郑万高铁梅溪河大桥拱圈外包混凝土浇筑方法探讨

苏延文，曾永平，陈克坚，夏兴新

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031； 2.西南交通大学，成都 610031)

引言

近5年来，随着我国高速铁路的快速发展，已修建或正在修建的跨径大于300 m的劲性骨架混凝土拱桥共有6座[1-2]。统计分析表明，劲性骨架混凝土拱桥在钢管混凝土劲性骨架成拱后再立模、分环、分段浇筑拱圈外包混凝土，由于外包混凝土在施工过程中分步加载、逐次形成强度和刚度的思路能够显著降低混凝土拱桥的施工难度，所以已成为拱桥跨径突破的方向[3-10]。为了安全顺利地完成拱圈混凝土的浇筑，选择合理的施工方法是混凝土拱桥修建的关键环节[11-12]。由于劲性骨架承载力有限，外包混凝土质量大，一次性全部浇筑混凝土会对支撑体系造成不利影响，所以实现拱圈外包混凝土的安全浇筑是工程建设中的难点。

目前，大跨度劲性骨架混凝土拱桥外包混凝土常推荐采用“竖向分环、纵向多工作面、多次”的浇筑方法，并且按照外包混凝土参与受力与否分为两类方法，即分段平衡浇筑法和分段连续浇筑法。然而，平衡浇筑和连续浇筑方法的适用性，拉索调整控制截面应力与拱圈变形时位置与张拉力的确定、纵向工作面的分段数量影响等问题仍需要深入研究。

为此，以主跨340 m的郑万高铁梅溪河大桥为研究背景，分别针对平衡浇筑法与连续浇筑法如何安全地实现外包混凝土的浇筑进行深入探讨，目的是形成该类型拱桥外包混凝土较为完善的施工方法，研究结论将为大跨度混凝土拱桥的修建提供技术支撑。

1 拱圈混凝土浇筑方法

分段平衡浇筑法的流程可简述为：当劲性钢骨架悬臂拼装完成后，对拱圈外包混凝土进行横向分环，对于每一环外包混凝土，依次沿拱脚至拱顶的多个工作面进行对称立模浇筑，先期浇筑的混凝土达到强度后能够参与临时结构体系的受力，从而一定程度上增加了钢骨架的刚度[13-14]；分段连续浇筑法的流程可简述为：当劲性钢骨架悬臂拼装完成后，对拱圈外包混凝土进行横向分环，沿桥跨两侧纵向多个工作面对称连续浇筑一环混凝土，待混凝土达到强度后再连续浇筑下一环，直至完成所有环混凝土浇筑[15-18]。其中，平衡浇筑法具有受力均衡，充分发挥混凝土强度等优点，但其施工周期较长，而连续浇筑法具有缩短施工周期，施工接缝少等优点，但模板用量较多。

由于在浇筑过程中外包混凝土的重力相对于劲性钢骨架较大，一般需要重复利用钢骨架扣索系统的多组拉索对主拱圈混凝土应力和变形进行调整控制，所以确定拉索位置和索力大小是保证拱桥结构应力和变形满足设计要求的关键。

以拉索调整主拱圈控制截面应力为例，常规的确定方法为：首先计算各控制截面应力过程线(即各控制截面应力随施工顺序的变化趋势曲线)并记录应力突变位置；其次求得应力突变截面的影响线，并在影响线峰值对应的位置张拉一组扣索。然而，通过多次计算发现，当应力超限的截面过多时，应力的调整将相互影响而会产生顾此失彼的效果。此外，索力的大小还需要再次进行建模确定。

为了解决常规调整方法存在的问题，依托劲性钢骨架的扣索系统，提出了采用敏感性分析确定拉索合理张拉位置以及索力大小的新方法，主要步骤如下。

(1)确定拉索敏感性分析曲线：重复利用劲性钢骨架扣索系统的拉索，顺桥向全部拉索均施加单位力，单独计算每根拉索在单位力作用下各控制截面的应力，将每一控制截面应力随拉索位置的变化称为该截面应力的敏感性曲线。

(2)确定拉索位置：对于在外包混凝土浇筑过程中应力超限的控制截面，根据控制截面的敏感性曲线找出其应力峰值所对应的拉索位置。

(3)确定索力大小：通过对拉索敏感性曲线乘以调整系数并与应力过程线进行叠加，逐次逼近直至将截面应力控制至理想状态，最终确定的调整系数则为拉索的张拉力。

上述步骤可利用Midas Civil软件激活与钝化功能，仅进行一次施工全过程计算即可实现。在施工过程中拱圈变形的控制与上述应力的调整步骤相同，此处不再赘述。

2 工程概况

郑万高铁梅溪河大桥为主跨340 m的上承式劲性钢骨架混凝土拱桥，计算矢高为74 m，矢跨比为1/4.595，拱轴线方程为悬链线，拱轴系数为3.2；主拱圈布置形式为顶部合并的提篮双肋拱，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室拱肋组成，拱顶合并为单箱双室截面；主拱圈由劲性钢管混凝土骨架外包C55混凝土构成，上、下弦管采用直径75 cm，厚度2.4 cm的Q390圆形钢管，弦管内灌注C60的自密实无收缩混凝土。劲性骨架主钢管间横向、竖向采用腹杆、平联杆等连接系形成整体空间桁架结构；该桥钢材总质量约为4 300 t，拱圈外包混凝土达到18 000 m3，钢骨架仅为外包混凝土重力的1/11。图1为梅溪河大桥半跨劲性钢骨架与斜拉扣索系统以及主拱圈跨中截面示意。

图1 半跨劲性钢骨架与斜拉扣索系统、跨中截面示意

3 计算结果与分析

根据梅溪河大桥拱圈施工的设计说明，主拱圈竖向混凝土的浇筑分为三环，顺序依次为：边箱底板混凝土，边箱腹板混凝土，边箱顶板混凝土(图1)。其中，第一环混凝土约为3 600 m3，第二环约为11 000 m3，第三环约为3 400 m3。全桥纵向每环纵向均划分一定数量的工作面，各工作面混凝土均为自拱脚至拱顶方向分小段进行浇筑。依据外包混凝土的施工顺序，采用Midas Civil软件建立拱圈外包混凝土的梁-板组合有限元模型。其中，钢骨架采用梁单元模拟，外包混凝土采用板单元模拟，斜拉扣索采用索单元模拟。

3.1 多工作面平衡浇筑法3.1.1 4个工作面

当主拱圈纵向划分4个工作面同步作业，平衡浇筑法计算模型中共包括63个施工阶段。其中，前1～37施工阶段为劲性钢骨架的悬臂拼装阶段，第38～63施工阶段为外包混凝土的浇筑过程。图2为采用平衡浇筑法的计算结果，图中应力受拉为正，受压为负，位移上挠为正，下挠为负(下同)。从图2可以看出，拱顶上弦钢管最大压应力为213 MPa，拱顶上弦管内混凝土最大压应力为21.6 MPa，拱顶反复挠度达到73 mm。由于截面最大应力和拱顶反复挠度较大，需要对应力和挠度进行适当调整控制。

3.1.2 4个工作面辅助斜拉扣索

根据上述拉索敏感性分析的3个步骤，在外包混凝土浇筑过程中需要张拉的3组拉索编号确定为L4、L8、S8，拉索张拉力的过程线如图3所示。其中，拉索L8的最大张拉值为2 500 kN，拉索L4与S8的最大张拉值为2 000 kN。

图2 4个工作面平衡浇筑法应力与挠度结果

图3 拉索张拉力

图4所示为利用3组拉索进行调整后的计算结果与未施加拉索结果的对比。可以观察到，拉索对于应力和挠度的调整效果明显，上弦杆钢管最大压应力为180 MPa，管内混凝土最大压应力为18.5 MPa，拱顶的反复挠度仅为50 mm。可见，在浇筑外包混凝土过程中应力和拱顶反复挠度均得到了显著的改善，钢管与管内混凝土的应力具有较大的富余。

图4 斜拉扣索辅助调载结果对比

3.2 多工作面连续浇筑法3.2.1 4个工作面

当主拱圈纵向划分4个工作面同步作业，连续浇筑法计算模型中共包括72个施工阶段。其中，前1～37施工阶段为劲性钢骨架的悬臂拼装阶段，第38～72施工阶段为外包混凝土的浇筑过程。图5为采用连续浇筑法的计算结果。从图5可以看出，拱顶下弦钢管最大压应力为240 MPa，拱顶下弦管内混凝土最大压应力为25 MPa，拱顶反复挠度为50 mm，由于拱顶截面的应力较大，需要对该截面的应力和挠度进行调整控制。

图5 4个工作面连续浇筑法应力与挠度结果

3.2.2 4个工作面辅助斜拉扣索

根据上述拉索敏感性分析的3个步骤，在外包混凝土浇筑过程中需要张拉的4组拉索编号确定为L2、L8、L9、S8，拉索张拉力的过程线如图6所示。其中，4组拉索的最大张拉值均为3 000 kN。与图3所示的索力相比，连续浇筑法索力过程线的变化更为显著。

图6 拉索张拉力

图7所示为利用4组拉索进行调整后计算结果与未施加拉索结果的对比。可以观察到，拉索对于应力和挠度的调整效果明显，下弦杆钢管最大压应力为212 MPa，管内混凝土最大压应力为20.2 MPa，拱顶及3L/8截面的最大挠度控制在220 mm范围内，并且拱顶最大反复挠度仅为30 mm。可见，在外包混凝土浇筑过程中应力和拱顶反复挠度均得到了显著改善，钢管与管内混凝土的应力具有较大的富余。

图7 斜拉扣索辅助调载结果对比

3.3 工作面数量影响

为了进一步探讨纵向工作面数量对于拱桥结构应力、挠度和稳定性的影响，本小节将对纵向6个工作面与上述4个工作面的计算结果进行对比。限于篇幅，本小节将对计算模型、拉索位置及索力大小等不再赘述。仅以拱桥上弦杆管内混凝土应力为例，当纵向划分为6个工作面时，平衡浇筑法与连续浇筑法的计算结果如图8所示。从图8可以看出，通过张拉4组斜拉扣索，采用纵向6个工作面最大应力均小于20 MPa，同样能够将应力调整至理想的范围。

图8 6个工作面计算结果

针对两类外包混凝土浇筑方法，进一步研究工作面数量对结构稳定性的影响。通过稳定性分析可知，浇筑风险较大的施工阶段发生在底板和腹板外包混凝土浇筑的最后阶段[19-21]。表1为底板浇筑和腹板浇筑完成阶段结构的弹性稳定系数。

表1 外包混凝土施工阶段的弹性稳定系数

表1计算结果表明：对于外包混凝土浇筑风险较大的施工阶段，两类浇筑方法的稳定系数均大于4；对于平衡浇筑法，采用4个工作面的稳定系数大于6个工作面，而对于连续浇筑法，工作面数量对于稳定性的影响不大；当工作面数量相同时，平衡浇筑法更有利于混凝土拱桥施工阶段的稳定性。

4 结论

以主跨为340 m的郑万高铁梅溪河大桥为工程背景，针对主拱圈外包混凝土合理浇筑方法进行了探讨，得到以下结论。

(1)对于分段平衡浇筑法和分段连续浇筑法，根据提出的敏感性分析方法，全桥分别对称设置3组扣索和4组扣索并且每组索力最大值不超过3 000 kN，能够显著控制主拱圈截面应力和变形。

(2)不同纵向工作面数量的分析表明，无论工作面数量为4个还是6个，通过张拉扣索后钢管与管内混凝土的应力均能够控制到合理的范围，并且拱顶未发生上挠，无反复变形。

(3)平衡浇筑法与连续浇筑法在施工阶段的稳定系数均满足规范要求，但当纵向工作面数量相同时，平衡浇筑法更有利于拱桥施工阶段的稳定性。