600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈混凝土澆筑方案研究

林春姣，朱劍宇，藍(lán)佳玉，肖周強(qiáng)，蔣才健

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

受線路坡度、地質(zhì)和環(huán)境等多方面因素所限，在云、貴、川、渝、桂等山區(qū)和進(jìn)藏鐵路線路上需要跨越大量的長(zhǎng)距離高山深壑，這其中相當(dāng)一部分需要跨越的長(zhǎng)距離深壑非常適合修建混凝土拱橋。因此，600 m 及以上跨徑混凝土拱橋成為在鐵路發(fā)展中超大跨徑橋梁選型的重要方向之一［1-7］。目前世界上第一座600 m 跨徑的公路混凝土拱橋廣西龍灘大橋已經(jīng)在建設(shè)中，科研人員也正在開展對(duì)600 m及以上跨徑的鐵路混凝土拱橋的研究。

建造600 m 及以上跨徑混凝土拱橋的最大困難在于主拱圈的施工成型［8-10］。結(jié)合國(guó)內(nèi)外目前已建成的300～400 m 超大跨徑混凝土拱橋的建造方法［11-12］，認(rèn)為鋼管混凝土勁性骨架法是目前能夠完成600 m 及以上混凝土主拱圈成拱的主要方法。鋼管混凝土勁性骨架法建造混凝土拱橋的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是主拱圈外包混凝土的澆筑成型［13-15］。關(guān)于勁性骨架主拱圈外包混凝土澆筑的研究，400 m 級(jí)跨徑的混凝土拱橋已經(jīng)積累了較好的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，并在實(shí)際橋梁中得到成功的應(yīng)用。比如已建成的最大跨徑混凝土拱橋445 m 滬昆鐵路北盤江特大橋，416 m 跨徑的云桂鐵路南盤江特大橋等均為近10 多年來建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋。鄭皆連［16-17］針對(duì)邕寧邕江大橋提出的斜拉扣索輔助分環(huán)澆筑法能較好地控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，提供了拱圈混凝土澆筑新思路。多工作面平衡澆筑法能夠較好地平衡勁性骨架受力，較早應(yīng)用于萬縣長(zhǎng)江大橋，此后在萬縣大橋六工作面法的基礎(chǔ)上提出了四工作面法和八工作面法，部分研究認(rèn)為四工作面或八工作面可使主拱圈混凝土澆筑過程受力更合理［18-21］。

上述研究成果和相關(guān)應(yīng)用都已經(jīng)在400 m 級(jí)勁性骨架拱橋中得以體現(xiàn)，但當(dāng)拱橋跨徑增大到600 m及以上級(jí)別時(shí)，外包混凝土的方量急劇增大，相應(yīng)的澆筑難度劇增。因此，如何在現(xiàn)有施工方法基礎(chǔ)上，達(dá)到調(diào)整勁性骨架應(yīng)力、安全完成主拱圈混凝土澆筑的目的，是當(dāng)前此類超大跨徑混凝土拱橋發(fā)展急需解決的問題。針對(duì)400 m 級(jí)勁性骨架拱橋的研究結(jié)果表明，采用四工作面法澆筑可以在少增加額外調(diào)載設(shè)備和臨時(shí)輔助措施的情況下，更好地降低勁性骨架的瞬時(shí)應(yīng)力，滿足施工過程受力的要求，而且經(jīng)濟(jì)性和施工操作性良好［22-23］，而針對(duì)600 m及以上級(jí)別拱橋的相關(guān)研究尚不充分。

本文對(duì)一座600 m 跨徑的鋼管混凝土勁性骨架鐵路拱橋設(shè)計(jì)提出主拱圈混凝土澆筑方案，并采用有限元軟件對(duì)其施工全過程進(jìn)行模擬，研究外包混凝土澆筑過程拱橋的受力和變形，確定該澆筑方案的可行性。

1 600 m拱橋主拱圈設(shè)計(jì)方案概況

某600 m 跨徑的鐵路鋼管混凝土勁性骨架拱橋設(shè)計(jì)方案中，初步擬定的主拱圈主要參數(shù)為：跨徑L為600 m，矢高133.33 m，矢跨比1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.8，勁性骨架為由鋼管混凝土弦桿和型鋼腹桿組成的拱桁，鋼管混凝土勁性骨架外包混凝土形成拱圈。

主拱圈為單箱三室變寬度截面，在76 m 拱腳段，采用了由38 m 漸變至30 m 的變寬拱箱，其余中段部分等寬；全拱高度不變，為12 m。邊箱頂、底板及腹板均為變厚度板，拱腳段邊箱底板厚110 cm，拱頂段則為65 cm；拱腳段邊箱頂板厚90 cm，拱頂段為65 cm；邊箱腹板由拱腳段60 cm 變至拱頂段50 cm；中箱室頂、底板均為等厚度60 cm，中箱腹板50 cm。鋼管混凝土勁性骨架的材料和截面尺寸為：弦管為Φ1 100 mm×35 mm等直徑、等厚度的Q420 鋼管，腹桿、平橫聯(lián)由Q370 的角鋼組拼形成；弦管內(nèi)灌注C80混凝土，外包C60高強(qiáng)混凝土。

主拱圈拱腳和拱頂截面如圖1所示。

圖1 主拱圈截面（單位：cm）

2 主拱圈混凝土施工方案

2.1 主拱圈混凝土的分環(huán)方式、工作面及扣索設(shè)置

主拱圈截面分環(huán)是勁性骨架混凝土拱橋混凝土澆筑過程中的首要問題［24-27］。將本文單箱三室的主拱圈截面分為6 環(huán)：邊室底板、下腹板、上腹板、邊室頂板、中室底板和中室頂板。主拱圈截面分環(huán)及澆筑順序如圖2 所示。此分環(huán)和澆筑順序?qū)蓚?cè)邊室和中室分別澆筑成環(huán)，考慮了弱勁性骨架初期單獨(dú)承載對(duì)盡快增大剛度和承載能力的要求，為后續(xù)混凝土的澆筑提供便于操作的平臺(tái)。

圖2 主拱圈截面分環(huán)及澆筑順序示意圖

混凝土澆筑工作面的設(shè)置是另一重要的問題。工作面設(shè)置既是一種施工方法，也是一種調(diào)載措施［28-29］。從受力角度，要求有助于降低施工過程中勁性骨架瞬時(shí)應(yīng)力和各環(huán)混凝土成型時(shí)的永存應(yīng)力；從施工角度，要求盡量便于進(jìn)行各個(gè)階段的混凝土澆筑，并盡快貫通縱向一環(huán)。經(jīng)初步分析，設(shè)置四工作面可以較好地降低勁性骨架的瞬時(shí)應(yīng)力。根據(jù)控制截面應(yīng)力過程線，本文擬在拱腳和37#截面處各設(shè)一個(gè)工作面，全拱縱向共設(shè)4個(gè)工作面。

對(duì)于超大跨徑的主拱圈混凝土澆筑，斜拉扣索可以作為有效的輔助手段提高調(diào)載效果，對(duì)拱腳及拱頂截面應(yīng)力的調(diào)控作用比較顯著［16-17，21-23］。確定扣點(diǎn)時(shí)，盡量選擇對(duì)控制截面應(yīng)力有利且不損害其他截面受力的位置。根據(jù)拱的受力特性并參考已建成橋梁斜拉扣索的設(shè)置［17，21，23］，本文利用主拱圈兩端8#截面處空鋼管吊裝的扣點(diǎn)作為澆筑過程中斜拉扣索的扣點(diǎn)，各設(shè)一組橫向分4根布置的扣索，用于調(diào)整拱腳截面處的超標(biāo)應(yīng)力。

主拱圈工作面和斜拉扣索設(shè)置如圖3所示。

圖3 工作面和扣索設(shè)置示意圖（單位：cm）

2.2 外包混凝土澆筑的施工步驟和扣索索力設(shè)置

由于1 環(huán)混凝土內(nèi)各節(jié)段澆筑過程中，主拱結(jié)構(gòu)瞬時(shí)應(yīng)力有較大變化。為避免拱腳截面上過快增長(zhǎng)的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，首先澆筑第二工作面上的37#—50#截面之間的混凝土節(jié)段（混凝土節(jié)段編號(hào)與勁性骨架對(duì)應(yīng)），這樣在拱腳截面上預(yù)先儲(chǔ)備了一定的壓應(yīng)力，可抵消部分后續(xù)增加的拉應(yīng)力。然后，在第一、二工作面上分別逐段澆筑各混凝土節(jié)段。第1環(huán)混凝土具體澆筑步驟見表1，后續(xù)各環(huán)混凝土節(jié)段澆筑順序與第1環(huán)相同。

表1 第1環(huán)混凝土的澆筑步驟和斜拉扣索設(shè)置

采用一組扣索輔助混凝土澆筑過程中的調(diào)載，扣索張拉時(shí)間和索力大小與混凝土節(jié)段澆筑順序密切配合以控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。具體調(diào)索過程為：按照混凝土澆筑步驟，當(dāng)?shù)?環(huán)邊底板澆筑至6#截面時(shí)張拉1#扣索，至第4環(huán)邊頂板混凝土獲得強(qiáng)度時(shí)松開斜拉扣索。單根索最大扣索索力1 500 kN，主拱圈單側(cè)最大索力6 000 kN。

3 主拱圈混凝土分環(huán)澆筑過程有限元分析

3.1 主拱圈有限元模型

根據(jù)前述方案建立用于模擬分析主拱圈全拱施工過程的有限元模型，如圖4 所示。模型中單元類型有梁?jiǎn)卧?、板單元和索單元，其中鋼管混凝土勁性骨架采用施工階段聯(lián)合截面梁?jiǎn)卧箺U和橫撐采用梁?jiǎn)卧?，外包混凝土采用板單元，吊裝纜索和斜拉扣索采用索單元，全拱一共13 687個(gè)單元。材料參數(shù)均按照相關(guān)規(guī)范采用，詳見表2。主拱圈兩端拱腳固結(jié)。計(jì)算過程中最主要的荷載是混凝土濕重，此外還有施工設(shè)備和澆筑模板等正常施工荷載?；炷翝裰刈鳛楹奢d施加至主拱梁?jiǎn)卧希@得強(qiáng)度后，再“激活”外包混凝土板。

圖4 主拱圈有限元模型示意圖

表2 材料參數(shù)表

對(duì)主拱圈施工全過程進(jìn)行模擬分析，空鋼管架設(shè)和管內(nèi)混凝土灌注按照鋼管混凝土拱橋的常規(guī)施工方法進(jìn)行計(jì)算。澆筑外包混凝土?xí)r，首先將相應(yīng)節(jié)段的混凝土濕重激活作為荷載作用在結(jié)構(gòu)上，計(jì)算勁性骨架的應(yīng)力和變形，然后在外包混凝土獲得強(qiáng)度后，激活對(duì)應(yīng)的混凝土板單元，同時(shí)鈍化混凝土濕重，此時(shí)混凝土板成型。按照表1所述施工階段逐步激活各節(jié)段混凝土濕重，即可得到勁性骨架各階段對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)力和變形；激活后的混凝土板成為拱箱的一部分，在計(jì)算中與勁性骨架一同承擔(dān)后續(xù)混凝土濕重，從而得到各階段混凝土濕重產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。如此，直至形成主拱圈。

3.2 第1環(huán)混凝土澆筑過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形

外包混凝土澆筑前，已按照常規(guī)方法完成鋼管混凝土勁性拱骨架的成型，勁性骨架中的鋼管累積了由自重和管內(nèi)混凝土產(chǎn)生的部分應(yīng)力和變形，各弦管的管內(nèi)混凝土也累積有不同的應(yīng)力。因此，第1 環(huán)混凝土澆筑過程的勁性骨架應(yīng)力和變形是在此基礎(chǔ)上按疊加法計(jì)算得到。

第1 環(huán)混凝土完全依靠勁性骨架承載，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形控制最重要。提取主要控制截面（拱腳、拱頂、L/4 截面和L/8 截面）上危險(xiǎn)點(diǎn)（上弦管最上緣和下弦管最下緣）的鋼管及管內(nèi)混凝土在各施工階段的應(yīng)力（瞬時(shí)應(yīng)力），以曲線表示瞬時(shí)應(yīng)力隨混凝土澆筑過程的變化，如圖5 所示。圖中，橫坐標(biāo)為與表1對(duì)應(yīng)的施工階段編號(hào)，圖例中“下”表示該截面下弦管最下緣點(diǎn)應(yīng)力、“上”表示該截面上弦管最上緣點(diǎn)應(yīng)力，應(yīng)力以受壓為正。

由圖5 可知：勁性骨架內(nèi)外弦管在整個(gè)過程中的應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，但最大應(yīng)力稍有不同，這是主拱截面變寬度所致；在1—17 階段，L/8 截面的鋼管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力在各截面中最大，內(nèi)外弦管鋼管最大壓應(yīng)力分別為182 和184 MPa，管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力分別為10.3和8.9 MPa；在階段1—階段30，拱頂截面管內(nèi)混凝土產(chǎn)生了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.97 MPa；階段18和階段31以后，拱腳截面的壓、拉應(yīng)力在各截面中最大，內(nèi)外弦管的鋼管最大瞬時(shí)壓應(yīng)力分別為219 和206 MPa；管內(nèi)混凝土最大瞬時(shí)拉應(yīng)力為0.97 MPa 和1.97 MPa，最大瞬時(shí)壓應(yīng)力為17.6 MPa和13.8 MPa。其余各截面的瞬時(shí)應(yīng)力和永存應(yīng)力都小于上述值，保持在較低的水平。

圖5 勁性骨架控制截面應(yīng)力曲線

撓度曲線變化可較為直接反映出結(jié)構(gòu)受力下拱軸線變化的情況。提取第1環(huán)混凝土過程中各施工階段拱頂和L/4截面的撓度（以向下為正），如圖6所示。由圖6 可知：在第1 環(huán)混凝土澆筑過程中，拱頂逐步下?lián)?，最后幾個(gè)節(jié)段混凝土澆筑時(shí)有小幅度（30 mm）回升，但總體上沒有超過澆筑初始的撓度值；L/4 截面也一直很平順地緩慢下?lián)?，整環(huán)混凝土澆筑過程中均顯現(xiàn)良好的變形狀態(tài)；至第1環(huán)混凝土澆筑完成時(shí)，拱頂撓度為408 mm，L/4撓度為368 mm，相對(duì)于外包混凝土澆筑前分別下?lián)狭?8 和65 mm。比較拱頂和L/4 截面的撓度變化，可知拱軸線在第1環(huán)混凝土澆筑過程中未發(fā)生反復(fù)變形。

圖6 主拱撓度曲線

3.3 外包混凝土澆筑全過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形

計(jì)算得到外包混凝土澆筑全過程的受力和變形后，提取各階段主拱圈關(guān)鍵截面上勁性骨架應(yīng)力（表3）和外包混凝土應(yīng)力（表4—表11）。由于各混凝土板在其成型前的其他環(huán)混凝土澆筑中無應(yīng)力，因此，表4—表11中僅示出各環(huán)混凝土成型后的應(yīng)力。表中應(yīng)力符號(hào)與圖5相同。

由表3 可知：至邊頂板成型時(shí)（此時(shí)勁性骨架已被完全包裹在混凝土中），勁性骨架中鋼管最大壓應(yīng)力289 MPa，管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力28.6 MPa，無拉應(yīng)力；至全拱成型時(shí)，勁性骨架中鋼管最大壓應(yīng)力值319 MPa，管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力值33.1 MPa，無拉應(yīng)力。由表4—表11 可知：拱箱底板的應(yīng)力最大，至邊頂板成型時(shí)為11.7 MPa，至全拱成型時(shí)為14.7 MPa。這是因?yàn)榈装寤炷磷钕葷仓^早開始與勁性骨架一同受力；下腹板也澆筑較早，至全拱成型時(shí)最大11.3 MPa；稍后澆筑的上腹板、邊頂板和中底板應(yīng)力處于較低狀態(tài)，最后澆筑的中頂板應(yīng)力非常小。

表3 鋼管混凝土勁性骨架關(guān)鍵截面環(huán)末應(yīng)力 MPa

表4 關(guān)鍵截面邊底板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表5 關(guān)鍵截面外下腹板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表6 關(guān)鍵截面內(nèi)下腹板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表7 關(guān)鍵截面外上腹板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表9 關(guān)鍵截面邊頂板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表10 關(guān)鍵截面中底板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

表11 關(guān)鍵截面中頂板混凝土環(huán)末應(yīng)力 MPa

根據(jù)《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》，在運(yùn)送及安裝階段，混凝土的容許應(yīng)力可取0.8 倍混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，即0.8fc；施工階段的鋼管混凝土勁性骨架，未被外包混凝土包裹的鋼管控制應(yīng)力按照其屈服強(qiáng)度的0.8 倍取值，被外包混凝土包裹后，鋼管同時(shí)受到內(nèi)外混凝土的約束，其控制應(yīng)力按照屈服強(qiáng)度取值。本文主拱圈鋼管混凝土勁性骨架中鋼管為Q420 鋼材，管內(nèi)混凝土C80，外包混凝土C60，fc=53.5 MPa。對(duì)比可知結(jié)構(gòu)中各部分應(yīng)力均在規(guī)范要求以內(nèi)。

表12 為拱頂和L/4 截面在各環(huán)混凝土成型時(shí)的撓度，撓度方向與前述相同。由表12 可知：至主拱圈成型時(shí)，拱頂和L/4 處分別持續(xù)下?lián)?80 和548 mm，相對(duì)于外包混凝土澆筑前分別下?lián)狭?30和302 mm，拱軸線一直保持較好的變形形態(tài)。

表12 澆筑混凝土過程中主拱撓度 mm

本文通過合理設(shè)置混凝土澆筑工作面、澆筑順序和斜拉扣索，將主拱圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力全過程都保持在規(guī)范要求范圍內(nèi)。在全拱內(nèi)設(shè)置4個(gè)工作面，首先在第二工作面澆筑若干節(jié)段混凝土，再同時(shí)澆筑第一、第二工作面的混凝土節(jié)段，同時(shí)，張拉一組斜拉扣索進(jìn)行輔助調(diào)載。上述過程中，第二工作面澆筑混凝土相當(dāng)于在拱腳截面上預(yù)先儲(chǔ)備了一定壓應(yīng)力，第一、第二工作面同時(shí)澆筑混凝土?xí)r，兩個(gè)工作面上的混凝土濕重對(duì)控制截面產(chǎn)生的應(yīng)力增量互為異號(hào)，產(chǎn)生了部分抵消，扣索向上張拉的索力產(chǎn)生了與混凝土濕重反向的作用，也抵消了混凝土濕重產(chǎn)生的部分應(yīng)力，從而大幅降低拱腳截面的瞬時(shí)應(yīng)力和環(huán)末永存應(yīng)力，使得勁性骨架和各階段成型的外包混凝土都保持較低的應(yīng)力，達(dá)到將結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)的目的。

通過合理設(shè)置工作面、混凝土澆筑順序和斜拉索，還可使拱軸線在混凝土澆筑全過程保持良好的線形。第一工作面上澆筑的混凝土濕重使得拱頂產(chǎn)生向上的撓度，第二工作面上澆筑的混凝土濕重使得拱頂產(chǎn)生下?lián)?，二者部分抵消，避免產(chǎn)生拱頂上冒。同時(shí)，在混凝土澆筑初期，主拱圈截面、剛度和承載能力較小的時(shí)候，張拉斜拉扣索，以較小的索力使勁性骨架產(chǎn)生較大的變形，至混凝土澆筑后期，拱圈截面和剛度大幅度增大后再放松扣索，此時(shí)相同索力產(chǎn)生的反向變形已大為降低，最大化實(shí)現(xiàn)索力的效應(yīng)。

由上述分析可知，本文600 m 跨徑勁性骨架拱橋主拱圈混凝土澆筑方案中，通過合理設(shè)置工作面、澆筑節(jié)段長(zhǎng)度，以斜拉扣索輔助，可安全完成勁性骨架主拱圈外包混凝土的澆筑。

4 結(jié)論

（1）提出600 m 跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋的主拱圈混凝土澆筑方案，該方案采用四工作面法，主拱圈截面分為6環(huán)，并設(shè)一組斜拉扣索輔助調(diào)載。對(duì)施工全過程進(jìn)行有限元模擬分析，主拱圈外包混凝土澆筑期間結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形控制在容許范圍內(nèi)，證明該方案合理可行。

（2）在主拱圈拱腳和控制性截面應(yīng)力過程線峰值處分別設(shè)置工作面（全拱共四個(gè)工作面），且首先在第二工作面上澆筑一定長(zhǎng)度的混凝土節(jié)段，再同時(shí)澆筑第一、第二工作面混凝土節(jié)段，可達(dá)到有效降低澆筑過程結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)應(yīng)力的目的。

（3）通過在主拱圈合理位置（8#截面）設(shè)置斜拉扣索作為四工作面澆筑過程的輔助調(diào)載措施，在第1 環(huán)邊室底板混凝土澆筑至6 號(hào)截面處開始張拉，至邊室完成澆筑時(shí)松索，單根索最大索力1 500 kN，可達(dá)到調(diào)整拱腳截面應(yīng)力和拱軸線形的目的，以較小的代價(jià)獲得較好的調(diào)載效果和經(jīng)濟(jì)效益。