現澆施工飛燕式系桿拱橋施工控制技術

朱志有，楊耀生，陳嘉偉

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 概 述

彭陽縣平安大橋建設項目，隸屬寧夏回族自治區固原市彭陽縣，橋梁結構形式為五跨連續雙飛燕上承式箱型斷面空腹式系桿板拱橋。橋梁跨徑布置為(30+3×50+30)m，橋梁總長210 m，橋寬25.5 m，設計汽車荷載為城-A級，非機動車道荷載為城-B級車道荷載的0.6倍。主拱橫橋向布置雙幅C40鋼筋混凝土拱，主拱采用單箱四室箱形斷面，高1.2 m，寬12.05 m，橋梁拱圈邊跨跨徑為30 m，矢高分別為11.1 m、12.6 m，矢跨比分別為1/5.41、1/4.76，拱軸系數分別為4.95、4.6；中跨主拱圈跨徑均為50 m，矢高為12.4m，矢跨比1/4.03，拱軸系數3.4。拱上立柱作為橋梁的傳力構件之一，全橋共計68道立柱，拱上立柱順橋向間距4 m，高度0.96～9.4 m，采用薄壁墻式墩。拱腳兩側立柱等厚度0.4 m；其他立柱對應拱圈腹板處厚度0.4 m，拱圈腹板之間的立柱內凹為薄壁墻，墻厚0.15 m。拱圈在墻式墩位置設置內橫梁。對于拱腳兩側高度大于8 m的墻式墩，為增強其穩定性，采用立柱與橋面板固結構造，其余立柱與橋面板則均采用鉸接。橋面板采用分段現澆鋼筋混凝土板，厚0.22 m。全橋布置16根系桿，系桿采用采用15-12全防腐整根可調換型成品索體，索體采用環氧噴涂鋼絞線成品索體。下部結構橋臺采用輕型橋臺，橋墩采用墻式墩，鉆孔灌注樁基礎。

彭陽縣平安大橋為五跨連續雙飛燕式系桿板拱橋，橋梁施工過程中拱圈自重作用下結構線形與成橋狀態下設計拱軸線存在不小的偏差，同時該橋梁的施工過程較繁雜；施工過程中需要采取合理的施工方案及施工控制措施，用以保證該橋梁在施工過程中的結構安全問題以及橋梁成橋線形與結構內力均達到設計要求。鑒于該橋的結構特點及施工特點，本文主要針對施工過程中主拱線形控制、滿堂支架脫架及系桿分批次張拉等主要施工控制技術進行介紹。

2 總體施工方案及施工控制要點

平安大橋采用自平衡體系的飛燕式系桿拱橋，系桿和拱圈相互依賴、共同承重。根據橋梁結構以及橋位河流特點，決定該橋采用滿堂支架現澆進行施工。即先采用滿堂支架現澆主拱圈，然后拱上架設滿堂支架并現澆拱上立柱。在拱上立柱施工完成且強度達到要求后，依次進行現澆橋面板、二期鋪裝及橋梁附屬設施施工，整個施工過程中穿插分批次系桿張拉施工。整個施工過程中，通過控制拱圈結構線形與系桿張拉力的大小的方式，以改善橋梁結構在施工過程中的受力問題[1]，并使結構線形、內力及應力等滿足成橋狀態的預期目標。該橋的主要施工步驟如下：①基礎、橋墩、橋臺等下部結構施工；②滿堂支架搭設、預壓；③支架現澆拱圈；④在拱圈上搭設滿堂支架現澆拱上立柱并預留系桿孔；⑤拆除中跨滿堂支架；⑥在拱上滿堂支架上分段澆筑橋面板；⑦張拉第一批系桿；⑧拆除邊跨滿堂支架；⑨二期鋪裝及安裝橋梁附屬設施；⑩張拉第二批系桿成橋。

該橋施工控制關鍵點包括：①有限元軟件分析結合現場實測計算主拱圈施工預拱度，確定拱圈底模立模標高，控制拱圈線形達到設計目標；②研究拱下滿堂支架脫架方案，解決拱圈在結構自重、收縮徐變、施工階段荷載共同作用下的不利受力問題；③確定合理的系桿張拉順序、張拉批次及張拉時機，改善橋梁結構受力。

3 主要施工控制技術

3.1 拱圈線形控制

對采用滿堂支架法施工的拱橋而言，施工階段影響拱圈線形的因素主要包括：地基沉降、支架變形、各階段施工預拱度的計算及立模標高的控制。

平安大橋位于寧夏固原市彭陽縣內，為濕陷性黃土地區，在支架搭設前采用墊層法對支架下方土體進行處理，將距地表2 m以內的原狀土進行挖除，用材料堅硬、強度較高、性能穩定、具有抗侵蝕性的砂、碎石等材料分層換填，底層采用120 cm碎石，中層采用50 cm砂礫墊層提高地基承載力，在整平碾壓好的砂礫墊層上鋪筑30 cm厚水泥穩定砂礫基層，同時采用振動壓路機進行碾壓，使壓實度達到規范要求，以消除局部地基軟弱引起的不均勻沉降現象。滿堂支架搭設完成后，需對支架進行預壓處理，即利用沙袋壓重物充分消除地基變形及支架非彈性變形對拱圈線形的影響，同時監測各測點的地基沉降以及壓重前后高程數據，用以計算設置預拱度所需要的支架彈性變形值和支架非彈性變形值。

預拱度分析通過Midas Civil軟件完成對平安大橋各施工過程的仿真分析計算，以實現對其的線形控制[2-3]。預拱度分析具體采用倒裝分析法，即認為橋梁成橋一定時間后(本橋取10年)，考慮混凝土收縮徐變的情況下，全橋拱圈底板標高均滿足設計目標，在增加施工荷載的條件下，按實際施工步驟的相反步驟，逐步將各橋梁構件“拆除”，然后計算出全橋拱圈底板的高程坐標，利用此時計算出的各拱圈底板高程坐標減去其設計標高，即為需設置的預拱度。

3.2 支架脫架方案

該橋拱圈采用在滿堂支架現澆法施工，拱圈采用分環分層澆筑。對于飛燕式拱橋結構，橋梁施工過程中若拱圈處于裸拱狀態，拱圈自重作用下結構線形與成橋狀態下設計拱軸線存在不小的偏差，將導致拱圈結構產生不利的內力；該橋采用C40混凝土進行澆筑，混凝土抗拉強度設計值較低，所以在施工過程中需要嚴格控制各鋼筋混凝土結構拉應力，避免結構出現裂縫。因此，有必要對拱圈滿堂支架脫架方案進行研究討論，確定合理的拆架方案。為了改善拱結構在施工過程中的受力狀況，提出了兩種拱圈滿堂支架拆架方案：①方案1，拱圈脫架時拆除中跨滿堂支架，保留兩邊跨滿堂支架，待第一批系桿張拉后拆除邊跨支架；②方案2，先張拉第一批系桿，然后一次性拆除全跨滿堂支架。結合后續施工方案，分別對橋梁裸拱狀態、方案1和方案2的結構進行受力分析，得到各方案拱肋彎矩圖，并將其繪制在一起，如圖1所示。由圖1可看出：與裸拱狀態相比，兩種脫架方案均能夠有效改善邊拱及兩側拱腳的受力狀況，另外相對于方案2，方案1對拱圈的受力改善明顯更佳，拱圈彎矩分布相對均勻，且減少了后續拆除支架的工序；另外從整體造價方面來看，方案1將大幅減少支架的租賃費用，同時節省工期。因此，該橋選用方案1施工。

圖1 不同脫架方案的拱圈彎矩

3.3 系桿張拉

3.3.1 系桿張拉時機

鑒于該橋的結構特點及施工特點，為控制拱腳水平推力以及改善橋梁結構受力，結合施工各步驟順序、工期及施工成本等因素，最終確定該橋系桿采用二批次張拉方案施工。二批次系桿張拉的具體時機如下。

1)首批張拉。系桿在橋面板澆筑完成后進行第二批張拉，以改善裸拱的受力狀態，使得拱圈最大彎矩值較小，同時拱腳拉應力更為合理，避免了拉應力過大導致混凝土開裂的情況，并改善橋面板及拱圈的受力狀態。

2)第二批張拉。在二期鋪裝全部施工后，根據實際的橋梁結構受力情況，對全橋系桿進行第二批張拉，使得橋梁內力及應力狀態、各系桿張拉力達到設計要求。

系桿張拉力主要通過以下幾個方面進行綜合控制：①平衡各不同階段施工過程中對拱腳的水平推力；②控制拱圈飛燕端水平位移；③墩底最大彎矩；④使橋梁成橋內力達到設計目標。保證施工階段橋梁結構安全，并使得橋梁最終成橋后無論是在線形方面還是橋梁結構內力方面均能夠滿足設計要求。

3.3.2 系桿張拉順序

各批次系桿張拉時，采用計算機控制的張拉機同步智能張拉的方法進行張拉，理想狀態下可以一次張拉完成，即全橋每根系桿均配備張拉機，按照計算的索力值同比例智能張拉，且后期基本不用進行調索，但是施工成本太高，為了控制成本以及減少不必要的資源浪費，該橋系桿張拉采用2套設備對系桿進行對稱張拉，利用多次張拉系桿以及調索的方法確保各系桿索力達到設計值。

在不同批次系桿張拉時，需要利用索力影響矩陣法對張拉順序及張拉力大小進行確定[5]，保障系桿施工過程安全，在系桿張拉完成后盡可能少的調索，另外應避免系桿張拉過程中使得結構內力及拱圈線形變化過大[6]。

第一批系桿張拉時，系桿索力主要用于平衡橋梁主跨支架拆除后引起的拱腳水平推力以及改善邊跨拱腳與跨中截面應力情況，避免混凝土受拉開裂，并可以通過系桿力有效控制橋梁線形。因此，系桿的張拉順序主要由拱的內力、變形及施工階段結構安全等方面決定。為使拱的受力均勻合理，在系桿張拉時，先張拉靠中部的系桿。第二批系桿張拉時，全橋支架已經拆除完成，系桿索力主要用于平衡二期鋪裝等荷載引起的拱腳推力。出于對施工階段結構的安全及拱肋穩定考慮，決定優先張拉最外側系桿，后張拉最穩定的中部系桿。根據該橋結構特點及施工變形分析，確定全橋系桿張拉順序為：N2、N3、N6、N7、N1、N8(第一批)→N4、N5(第二批)；同批施工的2根系桿盡量做到同步、緩慢張拉。

4 結 語

彭陽縣平安大橋為五跨連續雙飛燕上承式箱型斷面空腹式系桿板拱橋，采用滿堂支架現澆法進行施工，施工過程較繁雜。施工過程中采取了主拱線形控制、滿堂支架脫架及系桿分批次張拉等主要施工控制技術。

該橋于2020年10月建成，11月正式通車。在橋梁建成后對其成橋狀態進行監測，結構表明：拱圈成橋線形與設計線形存在小范圍的偏差，該偏差在規范允許范圍內，滿足要求；系桿成橋索力與設計索力偏差在±7%以內；成橋后外觀檢查均未發現結構裂縫，結果表明橋梁各構件受力情況良好。以上結果均滿足設計及相關規范要求，說明該橋施工整體達到預期目標。該橋相關施工控制技術可為該類型拱橋的建設提供參考與借鑒。

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