悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥施工扣索索力控制

王丰华

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)

悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥施工扣索索力控制

王丰华

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：斜拉扣挂系统施工的大跨度钢筋混凝土拱桥索力确定通常分为拱圈施工阶段索力调整及合龙前2次调索2个步骤，而2次调索需在初始索力及拆索顺序确定后才能进行。以涪陵乌江大桥复线桥为工程背景，进行该类拱桥悬臂状态下索力初调及合龙前2次调索，斜拉扣挂施工中索力控制方法对同类型桥梁的设计计算具有一定的参考意义。

关键词：悬臂浇筑拱桥；悬臂状态索力；合龙前索力优化

采用斜拉扣挂悬臂浇筑方法施工的大跨度钢筋混凝土拱桥由于其整体性好、拱圈成桥线形易于控制、施工场地要求不高得到越来越广泛的应用。斜拉扣挂悬臂浇筑施工方法是利用临时斜拉索扣住已浇筑好的拱圈节段，采用移动挂篮从拱脚开始对称逐段悬臂浇筑拱圈混凝土，直至拱顶合龙。斜拉扣挂法施工中的扣索索力直接影响施工过程中拱圈内力、成桥后拱圈内力与线形。悬臂现浇施工拱桥和悬臂现浇施工斜拉桥的内力控制方法基本类似但又有所不同。斜拉桥的斜拉索为永久构件，斜拉桥主梁合龙后可通过调整拉索来改善结构受力；而悬浇拱桥拱圈合龙后要拆除临时扣索，则其只能依靠拱圈合龙前的调索来保证其成桥后的内力和线形，因此确定合理扣索索力至关重要。

在主拱悬臂施工阶段，需要拆除部分扣索以保证拱圈应力水平处于一个安全状态，但需要拆除的扣索及各个扣索的索力是未知的，因此采用类似于斜拉桥的无应力索长调索方法[1-2],即先求出成桥状态的理想索力后再进行正装分析的索力控制方法是不可行的。鉴于此，斜拉扣挂悬臂浇筑施工拱桥的扣索索力须按以下2个步骤进行控制。

1) 采用最小弯矩能法[3-4]求出最大悬臂状态下扣索索力后将拱圈正装至最大悬臂状态，通过控制各施工阶段主拱圈的应力水平来初步确定悬臂施工阶段需拆除的扣索及拆除的施工阶段。

2) 由于最大悬臂状态时扣索索力直接影响成桥后拱圈的应力水平，因此拱圈悬臂施工到最大悬臂状态后，扣索索力应进行2次调整以保证拱圈成桥后处于理想受力状态[5]。2次索力调整的具体方法为：将拱圈最大悬臂状态作为初始状态，以拱圈弯矩作为目标函数，1次落架的拱圈弯矩作为目标，应用有限元程序进行最大悬臂状态的2次调索。

本文以乌江大桥复线桥为例，对其施工过程中扣索索力控制方法进行介绍，以为同类型桥梁的设计计算提供借鉴。

1工程背景

乌江大桥复线桥主跨为220 m上承式钢筋混凝土箱形拱桥。主桥上部结构由主拱圈、垫梁、拱上立柱、盖梁、简支空心板5部分组成。拱箱为单箱双室结构，高4.0 m，宽9.0 m。拱箱分21个节段(含合龙段)施工，其中：两岸各设1个拱脚搭架现浇段，拱顶设1个吊架浇筑合龙段，其余20个节段均为挂篮悬臂浇筑段。拱脚段(1号节段)截面顶、底板由70 cm渐变至40 cm，腹板截面由70 cm渐变至45 cm，其余节段顶板厚40 cm，底板厚40 cm，边、中腹板厚45 cm；中间合龙段长2 m，位于21号节段。拱上结构为简支空心板跨径为15.8 m，梁高80 cm。桥面横向由9片空心板组成，每片空心板板底横向宽度为1.24 m。空心板采用预应力后张法设计，结构型式为先简支后桥面连续结构。乌江大桥复线桥总体布置如图1所示。

图1　乌江大桥复线桥总体布置示意

2最大悬臂状态下扣索初张力及拆索顺序

乌江大桥复线桥全桥共设置42对扣索和42对背索，从拱脚至拱顶扣索编号依次为1～21号。采用前述调索流程，建立了最大悬臂状态模型，如图2所示。

图2　最大悬臂状态模型

扣索初张力采用“最小弯矩能法”求出，得到的初张力如图3所示。

按此索力对主拱进行正装分析，正装阶段主拱圈最大拉应力包络图如图4所示。

图3　扣索初张力

图4　拱圈最大拉应力包络图

由图4可知，拱圈最大拉应力近10 MPa，超出规范规定的混凝土容许拉应力[6]，从而得出以下结论：1) 采用斜拉扣挂施工的拱桥很难同时满足施工阶段不调整扣索索力且拱圈应力水平不超过控制应力；2) 若施工过程中多次调整扣索索力则可满足施工阶段应力要求，但施工工序复杂，施工难度大。

综上所述，拱圈悬臂施工阶段可先不考虑拱圈正装后拱圈内力是否与1次成桥内力一致，仅需满足施工阶段拱圈安全的要求即可。本文根据最大悬臂状态模型，应用迈达斯桥梁综合分析软件(MIDAS/CIVIL)中索力优化功能确定最大悬臂状态下的扣索索力(也可根据悬臂施工阶段拱圈的应力水平人为干预调索)，如图5所示。

图5　最大悬臂状态下扣索索力

由拱圈正装分析拟定的拆索顺序为：张拉至6号扣索后分级对称放松2号扣索、背索→张拉至9号扣索后分级对称放松4号扣索、背索→张拉至12号扣索后应分级对称放松6号扣索、背索→张拉至15号扣索后分级对称放松8号、10号扣索、背索→张拉至17号扣索后分级对称放松1号扣索、背索→张拉至18号扣索后应分级对称放松3号扣索、背索→张拉至19号扣索后应分级对称放松12号扣索、背索→张拉至20号扣索后分级对称放松14号扣索、背索→张拉至21号扣索后应分级对称放松20号扣索、背索。

拱圈悬臂施工阶段各截面最不利的应力如图6所示。

图6　悬臂施工阶段主拱圈应力水平

悬臂施工阶段拱圈最大拉应力约为1.4 MPa，压应力最大值约为6 MPa，均未超过规范规定的容许拉、压应力。

按上述流程确定的扣索索力及扣索拆卸顺序具有一定的随机性，可通过专用软件(如ANSYS中的优化模块[7])作进一步优化。

3合龙前扣索调整

由于拱桥的合理拱轴线是按1次落架加载工况拟定的[8]，因此，采用悬臂施工方法施工拱桥的裸拱理想内力应是1次成拱拱圈内力。本文对不调整索力拆索完毕后拱圈内力和1次成拱拱圈内力进行了对比分析，两者内力存在较大差别，如图7所示。为了使悬臂施工方法施工拱桥拱圈内力达到理想内力，因此有必要对合龙前扣索索力进行调整。

图7　主拱内力对比

将拱圈最大悬臂状态作为初始状态，以拱圈弯矩作为目标函数，1次落架的拱圈弯矩作为目标，应用迈达斯桥梁综合分析软件(MIDAS/CIVIL)中的索力调整功能及索力替换功能进行2次调索，调整后扣索索力如图8所示，调整索力后拱圈内力见图7。

图8　扣索2次调整索力

经过2次索力优化，悬臂施工的裸拱内力和1次落架裸拱内力基本一致，两者最大弯矩相差7.4%。由于裸拱内力占总内力的比例毕竟有限，故其与1次落架的内力存在一定偏差在可接受范围内。

4结束语

采用斜拉扣挂悬臂浇筑法施工的拱桥由于施工阶段需要拆除部分扣索才能保证悬臂施工阶段安全，故其与常规斜拉桥施工控制的索力控制有所不同。该类桥梁扣索的初张力应根据不同的施工阶段进行索力调整。悬臂施工阶段为保证施工阶段结构安全，以控制拱圈应力水平为主。由于拱圈合龙前扣索索力直接影响到成桥后拱圈的内力状况，因此

当拱圈施工到最大悬臂状态后，应对既有扣索索力再次进行调整，以使拱圈内力达到理想状态。

参 考 文 献

[1]周国玲，丁少凌，顾双春.无应力索长控制法在斜拉桥调索中的应用[J]．公路与汽运，2012，42(4)：198-201．

[2]秦顺全.无应力状态理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]董创文，廖龙辉，李传习．猛洞河大桥斜拉扣挂方案的确定与优化[J]．公路交通科技，2012，29(5)：62-69．

[4]黄侨，吴红林，杨大伟.确定斜拉桥成桥索力多约束条件下最小能量法[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(2)：288-291.

[5]何畏，周伟光，陈俊诚．悬臂浇筑拱桥扣索索力优化研究[J]．桥梁建设，2015，45(3)：32-36．

[6]中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]訾银辉，田仲初，彭文平．基于ANSYS的斜拉悬臂浇筑拱桥施工中的索力优化[J]．公路与汽车，2013(1)：171-176．

[8]李井辉.合理拱轴线确定方法探讨[J]．北方公路，2013(2)：13-15．

Control of Cable Force in Cantilever Placing Reinforced Concrete Arch Bridges

WANG Fenghua

Abstract:Determination of cable force in large-span reinforced concrete arch bridges constructed with cable-stayed and buckle-hung system is usually divided into 2 steps, namely adjustment of cable force in construction period of arch rings and secondary cable tension adjustment before closure, while the secondary cable tension adjustment cannot be performed until determination of initial cable force and sequence of dismantling cables. With the double-line bridge of Fuling Wujiang River Bridge as project background, this paper presents preliminary adjustment of cable force is such bridges in the state of cantilever and the secondary cable tension adjustment before closure, and the cable force control methods in cable-stayed and buckle-hung construction provide a reference for design and calculation of similar bridges.

Keywords:cantilever placing arch bridge; cable force in the state of cantilever; optimization of cable force before closure

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.021

收稿日期：2015-12-27

作者简介：王丰华(1971-)，男，湖北省宜城市人，硕士，高工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0095-04中图分类号：U448.22

文献标识码：B