悬臂浇筑法中劲性骨架段的合理长度

成 文，王学敏，成 武，邓平郎，刘子利

(1.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130026)

近年来斜拉扣挂悬臂浇筑法因其结构整体性好、造价相对低、工期短、对施工场地要求低等优点，在西南山区大跨径钢筋混凝土拱桥施工建设中发展非常迅速。但是该方法由于斜拉索等原因，限制了拱桥的跨径，一般不超过200 m[1-2]。悬臂浇筑与劲性骨架组合施工法[3]是在斜拉扣挂悬臂浇筑法与劲性骨架法的基础上发展而来的，即两侧拱脚采用挂篮悬臂浇筑，中间段则先用劲性骨架合龙，再浇筑外包段混凝土。此方法充分结合了两者的优点，可以尽快合龙成拱，从而减少施工风险，缩短工期。在国外尤其是日本已有数座拱桥采用该方法施工，施工过程控制已经非常成熟。但在国内关于悬臂浇筑与劲性骨架组合法的理论研究和实际应用还非常少。杨昌龙[4]对采用悬臂浇筑与劲性骨架法施工的大跨径混凝土拱桥施工稳定性研究中，认为该施工方法在理论上是安全可行的，不会发生失稳现象。张兰[5]对组合法施工的劲性骨架构造及对内力影响进行了研究。陈啟婵[6]进行了劲性骨架构造形式对主拱圈的影响以及主拱等效刚度计算的研究。目前国内只有在建的涪陵乌江大桥复线桥[7](主跨220 m)与贵州夜郎湖特大桥[8](主跨210 m)采用了该方法施工。本文以贵州省夜郎湖大桥为工程背景，对该施工方法合龙段劲性骨架的合理长度进行了研究。

1 工程概况

夜郎湖特大桥是净跨L=210 m，净矢高42 m，拱轴系数m=1. 677的钢筋混凝土拱桥，如图1(a)所示。单幅主拱圈为单箱单室截面，箱高3. 5 m，箱宽 7. 0 m，拱脚截面顶底板厚80 cm，腹板厚80 cm;其余截面顶底板厚40 cm，腹板厚50 cm，均为C50混凝土，见图1(b)和1(c)。跨中28 m采用劲性骨架合龙，劲性骨架弦杆采用热轧H型钢HW400×408×21×21。

图1 夜郎湖大桥(单位：cm)

2 劲性骨架合理长度分析

对目前国内外已建成的采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工的桥梁工程实例进行统计分析，可以得出劲性骨架长度在0.5L(L为跨度)左右的最多，占比高达56%。另外从主拱圈自身受力特点来看，拱顶截面产生正弯矩，拱脚截面产生负弯矩，L/4附近刚好是正负弯矩交变区，弯矩比较小。因此结合统计分析结果，可以初步确定劲性骨架长度取在0.5L附近较为合理[9]。

2.1 扣索索力的利用率

斜拉扣挂悬臂浇筑法采用了斜拉桥施工的理念[10]，扣索的主要作用是为拱圈悬臂浇筑节段提供竖向分力，从而控制拱圈线形和各截面的应力。扣索的水平夹角越大，则提供的竖向分力越大，扣索力利用率越高。反之，扣索水平夹角越小，则扣索提供的竖向分力就越小，扣索力利用率也就越小。因此，通过只设置1个索塔扣锚点来分析每根扣索的利用率，结果见图2。

由图2可以看出，第5根扣索及以后的扣索水平夹角非常小，扣索力竖向分量几乎接近0。解决这个问题通常有2种方法：①加高扣索索塔扣锚点高度；②增大扣索索力。

加高扣锚点高度必然会增加索塔的高度，这会增加施工成本和施工风险;而增大扣索索力，则会导致对应的拱圈节段锚点产生较大的集中应力，且施工过程中很容易使索塔承受较大的不平衡水平力，影响施工安全。因此，可以考虑在5#—8#扣索对应的拱圈设置悬臂浇筑段与劲性骨架段分段点，即劲性骨架长度可选取在0.38L～0.62L。

2.2 有限元模型

对夜郎湖特大桥主拱圈施工过程进行仿真分析[11]，采用MIDAS/Civil 软件建立与实际施工步骤一致的有限元模型(见图3)，由于对称性，此处只建立半跨模型。

图3 有限元模型(图中数字为扣索编号)

2.3 施工过程最大扣索力

用MIDAS有限元模型进行施工阶段计算分析，得到各施工阶段的扣索力，提取各个施工阶段各扣索的最大索力，见图4。

图4 各扣索最大索力变化趋势

由图4可以看出，6#—8#扣索施工过程最大索力变化较为平顺，8#以后扣索索力显著增大，会在相应的拱圈锚固点位置产生较大应力集中，对结构受力不利。因此从各施工阶段扣索的最大索力变化趋势分析，悬臂浇筑与劲性骨架段合理分段点位置应在6#—8#扣索，即劲性骨架长度可选取在0.38L～0.54L。

2.4 施工过程拱圈最大拉应力

从计算结果中提取各个施工阶段拱圈控制截面最大拉应力，见图5。

图5 各控制截面最大拉应力变化趋势

由图5可以看出，拱圈各控制截面最大拉应力峰值出现在拱脚截面和6#—8#截面，是施工控制的关键部位。分析拱圈截面最大拉应力变化趋势可知，为了有效控制施工过程中拱圈截面拉应力，悬臂浇筑与劲性骨架段合理分段点位置可以设置在6#—8#截面，即劲性骨架长度可选取在0.38L～0.54L。

综合考虑施工阶段的最大扣索力和拱圈截面最大拉应力2个因素，可以得出劲性骨架段合理长度可选取在0.38L～0.54L，这与本文对采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工的已建成桥梁工程实例的统计分析和主拱圈自身受力特点分析得出的劲性骨架长度在0.5L附近这一结果较为符合。

3 结论

从扣索索力利用率分析，劲性骨架长度选取在0.38L～0.62L较为合理；从施工过程最大扣索力和拱圈最大拉应力分析，劲性骨架长度选取在0.38L～0.54L较为合理；综合考虑最终可得出劲性骨架的合理长度取值在0.38L～0.54L，这与前面的统计分析结果和拱圈自身受力特点分析结果较为符合。