隨施工順序的變化趨勢曲線)并記錄應力突變位置；其次求得應力突變截面的影響線，并在影響線峰值對應的位置張拉一組扣索。然而，通過多次計算發(fā)現，當應力超限的截面過多時，應力的調整將相互影響而會產生顧此失彼的效果。此外，索力的大小還需要再次進行建模確定。

為了解決常規(guī)調整方法存在的問題，依托勁性鋼骨架的扣索系統(tǒng)，提出了采用敏感性分析確定拉索合理張拉位置以及索力大小的新方法，主要步驟如下。

(1)確定拉索敏感性分析曲線：重復利用勁性鋼骨架扣索系統(tǒng)的拉索，順橋向全部拉索均施加單位力，單獨計算每根拉索在單位力作用下各控制截面的應力，將每一控制截面應力隨拉索位置的變化稱為該截面應力的敏感性曲線。

(2)確定拉索位置：對于在外包混凝土澆筑過程中應力超限的控制截面，根據控制截面的敏感性曲線找出其應力峰值所對應的拉索位置。

(3)確定索力大?。和ㄟ^對拉索敏感性曲線乘以調整系數并與應力過程線進行疊加，逐次逼近直至將截面應力控制至理想狀態(tài)，最終確定的調整系數則為拉索的張拉力。

上述步驟可利用Midas Civil軟件激活與鈍化功能，僅進行一次施工全過程計算即可實現。在施工過程中拱圈變形的控制與上述應力的調整步驟相同，此處不再贅述。

2 工程概況

鄭萬高鐵梅溪河大橋為主跨340 m的上承式勁性鋼骨架混凝土拱橋，計算矢高為74 m，矢跨比為1/4.595，拱軸線方程為懸鏈線，拱軸系數為3.2；主拱圈布置形式為頂部合并的提籃雙肋拱，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱雙室截面；主拱圈由勁性鋼管混凝土骨架外包C55混凝土構成，上、下弦管采用直徑75 cm，厚度2.4 cm的Q390圓形鋼管，弦管內灌注C60的自密實無收縮混凝土。勁性骨架主鋼管間橫向、豎向采用腹桿、平聯桿等連接系形成整體空間桁架結構；該橋鋼材總質量約為4 300 t，拱圈外包混凝土達到18 000 m3，鋼骨架僅為外包混凝土重力的1/11。圖1為梅溪河大橋半跨勁性鋼骨架與斜拉扣索系統(tǒng)以及主拱圈跨中截面示意。

圖1 半跨勁性鋼骨架與斜拉扣索系統(tǒng)、跨中截面示意

3 計算結果與分析

根據梅溪河大橋拱圈施工的設計說明，主拱圈豎向混凝土的澆筑分為三環(huán)，順序依次為：邊箱底板混凝土，邊箱腹板混凝土，邊箱頂板混凝土(圖1)。其中，第一環(huán)混凝土約為3 600 m3，第二環(huán)約為11 000 m3，第三環(huán)約為3 400 m3。全橋縱向每環(huán)縱向均劃分一定數量的工作面，各工作面混凝土均為自拱腳至拱頂方向分小段進行澆筑。依據外包混凝土的施工順序，采用Midas Civil軟件建立拱圈外包混凝土的梁-板組合有限元模型。其中，鋼骨架采用梁單元模擬，外包混凝土采用板單元模擬，斜拉扣索采用索單元模擬。

3.1 多工作面平衡澆筑法3.1.1 4個工作面

當主拱圈縱向劃分4個工作面同步作業(yè)，平衡澆筑法計算模型中共包括63個施工階段。其中，前1～37施工階段為勁性鋼骨架的懸臂拼裝階段，第38～63施工階段為外包混凝土的澆筑過程。圖2為采用平衡澆筑法的計算結果，圖中應力受拉為正，受壓為負，位移上撓為正，下撓為負(下同)。從圖2可以看出，拱頂上弦鋼管最大壓應力為213 MPa，拱頂上弦管內混凝土最大壓應力為21.6 MPa，拱頂反復撓度達到73 mm。由于截面最大應力和拱頂反復撓度較大，需要對應力和撓度進行適當調整控制。

3.1.2 4個工作面輔助斜拉扣索

根據上述拉索敏感性分析的3個步驟，在外包混凝土澆筑過程中需要張拉的3組拉索編號確定為L4、L8、S8，拉索張拉力的過程線如圖3所示。其中，拉索L8的最大張拉值為2 500 kN，拉索L4與S8的最大張拉值為2 000 kN。

圖2 4個工作面平衡澆筑法應力與撓度結果

圖3 拉索張拉力

圖4所示為利用3組拉索進行調整后的計算結果與未施加拉索結果的對比?？梢杂^察到，拉索對于應力和撓度的調整效果明顯，上弦桿鋼管最大壓應力為180 MPa，管內混凝土最大壓應力為18.5 MPa，拱頂的反復撓度僅為50 mm?？梢?，在澆筑外包混凝土過程中應力和拱頂反復撓度均得到了顯著的改善，鋼管與管內混凝土的應力具有較大的富余。

圖4 斜拉扣索輔助調載結果對比

3.2 多工作面連續(xù)澆筑法3.2.1 4個工作面

當主拱圈縱向劃分4個工作面同步作業(yè)，連續(xù)澆筑法計算模型中共包括72個施工階段。其中，前1～37施工階段為勁性鋼骨架的懸臂拼裝階段，第38～72施工階段為外包混凝土的澆筑過程。圖5為采用連續(xù)澆筑法的計算結果。從圖5可以看出，拱頂下弦鋼管最大壓應力為240 MPa，拱頂下弦管內混凝土最大壓應力為25 MPa，拱頂反復撓度為50 mm，由于拱頂截面的應力較大，需要對該截面的應力和撓度進行調整控制。

圖5 4個工作面連續(xù)澆筑法應力與撓度結果

3.2.2 4個工作面輔助斜拉扣索

根據上述拉索敏感性分析的3個步驟，在外包混凝土澆筑過程中需要張拉的4組拉索編號確定為L2、L8、L9、S8，拉索張拉力的過程線如圖6所示。其中，4組拉索的最大張拉值均為3 000 kN。與圖3所示的索力相比，連續(xù)澆筑法索力過程線的變化更為顯著。

圖6 拉索張拉力

圖7所示為利用4組拉索進行調整后計算結果與未施加拉索結果的對比。可以觀察到，拉索對于應力和撓度的調整效果明顯，下弦桿鋼管最大壓應力為212 MPa，管內混凝土最大壓應力為20.2 MPa，拱頂及3L/8截面的最大撓度控制在220 mm范圍內，并且拱頂最大反復撓度僅為30 mm。可見，在外包混凝土澆筑過程中應力和拱頂反復撓度均得到了顯著改善，鋼管與管內混凝土的應力具有較大的富余。

圖7 斜拉扣索輔助調載結果對比

3.3 工作面數量影響

為了進一步探討縱向工作面數量對于拱橋結構應力、撓度和穩(wěn)定性的影響，本小節(jié)將對縱向6個工作面與上述4個工作面的計算結果進行對比。限于篇幅，本小節(jié)將對計算模型、拉索位置及索力大小等不再贅述。僅以拱橋上弦桿管內混凝土應力為例，當縱向劃分為6個工作面時，平衡澆筑法與連續(xù)澆筑法的計算結果如圖8所示。從圖8可以看出，通過張拉4組斜拉扣索，采用縱向6個工作面最大應力均小于20 MPa，同樣能夠將應力調整至理想的范圍。

圖8 6個工作面計算結果

針對兩類外包混凝土澆筑方法，進一步研究工作面數量對結構穩(wěn)定性的影響。通過穩(wěn)定性分析可知，澆筑風險較大的施工階段發(fā)生在底板和腹板外包混凝土澆筑的最后階段[19-21]。表1為底板澆筑和腹板澆筑完成階段結構的彈性穩(wěn)定系數。

表1 外包混凝土施工階段的彈性穩(wěn)定系數

表1計算結果表明：對于外包混凝土澆筑風險較大的施工階段，兩類澆筑方法的穩(wěn)定系數均大于4；對于平衡澆筑法，采用4個工作面的穩(wěn)定系數大于6個工作面，而對于連續(xù)澆筑法，工作面數量對于穩(wěn)定性的影響不大；當工作面數量相同時，平衡澆筑法更有利于混凝土拱橋施工階段的穩(wěn)定性。

4 結論

以主跨為340 m的鄭萬高鐵梅溪河大橋為工程背景，針對主拱圈外包混凝土合理澆筑方法進行了探討，得到以下結論。

(1)對于分段平衡澆筑法和分段連續(xù)澆筑法，根據提出的敏感性分析方法，全橋分別對稱設置3組扣索和4組扣索并且每組索力最大值不超過3 000 kN，能夠顯著控制主拱圈截面應力和變形。

(2)不同縱向工作面數量的分析表明，無論工作面數量為4個還是6個，通過張拉扣索后鋼管與管內混凝土的應力均能夠控制到合理的范圍，并且拱頂未發(fā)生上撓，無反復變形。

(3)平衡澆筑法與連續(xù)澆筑法在施工階段的穩(wěn)定系數均滿足規(guī)范要求，但當縱向工作面數量相同時，平衡澆筑法更有利于拱橋施工階段的穩(wěn)定性。