大跨度混凝土拱桥关键施工技术及荷载试验

张志伟

(雅砻江流域水电开发有限公司两河口建设管理局,四川 雅江 627450)

0 前 言

两河口水电站坝址区河谷深切，两岸基岩裸露，岸坡陡峭[1-3]，阶地不发育，呈典型的峡谷地貌，施工场地条件较差。对外交通及场内交通条件较差，枢纽工程区及对外交通共设置5座跨江大桥，桥梁主要结构涉及连续刚构桥、拱桥、钢结构钢梁、索道桥等4种结构型式，桥梁结构型式较多，且布置位置，河床地形、地质条件、施工条件均较复杂。如何顺利建设，面临的施工、管理难度较大，目前各桥梁均已完成建设并投入运行。

国内拱桥建设中主要采用现浇混凝土、整体预制旋转、分节预制吊装等施工工艺，其中，分节预制吊装中主要有“单基肋”和“双基肋”合拢方式，需充分结合吊装体重量、现场施工条件、自然环境等因素综合选取。本文结合1号临时桥主拱“单基肋”合拢关键施工技术进行论述。

1 拱桥结构特征

两河口水电站大坝上游1号临时桥为1座横跨雅砻江的大桥[4-5]，属于场内交通中重要通道，为大坝填筑土料运输通道。桥梁采用钢筋混凝土“上承式预制吊装箱型拱桥”结构，桥梁右岸由2跨10.5 m简支空心板、1跨110 m钢筋混凝土箱型拱组成，左岸由3跨10.5 m简支空心板构成，全长共计176 m。设计荷载标准为汽车—80t级，桥面行车道净宽为12 m，上游1号临时桥立面见图1。为建设期临时桥梁，水库蓄水后将进行拆除。

图1 上游1号临时桥立面图 单位：高程，m;其他，cm

2 混凝土拱桥关键施工技术

大坝上游1号临时桥拱箱吊装合拢方式按照“单基肋”合拢松索成拱，利用无支架缆索吊机安装拱箱，其缆索吊机设计及吊装过程中的精准控制为施工难点、重点和创新点。

主拱圈施工方案通过技术、工期、经济比较后，采用预制吊装的方法进行施工[6]。拱桥缆索吊装施工法主要用于预制拱肋施工的拱桥结构，根据拱桥拱肋分段预制情况及最大预制件重量，合理设计缆索起重机的吊装能力，在保证安全的情况下，由缆索起重机先将两拱脚段吊装就位，并用扣索将其固定，再依次吊装其余段并与先吊段对接，直至吊装完毕。

2.1 吊装系统设计

根据大坝上游1号临时桥主拱圈预制分块情况，最重拱箱约73 t，考虑施工荷载等因素，起吊重量按93 t控制。在右岸搭设塔架，吊装索由双组主缆组成，跨度为239 m，沿桥轴线布置1组工作缆。在两岸边坡桥轴线上下游各5 m处分别设置2个最大抗拉力1 000 t的洞锚，用于锚固主索、工作索及压塔索。塔架采用M型万能杆件组合拼装成门式结构，塔顶用I56规格工字钢上、下分配梁作为主索、扣索及工作索鞍支承。主索采用2组6根直径60.5 mm和6根37 mm+1型号钢丝绳，2组主索既有独立功能，又可组合使用。拱箱缆风索采用2根直径19.5 mm钢丝绳。大坝上游1号临时桥吊装系统布置见图2。

图2 大坝上游1号临时桥吊装系统布置示意图

2.2 吊装施工工艺

主拱圈分7个单箱，每肋采用5段预制吊装，钢筋混凝土拱箱单基肋吊装施工工艺为关键施工技术。吊装顺序按两岸、横向对称进行；纵向吊装顺序从拱脚至拱顶，横向吊装顺序按桥的轴线向两侧。拱箱轴线、拱度线型的控制通过对拱箱风缆、扣索张力调整。鉴于雅砻江河谷风速较大，调整时需重点关注风速影响。每道拱肋合拢并进行测量调整后，再对拱箱节段间进行纵横联结，直至所有拱箱节段吊装完成。

(1) 拱箱的吊装工艺

为防止碰撞，控制吊运速度，易缓不易快。各段就位时均应对位平整，不能出现歪扭，轴线按设计要求无偏移。第Ⅰ、Ⅱ段就位后即在各段前端系好扣索、缆风索。Ⅰ、Ⅱ段就位时，通过计算，在接头处预留抬高值，从而保证拱轴线的平滑。

(2) 拱箱合拢

顶段基本就位后，暂不松吊的情况下，按1∶2 的比例缓缓松卸Ⅰ、Ⅱ段的扣索；逐步调整拱箱轴线和接头标高；逐渐使顶段吊索受力减为其重量的30%，此时一片拱箱应处于基本合拢状态。此后，通过在顶板角钢之间继续垫填，并嵌紧钢板不断减小扣索、吊索受力，逐步使全片成拱。最后需拧紧螺栓，将接头垫板和底板角钢的连接板焊接牢固，将缆风索系牢后，拆除吊索。全部拱箱均按上述步骤操作完成，并将连接各箱段接头间的横向连接螺栓拧紧牢固后，解除缆风索。

(3) 主拱圈形成

拱箱吊装完成后，为增强拱圈整体性，采用同标号的混凝土浇筑段间横系梁。在各接头处钢板空隙中填塞环氧树脂将端横隔板封好，然后先进行拱脚处横系梁浇筑，再按照由中间向两边的顺序，依次对称浇筑各段间横系梁。

3 荷载试验

3.1 试验内容

根据JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》相关要求，在桥梁运行前，对桥梁进行了静、动载试验。动载试验包括桥梁动力特性测试和桥梁动力响应测试；分别利用车辆荷载激起桥梁结构的振动测定桥梁动力特性(固有频率、阻尼比)、各种速度汽车激励下桥梁的响应测试、汽车在桥梁特定位置越过障碍物和制动冲击激励下桥梁的响应测试。

3.2 测试截面

为确定桥梁各试验控制截面的准确位置和对应的控制内力与应力，采用桥梁结构分析软件进行建模计算。桥梁结构计算模型立面见图3，桥梁在设计荷载作用下正、负弯矩包络图分别见图4、5。

图3 桥梁计算模型图

图4 汽车使用荷载作用下的正弯矩包络图

图5 汽车使用荷载作用下的负弯矩包络图

3.3 静载试验

主拱肋为钢筋混凝土箱形截面，各测试截面应变测点主要布置在拱脚截面、L/4截面、L/2截面、3L/4截面位置上，其中1号截面布置在右岸拱脚，2号截面布置在L/4处，3号截面布置在L/2处，4号截面布置在3L/4处，5号截面布置在左岸拱脚，均采用粘贴应变片。主拱圈各位移测点主要布置在两侧拱脚、L/4、L/2、3L/4拱轴线上，采用全站仪测量位移值。为保证试验的有效性，根据测试截面的内力与挠度影响线，按最不利位置加载，经过计算，采用9辆450 kN试验车辆，实际重量平均为496 kN。经现场实际检测，所有工况加载效率系数均介于0.95～1.05，主拱结构自振特性测试结果见表1，满足JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》相关要求。

表1 主拱结构自振特性测试结果汇总表

在荷载作用下，全桥各工况测点应力校验系数均小于1，全桥各工况测点挠度校验系数均小于1。残余变形分析引入相对残余变位(或应变)的概念描述结构整体或局部进入塑性工作状态的程度。相对残余变位(或应变)按计算公式如下：

(1)

St=Sl-Si

(2)

Sp=Su-Si

(3)

通过以上公式进行计算得出，在试验荷载作用下，各测试断面卸载后其相对残余变形在YC4-4/1982《大跨径混凝土桥梁的试验方法》规定的20%范围以内，说明结构产生的变形能够得到恢复，表明结构处于线弹工作状态。

3.4 动载试验

根据相关规范及桥梁运行工况，动载试验主要包括脉动试验、无障碍行车试验、跳车试验、制动试验。

(1)桥梁自振特性试验

桥跨结构自振特性计算基频为0.657 Hz，实测基频均为0.68 Hz，见图6。自振特性测试结果见表2。

图6 实测无障碍行车余振频谱图

表2 主拱加载工况的计算弯矩、试验弯矩及相应的荷载效率系数表

(2)跑车试验

在桥面无任何障碍的情况下，用1辆20 t重的加载重车沿被测桥梁中轴线分别以10、20、30 km/h的速度匀速往返通过，测定桥梁结构在移动车辆荷载作用下的动力响应(动应变)。

(3) 跳车试验

跳车试验主要针对主拱2号截面进行，以1辆加载汽车分别以5、10、20 km/h的速度跨越设在2号截面的障碍物(人工制造的三角形木板，高度为7.5 cm，纵桥向宽度为30 cm，横桥向长度为500 cm)，模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应和振幅。

(4) 刹车试验

其基本荷载及作用方法与无障碍行车试验相同，让一辆20 t重的试验车以10、20、30 km/h的速度行驶到桥梁L/2处实施紧急制动，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。

3.5 结 论

(1) 在试验荷载作用下，各控制截面挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数小于1.0，且最大实测挠度小于L/600，试验时结构刚度满足设计要求。

(2) 在试验荷载作用下，各测试截面的测点应变值均小于理论值，应变校验系数小于1.0，试验时结构承载能力满足设计荷载等级的要求。

(3) 位移测试控制截面量测的相对残余变形均满足相关要求，结构处于弹性工作状态。

(4) 试验过程以不同的车速跑车，没有发现动应变急剧增加并在相当长的一段时间内保持很大数值的现象。

(5) 跑车作用下，实测的最大动力放大系数为1.045，其冲击系数小于规范要求。

(6) 跳车试验、刹车试验表明，控制截面的振动加速度反应正常。

综上所述，1号临时桥试验时结构处于弹性工作范围，承载能力满足设计荷载等级标准。

4 结 语

大跨度混凝土拱桥施工工艺复杂、多样，主要有支架现浇施工法、缆索吊装法、平转法、顶推法等，1号临时桥结合现场实际，选用吊装施工工艺，在保障质量、安全的前提下加快了施工进度。在运行前的各项荷载试验中均满足相关规程规范和设计要求。为了长期有效的保持桥梁的整体刚度和稳定的工作性能，在运行中严格按照设计规定的荷载等级要求通行，并定期对桥梁进行检测、维修和养护。