鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈施工方法進(jìn)展

鄧年春, 李長(zhǎng)勝, 郭 曉,2,3, 周大為， 童加明

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004； 3.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心， 南寧 530004; 4.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司， 南寧 530004)

鋼管混凝土勁性骨架拱橋是指拱圈以鋼管混凝土和型鋼連接構(gòu)件組成的桁架結(jié)構(gòu)作勁性骨架，鋼管內(nèi)灌注管內(nèi)混凝土，其外包裹混凝土的鋼筋混凝土拱橋[1-2]。統(tǒng)計(jì)表明，隨著跨徑的增大，鋼管混凝土勁性骨架拱橋在鋼筋混凝土的占比曾遞增趨勢(shì)[3]。世界上已建成的跨徑超過(guò)400 m鋼筋混凝土拱橋共4座，均為鋼管混凝土勁性骨架拱橋[4]。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱橋相比，鋼管混凝土勁性骨架拱橋結(jié)構(gòu)剛度大、強(qiáng)度高[5-8]，尤其適用于安全性、舒適性及平整度要求較高的高鐵建設(shè)[9]。其中，蒲廟大橋(1996年建成，主跨312 m)、萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋(1997年建成，主跨420 m)、云桂鐵路南盤江特大橋(2016年建成，主跨416 m)、滬昆高鐵北盤江特大橋(2016年建成，主跨445 m)相繼建成，跨徑呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。在建的天峨龍灘特大橋?qū)⑦_(dá)到600 m，表明鋼管混凝土勁性骨架拱橋在大跨度橋型的方案比選中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。拱圈形成時(shí)的線形、內(nèi)力狀態(tài)是影響橋梁性能的重要因素，拱圈施工過(guò)程結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換次數(shù)多，依次形成鋼桁架拱結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)[10-12]，隨跨徑的增大，拱圈施工控制的重要性日益突出。正如著名國(guó)際橋梁大師費(fèi)·萊西奈氏所說(shuō)，100 m和1 000 m拱橋在設(shè)計(jì)方面難度相差不大，而施工方面的難度差別就非常懸殊[13]。因此，系統(tǒng)地總結(jié)鋼管混凝土勁性骨架拱拱圈主要的施工方法，以明確下一步研究工作的重點(diǎn)。

1 勁性骨架拱橋勁性骨架發(fā)展歷程

在長(zhǎng)期實(shí)踐、總結(jié)的基礎(chǔ)上，勁性骨架拱橋的勁性骨架不斷推陳出新。其主要?dú)v程如下：

(1)半剛性骨架。借鑒國(guó)外型鋼勁性骨架成拱技術(shù)，中國(guó)以型鋼和普通鋼筋共同組成半剛性的勁性骨架，建造了首批勁性骨架拱橋(四川宜賓小南門大橋，主跨240 m，1990年建成)。

(2)鋼管-型鋼勁性骨架。20世紀(jì)90年代，中國(guó)開(kāi)創(chuàng)了新的橋型-鋼管混凝土拱橋 (四川旺蒼東河橋,主跨115 m，1990年建成)。此類橋型的成功實(shí)踐為鋼管-型鋼勁性骨架施工提供了工程經(jīng)驗(yàn)、理論基礎(chǔ) (四川白勉峽大橋，主跨105 m，1994年建成)。

(3)鋼管混凝土勁性骨架：隨著研究的不斷深入，勁性骨架逐步發(fā)展為完全由鋼管混凝土組成(四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋，主跨420 m，1997年建成)[14-15]，由此發(fā)展出鋼管混凝土勁性骨架拱橋,相比以型鋼、半剛性型鋼作勁性骨架，用鋼量少，剛度大，可保證拱圈的設(shè)計(jì)線形[16]。表1列舉了部分超過(guò)100 m的鋼管混凝土勁性骨架拱橋。

表1 鋼管混凝土勁性骨架拱橋一覽表Table 1 List of steel tube concrete stiff Skeleton arch bridge

2 拱圈施工方法

以鋼管混凝土做弦管的勁性骨架具有較大的剛度、強(qiáng)度，發(fā)展出一種新的成拱方式——?jiǎng)判怨羌苁┕し╗33-34]，其施工過(guò)程可概括為將鋼骨架片段架設(shè)形成拱肋，再灌注管內(nèi)混凝土，待形成鋼管混凝土拱肋后，澆注外包混凝土形成完整的拱圈，完成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，剛度、強(qiáng)度得到大幅提高。鋼管混凝土勁性骨架不僅在施工中起支架作用，也是拱圈完成后的重要承力構(gòu)件[35]。

2.1 鋼骨架的架設(shè)

鋼骨架的架設(shè)是鋼管混凝土勁性骨架拱橋最重要的施工階段[3]，架設(shè)形成的鋼管桁架拱的線形的合理性直接影響混凝土的施工及成橋后的受力。鋼骨架的安裝方法主要有轉(zhuǎn)體施工法、纜索吊裝斜拉扣掛法[36]。圖1為兩種施工方法建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋跨徑與建成時(shí)間的關(guān)系。隨著時(shí)間推移，兩種施工方法建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋跨徑均有所增大。轉(zhuǎn)體施工法主要應(yīng)用在200 m以下的鋼管混凝土勁性骨架拱橋；纜索吊裝斜拉扣掛法建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋明顯跨徑更大、數(shù)量更多，目前在建的天峨龍灘特大橋采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工鋼骨架，跨徑達(dá)到600 m，將打破鋼管混凝土勁性骨架拱橋的跨徑記錄。

圖1 鋼管混凝土勁性骨架拱橋跨徑分布圖Fig.1 Span distribution diagram of steel tube concrete stiff skeleton arch bridge

2.1.1 轉(zhuǎn)體施工法

轉(zhuǎn)體施工[37]是指將橋體偏離橋位軸線于兩側(cè)制作后利用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使形成的整體或半整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體至與設(shè)計(jì)軸線相吻合。其中，包括平轉(zhuǎn)、豎轉(zhuǎn)和平豎轉(zhuǎn)組合三種方式。國(guó)外的轉(zhuǎn)體施工工藝是從拱橋豎轉(zhuǎn)施工發(fā)展起來(lái)，經(jīng)在梁橋、斜拉橋的應(yīng)用，才產(chǎn)生平轉(zhuǎn)工藝；中國(guó)轉(zhuǎn)體工藝仍先應(yīng)用在拱橋，但轉(zhuǎn)體施工工藝是由平轉(zhuǎn)發(fā)展起來(lái)，此后才發(fā)展了豎轉(zhuǎn)工藝[38]。

轉(zhuǎn)體施工的拱橋結(jié)構(gòu)合理、受力明確、施工設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)便、節(jié)約施工用材。因大部分在地面操作，減少了高空作業(yè)，施工安全，對(duì)橋下空間干擾最小。故尤其適合谷深流急的山谷地帶和主跨上部結(jié)構(gòu)施工條件受限,兩側(cè)具有相對(duì)較好施工條件的情況[39]。在經(jīng)濟(jì)上，因?qū)D(zhuǎn)盤等的投入大，跨徑受限[40]。1993年，中國(guó)首次將轉(zhuǎn)體施工應(yīng)用在鋼管混凝土勁性骨架拱橋，建成主跨130 m的江西德興太白橋。至今，采用轉(zhuǎn)體施工建成的最大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋是瀾滄江特大橋(2020年建成，主跨342 m)。

大瑞鐵路瀾滄江特大橋[30]是上承式勁性骨架混凝土拱橋，主跨342 m，矢跨比1/4.15，拱軸系數(shù)m=3.4。根據(jù)兩岸不同的地質(zhì)條件，大理岸和保山岸的纜索吊錨和塔柱分別采用群樁基礎(chǔ)和巖錨。全橋混凝土共85 000 m2，主體結(jié)構(gòu)用鋼量約14 000 t，為大瑞鐵路控制性工程。其勁性骨架轉(zhuǎn)體施工過(guò)程如下：

(1)兩岸山體(瀾滄江保山和大理)利用80 t纜索吊機(jī)于支架上拼裝拱肋的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段，拼裝完成后安裝轉(zhuǎn)體施工所用設(shè)備。

(2)二次豎轉(zhuǎn)。第一次是旋轉(zhuǎn)已拼裝好的上部分拱肋鋼骨架，完成半跨拱肋鋼骨架的連接；第二次是向下豎轉(zhuǎn)半跨拱肋鋼骨架，完成拱肋鋼骨架的合龍，“二次豎轉(zhuǎn)”角度之大，總和達(dá)130°。大瑞鐵路瀾滄江大橋于2016年11月15日實(shí)現(xiàn)大橋鋼管拱順利合龍，開(kāi)創(chuàng)了“二次豎轉(zhuǎn)”施工的先河。

2.1.2 纜索吊裝斜拉扣掛法

纜索吊裝斜拉扣掛法是指使用纜索將拼裝好的鋼骨架節(jié)段吊裝到指定位置，將斜拉扣索扣掛在已拼好節(jié)段，以改善其受力及線形，直至鋼骨架合龍形成拱結(jié)構(gòu)。采用該方法可實(shí)現(xiàn)特大跨鋼管混凝土勁性骨架拱橋鋼骨架的架設(shè)，彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)體施工法在特大跨鋼管混凝土勁性骨架拱橋應(yīng)用上的不足。纜索吊裝斜拉扣掛法為鄭皆連于1992年首次提出，并將其應(yīng)用于當(dāng)時(shí)世界上最大跨徑的中承式勁性骨架混凝土拱橋蒲廟大橋(1996年建成，主跨312 m)[41]，24 d實(shí)現(xiàn)了重達(dá)10 000 kN的鋼骨架的合龍。鋼骨架拼裝時(shí)的斜拉扣索初張力直接決定施工線形及成拱線形[42]。根據(jù)優(yōu)化思想與策略的不同，目前確定斜拉扣索索力的方法主要有指定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)化方法、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法[43]，流程如圖2所示。前者包括零位移法、力矩平衡法、定長(zhǎng)扣索法(倒退分析法)；后者包括零階、一階優(yōu)化算法。韓磊等[44]考慮結(jié)構(gòu)自重 、施工荷載及溫度荷載，基于零位移法非線性迭代計(jì)算斜拉扣索索力；顧穎等[45]基于零位移法，提出“寧高勿低、寧?kù)o勿動(dòng)”的線形控制原則，使節(jié)段重量由纜索吊承載向斜扣索受力的順利轉(zhuǎn)換，保證了拱肋線形的平滑性；周水興等[46]通過(guò)公式推導(dǎo)，驗(yàn)證了力矩平衡法所得索力的正確性；連岳泉等[47]結(jié)合Midas的“未知荷載系數(shù)”模塊與定長(zhǎng)扣索法，得到滿足規(guī)范要求的索力和拱肋線形；姚國(guó)文等[28]以成拱線形為控制目標(biāo)優(yōu)化索力以保證拱肋線形；袁海慶等[48]考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，采用迭代前進(jìn)算法確定各拱肋節(jié)段吊裝時(shí)的預(yù)抬標(biāo)高值、斜拉扣索索力計(jì)算值；張治成等[49]以拱肋各標(biāo)高控制點(diǎn)的高程偏差平方和為控制目標(biāo), 采用一階優(yōu)化法迭代尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)高精度線形控制；周倩等[50]推導(dǎo)斜拉扣索索力變化與溫變的理論關(guān)系，基于零階優(yōu)化法計(jì)算斜拉扣索索力，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的吻合度高。

圖2 斜拉扣索索力優(yōu)化流程圖Fig.2 Flow chart of cable force optimization for stay cables

2.2 管內(nèi)混凝土的灌注

鋼骨架架設(shè)完成而形成鋼管拱結(jié)構(gòu)后，對(duì)上下弦鋼管泵送混凝土，灌注過(guò)程中通過(guò)索力不斷改變的斜拉扣索控制拱肋線形，灌注完成后應(yīng)采用超聲波法檢測(cè)管內(nèi)混凝土的密實(shí)度，以評(píng)定灌注的混凝土質(zhì)量。影響其質(zhì)量的主要因素為混凝土配合比、混凝土含氣率、關(guān)鍵構(gòu)造部位施工工藝[51]。

其灌注方法，先后經(jīng)歷三個(gè)階段：①現(xiàn)場(chǎng)分倉(cāng)澆注;②泵送壓力頂升法(湖北興山平邑口大橋，2009年建成,主跨180 m)[52]；③真空輔助壓力頂升法(南盤江特大橋，2016年建成，主跨416 m)[53]。為對(duì)比分析真空和常壓灌注管內(nèi)混凝土的含氣量、密實(shí)度，鄭皆連等以合江長(zhǎng)江一橋的拱頂段線形進(jìn)行拱段設(shè)置試驗(yàn)，混凝土齡期達(dá)到17、28、56 d時(shí)，真空輔助泵送的管內(nèi)混凝土超聲波測(cè)試值都較常壓灌注的大，相應(yīng)混凝土的密實(shí)程度高，鋼管和混凝土之間的黏結(jié)性能更好，并且脫空現(xiàn)象也少得多，驗(yàn)證真空輔助壓力頂升施工工藝的優(yōu)越性。合江長(zhǎng)江一橋采用真空輔助壓力頂升法管內(nèi)混凝土，經(jīng)超聲波檢測(cè)，其波速檢測(cè)值大部分在4 000 m/s以上，密實(shí)度為優(yōu)[54-55]。

2.3 外包混凝土的澆注

管內(nèi)混凝土施工完成時(shí)，拱肋形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，隨后施工的外包混凝土所產(chǎn)生的大部分施工荷載需由已內(nèi)灌混凝土的鋼管拱桁承擔(dān)[56]，因其質(zhì)量約為勁性骨架的十幾倍[3]，很難實(shí)現(xiàn)外包混凝土的-次澆注。因此，中國(guó)按照“分步加載、逐次形成強(qiáng)度和剛度” 的思路[57-58]，逐步澆注外包混凝土，具體為連續(xù)澆注法和多工作面均衡澆注法。

2.3.1 連續(xù)澆注法

連續(xù)澆注法是指拱肋的管內(nèi)混凝土形成強(qiáng)度后，對(duì)外包混凝土橫向分環(huán)，縱向從兩拱腳向拱頂對(duì)稱連續(xù)澆注1環(huán)混凝土至拱圈施工完成，在澆注下一環(huán)時(shí)應(yīng)保證上一環(huán)的外包混凝土獲得強(qiáng)度。連續(xù)澆注1環(huán)混凝土?xí)r，環(huán)內(nèi)應(yīng)力δ的表達(dá)式如式(1)所示[59]。

(1)

式(1)中:δ0為初始應(yīng)力;N為外包混凝土引起的軸向力;M為外包混凝土引起的彎矩;A為截面面積;Y為中性軸至截面邊緣的距離;I為截面慣性矩。

連續(xù)澆注施工的拱肋施工縫較少，拱肋的整體性好。因每次澆注的混凝土質(zhì)量很大，拱圈易出現(xiàn)應(yīng)力、變形大的現(xiàn)象，對(duì)混凝土的泵送量需求大，連續(xù)澆注法應(yīng)用在跨度較小的鋼管混凝土勁性骨架拱橋。為降低結(jié)構(gòu)的過(guò)程應(yīng)力而使拱圈施工完成時(shí)內(nèi)力分配合理，可采用地錨法[60]、水箱加載法[61]、斜拉扣索調(diào)載法[62]。采用連續(xù)澆注法建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋較少，跨度也較小，其中較為有名的是蒲廟大橋(1996年建成，主跨312 m)。蒲廟大橋的外包混凝土共5 000 m3，分4環(huán)連續(xù)澆注，澆注過(guò)程中共使用3組索力不斷變化的扣索，3組中最大索力為1 150 kN，確保了鋼管、管內(nèi)混凝土及外包混凝土，無(wú)論壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均控制在容許范圍內(nèi)。

2.3.2 多工作面均衡澆注法

多工作面均衡澆注法[3]屬于無(wú)外力平衡法，把拱肋外包混凝土通過(guò)豎向分環(huán)及縱向分工作面、段的方式分為若干小段，對(duì)稱循環(huán)澆注至澆注完成。首次采用該法施工的拱橋是萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋(1997年建成，主跨420 m)[41]。楊國(guó)靜等[63]研究了不同的橫向分環(huán)和縱向分段方案對(duì)勁性骨架的受力影響；楊峰[64]則在撓度影響線疊加的基礎(chǔ)上，利用窮舉法優(yōu)化工作面、工作段分段點(diǎn)，使得勁性骨架應(yīng)力分配均勻，變形較小，得到較好的成拱線形。表2歸納了337、416 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋分別采用連續(xù)澆注法、多工作面均衡澆注法施工第一環(huán)外包混凝土在拱腳處的應(yīng)力[65-67]，可以看出，跨度越大，多工作面均衡澆注法降低瞬時(shí)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)更為明顯。缺點(diǎn)在于施工接縫多，工期長(zhǎng)，施工設(shè)備多及施工控制要求更為嚴(yán)格。采用多工作面均衡法施工的關(guān)鍵在于如何平衡好外包混凝土澆注的安全性與減少施工工序、控制工期之間的關(guān)系[68]。

表2 不同施工方法的應(yīng)力對(duì)比Table 2 Stress comparison of different construction methods

2.3.3 斜拉扣索在混凝土外包過(guò)程的應(yīng)用

1992年鄭皆連[69]在“鋼絲繩斜拉扣掛松索合龍工法”的基礎(chǔ)上，首創(chuàng)千斤頂、鋼絞線斜拉扣掛懸拼技術(shù)。此后，將斜拉扣索應(yīng)用于外包混凝土施工過(guò)程的拱圈應(yīng)力調(diào)整，提出斜拉扣索的選取方法及扣索索力較小時(shí)的索力求解方法[59]。使用該技術(shù)建成200 m以內(nèi)的鋼筋混凝土拱橋已達(dá)幾百座[70]，其中，典型的鋼管混凝土勁性骨架拱橋有南盤江特大橋、蒲廟大橋，前者采用多工作面均衡澆筑法，后者采用連續(xù)澆注法。課題組研究了以上兩座大橋的斜拉扣索調(diào)載效果，結(jié)果表明拱圈應(yīng)力得以改善，拱頂變形比較平穩(wěn)[62]。

3 總結(jié)

(1)總結(jié)了部分超過(guò)100 m的鋼管混凝土勁性骨架拱橋，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土勁性骨架拱橋的跨徑呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；轉(zhuǎn)體施工法主要應(yīng)用在200 m以下的鋼管混凝土勁性骨架拱橋，纜索吊裝斜拉扣掛法建成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋明顯跨徑更大、數(shù)量更多。斜拉扣掛法的扣索索力計(jì)算方法較多，主要包括指定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)化方法、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，但主要針對(duì)節(jié)段拼裝。隨著跨徑的進(jìn)一步增大，吊裝系統(tǒng)吊裝能力有限，鋼骨架吊裝節(jié)段需分成兩片或多片鋼骨架進(jìn)行分肋吊裝。因此，分肋吊裝的線形控制理論有待研究，為鋼管混凝土勁性骨架拱橋的發(fā)展提供理論支持。

(2)因真空灌注的管內(nèi)混凝土密實(shí)度較高，管內(nèi)混凝土的施工工藝由常壓的泵送壓力頂升法向真空輔助壓力頂升法發(fā)展，但真空和常壓灌注的管內(nèi)混凝土均存在隨齡期增加超聲波波速檢測(cè)值降低的現(xiàn)象，需進(jìn)一步研究無(wú)收縮混凝土的性能，以減小混凝土的收縮。

(3)在已建的鋼管混凝土勁性骨架拱橋中，采用連續(xù)澆注的鋼管混凝土勁性骨架拱橋較少，當(dāng)前跨徑較大的云桂鐵路南盤江大橋(416 m)、滬昆鐵路北盤江大橋(445 m)均采用多工作面均衡澆注法。經(jīng)比較，隨著跨度的增大，相比連續(xù)澆注法，多工作面均衡澆注法降低瞬時(shí)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)更為明顯。但多工作面均衡澆筑法的工期有所增加，后續(xù)應(yīng)以受力和施工工期為目標(biāo)，研究分環(huán)設(shè)置和工作面設(shè)置的最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和分析方法。再者，還應(yīng)進(jìn)一步研究斜拉扣索調(diào)載的最優(yōu)控制方法，提出斜拉扣索作用位置、作用時(shí)機(jī)的確定依據(jù)，應(yīng)用算法計(jì)算斜拉扣索索力，以優(yōu)化拱圈受力。