600 m钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱圈混凝土浇筑方案研究

2023-02-15林春姣朱剑宇蓝佳玉肖周强蒋才健

中国铁道科学 2023年1期

林春姣，朱剑宇，蓝佳玉，肖周强，蒋才健

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁 530004）

受线路坡度、地质和环境等多方面因素所限，在云、贵、川、渝、桂等山区和进藏铁路线路上需要跨越大量的长距离高山深壑，这其中相当一部分需要跨越的长距离深壑非常适合修建混凝土拱桥。因此，600 m 及以上跨径混凝土拱桥成为在铁路发展中超大跨径桥梁选型的重要方向之一［1-7］。目前世界上第一座600 m 跨径的公路混凝土拱桥广西龙滩大桥已经在建设中，科研人员也正在开展对600 m及以上跨径的铁路混凝土拱桥的研究。

建造600 m 及以上跨径混凝土拱桥的最大困难在于主拱圈的施工成型［8-10］。结合国内外目前已建成的300～400 m 超大跨径混凝土拱桥的建造方法［11-12］，认为钢管混凝土劲性骨架法是目前能够完成600 m 及以上混凝土主拱圈成拱的主要方法。钢管混凝土劲性骨架法建造混凝土拱桥的关键环节之一是主拱圈外包混凝土的浇筑成型［13-15］。关于劲性骨架主拱圈外包混凝土浇筑的研究，400 m 级跨径的混凝土拱桥已经积累了较好的经验和研究成果，并在实际桥梁中得到成功的应用。比如已建成的最大跨径混凝土拱桥445 m 沪昆铁路北盘江特大桥，416 m 跨径的云桂铁路南盘江特大桥等均为近10 多年来建成的钢管混凝土劲性骨架拱桥。郑皆连［16-17］针对邕宁邕江大桥提出的斜拉扣索辅助分环浇筑法能较好地控制结构应力和变形，提供了拱圈混凝土浇筑新思路。多工作面平衡浇筑法能够较好地平衡劲性骨架受力，较早应用于万县长江大桥，此后在万县大桥六工作面法的基础上提出了四工作面法和八工作面法，部分研究认为四工作面或八工作面可使主拱圈混凝土浇筑过程受力更合理［18-21］。

上述研究成果和相关应用都已经在400 m 级劲性骨架拱桥中得以体现，但当拱桥跨径增大到600 m及以上级别时，外包混凝土的方量急剧增大，相应的浇筑难度剧增。因此，如何在现有施工方法基础上，达到调整劲性骨架应力、安全完成主拱圈混凝土浇筑的目的，是当前此类超大跨径混凝土拱桥发展急需解决的问题。针对400 m 级劲性骨架拱桥的研究结果表明，采用四工作面法浇筑可以在少增加额外调载设备和临时辅助措施的情况下，更好地降低劲性骨架的瞬时应力，满足施工过程受力的要求，而且经济性和施工操作性良好［22-23］，而针对600 m及以上级别拱桥的相关研究尚不充分。

本文对一座600 m 跨径的钢管混凝土劲性骨架铁路拱桥设计提出主拱圈混凝土浇筑方案，并采用有限元软件对其施工全过程进行模拟，研究外包混凝土浇筑过程拱桥的受力和变形，确定该浇筑方案的可行性。

1 600 m拱桥主拱圈设计方案概况

某600 m 跨径的铁路钢管混凝土劲性骨架拱桥设计方案中，初步拟定的主拱圈主要参数为：跨径L为600 m，矢高133.33 m，矢跨比1/4.5，拱轴线为悬链线，拱轴系数1.8，劲性骨架为由钢管混凝土弦杆和型钢腹杆组成的拱桁，钢管混凝土劲性骨架外包混凝土形成拱圈。

主拱圈为单箱三室变宽度截面，在76 m 拱脚段，采用了由38 m 渐变至30 m 的变宽拱箱，其余中段部分等宽；全拱高度不变，为12 m。边箱顶、底板及腹板均为变厚度板，拱脚段边箱底板厚110 cm，拱顶段则为65 cm；拱脚段边箱顶板厚90 cm，拱顶段为65 cm；边箱腹板由拱脚段60 cm 变至拱顶段50 cm；中箱室顶、底板均为等厚度60 cm，中箱腹板50 cm。钢管混凝土劲性骨架的材料和截面尺寸为：弦管为Φ1 100 mm×35 mm等直径、等厚度的Q420 钢管，腹杆、平横联由Q370 的角钢组拼形成；弦管内灌注C80混凝土，外包C60高强混凝土。

主拱圈拱脚和拱顶截面如图1所示。

图1 主拱圈截面（单位：cm）

2 主拱圈混凝土施工方案

2.1 主拱圈混凝土的分环方式、工作面及扣索设置

主拱圈截面分环是劲性骨架混凝土拱桥混凝土浇筑过程中的首要问题［24-27］。将本文单箱三室的主拱圈截面分为6 环：边室底板、下腹板、上腹板、边室顶板、中室底板和中室顶板。主拱圈截面分环及浇筑顺序如图2 所示。此分环和浇筑顺序将两侧边室和中室分别浇筑成环，考虑了弱劲性骨架初期单独承载对尽快增大刚度和承载能力的要求，为后续混凝土的浇筑提供便于操作的平台。

图2 主拱圈截面分环及浇筑顺序示意图

混凝土浇筑工作面的设置是另一重要的问题。工作面设置既是一种施工方法，也是一种调载措施［28-29］。从受力角度，要求有助于降低施工过程中劲性骨架瞬时应力和各环混凝土成型时的永存应力；从施工角度，要求尽量便于进行各个阶段的混凝土浇筑，并尽快贯通纵向一环。经初步分析，设置四工作面可以较好地降低劲性骨架的瞬时应力。根据控制截面应力过程线，本文拟在拱脚和37#截面处各设一个工作面，全拱纵向共设4个工作面。

对于超大跨径的主拱圈混凝土浇筑，斜拉扣索可以作为有效的辅助手段提高调载效果，对拱脚及拱顶截面应力的调控作用比较显著［16-17，21-23］。确定扣点时，尽量选择对控制截面应力有利且不损害其他截面受力的位置。根据拱的受力特性并参考已建成桥梁斜拉扣索的设置［17，21，23］，本文利用主拱圈两端8#截面处空钢管吊装的扣点作为浇筑过程中斜拉扣索的扣点，各设一组横向分4根布置的扣索，用于调整拱脚截面处的超标应力。

主拱圈工作面和斜拉扣索设置如图3所示。

图3 工作面和扣索设置示意图（单位：cm）

2.2 外包混凝土浇筑的施工步骤和扣索索力设置

由于1 环混凝土内各节段浇筑过程中，主拱结构瞬时应力有较大变化。为避免拱脚截面上过快增长的拉应力超过混凝土抗拉强度，首先浇筑第二工作面上的37#—50#截面之间的混凝土节段（混凝土节段编号与劲性骨架对应），这样在拱脚截面上预先储备了一定的压应力，可抵消部分后续增加的拉应力。然后，在第一、二工作面上分别逐段浇筑各混凝土节段。第1环混凝土具体浇筑步骤见表1，后续各环混凝土节段浇筑顺序与第1环相同。

表1 第1环混凝土的浇筑步骤和斜拉扣索设置

采用一组扣索辅助混凝土浇筑过程中的调载，扣索张拉时间和索力大小与混凝土节段浇筑顺序密切配合以控制结构应力和变形。具体调索过程为：按照混凝土浇筑步骤，当第1环边底板浇筑至6#截面时张拉1#扣索，至第4环边顶板混凝土获得强度时松开斜拉扣索。单根索最大扣索索力1 500 kN，主拱圈单侧最大索力6 000 kN。

3 主拱圈混凝土分环浇筑过程有限元分析

3.1 主拱圈有限元模型

根据前述方案建立用于模拟分析主拱圈全拱施工过程的有限元模型，如图4 所示。模型中单元类型有梁单元、板单元和索单元，其中钢管混凝土劲性骨架采用施工阶段联合截面梁单元，腹杆和横撑采用梁单元，外包混凝土采用板单元，吊装缆索和斜拉扣索采用索单元，全拱一共13 687个单元。材料参数均按照相关规范采用，详见表2。主拱圈两端拱脚固结。计算过程中最主要的荷载是混凝土湿重，此外还有施工设备和浇筑模板等正常施工荷载。混凝土湿重作为荷载施加至主拱梁单元上，待获得强度后，再“激活”外包混凝土板。

图4 主拱圈有限元模型示意图

表2 材料参数表

对主拱圈施工全过程进行模拟分析，空钢管架设和管内混凝土灌注按照钢管混凝土拱桥的常规施工方法进行计算。浇筑外包混凝土时，首先将相应节段的混凝土湿重激活作为荷载作用在结构上，计算劲性骨架的应力和变形，然后在外包混凝土获得强度后，激活对应的混凝土板单元，同时钝化混凝土湿重，此时混凝土板成型。按照表1所述施工阶段逐步激活各节段混凝土湿重，即可得到劲性骨架各阶段对应的瞬时应力和变形；激活后的混凝土板成为拱箱的一部分，在计算中与劲性骨架一同承担后续混凝土湿重，从而得到各阶段混凝土湿重产生的应力和变形。如此，直至形成主拱圈。

3.2 第1环混凝土浇筑过程的结构应力和变形

外包混凝土浇筑前，已按照常规方法完成钢管混凝土劲性拱骨架的成型，劲性骨架中的钢管累积了由自重和管内混凝土产生的部分应力和变形，各弦管的管内混凝土也累积有不同的应力。因此，第1 环混凝土浇筑过程的劲性骨架应力和变形是在此基础上按叠加法计算得到。

第1 环混凝土完全依靠劲性骨架承载，结构的应力和变形控制最重要。提取主要控制截面（拱脚、拱顶、L/4 截面和L/8 截面）上危险点（上弦管最上缘和下弦管最下缘）的钢管及管内混凝土在各施工阶段的应力（瞬时应力），以曲线表示瞬时应力随混凝土浇筑过程的变化，如图5 所示。图中，横坐标为与表1对应的施工阶段编号，图例中“下”表示该截面下弦管最下缘点应力、“上”表示该截面上弦管最上缘点应力，应力以受压为正。

由图5 可知：劲性骨架内外弦管在整个过程中的应力变化趋势一致，但最大应力稍有不同，这是主拱截面变宽度所致；在1—17 阶段，L/8 截面的钢管和管内混凝土压应力在各截面中最大，内外弦管钢管最大压应力分别为182 和184 MPa，管内混凝土最大压应力分别为10.3和8.9 MPa；在阶段1—阶段30，拱顶截面管内混凝土产生了拉应力，最大拉应力为0.97 MPa；阶段18和阶段31以后，拱脚截面的压、拉应力在各截面中最大，内外弦管的钢管最大瞬时压应力分别为219 和206 MPa；管内混凝土最大瞬时拉应力为0.97 MPa 和1.97 MPa，最大瞬时压应力为17.6 MPa和13.8 MPa。其余各截面的瞬时应力和永存应力都小于上述值，保持在较低的水平。

图5 劲性骨架控制截面应力曲线

挠度曲线变化可较为直接反映出结构受力下拱轴线变化的情况。提取第1环混凝土过程中各施工阶段拱顶和L/4截面的挠度（以向下为正），如图6所示。由图6 可知：在第1 环混凝土浇筑过程中，拱顶逐步下挠，最后几个节段混凝土浇筑时有小幅度（30 mm）回升，但总体上没有超过浇筑初始的挠度值；L/4 截面也一直很平顺地缓慢下挠，整环混凝土浇筑过程中均显现良好的变形状态；至第1环混凝土浇筑完成时，拱顶挠度为408 mm，L/4挠度为368 mm，相对于外包混凝土浇筑前分别下挠了78 和65 mm。比较拱顶和L/4 截面的挠度变化，可知拱轴线在第1环混凝土浇筑过程中未发生反复变形。

图6 主拱挠度曲线

3.3 外包混凝土浇筑全过程的结构应力和变形

计算得到外包混凝土浇筑全过程的受力和变形后，提取各阶段主拱圈关键截面上劲性骨架应力（表3）和外包混凝土应力（表4—表11）。由于各混凝土板在其成型前的其他环混凝土浇筑中无应力，因此，表4—表11中仅示出各环混凝土成型后的应力。表中应力符号与图5相同。

由表3 可知：至边顶板成型时（此时劲性骨架已被完全包裹在混凝土中），劲性骨架中钢管最大压应力289 MPa，管内混凝土最大压应力28.6 MPa，无拉应力；至全拱成型时，劲性骨架中钢管最大压应力值319 MPa，管内混凝土最大压应力值33.1 MPa，无拉应力。由表4—表11 可知：拱箱底板的应力最大，至边顶板成型时为11.7 MPa，至全拱成型时为14.7 MPa。这是因为底板混凝土最先浇筑，较早开始与劲性骨架一同受力；下腹板也浇筑较早，至全拱成型时最大11.3 MPa；稍后浇筑的上腹板、边顶板和中底板应力处于较低状态，最后浇筑的中顶板应力非常小。

表3 钢管混凝土劲性骨架关键截面环末应力 MPa

表4 关键截面边底板混凝土环末应力 MPa

表5 关键截面外下腹板混凝土环末应力 MPa

表6 关键截面内下腹板混凝土环末应力 MPa

表7 关键截面外上腹板混凝土环末应力 MPa

表9 关键截面边顶板混凝土环末应力 MPa

表10 关键截面中底板混凝土环末应力 MPa

表11 关键截面中顶板混凝土环末应力 MPa

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，在运送及安装阶段，混凝土的容许应力可取0.8 倍混凝土轴心抗压强度，即0.8fc；施工阶段的钢管混凝土劲性骨架，未被外包混凝土包裹的钢管控制应力按照其屈服强度的0.8 倍取值，被外包混凝土包裹后，钢管同时受到内外混凝土的约束，其控制应力按照屈服强度取值。本文主拱圈钢管混凝土劲性骨架中钢管为Q420 钢材，管内混凝土C80，外包混凝土C60，fc=53.5 MPa。对比可知结构中各部分应力均在规范要求以内。

表12 为拱顶和L/4 截面在各环混凝土成型时的挠度，挠度方向与前述相同。由表12 可知：至主拱圈成型时，拱顶和L/4 处分别持续下挠780 和548 mm，相对于外包混凝土浇筑前分别下挠了330和302 mm，拱轴线一直保持较好的变形形态。

表12 浇筑混凝土过程中主拱挠度 mm

本文通过合理设置混凝土浇筑工作面、浇筑顺序和斜拉扣索，将主拱圈结构应力全过程都保持在规范要求范围内。在全拱内设置4个工作面，首先在第二工作面浇筑若干节段混凝土，再同时浇筑第一、第二工作面的混凝土节段，同时，张拉一组斜拉扣索进行辅助调载。上述过程中，第二工作面浇筑混凝土相当于在拱脚截面上预先储备了一定压应力，第一、第二工作面同时浇筑混凝土时，两个工作面上的混凝土湿重对控制截面产生的应力增量互为异号，产生了部分抵消，扣索向上张拉的索力产生了与混凝土湿重反向的作用，也抵消了混凝土湿重产生的部分应力，从而大幅降低拱脚截面的瞬时应力和环末永存应力，使得劲性骨架和各阶段成型的外包混凝土都保持较低的应力，达到将结构应力控制在规范要求范围内的目的。

通过合理设置工作面、混凝土浇筑顺序和斜拉索，还可使拱轴线在混凝土浇筑全过程保持良好的线形。第一工作面上浇筑的混凝土湿重使得拱顶产生向上的挠度，第二工作面上浇筑的混凝土湿重使得拱顶产生下挠，二者部分抵消，避免产生拱顶上冒。同时，在混凝土浇筑初期，主拱圈截面、刚度和承载能力较小的时候，张拉斜拉扣索，以较小的索力使劲性骨架产生较大的变形，至混凝土浇筑后期，拱圈截面和刚度大幅度增大后再放松扣索，此时相同索力产生的反向变形已大为降低，最大化实现索力的效应。

由上述分析可知，本文600 m 跨径劲性骨架拱桥主拱圈混凝土浇筑方案中，通过合理设置工作面、浇筑节段长度，以斜拉扣索辅助，可安全完成劲性骨架主拱圈外包混凝土的浇筑。