混凝土拱桥悬臂浇筑施工力学性能研究

周 倩，周水兴，李晓庆，冯雨实

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074； 2. 重庆能源职业学院 土木工程系，重庆 402260)

0 引 言

钢筋混凝土拱桥采用悬臂浇筑法[1]施工，结构整体性和经济性较好，适用于陡峭峡谷、湍急河流地带，在我国西部地区，山地多、地形险峻，拱桥具有较大的竞争力。然而，拱桥悬臂浇筑施工技术在我国起步较晚，且由于施工周期长、施工质量难以控制及受力复杂等原因，在已建拱桥中使用不多，设计施工研究开展较少，开展悬臂浇筑混凝土拱肋施工力学性能研究对受地形地貌，交通条件等因素限制而不宜采用悬臂拼装、支架现浇法施工的拱桥的成功修建意义较大。

国内采用悬臂浇筑法已建成西攀高速公路白沙沟1#桥[2]、攀枝花新密地大桥、四川鱤鱼大桥、贵州木蓬特大桥和贵州马蹄河大桥等5座，贵州、重庆在建混凝土拱桥各两座，最大跨度已达240 m。在白沙沟1#桥的设计施工中，开展了悬臂浇筑侧桁纵移挂篮开发应用[3]、双重调索低应力夹片锚固系统开发应用[4]、新型岩孔锚锭的开发和悬臂浇筑施工控制技术[5]，以及合理拱轴线[6]、拱上立柱、桥面板构造、横隔板布置及优化等研究[7]。

采用挂篮悬臂浇筑混凝土拱圈，随着后续节段的浇筑，已浇节段会出现较大的上下交替变形，且拱圈浇筑到1/4拱跨后，扣塔水平位移较大、斜拉索伸长，已浇节段局部位置出现较大的拉应力，特别是浇筑工况，现浇梁段和挂篮自重全由已浇拱圈承担，按照扣索一次张拉法优化的索力进行张拉，很难将拱肋施工期间的内力控制在允许范围内。为保障结构施工阶段的安全性能，笔者以某大跨悬浇混凝土拱桥为工程实例，建立ANSYS空间分析模型，计算在不同施工方案下拱圈截面内力及变形，并对结果展开分析，研究悬浇混凝土拱桥施工内力及变形控制的有效办法，对此类拱桥的施工具有一定的参考意义。

1 工程概况

该等截面悬链线拱桥桥面宽21.5 m，高2.8 m。设计行车速度80 km/h，主孔净跨165 m，净矢高30 m，拱轴系数为1.988，主拱圈采用单箱双室截面，全桥分12段施工，拱脚段采用钢管支架现浇法施工，其余节段采用挂篮悬臂浇筑施工。该桥全长364.6 m，大桥总体布置如图1。

图1 大桥总体布置(单位：cm)Fig. 1 Elevation of Bridge

2 悬臂浇筑施工分析

2.1 计算方法

笔者采用零阶优化方法进行扣索力计算，以全桥松索成拱线形与一次性成桥线形差最小为目标，施工阶段索塔水平位移和拱脚拉应力为状态变量。状态变量的约束条件如下：

(1)

式中：i为施工阶段；UXi为第i阶段索塔顶水平位移；Si为第i阶段拱脚拉应力。

使用ANSYS自带的APDL语言，开发了一套专门用于悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥施工分析的程序。有限元模型中，拱圈、交界墩、扣塔等混凝土材料采用Beam44梁单元模拟，允许拉应力值为1.83 MPa。扣锚索采用Link10单元模拟，并通过刚性梁单元与拱肋连接。参考规范给定材料弹性模量，根据有限元模型自重与实际结构重量差修正材料容重。全桥施工仿真分析有限元模型见图2。

图2 木蓬特大桥有限元模型Fig. 2 Finite element model of Mupeng bridge

2.2 节段长度对施工内力及变形影响分析

节段长度[8]大小决定了现浇混凝土工况的荷载大小，笔者分别计算在5、6、7、8 m的浇筑长度方案下施工阶段拱圈截面的内力及变形。笔者需建立4个不同的模型，为减少工作量，假定全桥为等截面拱圈，挂蓝用集中力模拟。故笔者计算结果与后续实桥模型计算结果在数值上无可比性。不同浇筑长度拱圈施工内力及变形分析结果见图3～图5。分析图3和图4可知：浇筑长度由8 m减小到5 m，最大施工拉应力由3.86 MPa减小到3.27 MPa，减小15.28%；最大施工上挠值由3.87 cm减小到2.81 cm。即使以每段5 m进行浇筑，拱圈施工阶段的拉应力依然无法满足规范要求。图5为拱圈扣点位置变形变化值，由图5可以看出，浇筑长度越大，施工过程中拱圈变形变化越剧烈，对延长结构使用寿命不利。

图3 各工况已浇拱圈最大拉应力Fig. 3 Maximum tensile stress of each construction stage

图4 各工况已浇拱圈最大挠度Fig. 4 Maximum deformation of each construction stage

图5 拱圈扣点位置变形变化值Fig. 5 Vertical deformation change of points

综上所述，悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥，单纯减小节段长度并不能有效控制施工内力，但可一定程度上改善拱圈施工变形。

提取最大拉应力的发生位置，篇幅所限，笔者只给出浇筑长度为7 m时的结果(以拱脚为坐标原点)，见表1。由表1可见，浇筑拱脚和拱顶位置时，最大拉应力多发生于拱脚位置，但浇筑中间节段时，最大拉应力通常位于现浇段前0.4～0.6倍水平位置，施工中应加强对此类截面的监测。

表1 施工阶段最大拉应力位置Table 1 Locations of maximum tensile stress for concrete casting construction conditions

2.3 挂蓝构造对施工内力及变形影响分析

目前用于桥梁施工中的挂篮按构造形式主要分为前支点和后支点两种，笔者针对此两种挂篮对悬臂浇筑施工内力及变形控制效果进行分析，计算结果见图6～图8。由图6～图8可见，采用后支点挂篮，施工阶段最大上挠为6.54 cm，最大下挠为9.7 cm，最大施工拉应力为4.36 MPa；采用前支点挂篮，拱圈施工阶段内力及变形均得到较大改善，最大上挠减小到1.06 cm，最大下挠减小到4.43 cm，最大拉应力减小到1.18 MPa，小于材料允许拉应力值。

图6 最大拉应力值对比Fig. 6 Comparison of maximum stress

图7 最大向上变形值对比Fig. 7 Comparison of maximum upwarping

图8 最大向下变形值对比Fig. 8 Comparison of maximum downwarping

2.4 设置预应力对施工内力及变形影响分析

梁桥中往往通过设置预应力束来减小混凝土所受的拉应力，受此启发，笔者研究拱圈内施加预应力对截面施工内力及变形的影响。预应力钢束用Link10单元模拟，通过刚臂单元同拱圈连接，预应力荷载转化为温度荷载形式施加。计算结果见图9～图11。由图9～图11可见，张拉预应力对拱圈施工变形影响较小，但对施工内力改善效果较好。张拉预应力后，最大施工应力由4.36 MPa减小到1.83 MPa，减小幅度达到78.17%。

图9 最大拉应力对比Fig. 9 Comparison of maximum stress

图10 最大向上变形对比Fig. 10 Comparison of maximum upwarping

图11 最大向下变形对比Fig. 11 Comparison of maximum downwarping

2.5 扣索锚固位置对施工内力及变形影响分析

笔者分别计算扣索锚于顶板和锚于底板两种工况下拱圈施工内力和变形，结果见图12～图14。

图12 最大拉应力对比Fig. 12 Comparison of maximum stress

图13 最大向上变形Fig. 13 Comparison of maximum upwarping

图14 最大向下变形Fig. 14 Comparison of maximum downwarping

由图12～图14可见，改变扣索锚固位置虽能一定程度上改善拱圈施工变形，但对施工内力影响不大。

2.6 悬臂浇筑钢筋混凝土拱圈施工控制办法对比

单纯减小节段长度并不能改善施工受力，不建议单独采用。施加预应力、挂篮构造形式、扣索锚固位置对拱圈悬浇施工内力及变形影响对比见图15和图16。

图15 最大施工拉应力对比Fig. 15 Comparison of maximum stress

图16 最大上挠、下挠值对比Fig. 16 Comparison of maximum upwarping and downwarping

由图15和图16可知，改变扣索锚固位置虽能一定程度上控制拱圈施工变形，但对悬浇施工内力影响不大。采用前支点挂篮和施加预应力能有效减小最大施工拉应力，但施加预应力对施工变形改善效果较小，改变挂篮构造形式是控制拱圈悬浇施工内力及变形的最有效办法。

3 结 论

笔者通过对某钢筋混凝土拱圈悬臂浇筑施工内力及变形分析研究，得到以下结论：

1)单纯改变节段长度和扣索锚固位置方案虽能一定程度改善拱圈施工变形，但并未将主拱施工内力控制到允许范围，浇筑长度越大，拱圈施工变形突变越剧烈。

2)对悬臂浇筑钢筋混凝土拱圈，在拱圈顶板设置预应力可减小主拱施工内力，采用前支点挂篮，能同时有效控制施工阶段主拱内力及变形，且效果最明显。

3)浇筑拱脚和拱顶位置时，最大施工拉应力往往发生在拱脚位置，浇筑中间节段时，最大施工拉应力发生在现浇段前0.4～0.6倍水平位置，施工中应加强对这些截面的监测。

4)由于篇幅所限，笔者仅分析了节段长度、挂蓝构造形式、预应力、扣索锚固位置等控制方案，还可以针对不断调索、改变扣索力等办法展开进一步研究。

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