新型大跨徑鋼管混凝土勁性骨架箱拱設(shè)計(jì)與施工

楊虎根 姜帥 吳云 李明

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)勁性骨架法在施工時(shí)存在的安全性和穩(wěn)定性問題，以G352國道（正安段）凈跨200 m上承式鋼管混凝土勁性骨架箱拱漁塘特大橋?yàn)槔?，結(jié)合新型勁性骨架箱拱同時(shí)具備的兩個(gè)要素：強(qiáng)勁骨架設(shè)計(jì)思路和勁性骨架帶拱肋底板吊裝施工工藝，闡述新型大跨徑鋼管混凝土勁性骨架箱拱的設(shè)計(jì)與施工。與傳統(tǒng)勁性骨架箱拱相比，新型鋼管混凝土勁性骨架箱拱不僅簡化施工加載程序，縮短施工工期，而且降低施工風(fēng)險(xiǎn)。特別是，帶底板勁性骨架合龍的施工新工藝，進(jìn)一步解決了傳統(tǒng)澆筑拱箱底板混凝土過程中骨架的穩(wěn)定安全系數(shù)小的問題，同時(shí)加快了施工進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：新型大跨徑;鋼管混凝土勁性骨架;上承式箱拱;強(qiáng)勁骨架;帶底板吊裝

中圖分類號(hào)：U442.5;U445.46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

奧地利工程師J.Melan發(fā)明了用型鋼做拱架現(xiàn)澆混凝土拱圈的工藝。Fritz von Emperger對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，采用格構(gòu)式鋼構(gòu)件取代型鋼，提高了承載力，節(jié)約了鋼材。此工藝傳入中國后，最先應(yīng)用于跨徑60 m的遼寧螞蟻沙大橋上。隨后，交通部以四川省宜賓市小南門金沙江大橋作為依托項(xiàng)目，設(shè)立研究課題，并于1990年完成了240 m主跨的中承式拱橋。由于骨架采用鋼格構(gòu)，整體穩(wěn)定性較差，施工過程中出現(xiàn)不少險(xiǎn)情。為了提高勁性骨架的整體穩(wěn)定性和澆筑混凝土?xí)r的強(qiáng)度，最后提出了鋼管混凝土勁性骨架的新概念。1980年，克羅地亞·克爾克大橋主跨390 m為世界最大跨度混凝土拱橋[1]，而后1997年建成的跨徑420 m的重慶萬縣長江大橋?qū)⑵涑?。目前，世界最大跨徑勁性骨架混凝土拱橋?yàn)闇ジ哞F北盤江大橋，主跨445 m。

勁性骨架法適用于大跨徑橋梁，多用于主跨超過150 m的特大跨徑箱形拱橋，跨徑超過200 m，尤其是超過300 m時(shí)，混凝土箱形拱橋國內(nèi)僅有鋼管混凝土勁性骨架法的建成實(shí)例[2-3]。國內(nèi)外傳統(tǒng)勁性骨架法均采用沿拱圈軸線用型鋼或鋼管建成鋼桁拱，以鋼桁拱作為承力結(jié)構(gòu)，在其上懸掛模板，分環(huán)、分段、分層，對(duì)稱、均衡地澆筑拱圈混凝土，最后合龍成拱。經(jīng)過多年的實(shí)踐總結(jié)，傳統(tǒng)勁性骨架法存在以下問題：勁性骨架法具有工序復(fù)雜、施工周期長、混凝土外包環(huán)節(jié)多、施工縫較多等缺點(diǎn);骨架成拱后，澆筑拱箱底板混凝土過程中骨架的穩(wěn)定安全系數(shù)最小，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。一旦設(shè)計(jì)或施工出現(xiàn)疏忽，可能引發(fā)險(xiǎn)情或事故。用勁性骨架法建造大跨度RC箱形拱的關(guān)鍵是施工時(shí)的安全度和穩(wěn)定性問題，已竣工的幾座拱橋，在施工中有的出現(xiàn)過驚險(xiǎn)情況，有的還留有硬傷[4]。

針對(duì)傳統(tǒng)勁性骨架法存在的問題，本文提出了同時(shí)具備強(qiáng)勁骨架設(shè)計(jì)思路和勁性骨架帶拱肋底板吊裝施工工藝這兩個(gè)要素的新型大跨徑鋼管混凝土勁性骨架箱拱，并在漁塘特大橋的設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)用，可供類似橋梁工程參考。

1 鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架設(shè)計(jì)思路

為了增大分段長度，以便減少外包混凝土的施工環(huán)節(jié)，國內(nèi)專家提出了強(qiáng)勁骨架的概念[5]。鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架法設(shè)計(jì)思路：勁性骨架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)按外包混凝土的循環(huán)次數(shù)不超過三環(huán)為原則，設(shè)計(jì)荷載以拱圈頂板、腹板、底板三環(huán)獨(dú)立加載控制。與傳統(tǒng)鋼管混凝土骨架相比，拱橋承載力驗(yàn)算時(shí)計(jì)入強(qiáng)勁骨架的貢獻(xiàn)。

強(qiáng)勁骨架的采用，不僅可以減少施工環(huán)節(jié)，縮短施工周期，還能降低施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，強(qiáng)勁骨架與外包鋼筋混凝土共同受力，減小主拱和外包鋼筋混凝土截面面積，綜合造價(jià)更低。

1.1 鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架的判別指標(biāo)

依據(jù)模型試驗(yàn)和理論分析，鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架的判別指標(biāo)參考值如下[6-7]：

1）主拱拱頂截面含鋼管混凝土率大于8%;

2）鋼管混凝土截面與主拱拱頂截面承載力之比大于20%;

3）主拱承載能力是由鋼管混凝土及外包混凝土共同承擔(dān)。

1.2 鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際工程的理論分析和研究，鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架的技術(shù)指標(biāo)參考值如下[6-7]：

1）鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架主鋼管的徑厚比滿足35～60;

2）鋼管內(nèi)灌注混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)大于C60;

3）采用剛度更大的組合型鋼腹桿及鋼管腹桿形成的腹桿體系;

4）鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架與外包鋼筋混凝土共同受力。

2 勁性骨架帶拱肋底板吊裝的施工工藝

為了進(jìn)一步提高施工期間的安全度和穩(wěn)定性，同時(shí)加快外包混凝土進(jìn)度，提出了帶拱圈底板的鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架合龍的新工藝。

帶拱圈底板的強(qiáng)勁鋼管混凝土勁性骨架施工工藝：鋼管勁性骨架節(jié)段組拼焊接完成后，移至混凝土澆筑區(qū)域，進(jìn)行拱肋底板預(yù)制。拱圈混凝土底板預(yù)制至腹板馬蹄處，混凝土底板預(yù)制前將底板縱、橫向鋼筋全部安裝，縱向鋼筋在相鄰節(jié)段接頭處錯(cuò)開截?cái)?，后期采用焊接連接，相鄰節(jié)段之間預(yù)留1.0～1.2 m濕接縫。待拱圈底板混凝土強(qiáng)度及彈性模量滿足設(shè)計(jì)要求后，運(yùn)至吊裝平臺(tái)，等待吊裝。

拱圈底板濕接縫施工工藝：自密實(shí)混凝土灌注勁性骨架鋼管，同步安裝縱、橫向鋼筋→底板混凝土濕接縫施工。其中，底板縱向鋼筋采用焊接連接，同步安裝相應(yīng)橫向鋼筋。濕接縫混凝土底模板采用鋼模制作，在預(yù)制混凝土底板時(shí)預(yù)留拉桿孔，用精軋螺紋鋼固定底模，最后澆筑濕接縫混凝土。

3 漁塘特大橋設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

漁塘特大橋位于G352國道上，系連接格林鎮(zhèn)與正安縣城跨越芙蓉江的一座特大橋，橋位位于沙阡水電站上游約180 m處。大橋于2020年7月竣工通車，為凈跨200 m的上承式鋼管混凝土勁性骨架箱型拱橋。如圖1所示，漁塘特大橋拱上排架采用雙方柱式，腹孔采用跨徑為19.3 m的T型梁，兩岸各設(shè)置1孔30 m裝配式PC T梁，橋梁總長284.3 m，橋面全寬12 m。

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主橋采用上承式鋼管混凝土勁性骨架箱型拱橋，凈跨徑為200 m，凈矢跨比為1/5，拱軸線采用拱軸系數(shù)為1.988的懸鏈線。拱圈采用C55高性能混凝土，單箱兩室斷面，高度為3.6 m，寬度為8.5 m，箱室頂板、底板、腹板厚度均為0.35 m。整個(gè)拱圈共設(shè)置21道厚度為0.4 m的橫隔板，分別對(duì)應(yīng)立柱位置，位于每孔腹孔中部。

勁性骨架材質(zhì)為Q390D，尺寸參考鋼管混凝土強(qiáng)勁骨架的指標(biāo)進(jìn)行擬定，如圖2所示。鋼管骨架采用377×14 mm主管，內(nèi)灌注C80高強(qiáng)自密實(shí)高性能混凝土;腹桿采用4根 75×10 mm的組合型鋼;上平聯(lián)、下平聯(lián)、橫聯(lián)均采用單根 140×10 mm的型鋼。

3.2 施工要點(diǎn)

帶底板勁性骨架分段吊裝示意如圖3所示。全橋帶底板勁性骨架共分18段進(jìn)行吊裝，每段長度約12.3 m，腹板及頂板澆筑與節(jié)段一致。施工加載順序見表1。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及對(duì)比分析

勁性骨架模擬采用一般梁單元，拱肋頂板、底板、腹板模擬采用具有平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度的4節(jié)點(diǎn)厚板單元。模型共劃分3 306個(gè)一般梁單元，532個(gè)4節(jié)點(diǎn)厚板單元，單元合計(jì)3 838個(gè)，節(jié)點(diǎn)共1 054個(gè)。拱架模型如圖4所示。外包拱箱后的模型如圖5所示。

3.3.1 勁性骨架一次張拉扣索索力計(jì)算方法

按照一次張拉扣索索力的施工目的，以拱架合龍并拆除拉索后的扣點(diǎn)變形值為約束條件，位移值約束條件可取±5 mm，確保拱架線形剛好位于設(shè)計(jì)及施工誤差允許范圍[8]。

初始切向位移不計(jì)入，會(huì)給拼裝扣點(diǎn)的當(dāng)前步驟位移帶來差異。這一差異會(huì)隨著施工進(jìn)程而增大，在最后一個(gè)施工階段達(dá)到最大，導(dǎo)致合龍線形受到顯著影響。為了保證計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程接近，計(jì)算中考慮了構(gòu)件初始切向位移的影響。一次扣索張拉索力如表2所列。

3.3.2 帶底板勁性骨架合龍階段受力情況

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 3362—2018[9]、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002.3—2005[10]規(guī)范，施工階段 C55混凝土拉應(yīng)力控制值分別為2.86 MPa、2.97 MPa;壓應(yīng)力控制值分別為23.23 MPa、18.50 MPa，本次計(jì)算施工階段混凝土拉、壓應(yīng)力按照2.86 MPa、18.50 MPa控制。

勁性骨架受力根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T D65-06—2015[11]和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D64—2015[12]進(jìn)行控制。

強(qiáng)勁骨架帶拱圈底板合龍時(shí)，骨架強(qiáng)度、軸向穩(wěn)定、拱圈底板拉應(yīng)力均符合上述規(guī)范要求。 強(qiáng)勁骨架受力情況如圖6～8所示。由圖6～8可以看出：弦桿的組合應(yīng)力最大值為258 MPa，弦桿軸壓的組合應(yīng)力最大值為225 MPa，拱圈底板混凝土最不利拉應(yīng)力為1.24 MPa，最不利壓應(yīng)力為5.27 MPa。

3.3.3 傳統(tǒng)勁性骨架和帶底板強(qiáng)勁骨架合龍穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比

如圖9、10所示，傳統(tǒng)勁性骨架澆筑底板混凝土階段，面內(nèi)一階失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為5.9;帶底板強(qiáng)勁骨架澆筑腹板混凝土階段，面內(nèi)一階失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為7.1。帶底板強(qiáng)勁骨架線彈性穩(wěn)定系數(shù)明顯增大，施工安全度加大，大大降低了施工中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)約了澆筑底板混凝土的繁瑣工序，工期縮短較明顯。

3.3.4 橋梁竣工后的勁性骨架受力情況

多數(shù)勁性骨架拱橋在拱肋成形后，不再關(guān)注勁性骨架受力。本橋模型加載至橋梁竣工階段，橋梁竣工后的勁性骨架受力情況如圖11、12所示，數(shù)據(jù)供同行參考。

由圖11、12可以看出：拱圈混凝土成形后，勁性骨架被混凝土包裹，無屈服強(qiáng)度折減;弦桿最大應(yīng)力位于下弦桿，組合應(yīng)力為326 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值390 MPa的84%;弦桿管內(nèi)混凝土應(yīng)力最不利壓應(yīng)力為28 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值34.6 MPa的80%。結(jié)果表明，本橋勁性骨架剩余約20%左右的強(qiáng)度在后期對(duì)拱上活載受力有一定貢獻(xiàn)。

3.3.5 模型理論值與監(jiān)控實(shí)測值的對(duì)比

1）扣索索力

大橋扣索索力理論值與實(shí)測值對(duì)比見表3。由表3可見：除S1外的扣索索力的實(shí)測值與理論值誤差均在5%以內(nèi)，精度滿足工程實(shí)際需要。

2）標(biāo)高

監(jiān)測點(diǎn)位于拱圈L0/8、L0/4、拱頂處，腹板澆筑完成后標(biāo)高的理論值與實(shí)測值對(duì)比數(shù)據(jù)見表4。表4所列，理論計(jì)算標(biāo)高與實(shí)測值精度滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50—2011[13]表15.6.3-3規(guī)范要求。

4 結(jié)論

結(jié)合主跨200 m漁塘特大橋的工程實(shí)踐及理論分析，新型鋼管混凝土勁性骨架箱拱具有以下結(jié)論：

1）由于強(qiáng)勁骨架的采用，為勁性骨架帶底板吊裝合龍?zhí)峁┝藦?qiáng)有力的條件，能夠確保骨架在吊裝過程中強(qiáng)度及穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2）勁性骨架帶底板吊裝合龍后，省去了外包底板混凝土的繁瑣工藝，縮短施工工期;同時(shí)解決了傳統(tǒng)澆筑拱箱底板混凝土過程中骨架穩(wěn)定安全系數(shù)小的問題，顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3）根據(jù)理論分析及實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，強(qiáng)勁骨架剩余20%左右的強(qiáng)度對(duì)拱上活載有一定貢獻(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)減少箱拱的配筋，節(jié)省投資。

4）通過理論計(jì)算和監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，勁性骨架模型采用一般梁單元，拱圈頂板、底板、腹板采用具有平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度的4節(jié)點(diǎn)厚板單元;扣索一次張拉索力以拱架合龍并拆除拉索后的扣點(diǎn)變形值為目標(biāo)函數(shù);此方法建立的模型，可較好地用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

橋梁專家估計(jì)鋼管混凝土勁性骨架法與鋼絞線斜拉扣掛懸臂施工工藝相結(jié)合的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝，可使RC 箱形拱橋的跨徑突破500 m。新型鋼管混凝土勁性骨架箱拱的設(shè)計(jì)思路和施工工藝，為RC箱形拱橋繼續(xù)往大跨徑方向發(fā)展提供了可能。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract：

In view of the safety and stability problems existing in the construction of the traditional rigid frame method， taking Yutang super large bridge with 200 m clear span deck steel tube concrete rigid frame box arch of national highway G352 （Zhengan section） as an example， combined with the two elements of the new rigid frame box arch： the design idea of the strong frame and the lifting construction technology of the rigid frame bottom plate with arch rib， this paper describes the design and construction of a new type of long-span concrete-filled steel tubular rigid frame box arch. Compared with the traditional rigid frame box arch， the new steel tube concrete rigid frame box arch not only simplifies the construction loading procedure， shortens the construction period， but also reduces the construction risk. In particular， the new construction technology of rigid skeleton closure with bottom plate further solves the problem of small stability and safety factor of skeleton in the traditional process of pouring arch box bottom plate concrete， and speeds up the construction progress.

Key words：

new long span; steel tube concrete rigid frame; deck box arch; strong frame; hoisting with bottom plate