钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱圈施工方法进展

邓年春, 李长胜, 郭 晓,2,3, 周大为， 童加明

(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； 3.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心， 南宁 530004; 4.广西路桥工程集团有限公司， 南宁 530004)

钢管混凝土劲性骨架拱桥是指拱圈以钢管混凝土和型钢连接构件组成的桁架结构作劲性骨架，钢管内灌注管内混凝土，其外包裹混凝土的钢筋混凝土拱桥[1-2]。统计表明，随着跨径的增大，钢管混凝土劲性骨架拱桥在钢筋混凝土的占比曾递增趋势[3]。世界上已建成的跨径超过400 m钢筋混凝土拱桥共4座，均为钢管混凝土劲性骨架拱桥[4]。与传统的钢筋混凝土拱桥相比，钢管混凝土劲性骨架拱桥结构刚度大、强度高[5-8]，尤其适用于安全性、舒适性及平整度要求较高的高铁建设[9]。其中，蒲庙大桥(1996年建成，主跨312 m)、万县长江大桥(1997年建成，主跨420 m)、云桂铁路南盘江特大桥(2016年建成，主跨416 m)、沪昆高铁北盘江特大桥(2016年建成，主跨445 m)相继建成，跨径呈现增大趋势。在建的天峨龙滩特大桥将达到600 m，表明钢管混凝土劲性骨架拱桥在大跨度桥型的方案比选中具有一定的竞争力。拱圈形成时的线形、内力状态是影响桥梁性能的重要因素，拱圈施工过程结构体系转换次数多，依次形成钢桁架拱结构、钢管混凝土拱结构和钢筋混凝土拱结构[10-12]，随跨径的增大，拱圈施工控制的重要性日益突出。正如著名国际桥梁大师费·莱西奈氏所说，100 m和1 000 m拱桥在设计方面难度相差不大，而施工方面的难度差别就非常悬殊[13]。因此，系统地总结钢管混凝土劲性骨架拱拱圈主要的施工方法，以明确下一步研究工作的重点。

1 劲性骨架拱桥劲性骨架发展历程

在长期实践、总结的基础上，劲性骨架拱桥的劲性骨架不断推陈出新。其主要历程如下：

(1)半刚性骨架。借鉴国外型钢劲性骨架成拱技术，中国以型钢和普通钢筋共同组成半刚性的劲性骨架，建造了首批劲性骨架拱桥(四川宜宾小南门大桥，主跨240 m，1990年建成)。

(2)钢管-型钢劲性骨架。20世纪90年代，中国开创了新的桥型-钢管混凝土拱桥 (四川旺苍东河桥,主跨115 m，1990年建成)。此类桥型的成功实践为钢管-型钢劲性骨架施工提供了工程经验、理论基础 (四川白勉峡大桥，主跨105 m，1994年建成)。

(3)钢管混凝土劲性骨架：随着研究的不断深入，劲性骨架逐步发展为完全由钢管混凝土组成(四川万县长江大桥，主跨420 m，1997年建成)[14-15]，由此发展出钢管混凝土劲性骨架拱桥,相比以型钢、半刚性型钢作劲性骨架，用钢量少，刚度大，可保证拱圈的设计线形[16]。表1列举了部分超过100 m的钢管混凝土劲性骨架拱桥。

表1 钢管混凝土劲性骨架拱桥一览表Table 1 List of steel tube concrete stiff Skeleton arch bridge

2 拱圈施工方法

以钢管混凝土做弦管的劲性骨架具有较大的刚度、强度，发展出一种新的成拱方式——劲性骨架施工法[33-34]，其施工过程可概括为将钢骨架片段架设形成拱肋，再灌注管内混凝土，待形成钢管混凝土拱肋后，浇注外包混凝土形成完整的拱圈，完成钢管混凝土结构到钢筋混凝土结构的转换，刚度、强度得到大幅提高。钢管混凝土劲性骨架不仅在施工中起支架作用，也是拱圈完成后的重要承力构件[35]。

2.1 钢骨架的架设

钢骨架的架设是钢管混凝土劲性骨架拱桥最重要的施工阶段[3]，架设形成的钢管桁架拱的线形的合理性直接影响混凝土的施工及成桥后的受力。钢骨架的安装方法主要有转体施工法、缆索吊装斜拉扣挂法[36]。图1为两种施工方法建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥跨径与建成时间的关系。随着时间推移，两种施工方法建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥跨径均有所增大。转体施工法主要应用在200 m以下的钢管混凝土劲性骨架拱桥；缆索吊装斜拉扣挂法建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥明显跨径更大、数量更多，目前在建的天峨龙滩特大桥采用缆索吊装斜拉扣挂法施工钢骨架，跨径达到600 m，将打破钢管混凝土劲性骨架拱桥的跨径记录。

图1 钢管混凝土劲性骨架拱桥跨径分布图Fig.1 Span distribution diagram of steel tube concrete stiff skeleton arch bridge

2.1.1 转体施工法

转体施工[37]是指将桥体偏离桥位轴线于两侧制作后利用转动机构使形成的整体或半整体结构转体至与设计轴线相吻合。其中，包括平转、竖转和平竖转组合三种方式。国外的转体施工工艺是从拱桥竖转施工发展起来，经在梁桥、斜拉桥的应用，才产生平转工艺；中国转体工艺仍先应用在拱桥，但转体施工工艺是由平转发展起来，此后才发展了竖转工艺[38]。

转体施工的拱桥结构合理、受力明确、施工设备少、工艺简便、节约施工用材。因大部分在地面操作，减少了高空作业，施工安全，对桥下空间干扰最小。故尤其适合谷深流急的山谷地带和主跨上部结构施工条件受限,两侧具有相对较好施工条件的情况[39]。在经济上，因对转盘等的投入大，跨径受限[40]。1993年，中国首次将转体施工应用在钢管混凝土劲性骨架拱桥，建成主跨130 m的江西德兴太白桥。至今，采用转体施工建成的最大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥是澜沧江特大桥(2020年建成，主跨342 m)。

大瑞铁路澜沧江特大桥[30]是上承式劲性骨架混凝土拱桥，主跨342 m，矢跨比1/4.15，拱轴系数m=3.4。根据两岸不同的地质条件，大理岸和保山岸的缆索吊锚和塔柱分别采用群桩基础和岩锚。全桥混凝土共85 000 m2，主体结构用钢量约14 000 t，为大瑞铁路控制性工程。其劲性骨架转体施工过程如下：

(1)两岸山体(澜沧江保山和大理)利用80 t缆索吊机于支架上拼装拱肋的钢结构节段，拼装完成后安装转体施工所用设备。

(2)二次竖转。第一次是旋转已拼装好的上部分拱肋钢骨架，完成半跨拱肋钢骨架的连接；第二次是向下竖转半跨拱肋钢骨架，完成拱肋钢骨架的合龙，“二次竖转”角度之大，总和达130°。大瑞铁路澜沧江大桥于2016年11月15日实现大桥钢管拱顺利合龙，开创了“二次竖转”施工的先河。

2.1.2 缆索吊装斜拉扣挂法

缆索吊装斜拉扣挂法是指使用缆索将拼装好的钢骨架节段吊装到指定位置，将斜拉扣索扣挂在已拼好节段，以改善其受力及线形，直至钢骨架合龙形成拱结构。采用该方法可实现特大跨钢管混凝土劲性骨架拱桥钢骨架的架设，弥补了转体施工法在特大跨钢管混凝土劲性骨架拱桥应用上的不足。缆索吊装斜拉扣挂法为郑皆连于1992年首次提出，并将其应用于当时世界上最大跨径的中承式劲性骨架混凝土拱桥蒲庙大桥(1996年建成，主跨312 m)[41]，24 d实现了重达10 000 kN的钢骨架的合龙。钢骨架拼装时的斜拉扣索初张力直接决定施工线形及成拱线形[42]。根据优化思想与策略的不同，目前确定斜拉扣索索力的方法主要有指定结构状态的优化方法、数学优化方法[43]，流程如图2所示。前者包括零位移法、力矩平衡法、定长扣索法(倒退分析法)；后者包括零阶、一阶优化算法。韩磊等[44]考虑结构自重 、施工荷载及温度荷载，基于零位移法非线性迭代计算斜拉扣索索力；顾颖等[45]基于零位移法，提出“宁高勿低、宁静勿动”的线形控制原则，使节段重量由缆索吊承载向斜扣索受力的顺利转换，保证了拱肋线形的平滑性；周水兴等[46]通过公式推导，验证了力矩平衡法所得索力的正确性；连岳泉等[47]结合Midas的“未知荷载系数”模块与定长扣索法，得到满足规范要求的索力和拱肋线形；姚国文等[28]以成拱线形为控制目标优化索力以保证拱肋线形；袁海庆等[48]考虑结构的几何非线性，采用迭代前进算法确定各拱肋节段吊装时的预抬标高值、斜拉扣索索力计算值；张治成等[49]以拱肋各标高控制点的高程偏差平方和为控制目标, 采用一阶优化法迭代寻优，实现高精度线形控制；周倩等[50]推导斜拉扣索索力变化与温变的理论关系，基于零阶优化法计算斜拉扣索索力，计算值与实测值的吻合度高。

图2 斜拉扣索索力优化流程图Fig.2 Flow chart of cable force optimization for stay cables

2.2 管内混凝土的灌注

钢骨架架设完成而形成钢管拱结构后，对上下弦钢管泵送混凝土，灌注过程中通过索力不断改变的斜拉扣索控制拱肋线形，灌注完成后应采用超声波法检测管内混凝土的密实度，以评定灌注的混凝土质量。影响其质量的主要因素为混凝土配合比、混凝土含气率、关键构造部位施工工艺[51]。

其灌注方法，先后经历三个阶段：①现场分仓浇注;②泵送压力顶升法(湖北兴山平邑口大桥，2009年建成,主跨180 m)[52]；③真空辅助压力顶升法(南盘江特大桥，2016年建成，主跨416 m)[53]。为对比分析真空和常压灌注管内混凝土的含气量、密实度，郑皆连等以合江长江一桥的拱顶段线形进行拱段设置试验，混凝土龄期达到17、28、56 d时，真空辅助泵送的管内混凝土超声波测试值都较常压灌注的大，相应混凝土的密实程度高，钢管和混凝土之间的黏结性能更好，并且脱空现象也少得多，验证真空辅助压力顶升施工工艺的优越性。合江长江一桥采用真空辅助压力顶升法管内混凝土，经超声波检测，其波速检测值大部分在4 000 m/s以上，密实度为优[54-55]。

2.3 外包混凝土的浇注

管内混凝土施工完成时，拱肋形成钢管混凝土结构，随后施工的外包混凝土所产生的大部分施工荷载需由已内灌混凝土的钢管拱桁承担[56]，因其质量约为劲性骨架的十几倍[3]，很难实现外包混凝土的-次浇注。因此，中国按照“分步加载、逐次形成强度和刚度” 的思路[57-58]，逐步浇注外包混凝土，具体为连续浇注法和多工作面均衡浇注法。

2.3.1 连续浇注法

连续浇注法是指拱肋的管内混凝土形成强度后，对外包混凝土横向分环，纵向从两拱脚向拱顶对称连续浇注1环混凝土至拱圈施工完成，在浇注下一环时应保证上一环的外包混凝土获得强度。连续浇注1环混凝土时，环内应力δ的表达式如式(1)所示[59]。

(1)

式(1)中:δ0为初始应力;N为外包混凝土引起的轴向力;M为外包混凝土引起的弯矩;A为截面面积;Y为中性轴至截面边缘的距离;I为截面惯性矩。

连续浇注施工的拱肋施工缝较少，拱肋的整体性好。因每次浇注的混凝土质量很大，拱圈易出现应力、变形大的现象，对混凝土的泵送量需求大，连续浇注法应用在跨度较小的钢管混凝土劲性骨架拱桥。为降低结构的过程应力而使拱圈施工完成时内力分配合理，可采用地锚法[60]、水箱加载法[61]、斜拉扣索调载法[62]。采用连续浇注法建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥较少，跨度也较小，其中较为有名的是蒲庙大桥(1996年建成，主跨312 m)。蒲庙大桥的外包混凝土共5 000 m3，分4环连续浇注，浇注过程中共使用3组索力不断变化的扣索，3组中最大索力为1 150 kN，确保了钢管、管内混凝土及外包混凝土，无论压应力、拉应力均控制在容许范围内。

2.3.2 多工作面均衡浇注法

多工作面均衡浇注法[3]属于无外力平衡法，把拱肋外包混凝土通过竖向分环及纵向分工作面、段的方式分为若干小段，对称循环浇注至浇注完成。首次采用该法施工的拱桥是万县长江大桥(1997年建成，主跨420 m)[41]。杨国静等[63]研究了不同的横向分环和纵向分段方案对劲性骨架的受力影响；杨峰[64]则在挠度影响线叠加的基础上，利用穷举法优化工作面、工作段分段点，使得劲性骨架应力分配均匀，变形较小，得到较好的成拱线形。表2归纳了337、416 m钢管混凝土劲性骨架拱桥分别采用连续浇注法、多工作面均衡浇注法施工第一环外包混凝土在拱脚处的应力[65-67]，可以看出，跨度越大，多工作面均衡浇注法降低瞬时应力的优势更为明显。缺点在于施工接缝多，工期长，施工设备多及施工控制要求更为严格。采用多工作面均衡法施工的关键在于如何平衡好外包混凝土浇注的安全性与减少施工工序、控制工期之间的关系[68]。

表2 不同施工方法的应力对比Table 2 Stress comparison of different construction methods

2.3.3 斜拉扣索在混凝土外包过程的应用

1992年郑皆连[69]在“钢丝绳斜拉扣挂松索合龙工法”的基础上，首创千斤顶、钢绞线斜拉扣挂悬拼技术。此后，将斜拉扣索应用于外包混凝土施工过程的拱圈应力调整，提出斜拉扣索的选取方法及扣索索力较小时的索力求解方法[59]。使用该技术建成200 m以内的钢筋混凝土拱桥已达几百座[70]，其中，典型的钢管混凝土劲性骨架拱桥有南盘江特大桥、蒲庙大桥，前者采用多工作面均衡浇筑法，后者采用连续浇注法。课题组研究了以上两座大桥的斜拉扣索调载效果，结果表明拱圈应力得以改善，拱顶变形比较平稳[62]。

3 总结

(1)总结了部分超过100 m的钢管混凝土劲性骨架拱桥，发现钢管混凝土劲性骨架拱桥的跨径呈现增长趋势；转体施工法主要应用在200 m以下的钢管混凝土劲性骨架拱桥，缆索吊装斜拉扣挂法建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥明显跨径更大、数量更多。斜拉扣挂法的扣索索力计算方法较多，主要包括指定结构状态的优化方法、数学优化方法，但主要针对节段拼装。随着跨径的进一步增大，吊装系统吊装能力有限，钢骨架吊装节段需分成两片或多片钢骨架进行分肋吊装。因此，分肋吊装的线形控制理论有待研究，为钢管混凝土劲性骨架拱桥的发展提供理论支持。

(2)因真空灌注的管内混凝土密实度较高，管内混凝土的施工工艺由常压的泵送压力顶升法向真空辅助压力顶升法发展，但真空和常压灌注的管内混凝土均存在随龄期增加超声波波速检测值降低的现象，需进一步研究无收缩混凝土的性能，以减小混凝土的收缩。

(3)在已建的钢管混凝土劲性骨架拱桥中，采用连续浇注的钢管混凝土劲性骨架拱桥较少，当前跨径较大的云桂铁路南盘江大桥(416 m)、沪昆铁路北盘江大桥(445 m)均采用多工作面均衡浇注法。经比较，随着跨度的增大，相比连续浇注法，多工作面均衡浇注法降低瞬时应力的优势更为明显。但多工作面均衡浇筑法的工期有所增加，后续应以受力和施工工期为目标，研究分环设置和工作面设置的最优设计准则和分析方法。再者，还应进一步研究斜拉扣索调载的最优控制方法，提出斜拉扣索作用位置、作用时机的确定依据，应用算法计算斜拉扣索索力，以优化拱圈受力。