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，藍佳玉，肖周強，蔣才健

（1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004）

受線路坡度、地質和環境等多方面因素所限，在云、貴、川、渝、桂等山區和進藏鐵路線路上需要跨越大量的長距離高山深壑，這其中相當一部分需要跨越的長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在建設中，科研人員也正在開展對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］。結合國內外目前已建成的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鍵環節之一是主拱圈外包混凝土的澆筑成型［13-15］。關于勁性骨架主拱圈外包混凝土澆筑的研究，400 m 級跨徑的混凝土拱橋已經積累了較好的經驗和研究成果，并在實際橋梁中得到成功的應用。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］針對邕寧邕江大橋提出的斜拉扣索輔助分環澆筑法能較好地控制結構應力和變形，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，較早應用于萬縣長江大橋，此后在萬縣大橋六工作面法的基礎上提出了四工作面法和八工作面法，部分研究認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應用都已經在400 m 級勁性骨架拱橋中得以體現，但當拱橋跨徑增大到600 m及以上級別時，外包混凝土的方量急劇增大，相應的澆筑難度劇增。因此，如何在現有施工方法基礎上，達到調整勁性骨架應力、安全完成主拱圈混凝土澆筑的目的，是當前此類超大跨徑混凝土拱橋發展急需解決的問題。針對400 m 級勁性骨架拱橋的研究結果表明，采用四工作面法澆筑可以在少增加額外調載設備和臨時輔助措施的情況下，更好地降低勁性骨架的瞬時應力，滿足施工過程受力的要求，而且經濟性和施工操作性良好［22-23］，而針對600 m及以上級別拱橋的相關研究尚不充分。

本文對一座600 m 跨徑的鋼管混凝土勁性骨架鐵路拱橋設計提出主拱圈混凝土澆筑方案，并采用有限元軟件對其施工全過程進行模擬，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拱橋主拱圈設計方案概況

某600 m 跨徑的鐵路鋼管混凝土勁性骨架拱橋設計方案中，初步擬定的主拱圈主要參數為：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、平橫聯由Q370 的角鋼組拼形成；弦管內灌注C80混凝土，外包C60高強混凝土。

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方式、工作面及扣索設置

主拱圈截面分環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：邊室底板、下腹板、上腹板、邊室頂板、中室底板和中室頂板。主拱圈截面分環及澆筑順序如圖2 所示。此分環和澆筑順序將兩側邊室和中室分別澆筑成環，考慮了弱勁性骨架初期單獨承載對盡快增大剛度和承載能力的要求，為后續混凝土的澆筑提供便于操作的平臺。

圖2 主拱圈截面分環及澆筑順序示意圖

混凝土澆筑工作面的設置是另一重要的問題。工作面設置既是一種施工方法，也是一種調載措施［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應力和各環混凝土成型時的永存應力；從施工角度，要求盡量便于進行各個階段的混凝土澆筑，并盡快貫通縱向一環。經初步分析，設置四工作面可以較好地降低勁性骨架的瞬時應力。根據控制截面應力過程線，本文擬在拱腳和37#截面處各設一個工作面，全拱縱向共設4個工作面。

對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載效果，對拱腳及拱頂截面應力的調控作用比較顯著［16-17，21-23］。確定扣點時，盡量選擇對控制截面應力有利且不損害其他截面受力的位置。根據拱的受力特性并參考已建成橋梁斜拉扣索的設置［17，21，23］，本文利用主拱圈兩端8#截面處空鋼管吊裝的扣點作為澆筑過程中斜拉扣索的扣點，各設一組橫向分4根布置的扣索，用于調整拱腳截面處的超標應力。

主拱圈工作面和斜拉扣索設置如圖3所示。

圖3 工作面和扣索設置示意圖（單位：cm）

2.2 外包混凝土澆筑的施工步驟和扣索索力設置

由于1 環混凝土內各節段澆筑過程中，主拱結構瞬時應力有較大變化。為避免拱腳截面上過快增長的拉應力超過混凝土抗拉強度，首先澆筑第二工作面上的37#—50#截面之間的混凝土節段（混凝土節段編號與勁性骨架對應），這樣在拱腳截面上預先儲備了一定的壓應力，可抵消部分后續增加的拉應力。然后，在第一、二工作面上分別逐段澆筑各混凝土節段。第1環混凝土具體澆筑步驟見表1，后續各環混凝土節段澆筑順序與第1環相同。

表1 第1環混凝土的澆筑步驟和斜拉扣索設置

采用一組扣索輔助混凝土澆筑過程中的調載，扣索張拉時間和索力大小與混凝土節段澆筑順序密切配合以控制結構應力和變形。具體調索過程為：按照混凝土澆筑步驟，當第1環邊底板澆筑至6#截面時張拉1#扣索，至第4環邊頂板混凝土獲得強度時松開斜拉扣索。單根索最大扣索索力1 500 kN，主拱圈單側最大索力6 000 kN。

3 主拱圈混凝土分環澆筑過程有限元分析

3.1 主拱圈有限元模型

根據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單元、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合截面梁單元，腹桿和橫撐采用梁單元，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個單元。材料參數均按照相關規范采用，詳見表2。主拱圈兩端拱腳固結。計算過程中最主要的荷載是混凝土濕重，此外還有施工設備和澆筑模板等正常施工荷載。混凝土濕重作為荷載施加至主拱梁單元上，待獲得強度后，再“激活”外包混凝土板。

圖4 主拱圈有限元模型示意圖

表2 材料參數表

對主拱圈施工全過程進行模擬分析，空鋼管架設和管內混凝土灌注按照鋼管混凝土拱橋的常規施工方法進行計算。澆筑外包混凝土時，首先將相應節段的混凝土濕重激活作為荷載作用在結構上，計算勁性骨架的應力和變形，然后在外包混凝土獲得強度后，激活對應的混凝土板單元，同時鈍化混凝土濕重，此時混凝土板成型。按照表1所述施工階段逐步激活各節段混凝土濕重，即可得到勁性骨架各階段對應的瞬時應力和變形；激活后的混凝土板成為拱箱的一部分，在計算中與勁性骨架一同承擔后續混凝土濕重，從而得到各階段混凝土濕重產生的應力和變形。如此，直至形成主拱圈。

3.2 第1環混凝土澆筑過程的結構應力和變形

外包混凝土澆筑前，已按照常規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混凝土產生的部分應力和變形，各弦管的管內混凝土也累積有不同的應力。因此，第1 環混凝土澆筑過程的勁性骨架應力和變形是在此基礎上按疊加法計算得到。

第1 環混凝土完全依靠勁性骨架承載，結構的應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）上危險點（上弦管最上緣和下弦管最下緣）的鋼管及管內混凝土在各施工階段的應力（瞬時應力），以曲線表示瞬時應力隨混凝土澆筑過程的變化，如圖5 所示。圖中，橫坐標為與表1對應的施工階段編號，圖例中“下”表示該截面下弦管最下緣點應力、“上”表示該截面上弦管最上緣點應力，應力以受壓為正。

由圖5 可知：勁性骨架內外弦管在整個過程中的應力變化趨勢一致，但最大應力稍有不同，這是主拱截面變寬度所致；在1—17 階段，L/8 截面的鋼管和管內混凝土壓應力在各截面中最大，內外弦管鋼管最大壓應力分別為182 和184 MPa，管內混凝土最大壓應力分別為10.3和8.9 MPa；在階段1—階段30，拱頂截面管內混凝土產生了拉應力，最大拉應力為0.97 MPa；階段18和階段31以后，拱腳截面的壓、拉應力在各截面中最大，內外弦管的鋼管最大瞬時壓應力分別為219 和206 MPa；管內混凝土最大瞬時拉應力為0.97 MPa 和1.97 MPa，最大瞬時壓應力為17.6 MPa和13.8 MPa。其余各截面的瞬時應力和永存應力都小于上述值，保持在較低的水平。

圖5 勁性骨架控制截面應力曲線

撓度曲線變化可較為直接反映出結構受力下拱軸線變化的情況。提取第1環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 環混凝土澆筑過程中，拱頂逐步下撓，最后幾個節段混凝土澆筑時有小幅度（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撓，整環混凝土澆筑過程中均顯現良好的變形狀態；至第1環混凝土澆筑完成時，拱頂撓度為408 mm，L/4撓度為368 mm，相對于外包混凝土澆筑前分別下撓了78 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環混凝土澆筑過程中未發生反復變形。

圖6 主拱撓度曲線

3.3 外包混凝土澆筑全過程的結構應力和變形

計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鍵截面上勁性骨架應力（表3）和外包混凝土應力（表4—表11）。由于各混凝土板在其成型前的其他環混凝土澆筑中無應力，因此，表4—表11中僅示出各環混凝土成型后的應力。表中應力符號與圖5相同。

由表3 可知：至邊頂板成型時（此時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力289 MPa，管內混凝土最大壓應力28.6 MPa，無拉應力；至全拱成型時，勁性骨架中鋼管最大壓應力值319 MPa，管內混凝土最大壓應力值33.1 MPa，無拉應力。由表4—表11 可知：拱箱底板的應力最大，至邊頂板成型時為11.7 MPa，至全拱成型時為14.7 MPa。這是因為底板混凝土最先澆筑，較早開始與勁性骨架一同受力；下腹板也澆筑較早，至全拱成型時最大11.3 MPa；稍后澆筑的上腹板、邊頂板和中底板應力處于較低狀態，最后澆筑的中頂板應力非常小。

表3 鋼管混凝土勁性骨架關鍵截面環末應力 MPa

表4 關鍵截面邊底板混凝土環末應力 MPa

表5 關鍵截面外下腹板混凝土環末應力 MPa

表6 關鍵截面內下腹板混凝土環末應力 MPa

表7 關鍵截面外上腹板混凝土環末應力 MPa

表9 關鍵截面邊頂板混凝土環末應力 MPa

表10 關鍵截面中底板混凝土環末應力 MPa

表11 關鍵截面中頂板混凝土環末應力 MPa

根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》，在運送及安裝階段，混凝土的容許應力可取0.8 倍混凝土軸心抗壓強度，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力按照其屈服強度的0.8 倍取值，被外包混凝土包裹后，鋼管同時受到內外混凝土的約束，其控制應力按照屈服強度取值。本文主拱圈鋼管混凝土勁性骨架中鋼管為Q420 鋼材，管內混凝土C80，外包混凝土C60，fc=53.5 MPa。對比可知結構中各部分應力均在規范要求以內。

表12 為拱頂和L/4 截面在各環混凝土成型時的撓度，撓度方向與前述相同。由表12 可知：至主拱圈成型時，拱頂和L/4 處分別持續下撓780 和548 mm，相對于外包混凝土澆筑前分別下撓了330和302 mm，拱軸線一直保持較好的變形形態。

表12 澆筑混凝土過程中主拱撓度 mm

本文通過合理設置混凝土澆筑工作面、澆筑順序和斜拉扣索，將主拱圈結構應力全過程都保持在規范要求范圍內。在全拱內設置4個工作面，首先在第二工作面澆筑若干節段混凝土，再同時澆筑第一、第二工作面的混凝土節段，同時，張拉一組斜拉扣索進行輔助調載。上述過程中，第二工作面澆筑混凝土相當于在拱腳截面上預先儲備了一定壓應力，第一、第二工作面同時澆筑混凝土時，兩個工作面上的混凝土濕重對控制截面產生的應力增量互為異號，產生了部分抵消，扣索向上張拉的索力產生了與混凝土濕重反向的作用，也抵消了混凝土濕重產生的部分應力，從而大幅降低拱腳截面的瞬時應力和環末永存應力，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力，達到將結構應力控制在規范要求范圍內的目的。

通過合理設置工作面、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生下撓，二者部分抵消，避免產生拱頂上冒。同時，在混凝土澆筑初期，主拱圈截面、剛度和承載能力較小的時候，張拉斜拉扣索，以較小的索力使勁性骨架產生較大的變形，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，此時相同索力產生的反向變形已大為降低，最大化實現索力的效應。

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，通過合理設置工作面、澆筑節段長度，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，并設一組斜拉扣索輔助調載。對施工全過程進行有限元模擬分析，主拱圈外包混凝土澆筑期間結構應力和變形控制在容許范圍內，證明該方案合理可行。

（2）在主拱圈拱腳和控制性截面應力過程線峰值處分別設置工作面（全拱共四個工作面），且首先在第二工作面上澆筑一定長度的混凝土節段，再同時澆筑第一、第二工作面混凝土節段，可達到有效降低澆筑過程結構的瞬時應力的目的。

（3）通過在主拱圈合理位置（8#截面）設置斜拉扣索作為四工作面澆筑過程的輔助調載措施，在第1 環邊室底板混凝土澆筑至6 號截面處開始張拉，至邊室完成澆筑時松索，單根索最大索力1 500 kN，可達到調整拱腳截面應力和拱軸線形的目的，以較小的代價獲得較好的調載效果和經濟效益。