悬浇钢筋混凝土拱桥在跨水库桥梁工程中的应用前景探讨

陈 强，杜洪亮

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

水电站一般建于高山峡谷深处，在水库形成前，其地形多呈深切“V”形谷、峡谷地形；水库形成后，水库上游形成平湖，其湖面桥址为跨水库宽水面，水面宽100～300 m，水深100～200 m，梁桥不再是唯一选择，此跨径斜拉桥和悬索桥优势不明显，对于这些桥址，拱桥有着不可取代的优势。虽然钢管混凝土拱桥、钢拱桥和钢筋混凝土拱桥均是合适的桥梁结构，但从全寿命设计角度看，钢管混凝土拱桥和钢拱桥用钢量大、后期维护费用较高，而钢筋混凝土拱桥养护费用低，尤其适用于经济欠发达的山区[1]。虽然缆索吊装法降低了施工装备要求，但由于人为将拱圈划分为若干拱肋再组拼，致使主拱圈整体性差、各片拱肋受力不均匀，暴露出了不少病害和耐久性的问题。悬臂浇筑施工的拱圈具有外形美观、整体性好及不阻碍通航等优势，当拱桥跨度较大时，可以综合运用悬臂浇筑和劲性骨架法施工，从而降低对拱圈悬浇阶段的扣锚系统要求，而且该方法用钢量省、主拱合龙时间早，既提高了悬臂浇筑的安全性，又充分发挥了两种施工方法的优势。

随着我国交通事业的蓬勃发展，今后一定时期内，铁路、公路、管道等横跨水库的需求将越来越大，库区桥梁中拱圈悬臂浇筑法的应用前景巨大。

2 悬浇拱桥设计

悬臂浇筑的拱圈在施工过程中相当于一个受到许多弹性节点支承的悬臂曲梁，其锚固体系主要是桥台、桥墩承台等基础，以此来平衡扣索力。

随着拱圈跨度的增加，扣锚索的索力会不断增大，拱圈上锚块的局部应力增大，需要强大的地锚系统。因此，为了改善拱圈的受力，需要增加拱圈的截面尺寸，这便会引起一系列的技术难题。目前世界上最大的悬臂浇筑拱桥为美国的胡佛水坝大桥，主拱跨度323 m[2-4](见图1～2)；而国内最大的悬浇拱桥为贵州沙坨特大桥，该桥主拱跨度240 m(见图3)。综合施工技术以及建设成本，悬浇拱桥的跨度在100～300 m左右较为合适。悬浇拱桥仅主拱圈在施工过程中与传统钢筋混凝土拱桥存在差异，对于拱上立柱、垫梁及桥面系的设计按常规方法设计即可，本文主要阐述悬浇拱圈与普通钢筋混凝土拱桥拱圈设计的不同之处。

图1 悬浇中的胡佛水坝大桥

2.1 拱圈悬浇节段的划分

悬浇拱桥拱圈节段划分受多种因素制约，拱圈悬浇节段不宜过长或过短。过长会导致悬浇节段的重量增加，引起挂篮设计成本增加，并且施工过程中拱圈应力难以控制，易使拉应力超标；过短会增加悬浇次数，使扣索布置更加密集，也会使扣索在扣塔上的锚固端设计更加复杂。拱圈节段划分可根据以往的工程实例进行划分，通过扣锚索的布置，合理优化施工阶段扣锚索的初张力，使拱圈的线形及应力满足要求。

一般悬浇节段悬臂端需要设置横隔板来分散扣索的集中力，保证施工过程中拱圈的局部稳定性，当横隔板位置处设置拱上立柱时，其厚度需要增加，以分散拱圈合龙后拱上建筑传来的力[5]。

图2 成桥后的胡佛水坝大桥 图3 悬浇中的沙坨特大桥

2.2 拱圈扣锚索布置

国内常见的拱桥拱圈扣索布置多为星式和扇形(见图4～5)，根据地形及部跨方式，并结合悬浇节段分段线及横隔板位置布置。扣索在拱圈上的锚固可分别锚固在拱圈底板和顶板上(见图6～7)，两者分别在四川白沙沟1号桥和贵州海马大桥有所应用。锚固在拱圈顶板，施工过程中腹板将产生拉应力，对腹板不利；锚固在拱圈底板，腹板受压，对腹板有利；当然，设计者也可以通过合理的钢筋布设使得两种拱圈上的锚固方式都可行。锚固处因承受着巨大的集中力，需要设置加强锚块(见图8)，锚块设计需要根据扣索力的大小和有限元实体分析确定。

图4 星式扣索布置 图5 扇形扣索布置

图6 锚固在拱圈底板 图7 锚固在拱圈顶板

锚索的布置需要结合扣索的布置以及布跨时桥台、承台的位置确定，以平衡扣索传来的水平分力，其锚点一般穿过桥台、承台，锚固于该构造物远离跨中的一侧(见图9)。

2.3 施工索力优化

悬浇拱桥设计难度是扣锚索力求解，只有扣锚索力有解，才代表拱圈节段的划分以及扣锚索系统布置是合理的。目前有许多成熟优化理论在工程上得以应用，如零位移法、零弯矩法、最小弯曲能量法、应力平衡法等。随着悬浇拱桥跨度的增加，施工索力优化的难度也会增加，施工过程中必定会出现扣锚索拆除、分级张拉、分层浇筑的情况，甚至出现扣

图8 拱圈加强锚块施工示意

图9 锚索地锚布置

锚索二次张拉等复杂工序。

所有的索力优化都是为了满足拱圈施工过程中的控制目标，即：拱圈截面应力、线形和扣塔偏位满足要求。设计人员可通过ANSYS的优化模块进行二次开发，或者通过MATLAB的优化工具箱设定目标函数、约束条件求解优化问题，求得施工索力。

3 悬浇拱桥的施工

3.1 挂 篮

拱圈悬浇施工过程中，挂篮是极其重要的临时设备，早期出现的桁架挂篮(见图10)在克罗地亚Meslanica桥和日本宇佐川大桥中得到应用。第二种便是三角挂篮(见图11)，此种形式挂篮在美国胡佛水坝大桥、贵州夜郎湖大桥等得到应用。第三种便是倒三角挂篮(见图12)，在四川白沙沟1号桥等桥梁中得到应用。挂篮设计是施工中一大难点，需施工单位结合设计单位图纸设计出用于悬浇的临时挂篮。

3.2 扣塔系统

国内的扣塔系统通常由交界墩和置于交界墩上的临时钢塔(见图13)组成，扣塔与交界墩顶固结，扣锚索通过锚箱(见图14)与扣塔共同作用实现传力。设计单位通常给出扣锚索的布置样式之后，施工单位结合已经拥有的物资对扣塔进行设计，在满足结构安全的同时，降低施工成本。

图10 桁架挂篮(单位：mm)

图11 三角挂篮

图12 倒三角挂篮(单位：mm)

图13 扣塔 图14 锚箱

3.3 悬浇钢筋混凝土施工步骤

悬浇钢筋混凝土拱桥施工主要按照以下步骤进行：

(1)基础、拱座及交界墩施工；

(2)扣塔安装及支架现浇段支架安装；

(3)支架预压，1号节段混凝土浇筑；

(4)达到设计强度，张拉1号节段扣锚索索力，并拆除支架；

(5)安装挂篮，挂篮荷载试验；

(6)安装模板、绑扎2号节段钢筋浇筑2号节段混凝土；

(7)达到设计强度，张拉2号扣锚索索力；

(8)高程及应力满足要求后，行走挂篮；

(9)重复步骤(6)～(8)，直至拱圈合龙；

(10)拆除扣锚索；

(11)施工拱上立柱；

(12)架梁；

(13)二期铺装。

4 悬浇拱桥的优越性

悬浇拱桥在一定跨度范围内充分体现了其竞争能力，国内学者[6]曾在同一桥位布置主跨210 m悬浇拱桥、主跨210 m钢管混凝土拱桥以及主跨180 m连续钢构进行对比分析，结果见表1。

通过比较得出如下结论：

(1)拱圈悬浇技术在国内已经趋于成熟，技术上先进可行；

(2)在一定跨度范围内，悬浇拱桥工程投资低，从全生命周期看其维护费用少；

(3)悬浇拱桥工期适中，与环境协调；

(4)悬浇拱桥在合适的库区峡谷地形或库区平湖地形经济适用。

5 悬浇拱桥发展趋势

世界各国的钢筋混凝土拱桥飞速发展，中国位居第一，日本和克罗地亚分列第二和第三位，有学者提出了千米级混凝土拱桥的研究。钢筋混凝土拱桥的发展推动悬浇拱桥的发展，美国、克罗地亚、日本、南非、德国等国家都开展过悬浇拱桥的建设。近十年来，悬浇拱桥在国内遍地开花，四川、贵州及重庆先后修建十余座悬浇拱桥，跨度刷新至240 m，施工方法也从悬臂浇筑法过渡至组合施工法(悬臂浇筑法和劲性骨架组合施工)，可见悬浇拱桥发展迅猛，在特定的地理环境中有着不可取代的优势。

库区交通在运营养护阶段，人迹罕至。在蓄水前，基本上是深切的山区峡谷地形；蓄水后形成高山平湖，设备物料难以供应。因此，在此地形上选择一种后期运行简单、维护费用少，并能与峡谷地形相辅相成的桥型尤为重要。拱圈悬浇施工便能很好地与此种条件契合，库区桥梁中悬浇拱桥可成为一种新的选择。

表1 方案对比

6 结 语

本文介绍了悬浇拱桥在设计上的重难点，论证了悬浇拱桥的技术适用性及经济适用性，认为悬浇拱桥在库区应用是可行的。目前贵州赤望高速上的普定水电站库区范围内的夜郎湖大桥、美国胡佛水坝库区的胡佛水坝大桥均在水电站库区范围内修建。悬浇施工的钢筋混凝土拱桥在施工过程中，其技术难度较为复杂，但整体性好、后期维护费用低、抗震性能优良是其重要优势，应用前景广阔。悬浇拱桥在库区修建还应做到如下几点：

(1)库区地质复杂，拱座基础开挖应制定合理支护方案，确保拱座附近边坡稳定。

(2)锚碇系统承受巨大拉拔力，库区地质若不能采用重力式基础平衡时，需要设置锚桩等其他措施来平衡此力，从而满足抗滑移、抗倾覆及抗拔要求。

(3)库区桥位若风速较大，需做抗风验算，必要时还需做风洞试验，确保施工及运营期间结构安全。

(4)库区桥梁为重要永久性结构，需进行抗震设计，确保地震时结构安全可靠。

(5)需针对此种桥梁制定合适的监控方案，从结构应力及位移两种数据判定结构施工中的安全性，数据异常时需制定合理应急方案以确保结构安全。

(6)悬浇拱桥浇筑周期越长，风险越高，库区施工现场的物、机、料必须充足及时供应，尽早实现主拱合龙，避免施工中的不确定性。