大跨度实心板拱桥悬拼钢拱架设计与应用

陈秀萍

（中铁建安工程设计院有限公司，陕西 西安 710061）

1 拱桥施工概述

云贵地区拱桥施工较为常见，拱桥设计形式多样，结合周边环境、地势地貌等因素，拱桥设计及施工技术逐渐成熟。尤其是我国大跨度拱桥施工及应用，从南盘江、北盘江拱桥施工建设中积累了丰富的拱桥施工经验。

拱桥施工由于其地理环境复杂，跨河流、峡谷对施工场地及各类施工条件提出了更高的要求，在复杂的施工环境下，如何选择拱桥的施工方案是施工中的重点。拱桥施工从开始的土模法发展到现在的支架现浇、悬臂浇筑施工等施工工法，施工过程中的各种新工艺、新工装、新材料应用也作为拱桥施工的配套同步发展。

拱桥支架现浇分为两种形式：若地势允许，跨越河流或峡谷地势不高，水位常年稳定，可采用落地式现浇支架方案；反之则采用悬拼钢拱架现浇方案。施工方案选择必须结合周边环境、拱桥浇筑重量、施工工期等综合因素[1]。

本文分析了支架现浇及悬臂浇筑各工法的优缺点，结合同类工程施工经验，选择悬臂拼装钢拱架现浇施工方案。悬臂拼装钢拱架设计为标准节段，可采用架设缆索吊或安装施工塔吊对钢拱架进行悬臂安装，钢拱架安装完成后进行支架预压，形成预压成果报告，对拱脚预拱度、拱桥线性进行预控和分析，合理安排拱桥混凝土浇筑顺序，顺利完成了实心板拱桥的浇筑，支架结构稳固，通过调整标准段安装线性，现场加工合龙段钢拱架，可适用于60～120 m 跨度拱桥浇筑[2]。

2 工程重难点分析

2.1 工程概况

贵州水利工程，标段内渠道共计11 段，包括渡槽、倒虹管、隧洞及相应的压力输水管工程，其中渠道工程中包含拱桥施工，拱圈采用混凝土浇筑，拱圈上部采用混凝土排架结构，排架顶部为输水管道。

本文中案例工程管桥设计跨度为65 m，矢高13 m，矢跨比为1/5，拱轴系数1.367，设计预拱度10 cm，按照二次抛物线法设置预拱度。底部拱圈采用板拱结构，断面为实心矩形混凝土结构，断面尺寸1.3 m×5.0 m。其中，拱圈及排架结构基础采用C40 混凝土，其余结构均采用C30 混凝土，拱圈结构分两次浇筑完成，待强度及弹性模量达到设计强度后浇筑顶部排架结构基础，排架结构浇筑过程中预留现浇渡槽预埋件。

2.2 重难点分析

拱桥悬臂钢拱架安装过程中，各拉索索力控制及交底控制为拱架安装的重难点，其线性控制的精准性决定了拱桥后期现浇线性控制。如何合理地设置张拉索的角度，调整钢拱架安装精度是钢拱架施工的难点。钢拱架设计除满足其强度、刚度、稳定性的要求外，还要求对钢拱架标准节段之间的连接进行专项设计，钢拱架合龙后要保证节段之间传力稳固，不变形，其节点满足精度高、节段连接强度高等要求。本文通过钢拱架设计解决了线性控制及连接难题，通过支架预压及后期混凝土浇筑控制，取得了良好的应用效果。

3 悬拼钢拱架现浇设计

3.1 现浇支架方案介绍及优缺点分析

3.1.1 方案一：贝雷梁落地支架现浇设计方案

拱架结构从上向下依次为1.5 cm 竹胶板、10 cm×10 cm 纵向方木、上I10（mm） 分配横梁、盘扣支架、下I10（mm） 分配横梁、321 型贝雷纵梁（上下加强弦杆）、2I40a（mm） 横梁、φ530 mm×10 mm钢管墩。贝雷片布置10 片，布置形式为每两片通过45 cm 支撑架连成一组，共5 组，每组支架间距为60 cm，10 cm×10 cm 方木纵梁间距为20 cm，盘扣架最大步距为150 cm，横向间距90 cm，纵向间距120 cm，钢管之间采用14（mm） 槽钢做连接系，起到稳定作用。优点在于结构稳固，线性控制较容易；缺点是用钢量较大。

3.1.2 方案二：贝雷梁悬拼钢拱架设计方案

贝雷梁悬拼钢拱架，拱圈混凝土采用支架现浇施工工艺，支架采用钢拱×支架，主要构件为贝雷片加长短接头组合而成，横向联系采用槽钢及角钢，贝雷片沿桥面横向布置为20 片，桥跨方向为40 片，共800 片贝雷片。此方案优点在于贝雷梁为市场较为常见材料，取材方便，加工过程简单；缺点在于贝雷梁异性节段需要加工制作，成本较高，施工周期具有不确定性，需要论证租赁还是采购贝雷梁进行比选，由于拱桥跨度不同，因此材料周转性不强。

3.1.3 方案三：可调式悬拼钢拱架设计方案

可调式悬拼钢拱架采用桁架结构体系设计，加工为标准节段，方便运输及现场悬臂拼装，受力结构包括上下弦杆采用2L200 mm×125 mm×18 mm 角钢，标准节段根据现场应用采用4 m 一节，中间合龙段现场根据宽度加工。弦杆中间桁架竖杆件采用2L70 mm×5 mm 角钢。各杆件之间通过节点板进行焊接。标准段宽度700 mm，横向连接风架纵向3 片为一个单元。可调式悬拼钢拱架设计重点为标准节段之间的阴阳接头，结构形式必须满足现场悬臂拼装要求，按照铰接形式进行设置，仅对其平东进行约束，满足现场快速定位拼装及合理调整线性的需求。标准节段上下弦杆采用销子连接并固定。销子直径49.5 mm，销孔直径50 mm。保证标准节段可按照销子转动调解线性。销子材质为30CrMnTi 钢。

悬拼钢拱架安装必须采用缆索吊或者塔吊及其他吊装设备辅助安装，设备选型根据现场地势条件进行，若采用缆索吊装，缆索吊设计荷载必须考虑最终阶段吊装重量。安装过程中严格控制其线性要求，斜拉索角度必须能满足其线性整体调整要求。

通过对以上3 个现浇支架方案的介绍及优缺点的阐述，本项目选择方案三进行后续施工。

3.2 方案三钢拱架结构检算

3.2.1 拱架最不利工况及荷载取值

拱圈混凝土施工步骤为：混凝土板拱厚度为1.3 m，分为2 层浇筑，第一层浇筑45 cm，第二层浇筑85 cm。纵向平均分为5 个节段，均对称浇注。第一步，对称浇筑拱脚段底板混凝土，弧长为14.32 m；第二步，浇筑拱顶段底板混凝土，弧长为14.32 m；第三步，对称浇筑拱腰段底板混凝土，弧长为14.32 m；重复上述3 个施工步骤对拱圈混凝土进行施工。

钢拱架拼装完成后，浇筑拱圈混凝土施工步骤较为繁多，因此计算选择了几个较为特殊的施工工况，包括最不利工况，满足以下施工工况条件，其他施工工况则全部满足要求[3]。

工况一：根据混凝土浇筑顺序，首先浇筑拱脚混凝土，考虑荷载包括悬拼拱架自重、木荷载自重加施工活荷载，对称拱脚段底板混凝土自重（第一层浇筑重量）。

工况二：拱脚段混凝土浇筑完成后，拱顶进行压重，保证拱圈线性可控，除了考虑工况一荷载工况外还增加拱顶混凝土自重（第一层浇筑重量）。

工况三：拱腰混凝土浇筑进一步保证拱圈线性稳定，除工况二荷载以外，增加拱脚部分混凝土重量，整个拱圈第一层（按照0.65 m 考虑偏于保守）全部浇筑完成。

拱脚采用软件整体建模，考虑节点间弯矩释放，结构有限元线性理论分析，稳定性采用屈曲分析，静力分析过程中不考虑横向连接作用，拱圈混凝土高度130 cm，分两次浇筑。第一次浇筑45 cm，拱圈计算荷载取65 cm，计算偏于保守，计算过程中不考虑温度对位移和应力影响。混凝土浇筑均选在同一时期，同日内最低稳定下浇筑。

3.2.2 最不利工况强度及刚度计算结果

分别对3 种最不利工况进行计算，计算3 种工况下受力最大杆件的弯曲应力、轴向应力及剪切应力，考虑单独构件的稳定性，并对拱架的整体稳定性进行屈曲分析，临界荷载特征值不小于4[4-6]。

采用迈达斯软件建立模型时，考虑拱架底部销轴的弯矩释放，计算3 种工况下拱架变形最大值，结果不小于L/1 000，且不大于100 mm。根据拱架变形情况为现场施工预拱度提供理论数据，现场预压过程中做好拱架变形监控并对理论数据进行修正，以得到最优的拱架预拱度。

根据计算结果可知：一是工况二为最不利工况，拱顶混凝土浇筑完毕后弦杆组合应力最大，因此在施工过程中必须及时浇筑拱腰混凝土，保证两侧对称施工。二是杆件最大组合应力为弦杆L200 mm×125 mm×18 mm，最大组合应力为100 MPa，小于弯曲容许应力218 MPa，满足强度要求。三是拱架最大位移为16 mm，小于L/1 000=65 000/1 000=65 mm，且小于规范规定的100 mm 限制，满足刚度要求。

拱架稳定性分析采用软件屈曲分析模式，考虑施工荷载及拱圈重量荷载为可变量，其余自重结构为常量，计算其荷载特征值系数。通过屈曲分析可知，钢拱架荷载特征值为20，满足整体稳定性要求。

3.2.3 拱架施工预拱度计算结果

混凝土预拱度计算必须考虑施工中的各类静荷载及动荷载[7]。由于分两次浇筑，第一层混凝土浇筑成拱后，开始对称浇注第二层混凝土，第一层混凝土参与成拱受力，因此为了更精确地计算钢拱架施工预拱度，按照65 cm 混凝土浇筑厚度荷载计算，根据计算结果，跨中挠度按照19～20 mm 设置为宜。

3.2.4 拱架拼装过程中最大索力计算结果

钢拱架包括合龙段，共计由17 个节段组成，两侧对称悬臂安装，每个节段拼装完成后采用钢丝绳对拱脚进行固定[8]。为保证钢拱架拼装线型，必须对每个节段安装后的索力进行计算。计算最大索力以确定钢丝绳选型，严格控制锚索安装角度，确保与设计方案保持一致，后锚选点必须进行专项设计，保障锚固力，角度应科学合理，以保证现场拉索调整钢拱架合龙线性，防止出现角度过小导致索力超负荷无法调整钢拱架线型的现象。根据计算结果可知，第八节段钢拱架安装时为最不利状态，最大索力为76 kN。

3.2.5 钢拱架后锚计算结果

钢拱架后锚采用人工挖孔桩锚入岩石内，预埋张拉扣件，保证各拉索张拉角度，计算锚固桩直径、钢筋数量、抗拔力及水平力。根据以上计算可知，轴心受压桩正面截面积受压设计承载力为Rp=10 131.6 kN，计算实际承载力φRp=7 586.95 kN，小于Rp，故锚桩抗压承载力满足要求。由于锚桩锚固于山体中，桩底嵌于非岩石土中，验算锚桩水平承载力。锚桩最大水平承载力为节段8 处，计算值为158.2 kN，小于Rha=292 kN，故锚桩水平承载力满足要求。锚固桩桩身直径为1 m，主筋采用φ25 钢筋16 根，满足其桩身受力。

4 可调式悬拼拱架安装过程监控

4.1 监控内容

拱圈施工的基本顺序为：索塔施工→钢拱架悬拼→拱圈混凝土浇筑。施工监控内容根据悬拼钢拱架施工过程制定方案，主要包括悬拼索力监控，钢拱架竖向、横向位移监控以及桁架式结构上弦杆、下弦杆应变监控。其中，岩石内锚桩施工为重点监控内容，整个施工过程中应在锚桩施工时同步埋设山体变形观测桩，以保证悬臂拼装过程中钢拱架施工安全。各类扣索结构及钢丝绳监控也是施工中的重点内容，需要进行全程监测，并运用相关技术对监控数据进行分析[3，9-11]。

钢拱架检测断面应结合整个跨度内变形具备代表性的截面，拱脚位置、L/4 位置、L/2 位置均应设置观测点。观测点位置必须位于钢拱架主体结构上，不得设置在临时支撑等结构上，保证观测结果的准确性和标准唯一性。观测过程应选择在施工人员、环境温度等外界因素统一的状态下进行。

4.2 钢拱架应用效果

通过拱圈浇筑施工，考虑施工拱架的预拱度，拱圈混凝土分两次进行浇筑，采用“拱脚+拱顶+拱腰”的顺序交替浇筑方案能较好地解决钢拱架变形对拱圈线型产生影响的问题。混凝土及时成拱，保证了荷载的均匀性。横向铺设截面不等的方木调整拱曲线，拱圈底模采用胶合板，侧模采用厂家定制的钢模。通过钢拱架技术应用顺利完成了拱圈混凝土浇筑，取得了良好的应用效果，见图1。

5 结束语

本文全面总结了一种可调式钢拱架拱圈现浇施工技术，解决了跨峡谷地段拱圈混凝土浇筑难题，采用人工挖孔桩嵌入岩石进行锚索张拉，并通过后锚角度控制，保证了钢拱架线型准确，设置合理的施工预拱度为后续混凝土拱圈浇筑提供了依据。对云贵地区拱圈混凝土浇筑施工等类似工程具有很好的参考意义。