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大跨径组合法施工拱桥的技术探讨

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李名东

[导读] 摘要：国内建造大跨径钢筋混凝土拱桥通常采用缆索吊装法，为满足吊装承载力要求，需要将拱圈人为分段以减轻吊重，这样显著降低了拱圈的整体性，容易在后期运营期间产生裂缝。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：国内建造大跨径钢筋混凝土拱桥通常采用缆索吊装法，为满足吊装承载力要求，需要将拱圈人为分段以减轻吊重，这样显著降低了拱圈的整体性，容易在后期运营期间产生裂缝。国外往往采用悬臂浇筑法，而对于更大跨径的拱桥，为减小扣塔及扣锚索用钢量和悬臂浇筑拱圈的施工风险，又发展使用悬臂浇筑法和劲性骨架组合法，后文简称为组合法。为丰富我国混凝土拱桥施工方法，促进混凝土拱桥事业的发展，有必要研究和借鉴国外组合施工法。
        关键词：施工方法；悬臂浇筑；劲性骨架
        引言
        拱桥按照主拱圈（肋、箱）使用的建筑材料可分为圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥及钢拱桥等。圬工拱桥虽取材方便且价格低廉，但其自重大、截面尺寸大、强度低等缺点，由于圬工材料抗拉性能差，在施工过程中悬臂状态下主拱圈的安全存在问题，由此限制了圬工拱桥向大跨径发展；钢管混凝土拱桥能较好的解决拱桥施工中承载能力大与安装重量轻的矛盾，并且具有承载能力大、地基适应性好、跨度适应能力强等优点，但在工程实践中，钢管混凝土拱桥存在管内混凝土脱空与管节点焊缝裂纹等病害，其受力性能仍处于研究阶段，故尚需进一步的研究；钢筋混凝土拱桥在受到竖向荷载作用时，由力学可知，拱脚两端会产生水平推力，由于水平推力的存在，拱内将产生轴向压力，拱内的轴向压力使得拱圈的截面弯矩大大的减小，使之成为偏心受压构件，拱圈截面上的应力分布相比于受弯梁截面上的应力分布较为均匀，从而让主拱圈截面的材料强度得到充分利用，使之跨越能力增大，加之钢筋混凝土拱桥具有耐久性能好、就地取材方便、后期养护和维修费用少、跨越能力大等优点，诸多方面的因素为钢筋混凝土拱桥朝大跨径方向发展奠定了基础。
        目前国内采用悬臂浇筑法施工主跨 200m 以上的拱桥少之又少，以国内现有的技术条件，能否将拱桥的合理跨径大幅提升将是面临的最大问题。总结国外拱桥的研究与施工经验，将悬臂浇筑法与劲性骨架法相互结合施工，充分利用两者各自的优点，施工过程中不仅缩短了悬臂浇筑段的长度、减轻了该段的重量，而且还节省了劲性骨架段的用钢量，从一定程度上提高了大跨径钢筋混凝土拱桥的经济性与实用性，同时也可降低施工过程中的风险。对于该方面的研究，我国尚还处于探索阶段，如果能够在此方面深入研究并探索出合适的施工技术与设计优化的方法，那么我国在建造主跨 200m 以上的钢筋混凝土拱桥的发展道路上将出现新的曙光。并且在我国的西部山区，200m 以上的钢筋混凝土拱桥存在极大的发展空间，因此对钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑与劲性骨架组合施工法的研究就显得十分重要。
        1.悬臂施工法
        悬臂施工法是在建好的桥墩顶部，沿着主跨方向对称逐段施工的一种方法，最初在 T 型钢构桥中运用较多，因其施工的优越性，使得该方法后来被应用到各类桥梁施工中，诸如悬臂梁桥、斜腿钢构桥、拱桥、斜拉桥等。悬臂浇筑法可分为塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法与悬臂桁架浇筑法。塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法是在拱脚处安装临时钢塔架，用拉索一端拉住浇筑完成的拱圈节段，并锚固在沿盘上，利用移动挂篮逐步从拱脚向河中悬臂浇筑拱圈混凝土，直至拱顶合龙。悬臂桁架浇筑法是采用专业挂篮结合斜吊杆构件（钢丝束或预应力钢筋）同时浇筑拱圈、拱上立柱和预应力混凝土桥面板，使其成为桁架体系，逐步从拱脚向跨中悬臂浇筑直至合龙。
        2.劲性骨架施工法
        劲性骨架施工法（也称米兰法或埋置式拱架法），最初是由缆索吊装法发展演变而成，该法是采用劲性钢材（如槽钢、角钢等型钢）形成拱圈（肋）内部的劲性钢骨拱，由此作为拱圈（肋）混凝土施工的钢骨架，然后在主拱圈钢骨架上分环分段浇筑混凝土，最终形成钢筋混凝土拱圈（肋）整个截面的构造。劲性骨架施工法具有施工进度快、拱轴线易于控制、结构整体好等优点，但采用此方法施工的桥梁用钢量较大，故一般该法应用于大跨径拱桥施工中。

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        3.组合施工法
        组合施工法是将两种及两种以上的施工法组合起来修筑拱圈的方法，主要思想是扬长避短，优化施工工艺，节省施工成本，缩短施工工期，减少施工风险。通过结合各方法的优点使得超大跨径钢筋混凝土拱桥的施工成为了可能。组合施工法种类较多，通常有：悬臂拼装与劲性骨架组合法，悬臂绕筑与劲性骨架组合法，转体施工与劲性骨架组合法，悬臂析架与劲性骨架组合法。
        4.组合法施工中劲性骨架的种类选取
        4.1型钢骨架
        型钢劲性骨架即由型钢焊接而成的钢桁架结构。西班牙的Martín Gil铁路高架桥，日本别府明矾桥（口型钢劲性骨架），日本的胧大桥（H 型钢劲性骨架），日本的宇佐川桥，宜宾小南门金沙江大桥（槽钢劲性骨架），贵州的夜郎湖大桥（主跨 210m）和涪陵乌江大桥复线桥（主跨 220m）也都采用了 H 型钢劲性骨架。
        由于型钢劲性骨架整体刚度相对较小，施工过程产生的位移较大，导致施工过程拱轴线形难以控制，拱圈外包混凝土浇筑施工阶段容易发生劲性骨架局部杆件失稳现象，因此型钢劲性骨架拱桥设计施工时应注意避免出现局部杆件失稳现象，并注意监控拱圈位移及杆件应力。随着拱桥跨度的增大，如何减轻结构的自重成为一个亟待解决的问题，含型钢劲性骨架的结构以其自重轻的优势又会受到设计师们的青睐。
        4.2钢管混凝土劲性骨架
        钢管混凝土劲性骨架即采用钢管混凝土结构作为上下弦杆的钢桁架结构，常用的钢管形式包括方钢管和圆钢管，这种形式的劲性骨架是由型钢劲性骨架发展而来，它的出现较好的解决了型钢劲性骨架刚度较小、稳定性差及用钢量大的问题。但钢管混凝土劲性骨架施工复杂、工序繁多，浇筑时间长，且混凝土收缩徐变时效问题尤为突出。因此钢管混凝土设计施工时应优化施工工序，并注意管内混凝土脱空现象。不过由于该形式的劲性骨架工艺成熟，在我国已得到广泛应用，如 1996 年修建的主跨 312m的广西邕宁邕江大桥；1997 年修建的主跨 420m 的重庆万县长江大桥；2012年建成的主跨364m的广元昭化嘉陵江大桥；以及 2015年修建的主跨 445m 的贵州北盘江大桥等。
        4.3钢骨劲性骨架
        钢箱劲性骨架由两个小钢箱拱肋通过横向联结杆件连接形成。钢箱劲性骨架分为埋入式和内衬式两种形式。两者的主要区别在于：埋入式钢箱劲性骨架类似与钢管混凝土劲性骨架，钢箱内部填充混凝土，外包混凝土浇筑完成后成为拱圈腹板的一部分，参与到拱圈的后期受力。日本的青叶大桥就是采用埋入式钢箱劲性骨架；内衬式钢箱劲性骨架钢箱内不填充混凝土，可以作为内模板。日本的头岛大桥跨中段的劲性骨架就是采用内衬式钢箱劲性骨。钢箱劲性骨架的优点是整体刚度大、稳定性好、承载能力大，但随着拱桥跨径的增大，钢箱劲性骨架结构的自重和用钢量都非常大。目前钢箱劲性骨架在日本的应用较多，国内还是以型钢劲性骨架和钢管混凝土劲性骨架为主。
        结语
        综上所述，采用悬臂浇筑于劲性骨架组合法施工的拱桥，在施工过程中缩短了悬臂饶筑时的悬臂长度，和劲性骨架段施工时间，相当于提前合龙，从而减小了施工风险。该组合法相对与单一的劲性骨架施工法可以减少劲性骨架用钢量，相对与单一的悬臂饶筑施工法可以减少扣塔、扣索用钢量，从而经济上相对合理。
        参考文献：
        ［1］韦建刚，陈宝春.国外大跨度混凝土拱桥的应用与研究进展[J].世界桥梁，2009，2：4-8.
        ［2］谢尚英，钱冬生.大跨度混凝上拱桥的桥型和施工[J].铁道建筑，1998（11）：7-8
        ［3］陈宝春，叶琳.我国混凝土拱桥现状调查与发展方向分析[J].中外公路，2008（2）.89-96