大跨徑懸臂澆筑拱橋施工期多重風險防御研究

蔣建軍，蔣勁松，莊衛林

（1.四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041；2.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院,四川 成都 610017）

0 引言

大跨徑鋼筋混凝土拱橋具有經濟、耐久、美觀的特點，特別適用于地質條件較好的V形河谷，其主拱圈的主要施工方法有纜索吊裝法、懸臂澆筑法、轉體施工法、勁性骨架法。懸臂施工法已在國內6座特大跨徑拱橋上使用，目前建成的有四川鹽邊縣鳡魚大橋（凈跨徑200 m）、四川攀枝花市新密地大橋（凈跨徑182 m）、貴州木蓬特大橋（凈跨徑165 m）、四川白沙溝1號橋（凈跨徑150 m）。大跨徑鋼筋混凝土拱橋的主拱圈采用懸臂澆筑法施工時，主拱圈節段施工時間長，懸臂跨徑大，面臨多重風險考驗；為了確保主拱圈施工安全，需要對風險進行分析，并采取必要的防御措施。

1 工程概述

攀枝花市新密地大橋橫跨金沙江，為城市橋梁，橋面全寬30 m，雙向6車道（近期中分帶設尾礦管），分上、下游兩幅橋，橋梁全長296 m。該橋于2008年12月開工，上游幅橋于2011年9月建成通車，下游幅橋于2013年2月建成通車。

主拱圈為凈跨徑L0=182 m、凈矢跨比F0/L0=1/6、拱軸系數m=1.988的等高箱形截面（高3.5 m）懸鏈線無鉸拱，采用掛籃懸臂澆筑法施工。主拱圈分31個節段，其中兩岸各設一個拱腳搭架現澆段，拱頂設一個吊架澆筑合龍段，其余28個均為掛籃懸臂澆筑段[1-2]。

主拱圈懸臂澆筑施工采用斜拉扣掛體系（見圖1～圖3）。扣索下端錨固在拱箱內橫隔板與腹板、頂板交叉處，上端為張拉端，錨固在索塔上鋼錨箱內；錨索下端錨固在錨碇背面，上端為張拉端，錨固在索塔上鋼錨箱內。索塔由鋼管格構柱、橫撐、斜撐及鋼錨箱支撐平臺組成。斜拉索材料為φS15.2高強低松弛鋼絞線。

圖1 主拱圈懸臂澆筑施工

主拱圈施工期的風險分析和控制是保證大橋施工安全和工程質量的關鍵。

2 主拱圈施工主要技術要求

在橋梁總體設計中，對主拱圈施工提出了以下主要技術要求[1]：

（1）懸臂澆筑階段主拱圈截面邊緣法向壓應力不超過0.7，拉應力不超過0.7[3]，主拱圈混凝土的強度等級為C50，施工期法向應力允許范圍為1.855～-22.68 MPa。

（2）扣索、錨索在整個施工階段任何工況下的安全系數不小于2.5。

（3）主拱圈懸臂澆筑階段，拱圈上各監測點位移限值±10 mm，索塔塔頂縱向最大偏位不大于25 mm；索塔扣索、錨索張拉處的偏位誤差不大于H/3000；錨碇最大水平位移不超過6 mm。

圖2 新密地大橋立面圖（單位：cm）

圖3 主拱圈標準橫斷面圖（單位：cm）

3 主拱圈施工期多重風險分析及防御措施

3.1 極端氣溫

工程區位于攀枝花市東區，日照充足，太陽輻射強烈，年平均氣溫21℃，最熱五月，平均氣溫為27.6℃，極端高溫為40.7℃；最冷十二月，平均氣溫為13℃，極端低溫為-1.4℃。主拱圈從開始懸臂澆筑到合龍，要經過最熱的五月和最冷的十二月。

參照《公路斜拉橋設計細則》JTG/T D65-01—2007第5.2.5條，索、塔、拱圈之間的溫差可取±10℃～15℃[4]。根據現場對扣錨索、索塔、拱圈溫度的監測結果來看（一般在晴天或陰天進行）：陰天扣錨索、索塔、拱圈的溫差在5℃以內；晴天扣錨索的溫度可達60℃，索塔的溫度可達45℃，而拱圈的溫度與監測位置是否受太陽照射有關，各部位的溫度離散性較大，平均溫度約35℃。為偏安全考慮，晴天時，扣錨索與索塔的溫差按15℃計，扣錨索與拱圈的溫差按25℃計；陰雨天時，扣錨索與索塔的溫差按-10℃計，扣錨索與拱圈的溫差按-15℃計。

采用Midas/Civil有限元軟件建模計算，選取典型工況，對拱圈施工階段的溫差效應進行分析：

工況①：懸澆一半狀態，整體升溫20℃，索、塔、拱箱正溫差；

工況②：懸澆一半狀態，整體降溫20℃，索、塔、拱箱負溫差；

工況③：最大懸臂狀態，整體升溫20℃，索、塔、拱箱正溫差；

工況④：最大懸臂狀態，整體降溫20℃，索、塔、拱箱負溫差。

針對上述4種工況，分別對塔頂水平位移、塔柱鋼管組合應力、拱圈豎向位移、拱圈組合應力和扣錨索應力進行驗算，結果見表1。

表1 溫差效應對結構體系的影響

從表1可以看出：工況①和工況③時，塔頂水平位移較大，同時拱圈豎向位移（向下為負，向上為正）也較大，主拱圈的應力幅較大（拉應力/壓應力）且拉應力超限，塔柱鋼管組合應力小于設計允許值140 MPa，扣錨索的應力小于設計允許值744 MPa；工況②和工況④時，塔頂水平位移和主拱圈豎向位移均較小，主拱圈的應力幅較小且在允許范圍之內，塔柱鋼管組合應力小于設計允許值140 MPa，扣錨索的應力小于設計允許值744 MPa。

根據上面的分析計算結果，在主拱圈懸臂澆筑階段，當天氣炎熱時，結構體系整體升溫較大，同時發生較大的索、塔、拱箱正溫差，會造成索塔朝江心方向傾斜、拱圈懸臂端下撓，同時拱圈局部部位會出現一定的拉應力，對主拱圈施工安全性造成較大的影響，需要采取合理有效的措施進行控制，具體有：

（1）加強主拱圈混凝土(包含箱內和箱外)的灑水養護和降溫；

（2）扣錨索鋼絞線應采用PE護套進行防護和隔熱，不能直接裸露暴曬；

（3）鋼結構索塔向陽側應采取掛帷幕方式防止太陽直接照射。

3.2 洪水

洪水對主拱圈的作用分為浮力與流水壓力兩種[5]。該橋的設計洪水頻率為20 a一遇，對應水位為1 005.2 m，主拱圈施工期偏安全地以此水位進行分析計算。

洪水作用(浮力、流水壓力)對扣錨索的應力影響、對主拱圈軸線偏差影響、對主拱圈的截面應力影響見表2和表3。

表2 洪水作用對結構體系的影響（懸澆一半狀態）

表3 洪水作用對結構體系的影響（最大懸臂狀態）

工況①：浮力、流水壓力；

工況②：自重、扣錨索力、浮力、流水壓力。

洪水作用(浮力、流水壓力)對扣錨索的應力影響很小，只有21.8～30.5 MPa，扣錨索的最大拉應力為682.8 MPa，在安全范圍內；對主拱圈橫向偏差影響為5.8～9.6 mm，滿足設計要求不大于10 mm的要求；對主拱圈豎向撓度影響為8.5～17.3 mm，需調整立模標高；對主拱圈應力影響較大，拱腳附近由洪水作用產生的拉應力為4.7～5.2 MPa。

從上面分析可知，洪水作用（浮力、流水壓力）對結構體系的不利影響主要是在拱腳段下緣產生較大的拉應力，超過了設計允許拉應力1.855 MPa，可能會出現受力裂縫。

洪水發生時，浮力和流水壓力會對結構體系產生不利影響，還可能腐蝕扣索鋼絞線，對其防御措施有：

（1）汛期應加強水文和氣象觀測，做好防汛和度汛預案；

（2）對于可能受洪水淹沒的1#～5#扣索，應做好防腐蝕工作，在豐水期間要防止漂浮物撞擊，且應及時將洪水帶來的纏繞雜物進行清除；

（3）注意及時清除拱箱內雜物(鋼筋、模板、混凝土渣塊等)，并疏通拱箱的排水管，保持水流進出順暢，減小浮力的影響；

（4）拱圈迎水面可設置導流板，減小流水壓力的影響；

（5）拱圈拱腳段下緣應設置防裂鋼筋網片，并在混凝土配制時添加聚丙烯腈纖維。

3.3 強風

攀枝花新密地大橋橋區設計基本風速V10=26.0 m/s，橫橋向靜風荷載假定水平地垂直作用于主拱圈各節段迎風面積和索塔立柱的形心上。取最大懸臂狀態進行分析計算，在風荷載+自重（含掛籃和橫隔板重）+扣錨索力組合作用下，扣錨索索力、主拱圈應力、索塔立柱應力、主拱圈橫向偏位情況見表4。

表4 風荷載對結構體系的影響

根據分析結果，風荷載對扣錨索索力、主拱圈應力、索塔立柱應力的影響均較小，對主拱圈橫向偏位影響稍大。由于結構體系為彈性，在大風過后，主拱圈的橫向偏位會消失，因此靜風荷載不會對結構體系的安全造成影響。

主拱圈抗風穩定性驗算（不設抗風纜的情況下）參照《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T D60-01—2004第6.3條計算。顫振穩定性驗算結果見表5。

表5 施工期主拱圈顫振穩定性驗算結果

從表5可以看出：半懸臂狀態時，其扭轉基頻ft為3.761 Hz，顫振穩定性指數If為1.795；顫振檢驗風速[Vcr]為64.8 m/s，顫振臨界風速Vcr為158.0 m/s，Vcr＞[Vcr],所以顫振穩定性驗算滿足設計規范要求；最大懸臂狀態時，其扭轉基頻ft為2.963 Hz，顫振穩定性指數If為2.362；顫振檢驗風速[Vcr]為67.2 m/s，顫振臨界風速Vcr為124.5 m/s，Vcr＞[Vcr],所以顫振穩定性驗算滿足設計規范要求[6]。

新密地大橋的主拱圈寬度為9.6 m，相對較寬，有必要驗算其渦激共振的發生風速。根據《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T D60-01-2004第7.2.3條[6]，豎向渦激共振發生風速，扭轉渦激共振的發生風速。渦激共振發生風速驗算結果見表6。

表6 施工期主拱圈渦激共振發生風速驗算

從表6可以看出：半懸臂狀態時，主拱圈豎向渦激共振發生風速為22.8 m/s，小于設計風速Vd，扭轉渦激共振發生風速為48.0 m/s，大于設計風速Vd；最大懸臂狀態時，主拱圈豎向渦激共振發生風速為12.7 m/s，小于設計風速Vd，扭轉渦激共振發生風速為37.8 m/s，大于設計風速Vd。因此，扭轉渦激共振發生的可能性較小，而豎向渦激共振發生風速低，出現的幾率較大，主拱圈施工安全性造成較大的影響，采取的防御措施有：

（1）風季加強風速觀測，做好防風預案；

（2）由于懸臂澆筑階段，結構豎向振動的頻率較低，導致豎向渦激共振發生風速較低，因此提高其豎向振動頻率可以減小豎向渦激共振發生的概率，主要措施是在大風季節，在拱腳段設置臨時支架，減短懸臂長度，提高其剛度；

（3）加大索塔頂壓重索規格，提高索塔穩定性。

3.4 掛籃滑落

在懸臂澆筑階段，掛籃的行走方式采用千斤頂逐漸頂推，如果操作不當，有可能發生掛籃滑落的風險。這里分別取懸澆一半狀態和最大懸臂狀態進行分析計算。加載方式為反向加載，沖擊系數取1.4。

在自重(含橫隔板重)+索力+掛籃滑落組合作用下，主拱圈應力、索塔立柱應力、扣錨索索力、主拱圈豎向撓度見表7和表8。

表7 掛籃滑落對結構體系安全性的影響（半懸臂狀態）

表8 掛籃滑落對結構體系安全性的影響（最大懸臂狀態）

工況①：掛籃滑落；

工況②：自重+掛籃滑落+索力。

從分析結果可知：掛籃滑落時，扣錨索索力小于744 MPa，在設計允許范圍內；索塔立柱應力在允許范圍內；主拱圈下緣產生了較大的拉應力，遠遠超過設計允許值1.855 MPa；主拱圈豎向上撓變形嚴重，半懸臂狀態時上撓107.7 mm，最大懸臂狀態時上撓243.6 mm。

掛籃滑落對結構體系安全的影響很大，為了避免這種現象發生，采取的防御措施有：

（1）在掛籃行走時，安排技術員和安全員駐守現場，指導作業；

（2）在使用千斤頂對掛籃進行頂推時，在滑槽兩側均設置千斤頂，一個送油頂推，另一個回油后退；

（3）在滑槽末端應設置鋼棒進行限位，杜絕掛籃滑落。

3.5 扣錨索斷裂

在懸臂澆筑階段，扣索和錨索均在塔頂進行張拉，下端分別錨固在拱箱內和錨碇后側。為了節約造價，扣錨索鋼絞線一般需要重復使用（上游幅橋使用后拆除保存，在下游幅橋施工時繼續使用），如果扣錨索鋼絞線保存不善，發生嚴重銹蝕且繼續使用，則有可能發生錨具失效，或鋼絞線本身因為缺陷而斷裂。

在最大懸臂狀態時，模擬15#索（索力最大）發生斷裂，對結構體系進行分析計算。主拱圈應力、索塔立柱應力、扣錨索索力、主拱圈豎向撓度的結果見表9。

表9 扣索斷裂對結構體系的影響

工況①：自重+扣索斷裂+索力。

從分析結果可知：當扣索斷裂時，其他扣錨索的索力將增加，最大拉應力達到910.9 MPa，不能滿足設計要求；當扣索斷裂時，主拱圈上緣出現較大的拉應力，達到3.0 MPa，不滿足設計要求；扣索斷裂時，拱圈出現較大下撓變形，達到231.3 mm。扣索斷裂時，索塔立柱的最大壓應力為102.8 MPa，滿足設計要求。

扣錨索斷裂對結構體系的安全性影響很大，采取的防御措施有：

（1）在扣錨索鋼絞線掛索時采用分索器，避免鋼絞線之間發生纏繞；

（2）張拉時嚴格按照索力和伸長量進行控制，并且在施工過程中對索力進行跟蹤監測；

（3）對于扣錨索錨頭處的錨具、錨塊、鋼錨箱等每天進行檢查，一旦發現夾片松動、錨塊開裂等現象，及時進行補救；

（4）對于使用過的扣錨索鋼絞線進行妥善保管，防止銹蝕；對于使用過程中就發生了嚴重銹蝕的鋼絞線，則不得在下游幅橋中使用；

（5）施工作業過程中對扣錨索的風雨振動或其他原因導致的振動進行觀察，采取掛繩、支撐等措施進行適當約束，減小其振幅。

4 結 語

采用懸臂澆筑法施工的大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱圈的整體性、耐久性及抗震性能均較好，并且該施工方法不需要預制場地，也不需要專門的梁、拱運輸通道，減少占地，經濟性好。在主拱圈采用懸臂澆筑法施工期間，將面臨多重自然災害和事故風險。本文以建成的攀枝花市新密地大橋為例進行風險分析，結果表明：極端氣溫、洪水、強風、掛籃滑落、扣錨索斷裂等幾種常遇災害或事故風險對主拱圈施工安全及工程質量影響較大，有必要采取恰當的防御措施。