大跨径悬臂浇筑拱桥施工期多重风险防御研究

蒋建军，蒋劲松，庄卫林

（1.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041；2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院,四川 成都 610017）

0 引言

大跨径钢筋混凝土拱桥具有经济、耐久、美观的特点，特别适用于地质条件较好的V形河谷，其主拱圈的主要施工方法有缆索吊装法、悬臂浇筑法、转体施工法、劲性骨架法。悬臂施工法已在国内6座特大跨径拱桥上使用，目前建成的有四川盐边县鳡鱼大桥（净跨径200 m）、四川攀枝花市新密地大桥（净跨径182 m）、贵州木蓬特大桥（净跨径165 m）、四川白沙沟1号桥（净跨径150 m）。大跨径钢筋混凝土拱桥的主拱圈采用悬臂浇筑法施工时，主拱圈节段施工时间长，悬臂跨径大，面临多重风险考验；为了确保主拱圈施工安全，需要对风险进行分析，并采取必要的防御措施。

1 工程概述

攀枝花市新密地大桥横跨金沙江，为城市桥梁，桥面全宽30 m，双向6车道（近期中分带设尾矿管），分上、下游两幅桥，桥梁全长296 m。该桥于2008年12月开工，上游幅桥于2011年9月建成通车，下游幅桥于2013年2月建成通车。

主拱圈为净跨径L0=182 m、净矢跨比F0/L0=1/6、拱轴系数m=1.988的等高箱形截面（高3.5 m）悬链线无铰拱，采用挂篮悬臂浇筑法施工。主拱圈分31个节段，其中两岸各设一个拱脚搭架现浇段，拱顶设一个吊架浇筑合龙段，其余28个均为挂篮悬臂浇筑段[1-2]。

主拱圈悬臂浇筑施工采用斜拉扣挂体系（见图1～图3）。扣索下端锚固在拱箱内横隔板与腹板、顶板交叉处，上端为张拉端，锚固在索塔上钢锚箱内；锚索下端锚固在锚碇背面，上端为张拉端，锚固在索塔上钢锚箱内。索塔由钢管格构柱、横撑、斜撑及钢锚箱支撑平台组成。斜拉索材料为φS15.2高强低松弛钢绞线。

图1 主拱圈悬臂浇筑施工

主拱圈施工期的风险分析和控制是保证大桥施工安全和工程质量的关键。

2 主拱圈施工主要技术要求

在桥梁总体设计中，对主拱圈施工提出了以下主要技术要求[1]：

（1）悬臂浇筑阶段主拱圈截面边缘法向压应力不超过0.7，拉应力不超过0.7[3]，主拱圈混凝土的强度等级为C50，施工期法向应力允许范围为1.855～-22.68 MPa。

（2）扣索、锚索在整个施工阶段任何工况下的安全系数不小于2.5。

（3）主拱圈悬臂浇筑阶段，拱圈上各监测点位移限值±10 mm，索塔塔顶纵向最大偏位不大于25 mm；索塔扣索、锚索张拉处的偏位误差不大于H/3000；锚碇最大水平位移不超过6 mm。

图2 新密地大桥立面图（单位：cm）

图3 主拱圈标准横断面图（单位：cm）

3 主拱圈施工期多重风险分析及防御措施

3.1 极端气温

工程区位于攀枝花市东区，日照充足，太阳辐射强烈，年平均气温21℃，最热五月，平均气温为27.6℃，极端高温为40.7℃；最冷十二月，平均气温为13℃，极端低温为-1.4℃。主拱圈从开始悬臂浇筑到合龙，要经过最热的五月和最冷的十二月。

参照《公路斜拉桥设计细则》JTG/T D65-01—2007第5.2.5条，索、塔、拱圈之间的温差可取±10℃～15℃[4]。根据现场对扣锚索、索塔、拱圈温度的监测结果来看（一般在晴天或阴天进行）：阴天扣锚索、索塔、拱圈的温差在5℃以内；晴天扣锚索的温度可达60℃，索塔的温度可达45℃，而拱圈的温度与监测位置是否受太阳照射有关，各部位的温度离散性较大，平均温度约35℃。为偏安全考虑，晴天时，扣锚索与索塔的温差按15℃计，扣锚索与拱圈的温差按25℃计；阴雨天时，扣锚索与索塔的温差按-10℃计，扣锚索与拱圈的温差按-15℃计。

采用Midas/Civil有限元软件建模计算，选取典型工况，对拱圈施工阶段的温差效应进行分析：

工况①：悬浇一半状态，整体升温20℃，索、塔、拱箱正温差；

工况②：悬浇一半状态，整体降温20℃，索、塔、拱箱负温差；

工况③：最大悬臂状态，整体升温20℃，索、塔、拱箱正温差；

工况④：最大悬臂状态，整体降温20℃，索、塔、拱箱负温差。

针对上述4种工况，分别对塔顶水平位移、塔柱钢管组合应力、拱圈竖向位移、拱圈组合应力和扣锚索应力进行验算，结果见表1。

表1 温差效应对结构体系的影响

从表1可以看出：工况①和工况③时，塔顶水平位移较大，同时拱圈竖向位移（向下为负，向上为正）也较大，主拱圈的应力幅较大（拉应力/压应力）且拉应力超限，塔柱钢管组合应力小于设计允许值140 MPa，扣锚索的应力小于设计允许值744 MPa；工况②和工况④时，塔顶水平位移和主拱圈竖向位移均较小，主拱圈的应力幅较小且在允许范围之内，塔柱钢管组合应力小于设计允许值140 MPa，扣锚索的应力小于设计允许值744 MPa。

根据上面的分析计算结果，在主拱圈悬臂浇筑阶段，当天气炎热时，结构体系整体升温较大，同时发生较大的索、塔、拱箱正温差，会造成索塔朝江心方向倾斜、拱圈悬臂端下挠，同时拱圈局部部位会出现一定的拉应力，对主拱圈施工安全性造成较大的影响，需要采取合理有效的措施进行控制，具体有：

（1）加强主拱圈混凝土(包含箱内和箱外)的洒水养护和降温；

（2）扣锚索钢绞线应采用PE护套进行防护和隔热，不能直接裸露暴晒；

（3）钢结构索塔向阳侧应采取挂帷幕方式防止太阳直接照射。

3.2 洪水

洪水对主拱圈的作用分为浮力与流水压力两种[5]。该桥的设计洪水频率为20 a一遇，对应水位为1 005.2 m，主拱圈施工期偏安全地以此水位进行分析计算。

洪水作用(浮力、流水压力)对扣锚索的应力影响、对主拱圈轴线偏差影响、对主拱圈的截面应力影响见表2和表3。

表2 洪水作用对结构体系的影响（悬浇一半状态）

表3 洪水作用对结构体系的影响（最大悬臂状态）

工况①：浮力、流水压力；

工况②：自重、扣锚索力、浮力、流水压力。

洪水作用(浮力、流水压力)对扣锚索的应力影响很小，只有21.8～30.5 MPa，扣锚索的最大拉应力为682.8 MPa，在安全范围内；对主拱圈横向偏差影响为5.8～9.6 mm，满足设计要求不大于10 mm的要求；对主拱圈竖向挠度影响为8.5～17.3 mm，需调整立模标高；对主拱圈应力影响较大，拱脚附近由洪水作用产生的拉应力为4.7～5.2 MPa。

从上面分析可知，洪水作用（浮力、流水压力）对结构体系的不利影响主要是在拱脚段下缘产生较大的拉应力，超过了设计允许拉应力1.855 MPa，可能会出现受力裂缝。

洪水发生时，浮力和流水压力会对结构体系产生不利影响，还可能腐蚀扣索钢绞线，对其防御措施有：

（1）汛期应加强水文和气象观测，做好防汛和度汛预案；

（2）对于可能受洪水淹没的1#～5#扣索，应做好防腐蚀工作，在丰水期间要防止漂浮物撞击，且应及时将洪水带来的缠绕杂物进行清除；

（3）注意及时清除拱箱内杂物(钢筋、模板、混凝土渣块等)，并疏通拱箱的排水管，保持水流进出顺畅，减小浮力的影响；

（4）拱圈迎水面可设置导流板，减小流水压力的影响；

（5）拱圈拱脚段下缘应设置防裂钢筋网片，并在混凝土配制时添加聚丙烯腈纤维。

3.3 强风

攀枝花新密地大桥桥区设计基本风速V10=26.0 m/s，横桥向静风荷载假定水平地垂直作用于主拱圈各节段迎风面积和索塔立柱的形心上。取最大悬臂状态进行分析计算，在风荷载+自重（含挂篮和横隔板重）+扣锚索力组合作用下，扣锚索索力、主拱圈应力、索塔立柱应力、主拱圈横向偏位情况见表4。

表4 风荷载对结构体系的影响

根据分析结果，风荷载对扣锚索索力、主拱圈应力、索塔立柱应力的影响均较小，对主拱圈横向偏位影响稍大。由于结构体系为弹性，在大风过后，主拱圈的横向偏位会消失，因此静风荷载不会对结构体系的安全造成影响。

主拱圈抗风稳定性验算（不设抗风缆的情况下）参照《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T D60-01—2004第6.3条计算。颤振稳定性验算结果见表5。

表5 施工期主拱圈颤振稳定性验算结果

从表5可以看出：半悬臂状态时，其扭转基频ft为3.761 Hz，颤振稳定性指数If为1.795；颤振检验风速[Vcr]为64.8 m/s，颤振临界风速Vcr为158.0 m/s，Vcr＞[Vcr],所以颤振稳定性验算满足设计规范要求；最大悬臂状态时，其扭转基频ft为2.963 Hz，颤振稳定性指数If为2.362；颤振检验风速[Vcr]为67.2 m/s，颤振临界风速Vcr为124.5 m/s，Vcr＞[Vcr],所以颤振稳定性验算满足设计规范要求[6]。

新密地大桥的主拱圈宽度为9.6 m，相对较宽，有必要验算其涡激共振的发生风速。根据《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T D60-01-2004第7.2.3条[6]，竖向涡激共振发生风速，扭转涡激共振的发生风速。涡激共振发生风速验算结果见表6。

表6 施工期主拱圈涡激共振发生风速验算

从表6可以看出：半悬臂状态时，主拱圈竖向涡激共振发生风速为22.8 m/s，小于设计风速Vd，扭转涡激共振发生风速为48.0 m/s，大于设计风速Vd；最大悬臂状态时，主拱圈竖向涡激共振发生风速为12.7 m/s，小于设计风速Vd，扭转涡激共振发生风速为37.8 m/s，大于设计风速Vd。因此，扭转涡激共振发生的可能性较小，而竖向涡激共振发生风速低，出现的几率较大，主拱圈施工安全性造成较大的影响，采取的防御措施有：

（1）风季加强风速观测，做好防风预案；

（2）由于悬臂浇筑阶段，结构竖向振动的频率较低，导致竖向涡激共振发生风速较低，因此提高其竖向振动频率可以减小竖向涡激共振发生的概率，主要措施是在大风季节，在拱脚段设置临时支架，减短悬臂长度，提高其刚度；

（3）加大索塔顶压重索规格，提高索塔稳定性。

3.4 挂篮滑落

在悬臂浇筑阶段，挂篮的行走方式采用千斤顶逐渐顶推，如果操作不当，有可能发生挂篮滑落的风险。这里分别取悬浇一半状态和最大悬臂状态进行分析计算。加载方式为反向加载，冲击系数取1.4。

在自重(含横隔板重)+索力+挂篮滑落组合作用下，主拱圈应力、索塔立柱应力、扣锚索索力、主拱圈竖向挠度见表7和表8。

表7 挂篮滑落对结构体系安全性的影响（半悬臂状态）

表8 挂篮滑落对结构体系安全性的影响（最大悬臂状态）

工况①：挂篮滑落；

工况②：自重+挂篮滑落+索力。

从分析结果可知：挂篮滑落时，扣锚索索力小于744 MPa，在设计允许范围内；索塔立柱应力在允许范围内；主拱圈下缘产生了较大的拉应力，远远超过设计允许值1.855 MPa；主拱圈竖向上挠变形严重，半悬臂状态时上挠107.7 mm，最大悬臂状态时上挠243.6 mm。

挂篮滑落对结构体系安全的影响很大，为了避免这种现象发生，采取的防御措施有：

（1）在挂篮行走时，安排技术员和安全员驻守现场，指导作业；

（2）在使用千斤顶对挂篮进行顶推时，在滑槽两侧均设置千斤顶，一个送油顶推，另一个回油后退；

（3）在滑槽末端应设置钢棒进行限位，杜绝挂篮滑落。

3.5 扣锚索断裂

在悬臂浇筑阶段，扣索和锚索均在塔顶进行张拉，下端分别锚固在拱箱内和锚碇后侧。为了节约造价，扣锚索钢绞线一般需要重复使用（上游幅桥使用后拆除保存，在下游幅桥施工时继续使用），如果扣锚索钢绞线保存不善，发生严重锈蚀且继续使用，则有可能发生锚具失效，或钢绞线本身因为缺陷而断裂。

在最大悬臂状态时，模拟15#索（索力最大）发生断裂，对结构体系进行分析计算。主拱圈应力、索塔立柱应力、扣锚索索力、主拱圈竖向挠度的结果见表9。

表9 扣索断裂对结构体系的影响

工况①：自重+扣索断裂+索力。

从分析结果可知：当扣索断裂时，其他扣锚索的索力将增加，最大拉应力达到910.9 MPa，不能满足设计要求；当扣索断裂时，主拱圈上缘出现较大的拉应力，达到3.0 MPa，不满足设计要求；扣索断裂时，拱圈出现较大下挠变形，达到231.3 mm。扣索断裂时，索塔立柱的最大压应力为102.8 MPa，满足设计要求。

扣锚索断裂对结构体系的安全性影响很大，采取的防御措施有：

（1）在扣锚索钢绞线挂索时采用分索器，避免钢绞线之间发生缠绕；

（2）张拉时严格按照索力和伸长量进行控制，并且在施工过程中对索力进行跟踪监测；

（3）对于扣锚索锚头处的锚具、锚块、钢锚箱等每天进行检查，一旦发现夹片松动、锚块开裂等现象，及时进行补救；

（4）对于使用过的扣锚索钢绞线进行妥善保管，防止锈蚀；对于使用过程中就发生了严重锈蚀的钢绞线，则不得在下游幅桥中使用；

（5）施工作业过程中对扣锚索的风雨振动或其他原因导致的振动进行观察，采取挂绳、支撑等措施进行适当约束，减小其振幅。

4 结 语

采用悬臂浇筑法施工的大跨径钢筋混凝土拱桥主拱圈的整体性、耐久性及抗震性能均较好，并且该施工方法不需要预制场地，也不需要专门的梁、拱运输通道，减少占地，经济性好。在主拱圈采用悬臂浇筑法施工期间，将面临多重自然灾害和事故风险。本文以建成的攀枝花市新密地大桥为例进行风险分析，结果表明：极端气温、洪水、强风、挂篮滑落、扣锚索断裂等几种常遇灾害或事故风险对主拱圈施工安全及工程质量影响较大，有必要采取恰当的防御措施。