600 m级劲性骨架拱桥外包混凝土浇筑方案

童加明, 邓年春, 林春姣, 李颢旭, 李长胜, 周大为

(广西大学 a.土木建筑工程学院; b.广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 南宁 530004)

铁路线路跨越山区“U”型或“V”型峡谷时, 由于地形条件的限制, 常常会选择拱桥桥型。目前世界上的最大跨径钢筋混凝土拱桥为沪昆高铁北盘江特大桥，主跨长445 m[1], 尚未突破500 m。 而大跨径的钢筋混凝土拱桥无论悬拼、 悬浇施工都非常困难, 风险大, 不宜突破300 m[2], 且在我国超过300 m的混凝土拱桥, 全是劲性骨架混凝土拱桥[2-3]。铁路选线在方案比选时常遇到桥位控制线位的情况, 因此对更大跨径拱桥的需求日益迫切。

混凝土拱桥自重较大, 尤其随着跨径的增大, 施工也愈加困难, 将大体量混凝土成功形成拱圈， 受力是大跨径混凝土拱桥施工所应考虑的重要问题。国内采用悬臂施工+劲性骨架的组合施工法建成了210 m跨径的夜郎湖大桥[4]， 国外(克罗地亚)采用超高强混凝土(活性粉末混凝土RPC)建成了跨度达432 m的巴卡尔桥[5]。完整的劲性骨架、 分环分段浇筑外包混凝土是中国独创的混凝土拱桥成拱方式, 也是大跨径混凝土拱桥修建的关键技术, 420 m的万县长江大桥、 南盘江特大桥、 北盘江特大桥均采用了分环分段的浇筑方法。张富贵等[6]以昭化嘉陵江大桥为研究对象， 分析了纵向不同分段施工对骨架受力变形的影响。 吴海军等[7]以广安官盛渠特大桥为研究对象, 分析了不同分环方案对结构受力的影响。但还未见不同横向浇筑方案比较报道, 且对于600 m级跨径的拱桥还未有实际的工程案例作为参考, 研究合理的外包混凝土方法对拱桥施工阶段的受力、 变形极其重要。本文采用有限元软件研究不同外包混凝土浇筑方案下, 劲性骨架在施工中的受力与变形, 选定出合理的外包混凝土施工方案, 为600 m级混凝土拱桥拱圈的修建提供参考与借鉴。

1 工程概况

劲性骨架混凝土拱桥为跨越山区峡谷的一种重要桥型, 随着对更大跨径混凝土拱桥需求的增加, 首先要解决将大体量混凝土外包在劲性骨上的问题。 本文以一座千米级悬索桥桥址为背景, 在已建成同类型上承式劲性骨架混凝土拱桥的设计和施工基础上, 初拟600 m劲性骨架混凝土拱桥的设计关键参数： 主拱计算跨径为600 m, 矢高125 m, 矢架跨比1/4.8, 拱轴系数1.8的悬链线。拱桥的设计立面图见图1, 主拱圈采用单箱三室, 变宽度截面, 从拱脚至76 m处, 拱箱宽度由拱脚38 m变化至30 m, 其余部分等宽。拱箱为等高度12 m。等宽与变宽段拱箱截面如图2、 3所示。边箱混凝土均为变厚度, 边底板最厚拱脚110 cm, 拱顶最薄65 cm, 边顶板拱脚最厚90 cm, 拱顶最薄65 cm, 边腹板由拱脚60 cm变至顶板50 cm。中箱室均为等厚度, 中顶、 底板为60 cm, 中腹板为50 cm。弦杆采用Φ850 mm×26 mm等直径、 等厚度的Q420钢管, 腹杆、 平横联主要采用Q345的角钢, 管内混凝土灌注C80混凝土, 外包混凝土采用高强C80混凝土。劲性骨架采用斜拉扣挂体系拼装成拱, 合拢后一次调索至理想线型后拆除扣索, 并按照“内下弦管—外下弦管—内上弦管—外上弦管”的顺序连续浇筑管内混凝土, 形成钢管混凝土拱结构, 外包混凝土分6环多工作面浇筑, 横向将拱圈(拱肋)截面分为6环, 先完成一环混凝土的纵向浇筑待其获得强度参与工作后, 再进行下一环的施工, 直至完成全部外包混凝土。

图1 主桥的立面布置图

图2 拱顶附近等截面

图3 拱脚附近变截面

2 有限元模型

拱桥主拱圈外包混凝土的施工工序利用有限元软件Midas Civil模拟, 建立梁板系有限元模型[8], 该桥模型共建立13 687个单元, 3 026个节点。钢管弦管与管内混凝土采用施工联合截面梁单元模拟; 腹杆及横撑等采用梁单元模拟; 外包混凝土采用板单元模拟, 未达到强度的混凝土湿重以无限小弹性模量的板单元自重的形式施加, 与拱肋梁单元共用节点; 拱脚采用固结约束。各组斜拉扣索以等效节点(大小及方向相同)处的荷载代替扣索索力, 并作用在扣点处。对单元设置结构组与荷载组, 通过“激活与钝化”技术实现外包混凝土的分环多工作面浇筑, 有限元模型见图4。Q420与Q370q钢材弹性模量为2.1×108kN/m2, 容重为78.5 kN/m3, C80混凝土弹性模量为3.8×107kN/m2, 容重为25.0 kN/m3。本文采用此方法对600 m级劲性骨架混凝土拱桥外包混凝土的浇筑进行探讨, 对工作面数、 分段数、 横向分环浇筑顺序进行方案对比, 分析劲性骨架的受力与变形。

图4 600 m拱桥有限元模型

3 外包混凝土浇筑方案分析

由模型分析可知, 下弦管在1/8截面钢管和管内、 上弦管在拱顶处钢管与管内混凝土应力值最大, 且上弦管管内混凝土在拱脚处易出现拉应力, 故选取1/8截面和拱顶截面作为以下方案对比中应力水平控制截面。

3.1 外包混凝土工作面浇筑方案

在劲性骨架成拱的条件下, 通常采用分环多工作面法浇筑外包混凝土, 各工作面又分若干浇筑小段, 采用多套设备在各工作面作业, 对称循环往复浇筑直至完成全部外包混凝土。此方法属于无外力自平衡方法, 虽然能使劲性骨架受力均匀、 有效降低一环混凝土浇筑过程中的瞬时应力, 使变形更加合理, 但也导致了施工缝的大量产生, 增加了施工成本和工期。考虑混凝土拌置和运输能力， 以及多工作面所需要的施工器械因素, 本文在全桥划分20小段的情况下, 模拟四工作面与六工作面两种情况下的浇筑方案, 各工作面按照编号同时浇筑, 不同工作面具体划分方案见图5。

图5 不同工作面划分方案

表1列出了不同工作面下各环浇筑完成后骨架控制截面的应力情况， 比较可知: (1)工作面划分数目不同， 劲性骨架最大压应力位置也不同： 六工作面下, 骨架下弦(1/8截面)受力更大, 四工作面下, 骨架上弦(拱顶截面)受力更大。 (2)六工作面钢管最大压应力为-348 MPa, 管内混凝土最大压应力为-45.7 MPa, 均出现在1/8截面下弦, 管内混凝土已接近C80混凝土抗压强度标准值50.2 MPa, 应力储备水平有限； 斜拉索对特殊位置的截面应力有很好的调整作用, 并在实际工程中得到验证[9], 且经模拟发现， 斜拉索对1/8、 1/4截面的应力调载有限,而对拱脚与拱顶截面有较好的调整能力。(3)四工作面的最大钢管和管内混凝土压应力均出现在拱顶上弦,最大钢管应力与六工作面相当,为-349 MPa, 最大管内混凝土压应力为-42.7 MPa,比六工作面低3.0 MPa,拱脚上缘管内混凝土出现4.71 MPa的拉应力,但拱脚拉应力可通过斜拉索或浇筑顺序得以优化,且考虑混凝土拌置和运输能力以及多工作面所需要的施工器械因素,选取四工作面浇筑。

表1 不同工作面下骨架控制截面应力值

3.2 外包混凝土分段浇筑方案

工作面分段数的不同[11]影响着施工工期及劲性骨架的受力, 在上述四工作面基础上分析3种不同分段数下(每工作面分别为4、 5、 6小段)劲性骨架受力与变形情况, 具体分段方式见图6, 并对3种方案下控制截面的应力与变形进行了分析。

图6 工作面不同分段数示意图

由图7可知, 随着工作面分段数的增加, 拱脚截面下弦管和管内混凝土压应力逐渐减小, 钢管压应力由方案一的-296 MPa减小至方案三的-269 MPa, 管内混凝土压应力由-37.9 MPa减少到-33.1 MPa, 说明单次浇筑量的减少会使拱脚下弦管受力更有利; 但由图8可知, 拱顶截面上弦钢管和管内混凝土压应力水平却有逐渐增加, 变化幅度没有拱脚段变化幅度大, 钢管压应力由方案一的-324 MPa逐渐增加至方案三的-329 MPa, 管内混凝土压应力由方案一的-38.1 MPa逐渐增加至方案三的-39.0 MPa, 综合拱脚与拱顶受力情况, 方案二受力更为合理(横坐标均代表Midas Civil中施工阶段)。

图7 拱脚下弦钢管应力(a)与管内混凝土应力(b)

图8 拱顶上弦钢管应力(a)与管内混凝土应力(b)

由图9可知, 工作面的分段数量并不会引起拱顶挠度的大幅变化, 拱顶挠度变化幅度相近, 但最终下挠量随着分段数的增加略有减小, 由方案一的-697.01 mm逐渐减小至方案三的-681.37 mm。

图9 拱顶截面挠度变化

综合考虑骨架的受力与变形, 方案一拱脚截面下弦管压应力最大, 而拱顶上线管压应力最小; 而方案三拱脚下弦管压应力最小, 拱顶上线管压应力最大, 故采取折中方案, 方案二的拱脚与拱顶的受力更为合理; 另外, 方案二的施工缝数量较方案三更少, 混凝土整体强度较高, 单次浇筑量较方案三更强, 更能缩短施工时长, 故选取方案二的工作面分5小段浇筑。

3.3 外包混凝土横向浇筑方案

已建相似桥梁的浇筑顺序多按横向顺序一的方法, 是将腹板分为上、 下腹板分开浇筑, 本文考虑将腹板一次浇筑, 先浇筑中腹板再浇筑边腹板, 3种具体浇筑顺序方案如表2和图10所示。

图10 不同横向浇筑顺序示意图

表2 不同横向浇筑顺序方案

表3为各方案下劲性骨架控制截面在浇筑各环后的受力情况。随着先行浇筑环的强度形成, 之后浇筑一环的压应力增长量低于前期浇筑环的压应力增长量; 腹板一次浇筑对上下弦压应力水平均有明显改善, 方案三较方案一, 钢管最大压应力由-349 MPa减小为-326 MPa, 减少23 MPa, 降幅达6.6%, 管内混凝土最大压应力由-42.7 MPa减小为-38.5 MPa, 减少4.2 MPa, 降幅达9.8%; 方案一、 三上弦管拱脚管内混凝土出现拉应力, 可通过斜拉索调整, 在s2处施加两组斜拉扣索[9](采用Φ15.24 mm钢绞线, 每组索力值200 kN, 斜拉扣索的刚度小, 在混凝土浇筑过程中引起的索力变化也小, 故假定张拉扣索后的索力不变), 消除浇筑过程中拱脚上弦管内混凝土出现的4.71 MPa拉应力。方案二增加了上弦管拱脚管内混凝土拉应力, 达8.04 MPa。

表3 不同横向浇筑顺序下各环浇筑完成时劲性骨架上下缘最大应力

方案二在第2环浇筑过程中拱顶出现较大的反复挠曲变形(图11), 方案三与方案一拱顶挠度变化趋势相近, 且方案三拱顶最大挠度为-691.67 mm, 方案一拱顶最大挠度-750.75 mm, 减小了59.08 mm, 降幅达7.87%, 可见方案三能有效降低拱顶的下挠量。拱圈截面是分层逐步形成, 后浇的混凝土重量由劲性骨架和先浇部分混凝土共同承担, 边底板是最先形成强度参与受力, 故为各环外包混凝土中受力最大的一环。图12为边底板1/8截面处外包混凝土在施工过程中的应力变化, 方案一最大压应力为-26.1 MPa, 方案二最大压应力为-21.5 MPa, 方案三最大压应力为-22.9 MPa, 方案二、 三外包混凝土应力水平均比方案一较小, 且远低于C80混凝土强度设计值, 较为安全。

图11 拱顶截面挠度变化

图12 边底板混凝土应力变化

3.4 外包混凝土浇筑稳定性分析

劲性骨架拱桥在施工过程中稳定性控制与截面的应力能否满足要求同样重要, 通过大量的工程经验, 国内相关文献认为拱桥施工过程中一阶稳定系数应大于4。本文在分析结构稳定性过程中不考虑结构非线形稳定性, 仅考虑结构的线弹性稳定性问题， 且第1环是整个外包混凝土浇筑最敏感、 稳定性最低的阶段。 图13为拱圈边箱外包底板混凝土施工过程中的线弹性稳定系数, 可见在底板浇筑过程中, 结构的稳定系数均大于4, 满足拱桥施工过程中对稳定性的要求。故从劲性骨架受力与变形、 外包混凝土受力的角度分析, 方案三为更合理的横向浇筑顺序, 且满足施工稳定性的要求。

图13 边底板施工各阶段线弹性稳定系数

4 结 论

本文对600 m级混凝土拱桥外包混凝土的施工方案计算对比分析了不同工作面、 分段数与横向浇筑顺序对劲性骨架受力与变形的影响, 得出较优的外包混凝土方案和以下结论:

1)工作面划分数目不同, 劲性骨架最大压应力位置也不同； 拱顶截面上弦管应力水平与1/8截面下弦管应力水平接近, 也应特殊关注； 四工作面浇筑方案比六工作面最大管内混凝土减小3.0 MPa。

2)随着工作面分段数的增加, 拱脚截面下弦管和管内混凝土压应力逐渐减小; 拱顶截面上弦钢管和管内混凝土压应力水平却有逐渐增加, 但变化幅度没有拱脚段变化幅度大; 最终拱顶下挠量随着分段数的增加略有减小。

3)横向浇筑顺序三相比之前经验的横向浇筑顺序, 对上下弦应力水平均有明显改善, 钢管最大压应力减少25 MPa, 降幅达7.2%, 管内混凝土最大压应力减小4.5 MPa, 降幅达10.5%, 拱顶最大挠度减小59.08 mm, 降幅达7.87%， 达到了较好的优化效果。