大跨悬浇钢筋混凝土拱桥施工关键技术

吴月星,龚兴生,周建庭,罗首信

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

钢筋混凝土拱桥因其整体性较好、耐久性优越等优点在我国西部地区具有较大的竞争力[1]。近年来国内采用悬臂浇筑法相继建成了四川白沙沟1号桥[2～3]、四川新密地大桥[4～6]、四川鱤鱼大桥、贵州木蓬大桥[7]、贵州马蹄河大桥[8]、贵州夜郎湖大桥[9～10]、重庆武隆龙溪乌江大桥、重庆涪陵乌江大桥复线桥、贵州沿河沙坨大桥及四川省鸡鸣三省大桥等10座钢筋混凝土拱桥。

斜拉扣挂挂篮悬臂浇筑法是钢筋混凝土拱桥常用的施工方法[11～13]。斜拉扣挂挂篮悬臂浇筑施工需借助挂篮系统和斜拉扣挂系统实现。挂篮系统一般由承重系统、行走系统、支反力系统、模板系统等构成，用于进行主拱圈混凝土的浇筑。斜拉扣挂系统则一般由扣索、锚索、扣塔、锚碇等几部分组成，在主圈节段悬臂施工中起固定、调整施工节段的线型及改善主拱圈受力状态的作用。

作为目前国内最大跨的悬浇单箱室钢筋混凝土拱桥，夜郎湖大桥悬浇节段长，施工难度大。随着悬臂浇筑长度及重量的加大，现有挂篮出现了相应弊端，如杆件应力偏大、悬臂端下挠过大等情况，现有的挂篮形式难以满足悬臂浇筑要求。现有斜拉扣挂方法一般采用人工张拉和人工不定时观测扣塔偏位，数据采集延时性及不共享导致施工风险难以控制，再加上主拱圈在高空悬臂施工时间较长，造成扣塔受力和偏位控制难度增加。此外，人工张拉扣锚索亦易造成组成扣锚索的钢绞线出现最终受力不均匀的现象，即出现一些钢绞线因为受力过大而断丝以及部分钢绞线张拉不到位的问题，这加大了扣塔和主拱圈在施工过程中的风险。

鉴于大跨钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂施工中出现的诸如挂篮杆件应力、变形较大、扣塔偏位控制难度大及扣锚索索力张拉不到位、不均匀等问题，夜郞湖大桥主拱圈悬浇施工过程中创造性地采用了诸多新型施工技术——新型三角桁架挂篮悬浇施工技术、斜拉扣挂自平衡张拉、塔偏实时监测施工技术及群锚钢绞线自动均匀连续预紧施工技术。新技术的成功实施，克服了夜郎湖大桥悬浇施工中节段长、重量大等难题，保障了主拱圈悬臂施工安全及混凝土浇筑质量。

1 工程概况

夜郎湖大桥是目前国内最大跨斜拉扣挂、挂篮悬臂浇筑与劲性骨架组合施工的单箱室钢筋混凝土拱桥，净跨径为210 m，净矢跨比为1/5，拱轴系数m=1.67，大桥总体布置如图1所示。主拱圈采用宽7.0 m，高3.5 m的单箱单室截面，拱脚1#节段顶、底板厚度由80 cm渐变至40 cm，腹板厚度由80 cm渐变至50 cm，其它节段顶、底板厚40 cm，腹板厚50 cm。拱脚1#段采用支架现浇，长12.4 m；主拱圈2#～14#节段则通过斜拉扣挂挂篮

图1 大桥总体布置图Figure 1 General layout of bridge

悬臂浇筑法施工，即1#节段混凝土强度达到设计强度90%以上后，张拉1#扣锚索并安装挂篮进行2#节段的施工，节段i(i=2～14)的标准施工过程如图2所示；跨中合龙段长24.65 m，采用劲性骨架外包混凝土施工[9]。

图2 主拱圈节段i标准施工过程Figure 2 Standard construction process of main arch ring segment I

2 大桥悬臂施工关键技术

2.1 新型三角桁架挂篮施工技术

为适用本工程施工过程中面临的节段长、重量大等问题，特提出一种新型三角桁架式挂篮(如图3所示)，主要包括主桁承重系统，主桁承重系统中部左右两侧各设置有1副C型挂钩，C型挂钩顶部连接有行走装置，行走装置底部位于已浇节段的拱箱顶部的行走轨道上，C型挂钩上设置有连接板，连接板左右两侧各通过多根斜拉吊带与位于主桁承重系统前篮和后篮侧面的拉座连接，在后篮上设置有反滚轮装置，在主桁承重系统上设置有提升承重锚吊杆(如图4所示)。挂篮上下弦杆由型钢构成的桁架组成，通过钢吊带与挂钩销轴连接，挂钩是由钢板焊接箱型断面，挂钩仅在挂篮行走时受力，拱箱混凝土浇筑时挂篮自重及混凝土湿重由锚

图3 新型三角桁架式挂篮Figure 3 New triangle truss form traveler

图4 挂篮锚吊杆锚固位置Figure 4 The anchor position of the anchor suspender

吊杆承担。挂篮主要性能参数如下：浇筑节段最大重量188 t，浇筑节段最大长度8 m，浇筑节段最大倾角39.6°，浇筑节段宽度(单箱室)7 m，挂篮自重(含模板)82.5 t，挂篮行走方式为滑动，挂篮前端最大变形2 cm，锚固方式为自锚式。

目前国内尚无如此规模的悬浇钢筋混凝土拱桥，无先例可循。与传统的悬浇钢筋混凝土拱桥所用挂篮相比，新型三角挂篮能将悬浇长度扩展到前所未有的8 m，实现最大39.6°的倾角，承受188 t的悬浇重量，具有强度高、刚度大、装置简单、受力明确、结构高效等优点。此外，与现有三角桁架挂篮相比，新型挂篮在挂篮锚吊杆锚固位置上做了优化改进。现有挂篮锚吊杆通常锚固在拱圈悬臂端底板，作为挂篮与拱圈的传力关键联系构件，考虑到锚吊杆锚固在拱圈悬臂端底板时，混凝土湿重等各种荷载会通过锚吊杆传递到拱圈箱形截面腹板，导致腹板被拉裂，引起施工安全问题。为改善拱圈节段悬臂处受力性能，新型三角桁架挂篮将锚吊杆锚固位置从拱圈底板移至拱圈顶板。此时，混凝土湿重等各种荷载也通过挂篮锚吊杆传递至拱圈顶板处，实现拱圈节段腹板处受拉向拱圈顶板处受压的转变，拱圈节段局部受力明显改善，拱圈主拉应力显著降低。新型三角桁架挂篮悬浇施工技术保障了拱桥施工安全与建设质量。

新型三角桁架挂篮三视图如图5～图7所示。

图5 新型三角桁架挂篮正视图Figure 5 The front view of the form traveler at the site

图6 新型三角桁架挂篮侧视图Figure 6 The side view of the form traveler at the site

图7 新型三角桁架挂篮俯视图Figure 7 The vertical view of the form traveler at the site

2.2 新型斜拉扣挂施工技术

传统斜拉扣挂方法一般采用人工张拉和人工不定时观测扣塔塔偏，数据采集延时性及不共享导致施工风险难以控制，并且斜拉扣挂施工对人员素质和操作经验要求极高。夜郎湖大桥采用斜拉扣挂自平衡张拉及塔偏实时监测施工技术降低了人工操作难度，避免了扣塔因水平方向受力偏载过大而发生倾斜、倒塌的事故。夜郎湖大桥在主拱圈斜拉扣挂施工中创造性地采用了扣锚索自平衡张拉、塔偏实时监测以及群锚钢绞线自动均匀连续预紧等新型施工技术，试图解决传统斜拉扣挂技术的不足。夜郎湖大桥现场斜拉扣挂施工如图8所示。

图8 现场斜拉扣挂施工图Figure 8 Construction drawings of on-site cable-stayed buckle hanging

2.2.1斜拉扣挂自平衡张拉技术

根据斜拉扣挂设计图和施工监控指令，精确计算扣、锚索张拉角度，在智能张拉控制系统中预先设定张拉角度ɑ1、ɑ2和监控目标控制索力，系统自动分配扣、锚索张拉千斤顶张拉力，沿扣塔中心线同步逐级对称加载到目标值(两侧张拉力根据角度自动换算张拉力增加值，保持水平向分力平衡，即F2cos(ɑ2)=F1cos(ɑ1)，使扣塔两侧张拉力的水平分力相互抵消，水平方向合力始终为零。其原理如图9所示。

图9 自平衡张拉原理图Figure 9 Self-balanced tension schematic diagram

2.2.2扣塔偏位实时监测技术

扣塔偏位系统由激光测距单元和碳纤维拉线位移测距单元组成。激光测距单元包括PRT激光器、反射板、计算机控制中心，PRT激光器和计算机控制中心通过数据传输线缆和电气元件有机连接在一起，在控制系统中使PRT激光器发送激光脉冲，并接收安装于扣塔上的反射板反射回来的脉冲信号实时监测扣塔结构形变产生相对位移进行测距。碳纤维拉线位移测距单元包括碳纤维拉线、吊锤、滚轮、超声波位移传感器、计算机控制中心，通过数据传输线、钢丝绳和电气元件有机连接在一起。扣塔结构形变通过碳纤维拉线反馈到吊锤上并使其上下运动，超声波传感器实时检测吊锤产生的相对位移，其值和基准数值之差即为扣塔偏位距离，数值的正负代表扣塔的偏位方向。碳纤维拉线位移传感器采用拉线式接触测量原理，利用碳纤维材料对温度不敏感的特性，满足各种气候条件下长时监测，既弥补了激光测距监测对雨、雾等恶劣天气和污染等环境工况的局限性，又可互为校核，双通道冗余设计确保监测的全天候和实时性，其工作原理如图10所示。

图10 扣塔偏位实时监测原理图Figure 10 Principle diagram of real-time monitoring of buckling tower offset

应用PRT激光测距+碳纤维拉线组合式位移传感测距对扣偏进行测量，扣塔即时偏移值及时传输至控制系统并在屏幕上显示，数据即采即用。较传统的全站仪测量方法，具备实时和快速响应特征。扣塔偏位实时监测系统可实现主拱圈各施工阶段扣塔形变位移的高精度监测，分辨率1 mm，满测程误差精度3～5 mm，较传统的人工测量方法，测量精度从厘米级提高至毫米级。

2.2.3自平衡张拉数据及塔偏数据集成控制原理

斜拉扣挂自平衡张拉、扣塔偏位实时监测时，各种传感器将采集到的数据传输到控制系统，同时，控制系统通过蓝牙与远程总控计算机建立无线通信并向其实时传输数据，数据存储在总控计算机上并在集成控制平台屏幕上显示，实现远程监控，远程总控计算机接收到的数据可通过4G网络/WIFI传输到云平台，实现网络监控。在控制平台系统屏幕对话框内设定扣塔最大偏位阀值，如扣塔实时监测系统监测到的数值大于设定值，系统自动在现场和控制室内声光报警，及时发现施工隐患，杜绝安全事故发生。自平衡张拉和塔偏监测数据通过无线通信集成在一个控制平台内，实时、全面记录施工过程，两种数据可同时读取，便于及时分析问题，提高了质量管理水平。

2.2.4群锚钢绞线自动均匀连续预紧施工技术

近年来，使用智能张拉系统对预应力构件施加预应力，从根本上解决了普通张拉设备无法有效控制有效预应力大小，钢绞线延伸量测量误差大的问题。但是，在整体张拉前，由于每根钢绞线的初始受力并不完全一致，张拉时往往会出现钢绞线最终受力不均匀的现象，甚至出现一些钢绞线因为受力过大而断丝的问题。

夜郎湖大桥在扣锚索张拉时成功运用了群锚钢绞线自动均匀连续预紧施工技术。在斜拉扣挂群锚钢绞线预紧过程中，利用自动均匀预紧装置，保证每孔单束钢绞线都能快速达到初张拉力，实现群锚预应力钢绞线受力均匀一致，较人工单卡预紧钢绞线施工效率更高、更精确，能有效避免当前因人工操作误差而造成预应力施工病害问题。

预紧千斤顶油缸采用蜂窝式结构设计，在一圆柱体上按照规定的空间排布，精密加工出多个小油缸，并将所有小油缸的进油腔、回油腔分别连通，与多个小活塞、密封板、堵头等组成多个单根预紧千金顶。每个单根预紧千斤顶对应预紧一根钢绞线。根据连通器原理，在一密闭容器里，压力处处相等，从而可确保每个单根预紧千斤顶输出相等的预紧力，即钢绞线预紧完成后，受力均匀一致。自动预紧设备构造原理如图11所示，自动预紧现场施工图如图12所示。

1、钢绞线 3、单孔工具锚 8、预紧千斤顶 13、撑脚 14、防松锚图11 自动预紧设备构造原理Figure 11 Construction principle of automatic pre-tightening equipment

图12 自动预紧现场施工图Figure 12 Automatic pre-tightening of site construction drawing

3 大桥施工控制监测结果

基于夜郎湖大桥构造与施工特点，在主拱圈悬臂施工过程中，夜郎湖大桥采用新型三角桁架挂篮进行主拱圈混凝土悬浇施工，同时采用斜拉扣挂自平衡张拉、塔偏实时监测技术及群锚钢绞线自动均匀连续预紧施工关键技术，对主拱圈的线形、扣塔偏位以及临时扣锚索索力等监控内容进行有效调整和控制，确保扣塔及主拱圈在施工过程中始终处于受控状态，满足设计以及建造要求。

3.1 扣锚索索力

在钢筋混凝土拱圈挂篮悬臂浇筑施工过程中，由于拱圈内没有布置纵向预应力筋，扣索力大小对拱圈结构的受力和线形影响显著，索力调整稍有偏差，混凝土主拱圈就会出现开裂现象。扣锚索作为拱桥主拱圈悬臂浇筑过程中的重要临时支承结构，可通过对临时索索力进行调整，控制主拱圈的线形、应力以及扣塔偏位。然后，实际施工过程中，实测索力往往与理论索力存在出入，从而影响主拱圈松索成拱后的受力状态，因此必须对扣锚索索力进行监测。夜郎湖大桥扣锚索均采用一次张拉，由于扣锚索在张拉过程中采用了扣锚索自平衡张拉以及群锚钢绞线自动均匀连续预紧新技术，且监控单位通过采用索力动测仪对张拉索力进行实测复核，保证了扣锚索力精准张拉，实测索力与理论索力偏差基本控制在2%之内，满足规范要求。

3.2 扣塔偏位

夜郎湖大桥扣塔由空心钢管及型钢搭建而成，悬臂施工中扣塔的偏位将直接影响扣塔应力及主拱圈高程，施工必须严格控制，根据《公路桥涵施工技术规范》，扣塔顶沿桥轴线偏位须控制在3 cm内。夜郎湖扣塔偏位采用“双控”，即在采用扣塔位移实时监测系统，实时监测塔偏，自动报警的同时，亦采用传统测量方法来校核扣塔偏位。为避免日照温差影响，人工测量选择在上午7:00之前或下午6:00后。现场测量过程中，实测最大扣塔偏位2.9 cm，最小不到1 cm，均满足设计和施工控制要求。

3.3 主拱圈松索成拱线形

在主拱圈悬浇施工过程中，主拱圈线形受混凝土节段重量、扣锚索力以及塔架偏位等因素影响。夜郎湖大桥主拱圈通过采用新型三角桁架挂篮进行浇筑施工，新型挂篮能很好适用于本工程大节段悬浇施工，承受重达近190 t的悬浇重量，具有强度高、刚度大、变形较小，保证了拱圈悬臂施工中线形平顺，不出现过度挠曲。而扣锚索自平衡分级智能张拉和群锚钢绞线自动均匀连续预紧新技术，通过对扣塔偏位和扣锚索索力实现精准控制，确保了主拱圈松索成拱线形的合理平顺，未出现“马鞍形”拱圈线形。在主拱圈合龙拆除扣锚索后对全桥进行通测，测点布置在每个节段顶板外侧、中间及内侧。实测值与理论值最大差仅为2.5 cm，满足规范要求，证明主拱圈线形控制良好，未出现“马鞍形”。松索成拱后主拱圈线形图如图13所示。

图13 松索成拱后主拱圈线形Figure 13 Alignment of main arch ring after loose cable arching

4 结语

夜郎湖大桥斜拉扣挂挂篮悬浇施工过程中，创造性地采用了新型三角桁架挂篮施工技术，克服了现有三角桁架挂篮刚度小，承载力低的问题，通过对锚吊杆锚固位置的优化改进，改善了拱圈悬臂端局部受力性能，拱圈混凝土浇筑质量得到保证，拱圈线形得以控制。通过采用斜拉扣挂自平衡张拉、塔偏实时监测系统及群锚钢绞线自动均匀连续预紧新技术进行悬臂施工，保证了主拱圈悬臂施工中扣塔受力平衡、扣锚索索力实测值与理论值偏差在精度要求范围内，进而确保了主拱圈松索成拱线形满足设计要求。新型三角桁架挂篮悬浇施工技术、斜拉扣挂自平衡张拉、塔偏实时监测技术及群锚钢绞线自动均匀连续预紧新技术在大跨度混凝土拱桥地成功应用，极大地提高了施工效率，减少了安全事故，保障了拱桥施工安全及建设质量。夜郎湖大桥已于2018年8月顺利通车，成桥后线形与内力均满足规范要求。本文成果可为今后同类型工程提供有益借鉴。