我國大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋的應用

蔣建軍

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041)

混凝土拱橋充分利用了混凝土材料的抗壓強度高而抗拉強度低、鋼筋的抗拉強度高的特點，通過合理的結(jié)構(gòu)設計并選擇適當?shù)氖┕し椒ǎ梢允沟弥鞴叭υ谑┕るA段承受有限拉應力，在成橋運營階段全截面受壓，耐久性好，是一種經(jīng)濟、合理的橋型。混凝土拱橋主拱圈的施工方法因施工條件不同而不同，通常采用的無支架施工方法有纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法、勁性骨架法和懸臂澆筑法。采用懸臂澆筑法施工混凝土拱橋的技術(shù)從21世紀初引入國內(nèi)并得到發(fā)展，目前已在國內(nèi)多座大跨徑拱橋上使用?；炷凉皹驊冶蹪仓ㄊ┕ぜ夹g(shù)復雜，需要對橋梁主體結(jié)構(gòu)和斜拉扣掛體系進行詳細地施工過程分析，施工期間需要進行精確地施工監(jiān)控，準確控制拱圈線形、應力及施工期扣索及錨索的索力。鑒于大跨徑懸臂澆筑混凝土具有較多工程技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)點，有必要進行技術(shù)總結(jié)，以供類似工程參考。

1 應用概況

目前，國外已建成的跨徑150 m以上懸臂澆筑混凝土拱橋有20余座[1-3]，其中最大跨徑是美國科羅拉多橋(跨越胡佛水壩)，主拱圈凈跨徑323 m。根據(jù)調(diào)查，目前我國已建成的懸臂澆筑混凝土拱橋有4座，跨徑在150～200 m之間，最大跨徑是四川鹽邊縣鳡魚大橋，主拱圈凈跨徑200 m。我國大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋應用情況見表1。

表1 我國大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋應用情況

2 工程應用實例

懸臂澆筑法施工混凝土拱橋指的是采用掛籃和斜拉扣掛系統(tǒng)施工主拱圈。掛籃一般由鋼橫梁和三角形鋼桁架組成，可沿主拱圈頂面弧線行走(圖1)。斜拉扣掛系統(tǒng)一般由索塔、扣索、錨索、錨碇、鋼錨箱等組成。我國懸臂澆筑法施工的混凝土拱橋多修建于峽谷地帶，拱圈采用整體性好的單箱多室箱形截面，拱軸線采用懸鏈線，拱上設立柱、橫墻，拱上結(jié)構(gòu)多采用小跨徑簡支預應力混凝土梁(板)。

圖1 主拱圈掛籃

2.1 四川攀枝花市新密地大橋

四川攀枝花市新密地大橋橫跨金沙江，橋面全寬30 m，分上、下游兩幅橋，橋梁全長296 m，橋跨布置為27.5 m+22.55 m+凈跨182 m+22.55 m+27.5 m[4]。該橋于2008年12月開工，上游半幅橋于2011年9月建成通車，下游半幅橋于2013年2月建成通車，建筑安裝工程費為7 050.5萬元。主橋上部結(jié)構(gòu)采用凈跨徑182 m上承式鋼筋混凝土箱形拱橋，拱上采用跨徑12.66 m簡支小箱梁(橋面連續(xù))；拱座由斜樁與豎樁共同支承；引橋上部結(jié)構(gòu)采用22.55 m、27.5 m簡支小箱梁，分別上跨省道S310和濱江大道；引橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩；兩岸橋臺采用樁柱式橋臺。大橋的橋型立面布置見圖2，建成后照片見圖3，施工期照片見圖4。

圖2 攀枝花市新密地大橋立面布置(單位：cm)

圖3 攀枝花市新密地大橋

圖4 攀枝花市新密地大橋施工

主橋上部結(jié)構(gòu)由主拱圈、墊梁、拱上立柱、橫墻、蓋梁、簡支小箱梁共6部分組成。主拱圈為凈跨徑L0=182m、凈矢跨比F0/L0=1/6、拱軸系數(shù)m=1.988的等高截面懸鏈線無鉸拱，采用掛籃懸臂澆筑法施工。主拱圈為單箱雙室結(jié)構(gòu)，高3.5 m，寬9.6 m，分31個節(jié)段，其中兩岸各設一個拱腳搭架現(xiàn)澆段(即1號節(jié)段)，拱頂設一個吊架澆筑合龍段(即16號節(jié)段)，其余28個均為掛籃懸臂澆筑段(即2#～15#節(jié)段)。主拱圈標準橫斷面見圖5。

圖5 攀枝花市新密地大橋主拱圈標準橫斷面(單位：cm)

該橋主要技術(shù)特點：

(1)主拱圈分幅設置，降低了節(jié)段重量，加大了節(jié)段長度，縮短了主拱圈成拱時間，提高了施工期的安全性。

(2)采用斜樁、豎樁共同支承拱座，解決了基巖裂隙發(fā)育、強風化層厚度大、地基承載力較低的問題。

(3)拱腳支架現(xiàn)澆節(jié)段采用了C50鋼纖維混凝土，解決了拱腳剛度大、容易產(chǎn)生早期裂縫的問題。

(4)采用懸臂澆筑法施工主拱圈，解決了常規(guī)纜索吊裝施工需要建設大型預制場、拱圈大節(jié)段運輸及安裝困難等難題。

2.2 四川鹽邊縣鳡魚大橋

該橋位于四川省攀枝花市鹽邊縣鳡魚鄉(xiāng)，為跨越二灘庫區(qū)鳡魚河而設，全長270 m，橋?qū)?1.5 m，橋跨布置為2×12.50 m+凈跨200 m+2×12.50 m[5]。該橋于2013年2月開工建設，于2015年7月建成通車，建筑安裝工程費為4 213.4萬元。主橋上部結(jié)構(gòu)采用凈跨徑200 m上承式鋼筋混凝土箱形拱橋，拱上采用跨徑12.5 m簡支小箱梁(橋面連續(xù))；拱座支承于基巖內(nèi)，底部設豎樁提高其承載力；引橋上部結(jié)構(gòu)采用簡支小箱梁和現(xiàn)澆實心板；引橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩；兩岸橋臺采用重力式橋臺。大橋的橋型立面布置見圖6，建成后照片見圖7，施工期照片見圖8。

主拱圈為凈跨徑L0=200m，凈矢跨比F0/L0=1/7，拱軸系數(shù)m=2.268的等高截面懸鏈線拱，采用掛籃懸臂澆筑法施工。主橋上部結(jié)構(gòu)由主拱圈、墊梁、拱上立柱、橫墻、蓋梁、簡支小箱梁共6部分組成。主拱圈為單箱雙室結(jié)構(gòu)，高3.8 m，寬8.0 m，分33個節(jié)段施工，其中兩岸各設一個拱腳搭架現(xiàn)澆段，拱頂設一個吊架澆筑合龍段，其余30個均為掛籃懸臂澆筑段。主拱圈標準橫斷面見圖9。

該橋主要技術(shù)特點：

(1)主拱圈采用現(xiàn)澆整體截面，與無支架纜索吊裝法“集零為整”相比，結(jié)構(gòu)整體性增強，承載力大，耐久性好。

(2)通過合理確定起拱線高程以適應二灘庫區(qū)45 m高落差水位，為枯水期施工創(chuàng)造了有利條件。

(3)主橋拱座置于基巖并設置豎樁，解決了施工期拱座豎向荷載大、地形坡面陡峻、巖石裂隙較發(fā)育等問題。

(4)采用巖錨+框架梁的輕型組合式錨碇，工程量小，經(jīng)濟節(jié)約，且減少了大橋建設對交通干擾。

(5)主拱圈采用C50高強度混凝土，截面采用閉合箍筋，并在外表面設置D6帶肋鋼筋網(wǎng)，解決了主拱圈剛度大、容易產(chǎn)生早期裂縫的問題。

(6)對位于庫區(qū)正常蓄水位1 200.6 m以下的主拱圈1#節(jié)段及2#節(jié)段，采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 技術(shù)特點分析

通過對我國已建成的幾座大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋進行調(diào)查研究，總結(jié)其技術(shù)特點有：

圖6 鹽邊縣鳡魚大橋立面布置(單位:mm)

圖7 鹽邊縣鳡魚大橋

圖8 鹽邊縣鳡魚大橋主拱圈施工

圖9 鹽邊縣鳡魚大橋主拱圈標準橫斷面(單位：cm)

(1)主拱圈采用懸臂澆筑法施工時，橋梁結(jié)構(gòu)為具有冗余約束的超靜定體系，施工期安全性高。

(2)懸臂澆筑法施工的主拱圈整體性好，剛度大，施工期不受洪水影響，工期可控。

(3)懸臂澆筑法不需要建設大型預制場，也不需要設置節(jié)段運輸通道，對地形適應性強，有利于保護環(huán)境。

(4)通過斜拉扣掛體系可控制并適時調(diào)整主拱圈應力和線形，成橋質(zhì)量好。

(5)主拱圈采用箱形截面，剛度大、重量輕，有利于加大拱圈節(jié)段長度，縮短工期；成橋后主拱圈截面應力小，且為壓應力，耐久性好。

(6)采用環(huán)氧樹脂鋼筋、高強度鋼纖維混凝土、外周防裂鋼筋網(wǎng)、閉合箍筋體系等多種結(jié)構(gòu)措施，改善主拱圈耐久性，解決了主拱圈施工期早期裂縫問題。

(7)拱上結(jié)構(gòu)可采用小跨徑結(jié)構(gòu)，如小箱梁、I形梁、T梁等，安裝方便。

(8)可充分利用兩岸巖石地基，采用豎樁、斜樁和拱座組合成型式多樣的基礎(chǔ)，經(jīng)濟合理。

(9)扣索錨碇基礎(chǔ)型式多樣，利用巖錨可以降低造價；地質(zhì)條件較好的地方可利用橋臺作為錨碇。

4 結(jié)論

在大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋方面，我國從2005年開始建設主拱凈跨徑150 m的四川白沙溝1號橋，到2015年建成主拱凈跨徑200 m的四川鹽邊縣鳡魚大橋，經(jīng)過十幾年應用和發(fā)展，在理論分析、結(jié)構(gòu)設計、施工方法、風險控制等方面取得了較多技術(shù)成果。工程應用情況表明：懸臂澆筑法施工混凝土拱橋主拱圈具有橋梁結(jié)構(gòu)整體性好、施工期安全性高、對地形適應性強、工程造價低、工期可控、成橋質(zhì)量好等優(yōu)點；對于跨徑200 m以下的混凝土拱橋，懸臂澆筑法具有較好的適用性。