鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈外包混凝土的調載技術

鄧年春，童加明，林春姣，郭 曉

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004; 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

20世紀80年代，中國開始將勁性骨架應用于混凝土拱橋的建設中，先后使用半剛性骨架、鋼管-型鋼勁性骨架、鋼管混凝土勁性骨架。尤其是鋼管混凝土勁性骨架拱橋極大地促進了混凝土拱橋的發展，通過先行架設鋼管混凝土成拱，以此為支架澆筑外包混凝土，巧妙地將巨大質量的混凝土拱圈的架設轉化為質量較小的勁性拱骨架的架設，從而大幅度提高了跨越能力，成為特大跨徑混凝土拱橋合理施工方法[1-3]。

近二十年來，中國建設了7座跨徑超300 m的山區勁性骨架混凝土拱橋，其中6 座為高鐵橋，正是由于混凝土拱橋剛度大、跨越能力強、日溫差變形小的特點，隨著山區鐵路和高鐵的進一步修建，這種需求將更加強烈[4-7]。

1 混凝土拱橋成拱方式

對于大跨徑混凝土拱橋的成拱方式，外國大多采用勁性骨架與懸臂組合法[8-12]，雖縮短了勁性骨架跨徑，減小了勁性骨架承受的外包混凝土澆注質量，但施工中懸臂段懸掛時間長存在安全風險，且需要強大的扣錨系統[13-14]，費用高昂。中國采用此方法建成主拱圈凈跨徑為210 m的夜郎湖特大橋[15-16]。此外克羅地亞的克爾克1號橋[17-19]的拱圈施工采用預制懸臂斜拉拼裝法。

中國采用完整的勁性骨架，在勁性骨架成拱的條件下，采用分環法澆注外包混凝土，巧妙解決了混凝土成拱的難題。主拱圈分環示意圖如圖1所示。由近三十年來修建的跨徑超過300 m的部分勁性骨架混凝土拱橋[20-25]來看(表1)，混凝土與鋼骨架的質量比約為十幾倍，如果混凝土一次性澆筑，混凝土的自重荷載將遠遠超過勁性骨架的承載能力，需要將外包混凝土分環澆筑，待一環混凝土澆筑形成強度后，再進行下一環的澆筑，直至整個拱圈澆筑完成[26-27]。分環澆注可以減小勁性骨架的瞬時應力和永存應力，但同時考慮施工時間與經濟性，主拱圈不易分環過多，如南盤江特大橋[28]澆筑第一環邊底板時，混凝土質量達到了6 500 m3，第一環外包混凝土的澆筑仍會對勁性骨架產生超出結構容許的瞬時應力和變形，所以為了使勁性骨架在澆筑過程中的受力和變形在合理的范圍內，需要結合適當的調載方式來減小勁性骨架的受力與變形。

表1 中國近30年來修建的部分勁性骨架混凝土拱橋拱圈材料用量

1～6表示外包混凝土的先后澆筑順序

從已建成橋梁可知，外包混凝土澆筑方法大多與調載方式有緊密聯系，目前主要的調載技術有：地錨加載法[29-30]、水箱加載法[31]、多工作面均衡澆注法[32-33]、斜拉索調載法[34-35]。

2 外包混凝土的調載技術

2.1 錨索加載法

勁性骨架合攏后，通過計算外包混凝土從兩拱腳向拱頂連續澆注，各截面的受力和變形，在勁性骨架對應的位置處施加向心的拉力或者懸掛重物調載，使其在拱圈上形成軸向壓力來抵抗拉應力，有效地控制拱肋產生上撓的變形，從而達到控制線型的目的。施工示意圖如圖2所示。

圖2 地錨加載法施工示意圖

1982年，在修建凈跨156 m的中承式鋼筋混凝土箱型肋無鉸拱橋——遼寧丹東沙河口大橋[29-30]時，技術人員通過對5、7、9、11點加載點的計算以及施工方便的角度，得出采用十一個加荷點，分六組對稱加載，每次由跨中向拱腳對稱進行初始加載和控制撓度加載，待外包混凝土澆筑至加載節點附近時進行卸載。通過該方法調載得到的拱架受力均勻，效果較好，并且以懸掛重物替代拉力緊固器，極大的解除了該方法對于地形的限制，提高了適用范圍。

2.2 水箱加載法

勁性拱骨架合攏后，混凝土澆注前在拱頂附近安放水箱，利用在水箱內加放水來調整拱頂壓重，實現混凝土從兩拱腳到拱頂分環連續澆注。施工示意圖如圖3所示。

圖3 水箱加載法施工示意圖

主跨長度243 m的中承載式勁性骨架混凝土拱橋——宜賓南門金沙江大橋[31]，便運用了水箱加載法對外包混凝土施工過程的應力和變形進行優化控制。變形和應力控制方程分別為

σx(p1,p2，…，pn)≤1.25[σ]

(1)

Δx(p1,p2，…，pn)≤1.25[Δ]

(2)

式中：σx、Δx分別為應力、變形的優化目標函數；p1,p2，…，pn表示水箱的作用位置和水箱荷載的大??；[σ]、[Δ]分別表示應力和變形限值。

求解上訴不等式中pi(1≤i≤n)的大小，可對橋梁結構進行調載。該橋外包混凝土分四環由拱腳向拱頂對稱澆筑，分別為底板、下側板、上側板和頂板。各環澆筑時設置水箱數量分別為7、11、9、7個。每個水箱注水量為13.5 t，最大加水量分別為94.5、138、107.5、56 t，運用簡潔的施工方法解決了大跨徑拱肋混凝土澆筑過程的應力調整。但在底板混凝土澆注過程中拱頂上升了4 cm，且無法調載拱圈結構最不利的拱腳截面。

2.3 斜拉扣掛法

斜拉索調載法是勁性拱骨架架設完成后,分環從兩拱腳至拱頂對稱連續澆注混凝土的過程中，在拱骨架適當位置通過斜拉索向勁性拱骨架施加一個隨混凝土澆注過程而變化的拉力，用以調整勁性拱骨架在澆注混凝土過程中產生的瞬時應力和變形，使其控制在規定的目標值內，也能降低勁性拱骨架永存應力。拉索設置在控制應力影響線峰值附近，調載效率較高；現場簡單測出單位斜拉扣索力對全拱應力、變形的影響，保證調載的精度；借用勁性拱骨架懸拼時的斜拉索系統進行調載，易于操作。施工示意圖如圖4所示。

圖4 斜拉扣掛法施工示意圖

采用斜拉扣索調載可加快混凝土澆注速度，以蒲廟大橋[36]底板混凝土澆筑為例，采用斜拉扣索調載，從靠近拱腳處至拱頂連續澆注花費近40 h，若采用多工作面均衡澆注法，則需工期近一個月。

2.4 多點均衡澆筑法

多點均衡澆筑法是將勁性骨架對稱分為若干工作面，各工作面又分若干澆筑小段，各環外包混凝土采用多套設備在各工作面作業，對稱循環往復澆筑直至完成全部外包混凝土。此方法屬于無外力自平衡方法，使勁性骨架受力均勻，可有效降低一環混凝土澆筑過程中的瞬時應力，變形更加合理，但是這也導致了施工縫的大量產生，增加了施工成本和工期。如萬縣長江大橋[37-38]底板混凝土就存在77條施工縫，澆完拱圈混凝土耗工期10個月。

多點均衡澆筑法首次使用是1997年修筑的萬縣長江大橋，首次提出“六工作面”對稱同步澆筑，縱向分七環，成功將11 000 m3混凝土澆注到勁性骨架上形成完整拱圈，使得撓度、應力、變形等因數都得到了較好的控制。此后，中國修建的數座300 m以上的鋼管混凝土勁性骨架拱橋大都采用多點均衡澆筑法進行外包混凝土的施工，此方法對于大體積量外包混凝土的澆筑有很好的的調載效果。

工程上更多將多點均衡澆筑法與斜拉扣掛法聯合使用[39-40]以發揮各自的特點，如圖5所示。先利用多點均衡法確定最優的工作面與分段數，使受力分配更加均勻，線型更加平順，根據計算結果，若有特殊截面在澆筑過程中瞬時應力超過限制，再通過斜拉扣索調載就能把瞬時應力、變形控制在安全范圍內，還能降低勁性骨架的永存應力。云桂鐵路南盤江大橋[41]和滬昆鐵路北盤江大橋[42]的外包混凝土澆注是利用斜拉扣掛分環多工作面澆筑方法的典型代表。其中已有學者在多工作面澆筑的基礎上利用影響線理論[43-44]研究工作面的個數[45-46]、澆筑順序[47]以及分段長度[48-49]，研究更合理的澆筑方案。

圖5 多工作面+斜拉索施工示意圖

3 實橋分析

3.1 斜拉索調載連續澆筑

1996年建成的中承式混凝土拱橋—蒲廟大橋，第一次利用斜拉索調載實現了外包混凝土從拱腳到拱頂的對稱連續澆筑。該橋計算跨徑312 m，矢高52 m，矢跨比1/6，鋼管拱桁為等寬變高的雙肋結構，拱肋由402 mm×12 mm的鋼管弦桿及160 mm×100 mm×10 mm的雙角鋼腹桿組成，弦桿內泵送C60混凝土形成鋼管混凝土結構，外包混凝土分四環(底板、下側板、上側板、頂板)在勁性骨架上澆筑，雙肋混凝土拱工4 702 m3，其外包混凝土如圖6、圖7所示。

圖6 蒲廟大橋外包混凝土圖

圖7 南盤江大橋外包混凝土圖

在底板混凝土的連續澆筑到L/4跨徑(L為全橋計算跨徑)附近時，拱腳截面上緣管內混凝土拉應力達到最大值12.6 MPa，超過《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[50]中C60混凝土抗拉強度標準值2.85 MPa(設計值2.04 MPa)；拱頂截面也出現較大的反復變形，最大出現4.5 cm的上撓。通過三組變化的斜拉扣索，最大索力分別為400、1 100、1 150 kN，隨著各環的澆筑進程進行實時調載，拱腳截面上緣管內混凝土最大拉應力從12.6 MPa降至1.86 MPa，全過程控制瞬時應力不超標，拱頂幾乎不上撓，解決了連續澆筑過程中拱腳上緣管內混凝土出現拉應力及拱頂反復變形的難題。圖8、圖9為底板在連續澆筑與斜拉索調載連續澆筑下，拱腳截面上緣管內混凝土的受力對比、拱頂截面撓度對比，展示了斜拉索的調載效果。

圖8 拱腳截面上緣管內混凝土

圖9 拱頂撓度

3.2 多工作面均衡澆筑

云桂鐵路南盤江特大橋為上承式鋼管混凝土勁性骨架拱橋，主拱跨度為416 m，矢高為99.0 m，矢跨比為1/4.2，拱軸系數為1.8。主拱圈采用變高等寬單箱三室拱箱，全拱高8.5 m，寬度為拱腳截面28.0 m向拱頂方向65.0 m處變寬至18.0 m，其余部分等寬為18.0 m。全拱邊箱底板、頂板和腹板均采用逐級變厚，從拱腳至拱頂板厚由110.0 cm變化至55.0 cm，中箱頂板、底板和腹板均采用等厚度60.0 cm，上下弦管采用Q370qD圓鋼管，腹桿為Q235角鋼，管內灌注C80高性能混凝土，依托鋼管混凝土勁性骨架外包C60高性能混凝土形成拱箱。采用斜拉扣掛+分環多工作面澆注的方法完成外包混凝土的施工。每環在半側拱上分為3工作面先后澆注，每工作面分3個較長的節段，每一環縱向貫通后再澆注下一環，拱圈澆注順序依次為邊箱底板、邊箱下腹板、邊箱上腹板及頂板、中箱底板和中箱頂板。外包混凝土總澆筑量為24 000 m3，澆筑過程如圖7所示。

如圖10、表2所示，多工作面澆注，鋼管和管內混凝土最大應力值出現在下弦管拱腳，分別為-339、-25.9 MPa，且在邊底板的三次澆筑中拱腳上緣管內混凝土均出現拉應力，最大為7.61 MPa；故在7、8段鋼骨架位置處(施工階段44～45)設置兩組斜拉扣索，在澆筑第一環第一段且混凝土未獲得強度時張拉，每組扣索索力2 000 kN，在第四環混凝土澆筑完成且獲得強度后松索，可調整拱腳截面上緣管內混凝土拉應力超標。

圖10 拱腳上緣管內混凝土

如圖10所示，在施加扣索后，拱腳管內混凝土出現的拉應力由7.61 MPa降至-4.62 MPa，邊底板澆筑階段并未出現拉應力，且在拱圈澆筑完成后，拱腳下弦鋼管環末永存應力也從-339 MPa降至-306 MPa，鋼管最大環末永存應力從拱腳截面-339 MPa降至1/8截面-330 MPa，遠低于規范限值[51]，增加了鋼管的安全儲備，也說明在靠近拱腳處設置斜拉扣索進行調載，可以同時調整結構的瞬時應力與永存應力，同時也能保證其他截面瞬時應力與永存應力均在限值范圍以內。同時。如圖11所示，拱頂截面撓度-486.85 mm，也僅比不加斜拉扣索的撓度約增加40 mm，但并未出現下撓反復變形。

圖11 拱頂撓度

該橋按照六工作面+斜拉索調載方法施工，由表2可知，主拱圈澆筑完成后的應力實測值與計算值相近，僅拱腳截面計算值較實測值偏大，模擬較保守，用該模型模擬外包混凝土澆筑較為合理。

表2 主拱圈混凝土澆筑完成時永存應力

4 結論與展望

勁性骨架拱橋外包混凝土調載技術的選用要綜合考慮實際橋梁跨徑、地理位置、外包混凝土方量、施工時間等因素。各技術在使用過程中的優劣如下。

(1)水箱加載法、地錨加載法均能實現連續澆注一環混凝土，但是均增加了勁性骨架的荷載，加大了拱腳的應力，對澆注混凝土階段骨架的受力、變形與穩定不利，每環澆筑的混凝土方量不易過大，而且受加載條件、河床等因素影響，操作簡單但調載幅度有限。

(2)斜拉扣索法調載過程是對勁性骨架的荷載進行減載，用較小的索力就能很好地控制全拱的應力和變形，調載準確，成本低，尤其是對拱腳截面瞬時應力有較好的調載效果。同時也能調整拱肋永存應力、反復變形數值小、不設變形縫，提高了混凝土的整體強度。但此方法對混凝土拌合、泵送等施工設備要求較高。

(3)采用均衡澆注的方法降低一環混凝土澆注過程中的瞬時應力，調載效果好，適合大跨徑混凝土拱橋的施工，澆筑一環混凝土的方量大，但是會導致混凝土的施工縫多，工期長，投入混凝土澆注設備多，不能降低勁性拱骨架永存應力。

目前關于超大跨徑混凝土拱橋，鄭皆連等[52]、陳寶春等[53-54]從設計與施工方面進行了深入研究，張力樹[55]和陳波旭[56]研究了600 m級鋼筋混凝土拱橋主拱構造，對于大跨混凝土拱橋的施工工藝的選擇，多點均衡澆筑+斜拉索調載、斜拉索調載連續澆筑的方法是跨徑在300 m以上勁性骨架混凝土拱橋首要考量的施工方法，且已有較可靠的成套施工技術，較為成熟?；炷凉皹蛳蛑?00 m以上跨徑發展，除了從結構和材料的角度出發，考慮采用波形鋼腹板來代替混凝土腹板減輕自重[57-58]、高強鋼增加勁性骨架強度[59]、輕型高強度混凝土減輕拱圈自重[60-61]，還需進一步研究優化拱圈截面分環設置與工作面設置、不同的橫向與縱向澆筑順序、斜拉索調載連續澆筑時的干預位置和干預時機，進一步優化扣索的索力。通過進行縮比模型試驗，測試結構模型在施工過程中的瞬時應力、永存應力及變形的變化規律，進一步研究多工作面均衡澆筑、斜拉索扣索連續澆筑的理論基礎，以實現混凝土拱橋向更大跨徑發展。