沙坨特大桥设计与施工

2020-08-27叶洪平刘建军韦定超

公路交通技术 2020年4期

叶洪平，杨健，刘建军，韦定超

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081)

钢筋混凝土拱桥具有跨越能力强、造价低、养护简便等优点，但推广应用受限于其施工工艺，目前该类桥施工工艺主要有：支架现浇、劲性骨架外包混凝土、节段吊装及转体施工。1966年，克罗地亚采用悬臂浇筑法建成了主跨246 m的Sibenik大桥[1]，该施工工艺发展至今，已成为修建同类型大跨径混凝土拱桥的经典。

2008年，我国首次采用斜拉扣挂悬臂浇筑法建成了四川西昌至攀枝花高速公路白沙沟Ⅰ号钢筋混凝土拱桥；随后在贵州，2013年建成了跨径165 m的木蓬大桥、2015年建成了主跨180 m的马蹄河大桥、2018年建成了跨径210 m的夜郎湖大桥[2]。

贵州省92.5%的面积为山地和丘陵，地形环境决定了施工时运输极其困难，这为采用斜拉扣挂悬臂浇筑法修建钢筋混凝土拱桥创造了客观条件[3]。

1 工程概况

沙坨特大桥位于贵州沿河县沙坨水电站大坝上游800 m附近，2015年开工建设，2019年竣工。大桥主跨跨越乌江，桥型布置为6×30 m T梁+240 m钢筋混凝土拱+6×30 m T梁，如图1所示。

单位：cm

2 主桥结构设计

桥型设计方案初期对主跨240 m上承式钢筋混凝土拱桥和主跨250 m中承式钢管拱桥2种结构型式进行比选。综合考虑结构耐久、施工方便、经济合理等因素，最终桥位选择主跨240 m上承式钢筋混凝土拱桥，采用悬臂浇筑施工工艺[4]。

2.1 主桥结构特点及创新

悬臂浇筑结合了连续刚构桥的悬臂挂篮浇筑与斜拉桥的斜拉扣挂2种施工工艺，其重点和难点在于悬臂浇筑系统的锚固与调索，为降低施工难度和风险，减少了拱桥的最大悬臂浇筑长度及节段浇筑重量[5]。为此，大桥设计时对主拱圈的截面形式、截面尺寸、拱圈节段划分与拱上建筑等设计要点进行了详细研究，主要设计特点及创新如下：

1) 主拱圈采用C60高性能混凝土

针对钢筋混凝土拱桥自重大的特点，主拱圈选用了C60高性能混凝土，既能满足结构受力安全又能减轻结构自重，并可降低悬浇拱圈的施工难度。

2) 主拱圈截面形式及尺寸的确定

本桥主跨240 m，是国内钢筋混凝土拱桥中跨径之最，而此类拱桥拱圈结构的纵、横向刚度须同时满足受力需求，以确保拱圈结构施工及大桥运营阶段的安全。其中主拱圈的结构尺寸既要满足受力需要，又要做到结构轻型化，以降低施工风险，确保安全[6]。拱圈截面形式及尺寸拟定时参考了国内外悬浇拱桥的设计及建造经验，同时通过大量研究与验算后，确定为单箱双室，箱高4.5 m，箱宽10 m[7]。

3) 拱上建筑与拱圈节段划分

拱圈节段的划分主要由拱圈横隔板布置及悬臂状况下受力状况所控。为满足受力需要，在每个拱圈扣索锚固处设置了横隔板以增强锚固处的结构刚度，但横隔板的位置需由拱上立柱的位置确定。拱上立柱布置间距过大会导致拱圈节段划分过长、节段太重，这将增加悬臂浇筑施工风险及措施费用，同时悬臂浇筑过程中主拱圈的变形及应力控制难度也会相应增大，易导致施工过程中拱圈开裂。反之，拱圈节段划分太短，节段数量增多，将导致拱圈上的扣索过多，增加施工周期、难度及风险。因此对拱圈节段划分及立柱布置需结合各项指标进行综合考虑。本桥拱上立柱间距为13.2 m，每道立柱间设置一道横隔板，将拱圈节段最大悬臂浇筑重量控制在267 t，并将最重的浇筑节段放置最前端，后面节段重量逐渐变小(267 t递减至185 t)，这样对悬臂浇筑施工更为有利。本桥主拱圈共有37个节段：1号、19号选择支架现浇，2～18号、20～36号采用悬臂浇筑，37号为跨中合龙段，节段划分如图2所示。

图2 主拱圈节段划分

4) 拱上建筑采用大悬臂排架

沙坨特大桥桥面宽20 m，如采用拱圈分幅设计，造价高昂，通过大量分析与验算后拱上建筑采用大悬臂排架结构，在满足使用功能及结构受力的同时，大大节约了工程造价。

2.2 主拱圈结构设计

本桥主拱圈为240 m上承式钢筋混凝土拱，采用单箱双室截面，箱宽10 m、高4.5 m。悬链线拱轴线系数m=1.85，矢高f=40 m，矢跨比为1/6。拱圈截面尺寸如表1所示。

表1 拱圈截面尺寸 cm

主拱圈主要截面如图3所示。

(a) 拱脚处断面

(b) 标准断面

2.3 拱上建筑结构设计

拱上立柱为双方柱式排架，排架盖梁为预应力混凝土；腹孔选择桥面连续简支空心板梁结构以减弱主拱圈与拱上建筑的联合作用，使主拱圈受力更为简单明确。其结构断面布置如图4所示。

单位：cm

3 施工关键技术

主拱圈普通节段采用斜拉扣挂悬臂浇筑法施工，主拱圈施工工艺介绍如下：

1) 支架现浇起拱节段。主拱圈1号、19号节段分别是拱圈在乌江西岸和东岸的起步段，可采用支架现浇或斜拉扣挂进行施工。本桥主拱圈拱座位置具有良好的施工平台，因此1号、19号节段采用支架现浇。

2) 斜拉扣挂悬臂浇筑主拱对称节段。主拱圈2～18号、20～36号节段，选择斜拉扣挂进行悬臂浇筑。在拱圈顶板、腹板及横隔板三向夹角处设置锚块，扣索锚固在锚块上，确保扣索受力安全可靠，后锚系统结合现场地质情况采用重力锚与岩锚相结合的方法[8]。主拱圈斜拉扣挂施工如图5所示。

图5 主拱圈施工示意

缆索吊主索采用3根直径52 mm的钢丝绳，最大吊装重量50 t；扣塔采用Q345B钢材，钢管型号为 1 020×18 mm，扣索采用Φs15.2 mm的预应力钢绞线，型号为15-31，抗拉强度为1 860 MPa。

3) 拱圈截面中创新性地配置预应力。采取该措施大幅度降低了主拱圈在各施工阶段下的最大拉应力，避免了施工过程中主拱圈顶(底)板混凝土拉应力过大，大幅提高了拱圈结构受力安全储备，有效降低了拱圈截面施工控制难度，并减小了拱圈截面开裂风险[9]。

4) 首次整体安装主拱圈钢筋。即直接将预先绑扎好的箱梁钢筋笼段直接吊装到相应位置。这种全新钢筋安装工艺，既保证了钢筋吊装过程的安全性，又能更好地提高钢筋安装精度，同时又加快了施工进度，降低了施工难度。主拱圈钢筋节段整体吊装如图6所示。

图6 主拱圈钢筋整体吊装

4 结构计算

4.1 有限元模型及计算参数

本桥分别采用有限元程序桥梁博士V3.5、Midas/Civil进行总体计算。有限元模型如图7所示。

图7 结构有限元模型

主要计算参数取值：1) 恒载：结构恒载包括主拱圈、拱上建筑、墩身、桥面铺装、护栏等材料重量。其中拱圈及拱上建筑、桥面铺装的混凝土重力密度分别取值为26.0 kN/m3、24 kN/m3；2) 活载：公路-Ⅰ级汽车荷载，偏载系数1.15。汽车制动力着力点为桥面，按JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》计算其数值；3) 温度：合龙温度10 ℃～20 ℃，体系升、降温度分别取值为24 ℃、20 ℃[10]。

4.2 计算结果与分析

采用悬臂浇筑法施工的大跨径钢筋混凝土拱桥，其静力计算应包括主拱圈施工阶段及成桥阶段。

1) 施工阶段拱圈。悬臂浇筑中通过索力控制主拱圈的应力状态，理论上可通过多次调整扣锚索索力，使主拱圈悬浇时全截面保持受压。实际上，为避免多次调索带来的施工风险，采取在减少调整索力次数的同时将拱圈应力状况控制在合理范围内，主拱圈部分悬臂浇筑施工阶段应力如图8所示，本桥通过少量调索结合松索，将主拱圈最大拉应力控制在1.5 MPa以内[11]。

(a) 浇筑16号块拱圈应力

(b) 浇筑18号块拱圈应力

2) 施工阶段扣挂系统。悬臂施工过程中各节段施工索力及塔架钢管受力交替变化，拱圈悬臂浇筑11号节段扣锚索张拉时索力如表2所示，扣塔应力为70 MPa，拱圈浇筑11号节段时为控制拱圈节段拉应力，将1#、2#、3#扣锚索松索[12]。

表2 拱圈悬臂施工索力 kN

根据施工过程的实测数据，拱圈悬臂浇筑施工过程中扣塔最大应力86 MPa，扣塔顶最大偏位1.8 cm，扣索最大应力468 MPa，各项指标均满足规范要求[13-14]。

3) 运营阶段主拱圈。主拱圈截面运营阶段上下缘应力分布均匀，如图9所示，拱脚附近最大压应力17.1 MPa，拱圈具有较高承载能力。

单位：MPa

4) 稳定性验算。主拱圈1/24的宽跨比小于规范对混凝土拱桥要求验算稳定性的限值1/20，应对主拱圈各阶段进行稳定性验算。稳定性验算分析主要采用弹性屈曲方法，选取最不利状态(拱圈最大悬臂浇筑状态、成桥后运营状态)进行分析。失稳模态如图10所示。由图10可知：(1) 悬臂浇筑状态下，拱圈一阶最大稳定系数达到24，表现为扣塔失稳，在斜拉扣挂体系下拱圈具有较好的稳定性；(2) 运营阶段，拱圈一阶稳定系数7.4，表现为拱上排架面内失稳。以线弹性稳定理论为基础进行分析，桥梁结构整体稳定性满足受力要求[15]。