钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱圈外包混凝土的调载技术

邓年春，童加明，林春姣，郭 晓

(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004; 2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004)

20世纪80年代，中国开始将劲性骨架应用于混凝土拱桥的建设中，先后使用半刚性骨架、钢管-型钢劲性骨架、钢管混凝土劲性骨架。尤其是钢管混凝土劲性骨架拱桥极大地促进了混凝土拱桥的发展，通过先行架设钢管混凝土成拱，以此为支架浇筑外包混凝土，巧妙地将巨大质量的混凝土拱圈的架设转化为质量较小的劲性拱骨架的架设，从而大幅度提高了跨越能力，成为特大跨径混凝土拱桥合理施工方法[1-3]。

近二十年来，中国建设了7座跨径超300 m的山区劲性骨架混凝土拱桥，其中6 座为高铁桥，正是由于混凝土拱桥刚度大、跨越能力强、日温差变形小的特点，随着山区铁路和高铁的进一步修建，这种需求将更加强烈[4-7]。

1 混凝土拱桥成拱方式

对于大跨径混凝土拱桥的成拱方式，外国大多采用劲性骨架与悬臂组合法[8-12]，虽缩短了劲性骨架跨径，减小了劲性骨架承受的外包混凝土浇注质量，但施工中悬臂段悬挂时间长存在安全风险，且需要强大的扣锚系统[13-14]，费用高昂。中国采用此方法建成主拱圈净跨径为210 m的夜郎湖特大桥[15-16]。此外克罗地亚的克尔克1号桥[17-19]的拱圈施工采用预制悬臂斜拉拼装法。

中国采用完整的劲性骨架，在劲性骨架成拱的条件下，采用分环法浇注外包混凝土，巧妙解决了混凝土成拱的难题。主拱圈分环示意图如图1所示。由近三十年来修建的跨径超过300 m的部分劲性骨架混凝土拱桥[20-25]来看(表1)，混凝土与钢骨架的质量比约为十几倍，如果混凝土一次性浇筑，混凝土的自重荷载将远远超过劲性骨架的承载能力，需要将外包混凝土分环浇筑，待一环混凝土浇筑形成强度后，再进行下一环的浇筑，直至整个拱圈浇筑完成[26-27]。分环浇注可以减小劲性骨架的瞬时应力和永存应力，但同时考虑施工时间与经济性，主拱圈不易分环过多，如南盘江特大桥[28]浇筑第一环边底板时，混凝土质量达到了6 500 m3，第一环外包混凝土的浇筑仍会对劲性骨架产生超出结构容许的瞬时应力和变形，所以为了使劲性骨架在浇筑过程中的受力和变形在合理的范围内，需要结合适当的调载方式来减小劲性骨架的受力与变形。

表1 中国近30年来修建的部分劲性骨架混凝土拱桥拱圈材料用量

1～6表示外包混凝土的先后浇筑顺序

从已建成桥梁可知，外包混凝土浇筑方法大多与调载方式有紧密联系，目前主要的调载技术有：地锚加载法[29-30]、水箱加载法[31]、多工作面均衡浇注法[32-33]、斜拉索调载法[34-35]。

2 外包混凝土的调载技术

2.1 锚索加载法

劲性骨架合拢后，通过计算外包混凝土从两拱脚向拱顶连续浇注，各截面的受力和变形，在劲性骨架对应的位置处施加向心的拉力或者悬挂重物调载，使其在拱圈上形成轴向压力来抵抗拉应力，有效地控制拱肋产生上挠的变形，从而达到控制线型的目的。施工示意图如图2所示。

图2 地锚加载法施工示意图

1982年，在修建净跨156 m的中承式钢筋混凝土箱型肋无铰拱桥——辽宁丹东沙河口大桥[29-30]时，技术人员通过对5、7、9、11点加载点的计算以及施工方便的角度，得出采用十一个加荷点，分六组对称加载，每次由跨中向拱脚对称进行初始加载和控制挠度加载，待外包混凝土浇筑至加载节点附近时进行卸载。通过该方法调载得到的拱架受力均匀，效果较好，并且以悬挂重物替代拉力紧固器，极大的解除了该方法对于地形的限制，提高了适用范围。

2.2 水箱加载法

劲性拱骨架合拢后，混凝土浇注前在拱顶附近安放水箱，利用在水箱内加放水来调整拱顶压重，实现混凝土从两拱脚到拱顶分环连续浇注。施工示意图如图3所示。

图3 水箱加载法施工示意图

主跨长度243 m的中承载式劲性骨架混凝土拱桥——宜宾南门金沙江大桥[31]，便运用了水箱加载法对外包混凝土施工过程的应力和变形进行优化控制。变形和应力控制方程分别为

σx(p1,p2，…，pn)≤1.25[σ]

(1)

Δx(p1,p2，…，pn)≤1.25[Δ]

(2)

式中：σx、Δx分别为应力、变形的优化目标函数；p1,p2，…，pn表示水箱的作用位置和水箱荷载的大小；[σ]、[Δ]分别表示应力和变形限值。

求解上诉不等式中pi(1≤i≤n)的大小，可对桥梁结构进行调载。该桥外包混凝土分四环由拱脚向拱顶对称浇筑，分别为底板、下侧板、上侧板和顶板。各环浇筑时设置水箱数量分别为7、11、9、7个。每个水箱注水量为13.5 t，最大加水量分别为94.5、138、107.5、56 t，运用简洁的施工方法解决了大跨径拱肋混凝土浇筑过程的应力调整。但在底板混凝土浇注过程中拱顶上升了4 cm，且无法调载拱圈结构最不利的拱脚截面。

2.3 斜拉扣挂法

斜拉索调载法是劲性拱骨架架设完成后,分环从两拱脚至拱顶对称连续浇注混凝土的过程中，在拱骨架适当位置通过斜拉索向劲性拱骨架施加一个随混凝土浇注过程而变化的拉力，用以调整劲性拱骨架在浇注混凝土过程中产生的瞬时应力和变形，使其控制在规定的目标值内，也能降低劲性拱骨架永存应力。拉索设置在控制应力影响线峰值附近，调载效率较高；现场简单测出单位斜拉扣索力对全拱应力、变形的影响，保证调载的精度；借用劲性拱骨架悬拼时的斜拉索系统进行调载，易于操作。施工示意图如图4所示。

图4 斜拉扣挂法施工示意图

采用斜拉扣索调载可加快混凝土浇注速度，以蒲庙大桥[36]底板混凝土浇筑为例，采用斜拉扣索调载，从靠近拱脚处至拱顶连续浇注花费近40 h，若采用多工作面均衡浇注法，则需工期近一个月。

2.4 多点均衡浇筑法

多点均衡浇筑法是将劲性骨架对称分为若干工作面，各工作面又分若干浇筑小段，各环外包混凝土采用多套设备在各工作面作业，对称循环往复浇筑直至完成全部外包混凝土。此方法属于无外力自平衡方法，使劲性骨架受力均匀，可有效降低一环混凝土浇筑过程中的瞬时应力，变形更加合理，但是这也导致了施工缝的大量产生，增加了施工成本和工期。如万县长江大桥[37-38]底板混凝土就存在77条施工缝，浇完拱圈混凝土耗工期10个月。

多点均衡浇筑法首次使用是1997年修筑的万县长江大桥，首次提出“六工作面”对称同步浇筑，纵向分七环，成功将11 000 m3混凝土浇注到劲性骨架上形成完整拱圈，使得挠度、应力、变形等因数都得到了较好的控制。此后，中国修建的数座300 m以上的钢管混凝土劲性骨架拱桥大都采用多点均衡浇筑法进行外包混凝土的施工，此方法对于大体积量外包混凝土的浇筑有很好的的调载效果。

工程上更多将多点均衡浇筑法与斜拉扣挂法联合使用[39-40]以发挥各自的特点，如图5所示。先利用多点均衡法确定最优的工作面与分段数，使受力分配更加均匀，线型更加平顺，根据计算结果，若有特殊截面在浇筑过程中瞬时应力超过限制，再通过斜拉扣索调载就能把瞬时应力、变形控制在安全范围内，还能降低劲性骨架的永存应力。云桂铁路南盘江大桥[41]和沪昆铁路北盘江大桥[42]的外包混凝土浇注是利用斜拉扣挂分环多工作面浇筑方法的典型代表。其中已有学者在多工作面浇筑的基础上利用影响线理论[43-44]研究工作面的个数[45-46]、浇筑顺序[47]以及分段长度[48-49]，研究更合理的浇筑方案。

图5 多工作面+斜拉索施工示意图

3 实桥分析

3.1 斜拉索调载连续浇筑

1996年建成的中承式混凝土拱桥—蒲庙大桥，第一次利用斜拉索调载实现了外包混凝土从拱脚到拱顶的对称连续浇筑。该桥计算跨径312 m，矢高52 m，矢跨比1/6，钢管拱桁为等宽变高的双肋结构，拱肋由402 mm×12 mm的钢管弦杆及160 mm×100 mm×10 mm的双角钢腹杆组成，弦杆内泵送C60混凝土形成钢管混凝土结构，外包混凝土分四环(底板、下侧板、上侧板、顶板)在劲性骨架上浇筑，双肋混凝土拱工4 702 m3，其外包混凝土如图6、图7所示。

图6 蒲庙大桥外包混凝土图

图7 南盘江大桥外包混凝土图

在底板混凝土的连续浇筑到L/4跨径(L为全桥计算跨径)附近时，拱脚截面上缘管内混凝土拉应力达到最大值12.6 MPa，超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[50]中C60混凝土抗拉强度标准值2.85 MPa(设计值2.04 MPa)；拱顶截面也出现较大的反复变形，最大出现4.5 cm的上挠。通过三组变化的斜拉扣索，最大索力分别为400、1 100、1 150 kN，随着各环的浇筑进程进行实时调载，拱脚截面上缘管内混凝土最大拉应力从12.6 MPa降至1.86 MPa，全过程控制瞬时应力不超标，拱顶几乎不上挠，解决了连续浇筑过程中拱脚上缘管内混凝土出现拉应力及拱顶反复变形的难题。图8、图9为底板在连续浇筑与斜拉索调载连续浇筑下，拱脚截面上缘管内混凝土的受力对比、拱顶截面挠度对比，展示了斜拉索的调载效果。

图8 拱脚截面上缘管内混凝土

图9 拱顶挠度

3.2 多工作面均衡浇筑

云桂铁路南盘江特大桥为上承式钢管混凝土劲性骨架拱桥，主拱跨度为416 m，矢高为99.0 m，矢跨比为1/4.2，拱轴系数为1.8。主拱圈采用变高等宽单箱三室拱箱，全拱高8.5 m，宽度为拱脚截面28.0 m向拱顶方向65.0 m处变宽至18.0 m，其余部分等宽为18.0 m。全拱边箱底板、顶板和腹板均采用逐级变厚，从拱脚至拱顶板厚由110.0 cm变化至55.0 cm，中箱顶板、底板和腹板均采用等厚度60.0 cm，上下弦管采用Q370qD圆钢管，腹杆为Q235角钢，管内灌注C80高性能混凝土，依托钢管混凝土劲性骨架外包C60高性能混凝土形成拱箱。采用斜拉扣挂+分环多工作面浇注的方法完成外包混凝土的施工。每环在半侧拱上分为3工作面先后浇注，每工作面分3个较长的节段，每一环纵向贯通后再浇注下一环，拱圈浇注顺序依次为边箱底板、边箱下腹板、边箱上腹板及顶板、中箱底板和中箱顶板。外包混凝土总浇筑量为24 000 m3，浇筑过程如图7所示。

如图10、表2所示，多工作面浇注，钢管和管内混凝土最大应力值出现在下弦管拱脚，分别为-339、-25.9 MPa，且在边底板的三次浇筑中拱脚上缘管内混凝土均出现拉应力，最大为7.61 MPa；故在7、8段钢骨架位置处(施工阶段44～45)设置两组斜拉扣索，在浇筑第一环第一段且混凝土未获得强度时张拉，每组扣索索力2 000 kN，在第四环混凝土浇筑完成且获得强度后松索，可调整拱脚截面上缘管内混凝土拉应力超标。

图10 拱脚上缘管内混凝土

如图10所示，在施加扣索后，拱脚管内混凝土出现的拉应力由7.61 MPa降至-4.62 MPa，边底板浇筑阶段并未出现拉应力，且在拱圈浇筑完成后，拱脚下弦钢管环末永存应力也从-339 MPa降至-306 MPa，钢管最大环末永存应力从拱脚截面-339 MPa降至1/8截面-330 MPa，远低于规范限值[51]，增加了钢管的安全储备，也说明在靠近拱脚处设置斜拉扣索进行调载，可以同时调整结构的瞬时应力与永存应力，同时也能保证其他截面瞬时应力与永存应力均在限值范围以内。同时。如图11所示，拱顶截面挠度-486.85 mm，也仅比不加斜拉扣索的挠度约增加40 mm，但并未出现下挠反复变形。

图11 拱顶挠度

该桥按照六工作面+斜拉索调载方法施工，由表2可知，主拱圈浇筑完成后的应力实测值与计算值相近，仅拱脚截面计算值较实测值偏大，模拟较保守，用该模型模拟外包混凝土浇筑较为合理。

表2 主拱圈混凝土浇筑完成时永存应力

4 结论与展望

劲性骨架拱桥外包混凝土调载技术的选用要综合考虑实际桥梁跨径、地理位置、外包混凝土方量、施工时间等因素。各技术在使用过程中的优劣如下。

(1)水箱加载法、地锚加载法均能实现连续浇注一环混凝土，但是均增加了劲性骨架的荷载，加大了拱脚的应力，对浇注混凝土阶段骨架的受力、变形与稳定不利，每环浇筑的混凝土方量不易过大，而且受加载条件、河床等因素影响，操作简单但调载幅度有限。

(2)斜拉扣索法调载过程是对劲性骨架的荷载进行减载，用较小的索力就能很好地控制全拱的应力和变形，调载准确，成本低，尤其是对拱脚截面瞬时应力有较好的调载效果。同时也能调整拱肋永存应力、反复变形数值小、不设变形缝，提高了混凝土的整体强度。但此方法对混凝土拌合、泵送等施工设备要求较高。

(3)采用均衡浇注的方法降低一环混凝土浇注过程中的瞬时应力，调载效果好，适合大跨径混凝土拱桥的施工，浇筑一环混凝土的方量大，但是会导致混凝土的施工缝多，工期长，投入混凝土浇注设备多，不能降低劲性拱骨架永存应力。

目前关于超大跨径混凝土拱桥，郑皆连等[52]、陈宝春等[53-54]从设计与施工方面进行了深入研究，张力树[55]和陈波旭[56]研究了600 m级钢筋混凝土拱桥主拱构造，对于大跨混凝土拱桥的施工工艺的选择，多点均衡浇筑+斜拉索调载、斜拉索调载连续浇筑的方法是跨径在300 m以上劲性骨架混凝土拱桥首要考量的施工方法，且已有较可靠的成套施工技术，较为成熟。混凝土拱桥向着500 m以上跨径发展，除了从结构和材料的角度出发，考虑采用波形钢腹板来代替混凝土腹板减轻自重[57-58]、高强钢增加劲性骨架强度[59]、轻型高强度混凝土减轻拱圈自重[60-61]，还需进一步研究优化拱圈截面分环设置与工作面设置、不同的横向与纵向浇筑顺序、斜拉索调载连续浇筑时的干预位置和干预时机，进一步优化扣索的索力。通过进行缩比模型试验，测试结构模型在施工过程中的瞬时应力、永存应力及变形的变化规律，进一步研究多工作面均衡浇筑、斜拉索扣索连续浇筑的理论基础，以实现混凝土拱桥向更大跨径发展。