连续拱桥主拱圈单跨施工桥墩抗推体系研究

田小路

(中铁十六局集团第四工程有限公司，北京市 100000)

连续拱桥作为一种造型美观的桥梁形式，易与周边景观相协调，是城市桥梁最常用的桥型之一。多跨连续拱桥建设中，多跨同时施工往往存在一次投资较大、材料不易周转、落架困难等问题，既不经济又不安全。连续拱桥单跨施工可以解决上述问题，但产生的水平推力将传递给墩台。为防止单跨施工影响墩台的安全，传统做法是将桥墩设计成制动墩来抵抗水平推力，该文介绍在不设置制动墩的情况下，主拱圈单跨施工的解决方案。

1 工程概况

龙冲清水河大桥坐落于有“高原桥都”之称的贵州省黔南布依族苗族自治州州府都匀，跨越清水河。为彰显城市风貌，该桥采用景观效果较好的上承式钢筋混凝土连拱结构(图1)，桥梁全长196 m。桥宽40 m，分左右双幅，单幅宽18.75 m，中央分隔带宽2.5 m。

图1 龙冲清水河大桥效果图全景

主拱圈为等厚度的钢筋混凝土板拱结构，标准板厚0.7 m，单幅宽18.7 m，采用C40混凝土，单跨主拱圈混凝土理论用量为580 m3。主拱圈计算跨径为30 m，矢跨比为1/6，主拱圈理论拱轴线采用悬链线。

桥墩采用矩形断面倒圆角的墙式实体墩，墩身宽18.7 m、厚2.0 m，桥墩承台厚2.0 m。桥墩桩基采用8根直径1.3 m钻孔灌注桩基础，分2排布置，横桥向桩间距为3.5 m，纵桥向桩间距为5.7 m。

桥台采用重力式桥台，背墙台前侧为阶梯状，承接边跨主拱、腹拱，台后侧按1∶4放坡。桥台基础采用扩大基础，桥台基础厚2.5 m，台后设止推板。

2 主拱圈施工方案比选

连续拱桥主拱圈多跨同时施工，模板支架一次投入量大，重复利用率低，成本较高；主拱圈混凝土浇筑完成后，多跨一次性落架困难。主拱圈单跨施工可以实现流水作业，能够大大减少模板支架等周转材料的投入，施工成本能够得到有效控制；主拱圈混凝土浇筑完成后，单跨可以实现落架，但按照此种方法施工，应考虑水平推力对桥墩的影响，特别是桥墩不是按制动墩设计时，桥墩的受力需要进行详细计算。

拱桥主拱圈支架法现浇分为整体现浇和分段现浇两种施工工艺。根据文献[1]的规定，主拱圈整体现浇和分段现浇的分界点为跨径16 m。当主拱圈跨径小于16 m时，采用整体浇筑的办法进行施工；当主拱圈跨径大于或等于16 m时，或受力较为复杂时，采用分段浇筑的办法进行施工。

根据龙冲清水河大桥的设计情况，经过综合考虑，该桥决定采用单跨分段、对称浇筑的施工方案。

3 主拱圈施工方案

龙冲清水河大桥主拱圈采用支架法现浇施工。总体施工顺序是先施工西岸左幅边跨，之后向东岸逐跨推进施工。左幅施工完成后，右幅由东岸向西岸逐跨施工。支架预压完毕后方可进行主拱圈模板安装及钢筋绑扎，单跨主拱圈混凝土纵向分成4段，由两侧拱脚对称向拱顶浇筑，并在分段之间设置1 m宽合龙段，具体分段情况见图2。

图2 主拱圈单跨分段浇筑示意图(单位：cm)

单跨主拱圈混凝土浇筑顺序如下：

(1) 对称浇筑主拱圈混凝土第一节段，每节段水平投影长度700 cm。

(2) 对称浇筑主拱圈跨中两节段混凝土，每节段水平投影长度650 cm。

(3) 对称浇筑主拱圈拱腰间隔槽混凝土，水平投影长度100 cm。

(4) 浇筑主拱圈拱顶间隔槽混凝土，水平投影长度100 cm。

4 抗推体系设计

4.1 桥墩抗推体系确定

主拱圈单跨施工过程中，会对墩台产生竖直及水平方向的作用力，竖直方向的作用力由墩台承受，水平方向的作用力则需采取特殊措施进行平衡，设置抗推制动墩、传力板和体外预应力索是常用的方法。

龙冲清水河大桥桥台抗推设计比较保守，采用重力式桥台+扩大基础+台后止推板的方式抵抗拱脚推力。桥墩虽未按制动墩进行设计，但采用了双排桩基础，提高了桥墩的抗推刚度，也具有一定的抗推能力。通过对桥墩受力特点详细分析，最终确定在墩台间设置纵向临时系杆来抵消单跨主拱圈施工对桥墩的水平推力。

4.2 桥墩抗推体系计算

4.2.1 水平推力计算

为确定主拱圈单跨施工时产生的水平推力，选取一跨主拱圈(30 m)建立模型。经过工况分析，在主拱圈支架落架后，桥墩承受的水平推力最大。运用有限元软件Ansys建立单跨主拱圈的实体模型，混凝土采用实体单元(Solid65)模拟，共划分为1 179个单元，3 854个节点，两端拱脚位置固结，受力仅考虑主拱圈自重。主拱圈有限元实体模型如图3所示。

图3 主拱圈有限元实体模型

提取主拱圈一侧约束反力(右侧)，得到拱脚处产生的最大竖向力为6 960 kN，最大水平推力为8 593 kN。

4.2.2 临时系杆计算

由表1可以推算：在主拱圈支架落架后，精轧螺纹钢筋需承受的最大拉力为586.2 kN，未超过667.5 kN，有一定的安全储备，满足施工要求。

表1 节点反力

5 临时系杆施工

(1) 临时系杆安装

精轧螺纹钢筋单根定尺长度为9 m，临时系杆需分段安装，中间接头采用YGL-32连接器连接。在墩身混凝土浇筑前，根据精轧螺纹钢筋位置预埋PVC管道及锚垫板。

临时系杆是施工阶段结构安全的保证，受力大且工作时间较长。在施工过程中，为减少精轧螺纹钢筋的损伤，安装前将精轧螺纹钢筋套入到钢管中予以保护。主拱圈支架拆除时，保留部分支架支撑临时系杆。

(2) 临时系杆紧固

主拱圈的总体施工顺序宜选择在边跨开始，临时系杆的一端预埋在桥台混凝土里，另一端固定在桥墩上。为了消除非弹性变形，对临时系杆在桥墩侧进行单向初张拉，张拉力为50 kN。张拉顺序从中间两根开始，之后向两侧对称同步进行。边跨主拱圈施工完毕后，下一跨的临时系杆用连接器进行接长，之后重复上述步骤直到最后一跨施工前。最后一跨主拱圈施工产生的水平推力由桥台承受，中间无需设置临时系杆。

(3) 临时系杆放张与拆除

连续拱桥主拱圈全部施工完成后，临时系杆的放张采用千斤顶对称同步放张的方式。临时系杆完全拆除后，墩身上的孔道用留有压浆孔的钢板与预埋的锚垫板焊接密封，然后压入不低于墩身混凝土强度的水泥浆。

6 施工监测

6.1 桥墩监测

主拱圈施工期间，对每个桥墩的状态采用自动化连续监测。选择桥墩倾角作为自动监测项目，采用双轴倾角仪监测桥墩横桥向以及顺桥向倾角的变化，倾角仪安装在墩顶与墩底(图4)，每个桥墩安装8个。为提高数据的准确性，对每个传感器安装温度测点，对实测数据进行温度补偿。现场设置采集站对传感器的采集及传输进行控制，数据通过无线传输技术，经由公共互联网由远程数据服务器进行存储与管理。

图4 倾角仪布置示意图

实测数据显示：连续拱桥在单跨施工过程中，最大倾角变化发生在顺桥向的顶部，其值换算成水平位移为4.2 mm，表明临时系杆发挥了抵抗推力的作用，减少了桥墩的顺桥向变形，同时也表明单跨拱圈混凝土对称浇筑的施工方案得到很好的执行，减少了桥墩的横桥向变形。

6.2 临时系杆监测

在桥墩张拉侧安装压力传感器进行临时系杆的张拉力监测，监测设备采用JMZX-3106智能弦式数码压力传感器及配套的JMZX-2006综合测试仪。由于监测点位密集，选择边跨测试结果进行临时系杆张拉力的监测和数据统计分析。工况分为初张拉、边跨主拱圈施工完毕后、次边跨主拱圈施工完毕后3个阶段，具体结果见表2。

从表2可以看出：边跨主拱圈对桥墩的水平推力由纵向临时系杆来承受，但张拉力值与表1相比明显偏小，说明桥墩也具有一定的抗推能力。次边跨主拱圈施工完毕后，压力传感器显示临时系杆张拉力基本回到初张拉时的力值，说明次边跨主拱圈对桥墩的水平推力由临时系杆传递到下一个桥墩张拉端，边跨桥墩处于平衡状态。

表2 临时系杆张拉力

7 其他注意事项

(1) 主拱圈浇筑前，桥台后填土要求完成100%(包括止推板上填土)，桥台后填土用山场碎石和山场碎石土分层夯实，每层厚度30 cm，应严格控制填筑速率，填土密实度要求≥96%。

(2) 主拱圈的线形为悬链线，单侧每个部位的坡度不一样，所以对混凝土的性能要求也不同。混凝土中的水泥应选用水化热较小的水泥，并添加防止收缩的掺和料，同时优化混凝土的配合比，以满足施工时混凝土的坍落度和扩散度要求。

(3) 主拱圈混凝土在浇筑及振捣时，会顺着底板而下滑。为了保证主拱圈的浇筑质量及外形尺寸，在主拱圈的设计截面顶面，根据斜率变化间隔设置压板。待混凝土浇筑完压板部位后，及时进行混凝土表面整平。应保证拱圈浇筑的连续性，避免形成冷缝，导致混凝土的整体性及局部强度降低。

(4) 跨中合龙段混凝土选择在当天最低气温，并且气温正在回升时浇筑。合龙段底模应在最后铺设，以避免底模产生波浪状变形。

(5) 主拱圈养护完成后按照少量、对称的原则拆除支架，先从每跨中间拆除→再从每跨1/4处拆除→最后拆除每跨支点支架，随后支架移至下一跨处，准备该跨主拱圈的施工。

8 结语

多跨连续拱桥在没有设置制动墩的情况下，通过在墩台间设置临时系杆，抵消了主拱圈单跨施工时产生的水平推力，使全桥得以单跨逐跨施工，实现了支架的多次周转。龙冲清水河大桥采用该方法进行主拱圈施工，只投入了3跨支架，与原施工方案相比，节约成本205.43万元，产生了可观的经济效益，同时也对以后设计和施工连续拱桥具有很好的借鉴意义，社会效益显著。