大跨懸澆鋼筋混凝土拱橋施工關鍵技術

吳月星,龔興生,周建庭,羅首信

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

鋼筋混凝土拱橋因其整體性較好、耐久性優(yōu)越等優(yōu)點在我國西部地區(qū)具有較大的競爭力[1]。近年來國內采用懸臂澆筑法相繼建成了四川白沙溝1號橋[2～3]、四川新密地大橋[4～6]、四川鱤魚大橋、貴州木蓬大橋[7]、貴州馬蹄河大橋[8]、貴州夜郎湖大橋[9～10]、重慶武隆龍溪烏江大橋、重慶涪陵烏江大橋復線橋、貴州沿河沙坨大橋及四川省雞鳴三省大橋等10座鋼筋混凝土拱橋。

斜拉扣掛掛籃懸臂澆筑法是鋼筋混凝土拱橋常用的施工方法[11～13]。斜拉扣掛掛籃懸臂澆筑施工需借助掛籃系統(tǒng)和斜拉扣掛系統(tǒng)實現(xiàn)。掛籃系統(tǒng)一般由承重系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、支反力系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等構成，用于進行主拱圈混凝土的澆筑。斜拉扣掛系統(tǒng)則一般由扣索、錨索、扣塔、錨碇等幾部分組成，在主圈節(jié)段懸臂施工中起固定、調整施工節(jié)段的線型及改善主拱圈受力狀態(tài)的作用。

作為目前國內最大跨的懸澆單箱室鋼筋混凝土拱橋，夜郎湖大橋懸澆節(jié)段長，施工難度大。隨著懸臂澆筑長度及重量的加大，現(xiàn)有掛籃出現(xiàn)了相應弊端，如桿件應力偏大、懸臂端下?lián)线^大等情況，現(xiàn)有的掛籃形式難以滿足懸臂澆筑要求?，F(xiàn)有斜拉扣掛方法一般采用人工張拉和人工不定時觀測扣塔偏位，數(shù)據(jù)采集延時性及不共享導致施工風險難以控制，再加上主拱圈在高空懸臂施工時間較長，造成扣塔受力和偏位控制難度增加。此外，人工張拉扣錨索亦易造成組成扣錨索的鋼絞線出現(xiàn)最終受力不均勻的現(xiàn)象，即出現(xiàn)一些鋼絞線因為受力過大而斷絲以及部分鋼絞線張拉不到位的問題，這加大了扣塔和主拱圈在施工過程中的風險。

鑒于大跨鋼筋混凝土拱橋斜拉扣掛施工中出現(xiàn)的諸如掛籃桿件應力、變形較大、扣塔偏位控制難度大及扣錨索索力張拉不到位、不均勻等問題，夜郞湖大橋主拱圈懸澆施工過程中創(chuàng)造性地采用了諸多新型施工技術——新型三角桁架掛籃懸澆施工技術、斜拉扣掛自平衡張拉、塔偏實時監(jiān)測施工技術及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊施工技術。新技術的成功實施，克服了夜郎湖大橋懸澆施工中節(jié)段長、重量大等難題，保障了主拱圈懸臂施工安全及混凝土澆筑質量。

1 工程概況

夜郎湖大橋是目前國內最大跨斜拉扣掛、掛籃懸臂澆筑與勁性骨架組合施工的單箱室鋼筋混凝土拱橋，凈跨徑為210 m，凈矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)m=1.67，大橋總體布置如圖1所示。主拱圈采用寬7.0 m，高3.5 m的單箱單室截面，拱腳1#節(jié)段頂、底板厚度由80 cm漸變至40 cm，腹板厚度由80 cm漸變至50 cm，其它節(jié)段頂、底板厚40 cm，腹板厚50 cm。拱腳1#段采用支架現(xiàn)澆，長12.4 m；主拱圈2#～14#節(jié)段則通過斜拉扣掛掛籃

圖1 大橋總體布置圖Figure 1 General layout of bridge

懸臂澆筑法施工，即1#節(jié)段混凝土強度達到設計強度90%以上后，張拉1#扣錨索并安裝掛籃進行2#節(jié)段的施工，節(jié)段i(i=2～14)的標準施工過程如圖2所示；跨中合龍段長24.65 m，采用勁性骨架外包混凝土施工[9]。

圖2 主拱圈節(jié)段i標準施工過程Figure 2 Standard construction process of main arch ring segment I

2 大橋懸臂施工關鍵技術

2.1 新型三角桁架掛籃施工技術

為適用本工程施工過程中面臨的節(jié)段長、重量大等問題，特提出一種新型三角桁架式掛籃(如圖3所示)，主要包括主桁承重系統(tǒng)，主桁承重系統(tǒng)中部左右兩側各設置有1副C型掛鉤，C型掛鉤頂部連接有行走裝置，行走裝置底部位于已澆節(jié)段的拱箱頂部的行走軌道上，C型掛鉤上設置有連接板，連接板左右兩側各通過多根斜拉吊帶與位于主桁承重系統(tǒng)前籃和后籃側面的拉座連接，在后籃上設置有反滾輪裝置，在主桁承重系統(tǒng)上設置有提升承重錨吊桿(如圖4所示)。掛籃上下弦桿由型鋼構成的桁架組成，通過鋼吊帶與掛鉤銷軸連接，掛鉤是由鋼板焊接箱型斷面，掛鉤僅在掛籃行走時受力，拱箱混凝土澆筑時掛籃自重及混凝土濕重由錨

圖3 新型三角桁架式掛籃Figure 3 New triangle truss form traveler

圖4 掛籃錨吊桿錨固位置Figure 4 The anchor position of the anchor suspender

吊桿承擔。掛籃主要性能參數(shù)如下：澆筑節(jié)段最大重量188 t，澆筑節(jié)段最大長度8 m，澆筑節(jié)段最大傾角39.6°，澆筑節(jié)段寬度(單箱室)7 m，掛籃自重(含模板)82.5 t，掛籃行走方式為滑動，掛籃前端最大變形2 cm，錨固方式為自錨式。

目前國內尚無如此規(guī)模的懸澆鋼筋混凝土拱橋，無先例可循。與傳統(tǒng)的懸澆鋼筋混凝土拱橋所用掛籃相比，新型三角掛籃能將懸澆長度擴展到前所未有的8 m，實現(xiàn)最大39.6°的傾角，承受188 t的懸澆重量，具有強度高、剛度大、裝置簡單、受力明確、結構高效等優(yōu)點。此外，與現(xiàn)有三角桁架掛籃相比，新型掛籃在掛籃錨吊桿錨固位置上做了優(yōu)化改進?，F(xiàn)有掛籃錨吊桿通常錨固在拱圈懸臂端底板，作為掛籃與拱圈的傳力關鍵聯(lián)系構件，考慮到錨吊桿錨固在拱圈懸臂端底板時，混凝土濕重等各種荷載會通過錨吊桿傳遞到拱圈箱形截面腹板，導致腹板被拉裂，引起施工安全問題。為改善拱圈節(jié)段懸臂處受力性能，新型三角桁架掛籃將錨吊桿錨固位置從拱圈底板移至拱圈頂板。此時，混凝土濕重等各種荷載也通過掛籃錨吊桿傳遞至拱圈頂板處，實現(xiàn)拱圈節(jié)段腹板處受拉向拱圈頂板處受壓的轉變，拱圈節(jié)段局部受力明顯改善，拱圈主拉應力顯著降低。新型三角桁架掛籃懸澆施工技術保障了拱橋施工安全與建設質量。

新型三角桁架掛籃三視圖如圖5～圖7所示。

圖5 新型三角桁架掛籃正視圖Figure 5 The front view of the form traveler at the site

圖6 新型三角桁架掛籃側視圖Figure 6 The side view of the form traveler at the site

圖7 新型三角桁架掛籃俯視圖Figure 7 The vertical view of the form traveler at the site

2.2 新型斜拉扣掛施工技術

傳統(tǒng)斜拉扣掛方法一般采用人工張拉和人工不定時觀測扣塔塔偏，數(shù)據(jù)采集延時性及不共享導致施工風險難以控制，并且斜拉扣掛施工對人員素質和操作經驗要求極高。夜郎湖大橋采用斜拉扣掛自平衡張拉及塔偏實時監(jiān)測施工技術降低了人工操作難度，避免了扣塔因水平方向受力偏載過大而發(fā)生傾斜、倒塌的事故。夜郎湖大橋在主拱圈斜拉扣掛施工中創(chuàng)造性地采用了扣錨索自平衡張拉、塔偏實時監(jiān)測以及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊等新型施工技術，試圖解決傳統(tǒng)斜拉扣掛技術的不足。夜郎湖大橋現(xiàn)場斜拉扣掛施工如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場斜拉扣掛施工圖Figure 8 Construction drawings of on-site cable-stayed buckle hanging

2.2.1斜拉扣掛自平衡張拉技術

根據(jù)斜拉扣掛設計圖和施工監(jiān)控指令，精確計算扣、錨索張拉角度，在智能張拉控制系統(tǒng)中預先設定張拉角度ɑ1、ɑ2和監(jiān)控目標控制索力，系統(tǒng)自動分配扣、錨索張拉千斤頂張拉力，沿扣塔中心線同步逐級對稱加載到目標值(兩側張拉力根據(jù)角度自動換算張拉力增加值，保持水平向分力平衡，即F2cos(ɑ2)=F1cos(ɑ1)，使扣塔兩側張拉力的水平分力相互抵消，水平方向合力始終為零。其原理如圖9所示。

圖9 自平衡張拉原理圖Figure 9 Self-balanced tension schematic diagram

2.2.2扣塔偏位實時監(jiān)測技術

扣塔偏位系統(tǒng)由激光測距單元和碳纖維拉線位移測距單元組成。激光測距單元包括PRT激光器、反射板、計算機控制中心，PRT激光器和計算機控制中心通過數(shù)據(jù)傳輸線纜和電氣元件有機連接在一起，在控制系統(tǒng)中使PRT激光器發(fā)送激光脈沖，并接收安裝于扣塔上的反射板反射回來的脈沖信號實時監(jiān)測扣塔結構形變產生相對位移進行測距。碳纖維拉線位移測距單元包括碳纖維拉線、吊錘、滾輪、超聲波位移傳感器、計算機控制中心，通過數(shù)據(jù)傳輸線、鋼絲繩和電氣元件有機連接在一起?？鬯Y構形變通過碳纖維拉線反饋到吊錘上并使其上下運動，超聲波傳感器實時檢測吊錘產生的相對位移，其值和基準數(shù)值之差即為扣塔偏位距離，數(shù)值的正負代表扣塔的偏位方向。碳纖維拉線位移傳感器采用拉線式接觸測量原理，利用碳纖維材料對溫度不敏感的特性，滿足各種氣候條件下長時監(jiān)測，既彌補了激光測距監(jiān)測對雨、霧等惡劣天氣和污染等環(huán)境工況的局限性，又可互為校核，雙通道冗余設計確保監(jiān)測的全天候和實時性，其工作原理如圖10所示。

圖10 扣塔偏位實時監(jiān)測原理圖Figure 10 Principle diagram of real-time monitoring of buckling tower offset

應用PRT激光測距+碳纖維拉線組合式位移傳感測距對扣偏進行測量，扣塔即時偏移值及時傳輸至控制系統(tǒng)并在屏幕上顯示，數(shù)據(jù)即采即用。較傳統(tǒng)的全站儀測量方法，具備實時和快速響應特征。扣塔偏位實時監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)主拱圈各施工階段扣塔形變位移的高精度監(jiān)測，分辨率1 mm，滿測程誤差精度3～5 mm，較傳統(tǒng)的人工測量方法，測量精度從厘米級提高至毫米級。

2.2.3自平衡張拉數(shù)據(jù)及塔偏數(shù)據(jù)集成控制原理

斜拉扣掛自平衡張拉、扣塔偏位實時監(jiān)測時，各種傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，同時，控制系統(tǒng)通過藍牙與遠程總控計算機建立無線通信并向其實時傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在總控計算機上并在集成控制平臺屏幕上顯示，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，遠程總控計算機接收到的數(shù)據(jù)可通過4G網絡/WIFI傳輸?shù)皆破脚_，實現(xiàn)網絡監(jiān)控。在控制平臺系統(tǒng)屏幕對話框內設定扣塔最大偏位閥值，如扣塔實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)值大于設定值，系統(tǒng)自動在現(xiàn)場和控制室內聲光報警，及時發(fā)現(xiàn)施工隱患，杜絕安全事故發(fā)生。自平衡張拉和塔偏監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線通信集成在一個控制平臺內，實時、全面記錄施工過程，兩種數(shù)據(jù)可同時讀取，便于及時分析問題，提高了質量管理水平。

2.2.4群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊施工技術

近年來，使用智能張拉系統(tǒng)對預應力構件施加預應力，從根本上解決了普通張拉設備無法有效控制有效預應力大小，鋼絞線延伸量測量誤差大的問題。但是，在整體張拉前，由于每根鋼絞線的初始受力并不完全一致，張拉時往往會出現(xiàn)鋼絞線最終受力不均勻的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)一些鋼絞線因為受力過大而斷絲的問題。

夜郎湖大橋在扣錨索張拉時成功運用了群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊施工技術。在斜拉扣掛群錨鋼絞線預緊過程中，利用自動均勻預緊裝置，保證每孔單束鋼絞線都能快速達到初張拉力，實現(xiàn)群錨預應力鋼絞線受力均勻一致，較人工單卡預緊鋼絞線施工效率更高、更精確，能有效避免當前因人工操作誤差而造成預應力施工病害問題。

預緊千斤頂油缸采用蜂窩式結構設計，在一圓柱體上按照規(guī)定的空間排布，精密加工出多個小油缸，并將所有小油缸的進油腔、回油腔分別連通，與多個小活塞、密封板、堵頭等組成多個單根預緊千金頂。每個單根預緊千斤頂對應預緊一根鋼絞線。根據(jù)連通器原理，在一密閉容器里，壓力處處相等，從而可確保每個單根預緊千斤頂輸出相等的預緊力，即鋼絞線預緊完成后，受力均勻一致。自動預緊設備構造原理如圖11所示，自動預緊現(xiàn)場施工圖如圖12所示。

1、鋼絞線 3、單孔工具錨 8、預緊千斤頂 13、撐腳 14、防松錨圖11 自動預緊設備構造原理Figure 11 Construction principle of automatic pre-tightening equipment

圖12 自動預緊現(xiàn)場施工圖Figure 12 Automatic pre-tightening of site construction drawing

3 大橋施工控制監(jiān)測結果

基于夜郎湖大橋構造與施工特點，在主拱圈懸臂施工過程中，夜郎湖大橋采用新型三角桁架掛籃進行主拱圈混凝土懸澆施工，同時采用斜拉扣掛自平衡張拉、塔偏實時監(jiān)測技術及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊施工關鍵技術，對主拱圈的線形、扣塔偏位以及臨時扣錨索索力等監(jiān)控內容進行有效調整和控制，確?？鬯爸鞴叭υ谑┕み^程中始終處于受控狀態(tài)，滿足設計以及建造要求。

3.1 扣錨索索力

在鋼筋混凝土拱圈掛籃懸臂澆筑施工過程中，由于拱圈內沒有布置縱向預應力筋，扣索力大小對拱圈結構的受力和線形影響顯著，索力調整稍有偏差，混凝土主拱圈就會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象?？坼^索作為拱橋主拱圈懸臂澆筑過程中的重要臨時支承結構，可通過對臨時索索力進行調整，控制主拱圈的線形、應力以及扣塔偏位。然后，實際施工過程中，實測索力往往與理論索力存在出入，從而影響主拱圈松索成拱后的受力狀態(tài)，因此必須對扣錨索索力進行監(jiān)測。夜郎湖大橋扣錨索均采用一次張拉，由于扣錨索在張拉過程中采用了扣錨索自平衡張拉以及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊新技術，且監(jiān)控單位通過采用索力動測儀對張拉索力進行實測復核，保證了扣錨索力精準張拉，實測索力與理論索力偏差基本控制在2%之內，滿足規(guī)范要求。

3.2 扣塔偏位

夜郎湖大橋扣塔由空心鋼管及型鋼搭建而成，懸臂施工中扣塔的偏位將直接影響扣塔應力及主拱圈高程，施工必須嚴格控制，根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》，扣塔頂沿橋軸線偏位須控制在3 cm內。夜郎湖扣塔偏位采用“雙控”，即在采用扣塔位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測塔偏，自動報警的同時，亦采用傳統(tǒng)測量方法來校核扣塔偏位。為避免日照溫差影響，人工測量選擇在上午7:00之前或下午6:00后?，F(xiàn)場測量過程中，實測最大扣塔偏位2.9 cm，最小不到1 cm，均滿足設計和施工控制要求。

3.3 主拱圈松索成拱線形

在主拱圈懸澆施工過程中，主拱圈線形受混凝土節(jié)段重量、扣錨索力以及塔架偏位等因素影響。夜郎湖大橋主拱圈通過采用新型三角桁架掛籃進行澆筑施工，新型掛籃能很好適用于本工程大節(jié)段懸澆施工，承受重達近190 t的懸澆重量，具有強度高、剛度大、變形較小，保證了拱圈懸臂施工中線形平順，不出現(xiàn)過度撓曲。而扣錨索自平衡分級智能張拉和群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊新技術，通過對扣塔偏位和扣錨索索力實現(xiàn)精準控制，確保了主拱圈松索成拱線形的合理平順，未出現(xiàn)“馬鞍形”拱圈線形。在主拱圈合龍拆除扣錨索后對全橋進行通測，測點布置在每個節(jié)段頂板外側、中間及內側。實測值與理論值最大差僅為2.5 cm，滿足規(guī)范要求，證明主拱圈線形控制良好，未出現(xiàn)“馬鞍形”。松索成拱后主拱圈線形圖如圖13所示。

圖13 松索成拱后主拱圈線形Figure 13 Alignment of main arch ring after loose cable arching

4 結語

夜郎湖大橋斜拉扣掛掛籃懸澆施工過程中，創(chuàng)造性地采用了新型三角桁架掛籃施工技術，克服了現(xiàn)有三角桁架掛籃剛度小，承載力低的問題，通過對錨吊桿錨固位置的優(yōu)化改進，改善了拱圈懸臂端局部受力性能，拱圈混凝土澆筑質量得到保證，拱圈線形得以控制。通過采用斜拉扣掛自平衡張拉、塔偏實時監(jiān)測系統(tǒng)及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊新技術進行懸臂施工，保證了主拱圈懸臂施工中扣塔受力平衡、扣錨索索力實測值與理論值偏差在精度要求范圍內，進而確保了主拱圈松索成拱線形滿足設計要求。新型三角桁架掛籃懸澆施工技術、斜拉扣掛自平衡張拉、塔偏實時監(jiān)測技術及群錨鋼絞線自動均勻連續(xù)預緊新技術在大跨度混凝土拱橋地成功應用，極大地提高了施工效率，減少了安全事故，保障了拱橋施工安全及建設質量。夜郎湖大橋已于2018年8月順利通車，成橋后線形與內力均滿足規(guī)范要求。本文成果可為今后同類型工程提供有益借鑒。