大跨度钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂法悬臂浇筑施工关键技术讲解学习

大跨度钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂法悬臂浇筑施工关键技术大跨度钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂法悬臂浇筑施工关键技术尹洪明郭军肖霑（中交一公局四公司广西南宁 530000）摘要:钢筋混凝土拱桥悬臂施工法分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法两大类。

悬臂浇筑法主要采用挂篮悬臂浇筑施工，根据国内外目前的工艺技术又可以分为采用塔架斜拉扣挂法和悬臂桁架浇筑法。

而悬臂浇筑法施工的拱桥在国内日前仅建成3座，都采用塔架斜拉扣挂法施工，且因为施工情况又存在不同，技术理论不够完善，整体还处在起步阶段，为进一步完善悬臂浇筑拱桥的施工技术，本文以在建的马蹄河特大桥为背景，谈论大跨度塔架斜拉扣挂法悬臂浇筑拱桥的关键施工技术控制。

关键词:悬臂浇筑斜拉扣挂箱拱挂篮索力优化施工技术0 前言拱桥是一种以受压为主的结构,受力合理, 外形美观, 是我国公路上广泛采用的一种桥梁体系。

随着钢筋混凝土的出现，拱桥的施工技术得到提升，跨越能力增大，大跨度混凝土箱拱造价低廉、施工方便、养护简单，在我国适合贵州、广西、云南等多山地区。

制约混凝土箱拱跨度的一个重要因素是施工方法，拱桥的施工方法一般有缆索吊装法、劲性骨架法、转体施工法、悬臂施工法、悬臂施工与劲性骨架组合法等。

小跨度箱拱可以采用支架施工或分多个节段吊装，随着跨度增大，山区沟谷多，环境条件限制，提出采用的悬臂施工法更能适应山区拱桥发展。

悬臂法分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法，我国钢筋混凝土拱桥发展在20世纪70年代得到提升，伴随无支架缆索吊装技术的成熟和设计方法进步，才逐渐出现了大跨度的钢筋混凝土悬臂拼装拱桥。

90年代后先后建造了跨度最大的中承式钢筋混凝土——广西邕林邕江大桥（312m,1996年）和世界第一跨的钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥——重庆万州长江大桥（420m，1997年）。

然而，随着时间发展，国家对工程质量、技术要求更高，悬臂拼装法需要足够大的预制空间和吊装能力，且成拱后拱圈接头多，整体性不高，在进几年开始推广挂篮悬臂浇筑施工的钢筋混凝土拱桥，由于主拱圈采用挂蓝浇筑一次成形、无需分环、工艺简单、整体性好、施工中横向稳定和抗风性能好、运营阶段养护费用低、耐久性好的特点。

而在国外，20世纪60年代就开始采用悬臂浇筑施工拱桥，目前施工技术已经比较成熟，最大跨径由德国2000年建造的WildeGera桥，跨径252m，我国建成挂篮悬浇拱桥仅有三座，2007年净跨150m的白沙沟1#大桥、2009年净跨182m的新密地大桥，2010年净跨165m的木蓬特大桥，以及在建净跨180m 的马蹄河特大桥，且都采用斜拉扣挂悬臂浇筑施工。

1 工程简介马蹄河特大桥位于贵州省德江县境内，是沿河至德江高速公路建设的重点工程，该桥为上承式钢筋混凝土空腹箱型拱桥，桥跨布置为2×30mT梁+180m主跨+2×30m预制T梁，主跨桥面板为15×13m空心板，全桥长327.595m，分左、右幅。

主桥为钢筋混凝土箱形拱桥，净跨径180m，净矢高32m，净矢跨比1/5.625，拱轴系数1.756，为等高截面悬链线拱，拱圈截面为单箱双室，横向宽7.5m,高3.3m，整个拱箱分29个节段施工，其中两岸各设一个拱脚现浇段，采用“斜拉支架法”施工，拱顶设一个吊架浇筑合拢段，拱圈2-14#节段采用挂篮进行浇筑，其中2#节段长度最长，为7.579m，3#节段重量最大，为221.5t。

设计荷载公路I级，主桥抗震烈度按7度设防,桥型立面布置图如图1所示。

图1 马蹄河特大桥桥型立面布置图（尺寸单位：cm）2 塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法马蹄河特大桥主拱圈采用挂篮悬臂浇筑施工完成，根据拉索扣挂方式为塔架斜拉扣挂法，区别于悬臂桁架浇筑法。

塔架斜拉扣挂法是国外采用最早、最多的大跨径钢筋混凝土拱桥无支架施工的方法。

此法的施工要点是: 在拱脚墩、台处安装临时的钢或钢筋混凝土塔架, 用斜拉索一端拉住拱圈节段, 另一端绕向台后并锚固在岩盘上, 这样逐节向河中悬臂施工, 直至拱桥拱顶合龙，再进行拱上立柱、桥面板施工。

图2 斜拉扣挂悬臂浇筑施工示意图悬臂桁架法, 也称斜吊式悬浇法, 此施工原理是:在施工过程中，主拱圈、拱上立柱和桥面板等同时向跨中施工, 并与临时斜拉索构成变高度的悬臂桁架，此种方法每个循环工序都需要完成拱圈、立柱、桥面板施工，工序之间衔接紧密，且桥面板的设计因保证具有抗拉强度高的特点，如采用钢梁。

对设计和施工都提出较高的水平，在我国尚未施工先例。

图3 悬臂桁架法现浇拱桥施工示意图3 施工控制概述桥梁施工控制特点是在施工过程中采用有效的技术措施保证结构的安全和特征状态符合设计要求，满足最终成桥状态。

过程中采取动态控制法，主要判别方式是通过监控量测进行分析、修正，以此达到预想要求。

4 悬臂浇筑法拱桥关键技术控制马蹄河特大桥采用的是悬臂浇筑施工中的斜拉扣挂法，施工控制的关键结构为挂篮、扣挂系统、索力，主要涵概结构体的设计分析、运行监测控制。

图4 马蹄河特大桥挂篮悬浇施工简图4.11#节段斜拉支架法拱圈第一节段拱圈长10.284m，宽7.5m，高3.3m，单箱双室结构，采用C50混凝土，方量为155.9m³，重量为405.4t。

根据现场测量的实际情况，2#拱座边缘靠近悬崖边线，3#拱座左幅边缘离基座边缘最小距离为0.5m，最大距离为5.9m，不能满足现浇段8m宽度的要求，故不能采用常规的落地支架施工。

分别从施工成本、施工工期、施工速度及难易程度等进行了比较，推荐采用斜拉支架（墩柱作为斜拉塔柱），即第四种方案，支架比选方案见下表：表 1现浇段支架比选方案4.1.1支架的设计现浇段支架采用交界墩墩柱作塔柱，精轧螺纹钢筋和钢绞线作拉索，形成简易“斜拉桥”的方式进行悬浇，为保证墩柱的受力平衡，对墩柱进行反拉，支架的设计施工必须考虑以下几个方面：①、“斜拉支架”由拱脚处的三角托架和斜拉扣锚索组成，斜拉支架必须承受1#节段拱圈砼自重和施工荷载，以保证拱圈和拱座交接面不出现裂缝。

②、“斜拉支架”的斜拉索锚固于交界墩上，会对交界墩产生局部应力集中，同时扣索与锚索受力的不平衡会引起墩顶偏位，因此，该支架方案要求墩顶偏位不大于10mm，墩底拉应力不大于1.83MPa。

③、1#节段混凝土浇筑过程中，斜拉支架的斜拉索会逐渐伸长，加之三角托架的非弹性变形，可能导致拱脚顶面出现裂缝。

④、对斜拉扣锚索的初拉力的确定，以及混凝土浇筑过程中是否进行实时调整索力的问题，这是控制托架标高和墩顶偏位的关键因素。

针对以上问题，在设计上采取了以下措施：①、采用三角托架+斜拉扣锚索形式组成“斜拉支架”，三角支架选用双拼“H”型钢，并组合成三角形，增加其刚度和稳定性，斜拉扣索选取伸长率较小的高强度精扎螺纹钢筋，减小非弹性变形；同时，在1#节段拱圈混凝土浇筑完成后，对拱脚处进行二次振捣，消除支架非弹性引起的表面裂缝。

②、对斜拉扣锚索在墩柱上的锚固点位置，埋设钢板，设置应力分散的楔形垫块，同时监控墩顶偏位和墩底应力。

③、对于斜拉扣锚索初拉力的确定原则是保证三角托架承受索力不变形，且墩柱承受水平力尽量平衡的原则，采取有限元分析进行确定，详见下一节支架验算；如果在混凝土浇筑过程中进行索力调整，则施工非常繁琐且很难做到实时调整，更容易引起斜拉索受力不均导致结构受力的不明确，故采取一次张拉到位，混凝土浇筑过程中不调索的方式。

斜拉支架如下图所示。

图 5斜拉支架立面图图 6斜拉支架平面图图 7斜拉支架扣锚索安装照片4.1.2支架验算采用有限元软件Midas/Civil建立拱圈现浇段斜拉支架模型。

三角支架、横纵向分配梁和交界墩用梁单元模拟，模板用板单模拟，扣锚索用只受拉桁架单元模拟。

主要检查支架的变形和应力，墩柱的拉应力和偏位，扣锚索索力是否满足规范要求。

如表2所示的各计算工况进行分析，计算结果如下。

图 8支架计算模型图及结果表 2斜拉支架计算工况序号计算工况工况说明1 CS1 自重2 CS2 扣锚索张拉（初张力15t）3 CS3 现浇段混凝土浇筑完成通过midas/civil计算，墩柱偏位、应力等结果如下表3所示：表 3支架计算结果表序号名称计算最大值允许值1 型钢支架竖向位移 5.1mm 11000/400=27.5mm2 型钢支架应力72.9MPa 140 MPa3 I32工字钢应力66.1MPa 140 MPa4 交界墩墩柱偏位0.7mm（河心方向）10mm5 交界墩墩底拉应力-0.74MPa（内侧）、-1.35MPa（外侧）1.83 MPa6 扣锚索索力24.3t 101t4.2悬浇拱桥挂篮4.2.1悬浇拱桥挂篮的设计挂篮作为悬臂法施工的重要部分，其设计不仅要考虑结构受力，因拱桥的挂篮不同于普通梁桥的挂篮，普通梁桥的挂篮多数在坡度不大的桥面上运行，拱桥的挂篮则要解决较大坡度上的浇筑和行走问题。

所以挂篮结构形式选择将决定施工效率的高低。

马蹄河特大桥的挂篮采用下承式倒三角挂篮，与木蓬特大桥采用的挂篮结构形式形似，但又有所不同，在锚固形式和行走方法得到改进，设计方案整体得到优化。

图9 马蹄河特大桥下承式倒三角挂篮挂篮的结构形式主要有平行弦、弓弦式、菱形、三角形式、斜拉式等，不同的受力特点决定不同的挂篮结构拓扑形式，通过拓扑优化设计分析得到的受均布荷载悬臂梁的拓扑形状就是三角形，对于斜拉式因刚度比较差，所以三角形的主桁结构是最优的选择。

挂篮的承重形式按承重结构在混凝土上、下分为上承式挂篮和下承式挂篮，其形式关系到挂篮的重心高低，重心高低决定了挂篮的行走及工作是否平稳。

三角形挂篮的支撑方式主要为上承式,但上承式主要用于T型钢构桥、连续梁桥和斜拉桥，对于拱圈结构，存在变角度机构复杂和重心高影响移动等。

经过比较采用主桁布置在拱箱下部的下承式，重心底，实践证明了下承式挂篮适合在在拱圈上的施工及行走。

挂篮结构受力明确、传力直接，由于节段混凝土重量大，承重结构避免常规挂腿受力，采用锚固系统的精轧螺纹钢受力，挂腿仅在挂篮空载时（挂篮行走）受力。

锚固结构作用在已浇筑的混凝土节段上，对于挂篮，相当于中支点作用。

考虑到拱圈弧形结构，锚固系统中的锚固箱体设计为球铰，解决了拱圈弧形角度对挂篮锚固结构受力的影响。

挂篮后支点为顶升千斤顶（行走时为后滑轮），可以调节挂篮倾角满足拱圈线型要求。

主要平衡由悬臂端节段重量对中支点产生的弯矩作用。

挂篮的行走形式采用连续千斤顶顶推履带小坦克，使挂篮沿拱圈爬行。

连续千斤顶增加动力、减少反力挡块的频繁转换，履带小坦克在轨道上滚动前进，摩擦力小，速度快。

4.2.2悬浇拱桥挂篮的运行分析挂篮的运行状态主要为浇筑状态和行走状态。

浇筑状态为静轧螺纹钢受力，行走状态为挂腿受力。

挂篮浇筑施工控制变形、应力，行走控制为效率分析。

分别计算典型节段，工况I：3号节段（节段最重且长）砼方量85.2m3，节段重量221.5t，挂篮与水平夹角30.67°；工况II：13号节段（倾角小节段重）砼方量64.3m3，节段重量167.1t，挂篮与水平夹角3.36°。