大跨度混凝土拱橋關鍵施工技術及荷載試驗

張志偉

(雅礱江流域水電開發有限公司兩河口建設管理局,四川 雅江 627450)

0 前 言

兩河口水電站壩址區河谷深切，兩岸基巖裸露，岸坡陡峭[1-3]，階地不發育，呈典型的峽谷地貌，施工場地條件較差。對外交通及場內交通條件較差，樞紐工程區及對外交通共設置5座跨江大橋，橋梁主要結構涉及連續剛構橋、拱橋、鋼結構鋼梁、索道橋等4種結構型式，橋梁結構型式較多，且布置位置，河床地形、地質條件、施工條件均較復雜。如何順利建設，面臨的施工、管理難度較大，目前各橋梁均已完成建設并投入運行。

國內拱橋建設中主要采用現澆混凝土、整體預制旋轉、分節預制吊裝等施工工藝，其中，分節預制吊裝中主要有“單基肋”和“雙基肋”合攏方式，需充分結合吊裝體重量、現場施工條件、自然環境等因素綜合選取。本文結合1號臨時橋主拱“單基肋”合攏關鍵施工技術進行論述。

1 拱橋結構特征

兩河口水電站大壩上游1號臨時橋為1座橫跨雅礱江的大橋[4-5]，屬于場內交通中重要通道，為大壩填筑土料運輸通道。橋梁采用鋼筋混凝土“上承式預制吊裝箱型拱橋”結構，橋梁右岸由2跨10.5 m簡支空心板、1跨110 m鋼筋混凝土箱型拱組成，左岸由3跨10.5 m簡支空心板構成，全長共計176 m。設計荷載標準為汽車—80t級，橋面行車道凈寬為12 m，上游1號臨時橋立面見圖1。為建設期臨時橋梁，水庫蓄水后將進行拆除。

圖1 上游1號臨時橋立面圖 單位：高程，m;其他，cm

2 混凝土拱橋關鍵施工技術

大壩上游1號臨時橋拱箱吊裝合攏方式按照“單基肋”合攏松索成拱，利用無支架纜索吊機安裝拱箱，其纜索吊機設計及吊裝過程中的精準控制為施工難點、重點和創新點。

主拱圈施工方案通過技術、工期、經濟比較后，采用預制吊裝的方法進行施工[6]。拱橋纜索吊裝施工法主要用于預制拱肋施工的拱橋結構，根據拱橋拱肋分段預制情況及最大預制件重量，合理設計纜索起重機的吊裝能力，在保證安全的情況下，由纜索起重機先將兩拱腳段吊裝就位，并用扣索將其固定，再依次吊裝其余段并與先吊段對接，直至吊裝完畢。

2.1 吊裝系統設計

根據大壩上游1號臨時橋主拱圈預制分塊情況，最重拱箱約73 t，考慮施工荷載等因素，起吊重量按93 t控制。在右岸搭設塔架，吊裝索由雙組主纜組成，跨度為239 m，沿橋軸線布置1組工作纜。在兩岸邊坡橋軸線上下游各5 m處分別設置2個最大抗拉力1 000 t的洞錨，用于錨固主索、工作索及壓塔索。塔架采用M型萬能桿件組合拼裝成門式結構，塔頂用I56規格工字鋼上、下分配梁作為主索、扣索及工作索鞍支承。主索采用2組6根直徑60.5 mm和6根37 mm+1型號鋼絲繩，2組主索既有獨立功能，又可組合使用。拱箱纜風索采用2根直徑19.5 mm鋼絲繩。大壩上游1號臨時橋吊裝系統布置見圖2。

圖2 大壩上游1號臨時橋吊裝系統布置示意圖

2.2 吊裝施工工藝

主拱圈分7個單箱，每肋采用5段預制吊裝，鋼筋混凝土拱箱單基肋吊裝施工工藝為關鍵施工技術。吊裝順序按兩岸、橫向對稱進行；縱向吊裝順序從拱腳至拱頂，橫向吊裝順序按橋的軸線向兩側。拱箱軸線、拱度線型的控制通過對拱箱風纜、扣索張力調整。鑒于雅礱江河谷風速較大，調整時需重點關注風速影響。每道拱肋合攏并進行測量調整后，再對拱箱節段間進行縱橫聯結，直至所有拱箱節段吊裝完成。

(1) 拱箱的吊裝工藝

為防止碰撞，控制吊運速度，易緩不易快。各段就位時均應對位平整，不能出現歪扭，軸線按設計要求無偏移。第Ⅰ、Ⅱ段就位后即在各段前端系好扣索、纜風索。Ⅰ、Ⅱ段就位時，通過計算，在接頭處預留抬高值，從而保證拱軸線的平滑。

(2) 拱箱合攏

頂段基本就位后，暫不松吊的情況下，按1∶2 的比例緩緩松卸Ⅰ、Ⅱ段的扣索；逐步調整拱箱軸線和接頭標高；逐漸使頂段吊索受力減為其重量的30%，此時一片拱箱應處于基本合攏狀態。此后，通過在頂板角鋼之間繼續墊填，并嵌緊鋼板不斷減小扣索、吊索受力，逐步使全片成拱。最后需擰緊螺栓，將接頭墊板和底板角鋼的連接板焊接牢固，將纜風索系牢后，拆除吊索。全部拱箱均按上述步驟操作完成，并將連接各箱段接頭間的橫向連接螺栓擰緊牢固后，解除纜風索。

(3) 主拱圈形成

拱箱吊裝完成后，為增強拱圈整體性，采用同標號的混凝土澆筑段間橫系梁。在各接頭處鋼板空隙中填塞環氧樹脂將端橫隔板封好，然后先進行拱腳處橫系梁澆筑，再按照由中間向兩邊的順序，依次對稱澆筑各段間橫系梁。

3 荷載試驗

3.1 試驗內容

根據JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》相關要求，在橋梁運行前，對橋梁進行了靜、動載試驗。動載試驗包括橋梁動力特性測試和橋梁動力響應測試；分別利用車輛荷載激起橋梁結構的振動測定橋梁動力特性(固有頻率、阻尼比)、各種速度汽車激勵下橋梁的響應測試、汽車在橋梁特定位置越過障礙物和制動沖擊激勵下橋梁的響應測試。

3.2 測試截面

為確定橋梁各試驗控制截面的準確位置和對應的控制內力與應力，采用橋梁結構分析軟件進行建模計算。橋梁結構計算模型立面見圖3，橋梁在設計荷載作用下正、負彎矩包絡圖分別見圖4、5。

圖3 橋梁計算模型圖

圖4 汽車使用荷載作用下的正彎矩包絡圖

圖5 汽車使用荷載作用下的負彎矩包絡圖

3.3 靜載試驗

主拱肋為鋼筋混凝土箱形截面，各測試截面應變測點主要布置在拱腳截面、L/4截面、L/2截面、3L/4截面位置上，其中1號截面布置在右岸拱腳，2號截面布置在L/4處，3號截面布置在L/2處，4號截面布置在3L/4處，5號截面布置在左岸拱腳，均采用粘貼應變片。主拱圈各位移測點主要布置在兩側拱腳、L/4、L/2、3L/4拱軸線上，采用全站儀測量位移值。為保證試驗的有效性，根據測試截面的內力與撓度影響線，按最不利位置加載，經過計算，采用9輛450 kN試驗車輛，實際重量平均為496 kN。經現場實際檢測，所有工況加載效率系數均介于0.95～1.05，主拱結構自振特性測試結果見表1，滿足JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》相關要求。

表1 主拱結構自振特性測試結果匯總表

在荷載作用下，全橋各工況測點應力校驗系數均小于1，全橋各工況測點撓度校驗系數均小于1。殘余變形分析引入相對殘余變位(或應變)的概念描述結構整體或局部進入塑性工作狀態的程度。相對殘余變位(或應變)按計算公式如下：

(1)

St=Sl-Si

(2)

Sp=Su-Si

(3)

通過以上公式進行計算得出，在試驗荷載作用下，各測試斷面卸載后其相對殘余變形在YC4-4/1982《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定的20%范圍以內，說明結構產生的變形能夠得到恢復，表明結構處于線彈工作狀態。

3.4 動載試驗

根據相關規范及橋梁運行工況，動載試驗主要包括脈動試驗、無障礙行車試驗、跳車試驗、制動試驗。

(1)橋梁自振特性試驗

橋跨結構自振特性計算基頻為0.657 Hz，實測基頻均為0.68 Hz，見圖6。自振特性測試結果見表2。

圖6 實測無障礙行車余振頻譜圖

表2 主拱加載工況的計算彎矩、試驗彎矩及相應的荷載效率系數表

(2)跑車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用1輛20 t重的加載重車沿被測橋梁中軸線分別以10、20、30 km/h的速度勻速往返通過，測定橋梁結構在移動車輛荷載作用下的動力響應(動應變)。

(3) 跳車試驗

跳車試驗主要針對主拱2號截面進行，以1輛加載汽車分別以5、10、20 km/h的速度跨越設在2號截面的障礙物(人工制造的三角形木板，高度為7.5 cm，縱橋向寬度為30 cm，橫橋向長度為500 cm)，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態，以測定橋跨結構在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動力響應和振幅。

(4) 剎車試驗

其基本荷載及作用方法與無障礙行車試驗相同，讓一輛20 t重的試驗車以10、20、30 km/h的速度行駛到橋梁L/2處實施緊急制動，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力響應。

3.5 結 論

(1) 在試驗荷載作用下，各控制截面撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數小于1.0，且最大實測撓度小于L/600，試驗時結構剛度滿足設計要求。

(2) 在試驗荷載作用下，各測試截面的測點應變值均小于理論值，應變校驗系數小于1.0，試驗時結構承載能力滿足設計荷載等級的要求。

(3) 位移測試控制截面量測的相對殘余變形均滿足相關要求，結構處于彈性工作狀態。

(4) 試驗過程以不同的車速跑車，沒有發現動應變急劇增加并在相當長的一段時間內保持很大數值的現象。

(5) 跑車作用下，實測的最大動力放大系數為1.045，其沖擊系數小于規范要求。

(6) 跳車試驗、剎車試驗表明，控制截面的振動加速度反應正常。

綜上所述，1號臨時橋試驗時結構處于彈性工作范圍，承載能力滿足設計荷載等級標準。

4 結 語

大跨度混凝土拱橋施工工藝復雜、多樣，主要有支架現澆施工法、纜索吊裝法、平轉法、頂推法等，1號臨時橋結合現場實際，選用吊裝施工工藝，在保障質量、安全的前提下加快了施工進度。在運行前的各項荷載試驗中均滿足相關規程規范和設計要求。為了長期有效的保持橋梁的整體剛度和穩定的工作性能，在運行中嚴格按照設計規定的荷載等級要求通行，并定期對橋梁進行檢測、維修和養護。