在劲性拱骨架上实现混凝土连续浇注的探讨

郑皆连

(广西壮族自治区交通厅，中国 广西 南宁 530012)

拱桥造型美观、超载潜力大、耐久、造价较低、养护方便，在我国公路桥梁中广泛采用。据2006年统计，全国53.36万座公路桥中拱桥座数占桥梁总座数的34.5%。拱桥又是一个失败率比较高的桥型，对于无支架施工拱桥，事故多发生在拱肋悬拼合龙阶段和在合龙后的拱肋劲性骨架上浇注混凝土形成拱圈阶段。

1992—1996年在主持交通部“八五”联合科技攻关项目——《特大跨径的SRC拱桥的设计施工技术研究》中针对上述无支架施工拱桥事故多发的两个阶段作了重点研究获得突破，提出了千斤顶、钢绞线斜拉扣挂合龙后松索的工艺，较好地解决了多段拱助或拱骨架悬拼合龙的难题，经几十座桥使用证明，即使悬拼段数超30段也无多大困难。针对在合龙后的劲性骨架上浇注混凝土问题，首次提出了用千斤顶斜拉扣索适时对拱骨架施加拉力，实现了跨径312 m拱肋劲性骨架外包混凝土分环连续浇注，十多年来广泛运用到钢管混凝土拱桥管内混凝土的连续灌注中。笔者结合工程实例介绍这一技术的原理、实现机构、效果，并与其它工艺比较。

1 拱肋混凝土连续浇注的原理及实现机构

所谓拱肋混凝土连续浇注，就是指劲性拱骨架架设完成后，对外包混凝土进行分环，从两拱脚至拱顶对称连续浇注1环混凝土，待其获得强度后再连续浇注下一环，直至完成全部混凝土浇注。这样做显然，施工方便、快捷、质量好。但是，如果不采取措施，环内应力、变形会超过环末，甚至超限。

连续浇注1环混凝土时，环内应力的表达式如下:

式中:δ0为初始应力;N为轴向力;M为弯矩。

在连续浇注1环混凝土过程中初始应力δ0、截面面积A、中性轴至截面边缘距离Y、截面惯性矩不变;N从0开始，不断增大，到环末最大;M是不断变化的，其值会超过环末，也可能与环末反号，从而按式(1)计算的截面应力会超过环末甚至超标，挠度会发生反复。以拱轴系数1.347、矢跨比1/4等截面无铰拱为例，如混凝土连续浇注到L/4时拱脚负弯矩值是环末的4.8倍，混凝土连续浇注到L/3前，拱顶始终上挠，到L/3时上挠最大，负弯矩最大，此后开始减少，最后由负变正。因此要实现混凝土连续浇注过程截面应力、变形的控制，必须而且只能干预截面弯矩，在控制截面弯矩影响线峰值处干预最有效。研究发现拱顶、拱脚是控制截面，且两弯矩影响线负峰值在L/6附近，在拱骨架L/6附近若干适当位置设钢绞线扣索，施加一个随混凝土浇注过程而变化的，斜向拱轴线上方的拉力，既可有效地减少劲性拱骨架在对称连续浇注混凝土过程中拱顶段上挠、又可有效地减少拱脚段负弯矩，对其它截面弯矩影响较少，把全拱的应力和变形，控制在规定的目标内。在应力和变形两者间，以应力控制为主，变形控制为辅。力求做到在连续浇注混凝土过程中，没有反复变形或者反复次数尽可能少。如图1。

图1 斜拉扣索调力Fig.1 The cable force of oblique tensile button

1.1 斜拉扣索的设置

多数情况下拱是对称的，斜拉扣索也是对称设置，考虑到斜拉扣索的抗拉刚度小，为了简化计算，假设在拱骨架浇注混凝土过程中，斜拉扣索索力不自动改变，那么斜拉扣索对任意拱截面K应力的影响可用式(2)表达:

式中:Fi表示原编号为i的一对斜拉扣索施加的拉力;σKi表示编号为i的一对斜拉扣索索力为l时，在K截面产生的应力;ΔσK表示斜拉扣索在K截面产生的应力。

画出在分环对称连续浇注混凝土时拱脚L/8、L/4、3L/8拱顶及截面尺寸突变处的应力过程线。

从应力过程线中找出应力严重超标的截面，画出这些截面的力矩影响线，在这些影响线的峰值附近选择一组对这些截面应力影响大的斜拉扣索，其位置通常靠近拱脚。计算这组对称斜拉扣索索力为l时对上述截面应力的影响，然后通过试算来确定这组斜拉扣索的索力及其变化，将其对上述控制截面应力产生的影响与控制截面应力过程线叠加，如能使应力全部控制在预定值内，且对其它截面可能造成的应力增加能保持在控制范围内时，斜拉扣索位置、索力的选择就完成了。如果不能满足，再设第2组索，重复上面第1组斜拉扣索的计算，只是第2组斜拉扣索产生的影响应与叠加了第1组斜拉扣索影响的应力过程线叠加，如不满足再设第3组斜拉扣索。根据几座桥的计算和施工实践，实现混凝土连续浇注，跨径300 m以上的劲性骨架钢筋混凝土拱桥及钢管混凝土拱桥。一般设3组斜拉扣索就行，跨径300 m以下的钢管混凝土拱桥，连续浇注钢管内混凝土时只设1组斜拉扣索就行了。

斜拉扣索的位置最好与劲性拱骨架悬拼时相同，最大斜拉力最好在原扣索的能力内，如能这样，只是把劲性拱骨架悬拼时的扣索再用一次，无须增添任何设备、最为经济。如不能满足，需要增加前锚固设施，当然设施费用也不高。

1.2 斜拉扣索的机构

斜拉扣索由4部分组成。前锚系统，斜拉扣索与劲性拱骨架连接的装置，要求连接牢固、可靠、简单、易安装、易拆除，如图2。

图2 斜拉索前锚系统Fig.2 The ahterior anchor system of oblique tensile cable

钢绞线，连接前锚系统后锚系统，宜用低松驰绞线。悬拼钢拱骨架时使用的扣索足够调载时用，而且无须任何加工。调载索力是按设计施加的，无意外增加索力的因素，所以采用了较低的安全系数，调载时钢绞线的强度安全系数大于或等于1.5。

扣塔架，用于改变斜拉扣索的方向，使扣索前端与水平线的夹角较大，提高扣索调载的效果，完全借用劲性拱骨架悬拼时的扣塔。

后锚系统，斜拉扣索张拉及锚固设施。包括锚碇、工作锚、液压千斤顶、可读压力的油泵。利用这套系统可以对斜拉扣索施加任何规定的拉力并锚固。要求增减拉力迅速、准确，因为索力变化弧度大，要求工作锚能在低应力状态下不滑，能可靠锚固钢绞线，常用的是夹片群锚。夹片需重复使用，宜用工具夹片，收放斜拉扣索用液压千斤顶，可循环张拉单根钢绞线，但要保证钢绞线受力均匀。斜拉扣索的索力根据计算，随着混凝土的连续浇注分数次增加或减少，调力过程不中断混凝土连续浇注，这套系统也是借用劲性拱骨架悬拼阶段的设施。

2 劲性骨架混凝土拱桥拱肋外包混凝土连续浇注实例

1996年建成通车的广西邕宁邕江大桥是当时世界上最大跨径的中承式混凝土拱桥，实现了从拱脚到拱顶对称连续浇注。

2.1 大桥概况

主桥为中承式劲性骨架混凝土拱桥:计算跨径L=312 m，矢高f=52 m，矢跨比f/L=1/6，桥面总宽度18.9 m，其中行车道宽12 m。

设计载重:汽车－超20级;挂车－120。

两条劲性骨架各分段在地面制作，千斤顶斜拉扣挂悬拼合龙，劲性拱骨架由φ402×12的无缝钢管弦杆及160×100×10的双角钢腹杆组成，拱骨架合龙后，安装临时横联，在弦杆内泵送60混凝土，形成钢管混凝土为弦杆的拱骨架，依靠拱骨架安装模板，浇注拱肋外包混凝土，拱肋截面如图3。

图3 拱肋拱顶断面Fig.3 The section of avch vib and vault

2.2 拱肋混凝土浇注程序

拱肋混凝土共5000 m3，分4环浇注，两拱肋交替进行进度相差1环，其分环如图4，斜拉扣索如图5，拱肋计算节点划分如图6。

图4 拱肋混凝土分环Fig.4 The concrete dividing ring of arch rib

图5 斜拉扣索Fig.5 Inclined tensioned cable

图6 拱肋计算节点划分Fig.6 Compute nodes into arch rib

经试算选用3组斜拉扣索，采用150 MPa φ15.24钢绞线见表 1。

表1 斜拉索Table 1 Cable-stayed

1#拉索固定在骨架的3号截面上弦，新设前锚座，利用悬拼骨架的1号扣索;2#斜拉扣索固定在骨架的5号截面上弦，利用悬拼骨架的1号扣索前锚座和3号扣索;3#斜拉扣索，完全利用悬拼骨架的2号扣索前锚座及2号扣索(图7)。

图7 拱肋混凝土浇注程序Fig.7 Arch rib concrete pouring process

从拱肋混凝土浇注程序图上看出，4环都没完全实现从两拱脚至拱顶连续浇注混凝土。根据计算，从满足截面内的应力和变形要求，依靠3组斜拉扣索能实现底板、下侧板、上侧板从拱脚至拱顶混凝土连续浇注，如果再增一组斜拉扣索也可以实现顶板混凝土连续浇注。提前执行浇注程序2、4－2、4－3、6是为防止河水淹没拱脚底板，影响侧板施工，同时也增加了上、下侧板、顶板混凝土浇注时的稳定性，提前执行浇注程序5－1、5－2是为了提前安装K撑横梁，这样浇注下侧板混凝土时的横向稳定安全系数由3增加到7.02，在完成下侧板混凝土浇注后，立即提前执行浇注程序7－3，是为了安装K撑斜腿，加上己安装的X撑横梁，浇注上侧板混凝土和顶底混凝土时横向稳定安全系数分别为4.87和6.07。而这些有利提高横向稳定性的浇注程序，也是靠了这3组斜拉扣索调载才得以实现。

2.3 混凝土浇注中斜拉扣索调载效果

浇注底板混凝土过程中斜拉扣索索力的变化(图8)。

图 8 1#、2#、3#索索力变化Fig.8 Changes in cable force

浇注第2环即下侧板混凝土过程中索力的变化:

浇注第2环即下侧板混凝土前，1#由300 kN拉到400 kN，2#索由800 kN拉到1100 kN，在浇注第2环混凝土过程中，维护不变，3#拉力作如下变化，见图9。

图9 3#索索力变化Fig.9 Changes in cable force

浇注第3环即上侧板混凝土过程中索力的变化，1#索、2#索、3#索索力分别维持在 400，1100，750 kN不变。

浇注第4环即顶板混凝土过程中索力的变化:1#索、2#索索力分别维持400，1100 kN，在顶板混凝土浇注过程中不变，为了减少15－19截面顶板混凝土的拉应力，当顶板混凝土浇注到32截面时松完，而3#索保存的750 kN拉力，继续完成32－35截面的顶板混凝土浇注。

两条拱肋顶板混凝土浇注完成，混凝土达到设计强度后放松1#、2#索斜拉扣索，至此斜拉扣索调载结束。

1)浇注底板混凝土过程中只计算钢管内混凝土、上、下弦杆钢材应力。

2)浇注下侧板、上侧板、顶板的截面应力，除同浇注底板混凝土时需计算的钢管内混凝土、上、下弦弦杆钢材应力外，还有己浇注的外包混凝土(底板、侧板、顶板等的应力)，本文略。

分4环浇注混凝土过程中的应力极值汇总，见表2～表4。

表2 钢管混凝土应力Table 2 Steel concrete stress /MPa

(续表2) MPa

表3 上、下弦钢材应力Table 3 Upper and lower steel chord stress /MPa

表4 极值应力汇总Table 4 Summary extreme stress

(续表4)

参照85《桥规》浇注拱肋混凝土过程中的控制应力如下:

1)60#钢管内混凝土

2)50#拱肋外包混凝土

3)钢骨架弦杆为16Mn402无缝钢管

从表4可以看出通过3组斜拉扣索调载后拱肋分4环基本实现从拱脚至拱顶混凝土连续浇注，钢管内混凝土、外包混凝土及钢管，无论压应力、拉应力均控制在容许范围内。如果没有斜拉扣索调载，就是不提前浇注1～6截面下侧板也只能连续浇注到10截面，如果为了防洪必需浇注下侧板，则底板只能浇注到6截面。

斜拉索调载对拱骨架挠度的影响(表5)。

表5 浇注底板混凝土拱骨架挠度值Table 5 Pouring the concrete floor deflection ard skeleton

从表5中可以看出，设了3组斜拉扣索后，除15#截面有0.3 cm上挠外，其余各截面都随着底板混凝土从两拱脚向拱顶连续浇注而逐渐下挠，如果不设这3组斜拉扣索，根据计算，拱顶挠度发生较大的反复比，见图10。

图10 设不设斜拉扣索时浇注底板混凝土过程中拱顶挠度比较Fig.10 No buckle cable-stayed design，when the process of pouring the concrete floor deflection arch comparison

设3组斜拉扣索后浇注下侧板、上侧板、顶板混凝土时，拱骨架各点挠度反复很小，在向拱顶浇注过程中，挠度逐步增加。以拱顶为例，见图11。

图11 浇注下侧板、上侧板、顶板混凝土过程中拱顶挠度值Fig.11 Casting under side，on the side panels，roof vault during the deflection of concrete

邕宁邕江大桥国内外首次采用斜拉扣索调载， 基本实现了劲性拱骨架外包混凝土分环连续浇注。不经过本次实践，很难想象少几根钢绞线能起这样大的作用。其显著优点如下:

1)因为斜拉扣索调载，在分环浇注拱肋混凝土过程中，反复变形数值小，在连续浇注混凝土中没设变形缝，提高了混凝土的整体强度，浇注完成后也没产生变形裂缝。尽管大段混凝土连续浇注，经过斜拉扣索调载后，钢材、钢管内混凝土、先期浇注的外包混凝土应力均在容许范围内。

2)采用斜拉扣索调截大大加快了混凝土浇注速度，以本桥底板混凝土为例，采用斜拉扣索调载，从靠拱脚的6号节点，连续浇注混凝土至拱顶花40小时，如采用多工作面均衡浇注法，需工期一个月。

3)斜拉扣索调载还能满足一些特殊需要，如本桥在连续浇注底板混凝土前，完成了1－6截面的上侧板混凝土浇注，这就避免洪水淹没拱脚底板后无法施工侧板的困难，又如抢先浇注20－26截面上、下侧板、顶板，提前安装K型撑，这样就把浇注下侧板、上侧板、顶板时的横向稳定安全系数提高了，满足了这三环混凝土施工时的稳定要求。

4)斜拉扣索调载系统受力明确，计算简单，调载效果由算式(2)中的σKi反应，σKi可以在现场简单测出，广西邕宁邕江大桥连续浇注底板混凝土计算挠度和实测值接近，证明了用斜拉扣索调载效率高、安全、可靠。

某高速铁路上一座正在建设的劲性拱骨架混凝土上承式拱桥，跨径416 m，矢跨比1/4拱圈为单箱三室，劲性拱骨架为钢管混凝土拱，外包混凝土25000 m3，分6环，经初步计算用3组斜拉扣索，总索力13600 kN就可以实现混凝土分环连续浇注。

3 钢管混凝土拱桥管内混凝土连续浇注

钢管混凝土拱桥管内混凝土连续浇注，不仅可以加快施工速度，更为重要的是能保证管内混凝土整体性比分仓浇注混凝土质量好，已施工完成的几十座特大跨径钢管内混凝土的连续浇注，无一例外的都是用斜拉扣索调载实现的。最早使用这一成果的钢管混凝土拱桥是1998年建成通车的广西三岸邕江桥，该桥是270 m的中承式钢管混凝土拱桥，位于南宁—北海6车道高速公路上，钢管骨架用8根直径1020 mm的螺旋卷管作弦杆。1999年建成通车的广西六景邕江桥是跨径220 m的中承式钢管混凝土拱桥，位于柳州—南宁的4车道高速公路上，钢管骨架用8根直径820 mm的螺旋卷管作弦杆，两座桥均采用一组斜拉扣索调载，实现了钢管混凝土从拱脚至拱顶连续泵压顶升浇注，每管浇注耗时4～6h。2005年建成通车的巫山长江大桥是跨径460 m的中承式钢管混凝土拱桥，钢管桁架用8根直径1220 mm管作弦杆，采用2组斜拉扣索调载，实现了管内混凝土连续浇注，每管耗时12h左右。应力和变形都控制在理想状态内，所用斜拉扣索全套系统及机具全都是钢管骨架悬拼时使用的器具，调载成本只有少量设备租金和少量人工工资。

4 几种调载方法的比较

常用调载方法有4种:多点均衡施工法、水箱加载法、地锚加载法以及本文介绍的斜拉扣索法。

每环混凝土多点均衡施工法要点是:把合龙的拱骨架分成若干偶数段，各段同时施工。一般不可能有与分段数相同的浇注设备，通常是两套设备，为了实现均衡施工，把各段分成若干小段、由两套设备从两拱脚开始对称在各段间循环，每次只浇注一小段混凝土直至全部浇完拱圈或拱肋混凝土。

1997年建成通车的万县(万州)长江大桥是世界上最大跨径的钢筋混凝土拱桥，跨径420 m。劲性骨架合龙后，拱圈分7环浇注11054 m3混凝土，每环均分成6段，每段的底板混凝土、顶板混凝土、腹板混凝土各分为13，12，6小段，用两套浇注混凝土设备，从两岸对称在6大段中循环，每次各浇注一小段混凝土，从而实现了6工作面对称均衡浇注混凝土。

水箱加载法的代表工程是1990年建成的宜宾金沙江大桥，该桥跨径240 m，在劲性拱骨架合龙后，分底板、下侧板、上侧板、顶板四环浇注3010 m3混凝土，浇注混凝土前在拱顶附近安放了11个水箱，当混凝土从两拱脚向拱顶浇注时，不断向水箱中加水，起到压顶的作用，当混凝土浇注了一定长度后逐步放水，在4环混凝土浇注过程中最大加水量分别为 945，1380，1075，560 kN。

地锚加载法的代表工程是1980年建成跨径60 m的蚂蚁沙桥及1982年建成跨径156 m的沙河口大桥，这两座桥在劲性骨架合龙后，在劲性骨架上施加向心的拉力或者悬挂重物调载，实现混凝土从两拱脚向拱顶连续浇注。

以上4种方法都能调整浇注混凝土阶段的应力和变形，但是效果不一样:多点均衡施工法调载效果好，但是混凝土的施工缝多，工期长，桥的跨径越大，这个问题越突出。如万县(万州)长江大桥底板混凝土就存在77条施工缝，浇完拱圈混凝土耗工期10个月。

水箱加载法、地锚加载法都增加了劲性骨架的荷载，对浇注混凝土阶段稳定不利，且调载范围窄，对过程应力大大超环末应力的拱脚段调载效果差，如宜宾金沙江桥浇底板混凝土过程中拱顶上挠达4 cm，地锚法调载设施要侵入桥下，甚至河床，显然多数桥梁不允许采用。

笔者介绍的斜拉扣索法调载效果最好，因为利用了影响线概念，用很小的索力就能很好地控制全拱的应力和变形，而且斜拉扣索力对全拱应力、变形的影响参数可以在现场简单测出来，保证调载计算的精度，调载过程不增加劲性骨架的荷载而是减载，对拱的稳定有利，调载准确、方便、灵活、快捷，成本低，运用环境不受限制，还能调整拱肋永存应力。总之，斜拉扣索调载法特别适用于特大跨径的劲性骨架混凝土拱桥及钢管混凝土拱桥拱肋混凝土连续浇注。此外，还能满足一些特殊需求，如不对称拱或者两拱脚不能对称施工，邕宁邕江桥浇注劲性骨架外包混凝土时，正值汛期，为了不造成洪水淹没，在斜拉桥调载下实现拱脚区段底板、侧板、顶板混凝土同时浇注。

［1］郑皆连.特大跨径RC拱桥悬拼合龙技术的探讨［J］.中国公路学报，1999，12(1):42 －49.ZHENG Jie-lian.Discussion on te chnology of suspending and Connecting for the RC bridge with an unusual big span［J］.China Journal of Highway and Transport，1999，12(1):42 －49.

［2］张佐安.巫山长江大桥拱肋钢管内混凝土施工技术［C］//2004年全国桥梁学术会议论文集.北京:人民交通出版社，2004.

［3］徐凤云.采用“劲性钢骨拱桁架水箱调载分环浇注法“建设宜宾金沙江大桥［C］//四川省公路桥梁建设经验交流会论文集.成都:四川省公路学会，1990.