混凝土拱橋懸臂法施工中的索力控制

陳方燕，閻慧群

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都610065)

我國素有多橋古國之譽，拱橋在我國有悠久的歷史，有著舉足輕重的地位。在現(xiàn)存的古代橋梁中，拱橋不僅在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，在技術工藝上也優(yōu)于其它橋型。近年來，在吸納了現(xiàn)代計算方法和現(xiàn)代施工工藝的基礎上，拱橋的發(fā)展更為迅猛，目前已經(jīng)建成并投入使用的重慶朝天門長江大橋為“世界第一拱橋”，主跨達552 m，如圖1所示。

圖1 重慶朝天門長江大橋

懸臂施工法根據(jù)施工中臨時輔助設施與拱圈組成的受力結構不同，又可分為自由懸臂拼裝法、斜拉法、懸臂桁架法等。懸臂澆筑斜拉扣掛施工方法對場地要求不高，在我國山區(qū)的拱橋施工有廣泛的應用價值。該法利用臨時斜拉索扣住已澆筑好的拱圈節(jié)段，采用移動掛籃從拱腳開始對稱逐段懸臂澆筑拱圈混凝土，直至拱頂合龍。采用斜拉扣掛法施工中的扣索索力對施工過程中拱圈內(nèi)力、成橋后拱圈內(nèi)力與線型有著直接影響，因此尋找一組合理施工的施工扣索索力是十分必要的，也是目前國內(nèi)外研究的重點之一。

分段懸臂現(xiàn)澆施工法早已應用于梁橋和斜拉橋的施工中。在國外，也應用于混凝土拱橋的建設中，如南非的Bloukrans橋、克羅地亞的Sibenik橋和Pag橋、日本的外津橋和日本第二東名富士川橋。在國內(nèi)，該工藝在拱橋的應用研究還很少。我國的攀西高速公路白沙溝1#大橋在我國第一次采用了分段懸臂現(xiàn)澆的拱圈施工方法。在懸臂施工中，拱肋進行分段澆筑時，拱肋要承受自重和掛籃等臨時荷載，其上緣會產(chǎn)生很大的拉應力，而過大的拉應力可能會使截面開裂。因此，必須設置背索，通過調(diào)整索力來控制拱圈截面的應力大小。拉索索力直接影響拱肋截面的應力、拱軸線的標高，拱肋截面應力是懸臂施工控制的關鍵因素。

1 懸臂現(xiàn)澆拱橋施工方法

搭架斜拉索法懸臂澆筑拱圈，即在拱腳墩臺處安裝由萬能桿件拼成的臨時塔架，用斜拉索一端扣住拱圈節(jié)段，另一端錨固在臺后的錨碇上。用設在已澆筑好的拱段上的懸臂掛籃逐段懸臂澆筑拱圈混凝土。整個拱圈混凝土的澆筑應從兩拱腳開始對稱地進行，逐節(jié)向河中懸臂推進，直至拱頂合龍。設計塔架其受力應由拱的跨徑和矢跨比等確定。斜拉索采用預應力鋼絞線，其斷面和長度由拱段的長度和位置確定。在拱圈混凝土全部灌注完畢以后，在拱圈頂面安裝可調(diào)整內(nèi)力的液壓千斤頂，然后放松拉索，再灌注拱上立柱和橋面系。施工模型如圖2。

圖2 橋梁模型示意圖

2 索力控制與調(diào)整

在懸臂施工中，拱肋進行分段澆筑時，拱肋要承受自重和掛籃等臨時荷載，其上緣會產(chǎn)生很大的拉應力，而過大的拉應力可能會使截面開裂。因此，必須設置背索，通過調(diào)整索力來控制拱圈截面的應力大小。在施工過程中需要利用應力平衡法等一些方法，大致確定各個施工階段扣索的索力范圍。由于沒有考慮索與索之間的相互影響及臨時荷載對索力的影響等因素，求得的索力范圍會有一定的誤差，但在對各個施工階段進行索力調(diào)整時有極大的參考作用。

索力調(diào)整，終其目的，即在每個施工階段，控制并且避免拱肋斷面因拉應力過大而開裂(基本上控制在1MPa以下)，從而保證施工過程中拱肋的抗裂安全性。在懸臂澆筑某個節(jié)段時，每次只需要做到調(diào)整前一個節(jié)段上的拉索的索力。而索力調(diào)整又可以分為兩個進程:本節(jié)段上索的初張(發(fā)生在該階段澆筑后拆除掛籃之前);索力二次調(diào)整(發(fā)生在拆除掛籃并安裝至該節(jié)段的端頭的相應位置準備澆筑下一節(jié)段澆筑前期)，目的是為了使所有施工階段中各個控制斷面上下緣的拉應力都不至于過大，控制在合理的范圍內(nèi)。索力調(diào)整時，做法是將采用試算法得到的索力值和以應力平衡法計算得到的索力范圍相比較，從而進行相應調(diào)整。關鍵點是對控制斷面的應力做出判斷，若控制斷面的下緣拉應力超出規(guī)定的范圍，則應使索力調(diào)小一些，若控制斷面的上緣應力拉應力超出規(guī)定的范圍，則應使索力調(diào)大一些。一般的原則為:在拱肋第n個節(jié)段混凝土澆筑之前，把第n－1個節(jié)段上索的索力調(diào)大，使相應控制斷面下緣稍微產(chǎn)生一點拉應力，但必須在允許的范圍之內(nèi)，而上緣就會有一定的預壓力。那么該節(jié)段澆筑后，在該節(jié)段混凝土的濕重、掛籃的重力、索力和已澆筑好的拱肋自重共同作用下，各個控制斷面上緣混凝土會產(chǎn)生一定的拉應力，且必須在控制的范圍之內(nèi)。

最后，在澆筑拱頂合龍段之前，對所有的索進行索力調(diào)整，從而使拱軸線在合龍后達到一個預先設定的受力更為合理的目標線形。此處的目標線形，即設計拱軸線，指的是拱圈在一期和二期恒載共同作用下，考慮混凝土的收縮徐變效應而得到的線形。我們可以初步假定，恒載作用時，拱圈基本處于均壓狀態(tài)。那么，在活載以及溫度等其它荷載作用下，拱圈斷面就只有相比較而很小的拉應力，這就是結構安全以及受力合理的保證。工程中，要達到這種理想的線形是十分困難的。

在拱圈合龍之前，進行索力調(diào)整就是為了使拱圈的線形在考慮混凝土的收縮徐變效應能趨于理想線形，在進行拱頂合龍前調(diào)索時，應根據(jù)已澆筑拱肋的實際線形對成橋后線形進行預測并判斷是否符合設計的要求再確定是否進行調(diào)索和如何調(diào)索。

當然，調(diào)索的前提條件是必須保證拱肋各個控制斷面的應力不能超過控制應力，即在拱圈的最大懸臂階段及拱頂合龍澆筑后還未形成剛度前的拱肋結構的安全性。在控制過程中，在拱肋混凝土的各個節(jié)段澆筑時設置預拱度，即相當于采取設置預應力的方法。拱肋合龍前對所有索力進行調(diào)整，只是更進一步地使線形完美。

3 結束語

對于采用懸臂施工方法的拱橋，在各個施工階段的內(nèi)力與變形是不斷變化的，應該密切注意施工過程中的內(nèi)力變化及撓度變化。橋梁的安全施工與順利合龍，對整個施工過程進行跟蹤分析和實時控制是非常有必要的。

［1］周葉軍，周厚斌，張大偉．基于ANSYS的懸臂澆筑拱橋施工扣索索力優(yōu)化［J］．施工技術與檢測技術，2009，29(1)∶211－213

［2］張治成，葉貴如，王云峰．大跨度拱橋拱肋線形調(diào)整中的扣索索力優(yōu)化［J］．工程力學，2004(6)

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［4］顧安邦，范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2000

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