沙坨特大橋設(shè)計(jì)與施工

葉洪平， 楊 健， 劉建軍， 韋定超

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽 550081)

鋼筋混凝土拱橋具有跨越能力強(qiáng)、造價(jià)低、養(yǎng)護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)，但推廣應(yīng)用受限于其施工工藝，目前該類橋施工工藝主要有：支架現(xiàn)澆、勁性骨架外包混凝土、節(jié)段吊裝及轉(zhuǎn)體施工。1966年，克羅地亞采用懸臂澆筑法建成了主跨246 m的Sibenik大橋[1]，該施工工藝發(fā)展至今，已成為修建同類型大跨徑混凝土拱橋的經(jīng)典。

2008年，我國首次采用斜拉扣掛懸臂澆筑法建成了四川西昌至攀枝花高速公路白沙溝Ⅰ號鋼筋混凝土拱橋；隨后在貴州，2013年建成了跨徑165 m的木蓬大橋、2015年建成了主跨180 m的馬蹄河大橋、2018年建成了跨徑210 m的夜郎湖大橋[2]。

貴州省92.5%的面積為山地和丘陵，地形環(huán)境決定了施工時(shí)運(yùn)輸極其困難，這為采用斜拉扣掛懸臂澆筑法修建鋼筋混凝土拱橋創(chuàng)造了客觀條件[3]。

1 工程概況

沙坨特大橋位于貴州沿河縣沙坨水電站大壩上游800 m附近，2015年開工建設(shè)，2019年竣工。大橋主跨跨越烏江，橋型布置為6×30 m T梁+240 m鋼筋混凝土拱+6×30 m T梁，如圖1所示。

單位：cm

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋型設(shè)計(jì)方案初期對主跨240 m上承式鋼筋混凝土拱橋和主跨250 m中承式鋼管拱橋2種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比選。綜合考慮結(jié)構(gòu)耐久、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理等因素，最終橋位選擇主跨240 m上承式鋼筋混凝土拱橋，采用懸臂澆筑施工工藝[4]。

2.1 主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及創(chuàng)新

懸臂澆筑結(jié)合了連續(xù)剛構(gòu)橋的懸臂掛籃澆筑與斜拉橋的斜拉扣掛2種施工工藝，其重點(diǎn)和難點(diǎn)在于懸臂澆筑系統(tǒng)的錨固與調(diào)索，為降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，減少了拱橋的最大懸臂澆筑長度及節(jié)段澆筑重量[5]。為此，大橋設(shè)計(jì)時(shí)對主拱圈的截面形式、截面尺寸、拱圈節(jié)段劃分與拱上建筑等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)及創(chuàng)新如下：

1) 主拱圈采用C60高性能混凝土

針對鋼筋混凝土拱橋自重大的特點(diǎn)，主拱圈選用了C60高性能混凝土，既能滿足結(jié)構(gòu)受力安全又能減輕結(jié)構(gòu)自重，并可降低懸澆拱圈的施工難度。

2) 主拱圈截面形式及尺寸的確定

本橋主跨240 m，是國內(nèi)鋼筋混凝土拱橋中跨徑之最，而此類拱橋拱圈結(jié)構(gòu)的縱、橫向剛度須同時(shí)滿足受力需求，以確保拱圈結(jié)構(gòu)施工及大橋運(yùn)營階段的安全。其中主拱圈的結(jié)構(gòu)尺寸既要滿足受力需要，又要做到結(jié)構(gòu)輕型化，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保安全[6]。拱圈截面形式及尺寸擬定時(shí)參考了國內(nèi)外懸澆拱橋的設(shè)計(jì)及建造經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)通過大量研究與驗(yàn)算后，確定為單箱雙室，箱高4.5 m，箱寬10 m[7]。

3) 拱上建筑與拱圈節(jié)段劃分

拱圈節(jié)段的劃分主要由拱圈橫隔板布置及懸臂狀況下受力狀況所控。為滿足受力需要，在每個(gè)拱圈扣索錨固處設(shè)置了橫隔板以增強(qiáng)錨固處的結(jié)構(gòu)剛度，但橫隔板的位置需由拱上立柱的位置確定。拱上立柱布置間距過大會導(dǎo)致拱圈節(jié)段劃分過長、節(jié)段太重，這將增加懸臂澆筑施工風(fēng)險(xiǎn)及措施費(fèi)用，同時(shí)懸臂澆筑過程中主拱圈的變形及應(yīng)力控制難度也會相應(yīng)增大，易導(dǎo)致施工過程中拱圈開裂。反之，拱圈節(jié)段劃分太短，節(jié)段數(shù)量增多，將導(dǎo)致拱圈上的扣索過多，增加施工周期、難度及風(fēng)險(xiǎn)。因此對拱圈節(jié)段劃分及立柱布置需結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。本橋拱上立柱間距為13.2 m，每道立柱間設(shè)置一道橫隔板，將拱圈節(jié)段最大懸臂澆筑重量控制在267 t，并將最重的澆筑節(jié)段放置最前端，后面節(jié)段重量逐漸變小(267 t遞減至185 t)，這樣對懸臂澆筑施工更為有利。本橋主拱圈共有37個(gè)節(jié)段：1號、19號選擇支架現(xiàn)澆，2～18號、20～36號采用懸臂澆筑，37號為跨中合龍段，節(jié)段劃分如圖2所示。

圖2 主拱圈節(jié)段劃分

4) 拱上建筑采用大懸臂排架

沙坨特大橋橋面寬20 m，如采用拱圈分幅設(shè)計(jì)，造價(jià)高昂，通過大量分析與驗(yàn)算后拱上建筑采用大懸臂排架結(jié)構(gòu)，在滿足使用功能及結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)，大大節(jié)約了工程造價(jià)。

2.2 主拱圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋主拱圈為240 m上承式鋼筋混凝土拱，采用單箱雙室截面，箱寬10 m、高4.5 m。懸鏈線拱軸線系數(shù)m=1.85，矢高f=40 m，矢跨比為1/6。拱圈截面尺寸如表1所示。

表1 拱圈截面尺寸 cm

主拱圈主要截面如圖3所示。

(a) 拱腳處斷面

(b) 標(biāo)準(zhǔn)斷面

(c) 拱頂處斷面

2.3 拱上建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拱上立柱為雙方柱式排架，排架蓋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土；腹孔選擇橋面連續(xù)簡支空心板梁結(jié)構(gòu)以減弱主拱圈與拱上建筑的聯(lián)合作用，使主拱圈受力更為簡單明確。其結(jié)構(gòu)斷面布置如圖4所示。

單位：cm

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

主拱圈普通節(jié)段采用斜拉扣掛懸臂澆筑法施工，主拱圈施工工藝介紹如下：

1) 支架現(xiàn)澆起拱節(jié)段。主拱圈1號、19號節(jié)段分別是拱圈在烏江西岸和東岸的起步段，可采用支架現(xiàn)澆或斜拉扣掛進(jìn)行施工。本橋主拱圈拱座位置具有良好的施工平臺，因此1號、19號節(jié)段采用支架現(xiàn)澆。

2) 斜拉扣掛懸臂澆筑主拱對稱節(jié)段。主拱圈2～18號、20～36號節(jié)段，選擇斜拉扣掛進(jìn)行懸臂澆筑。在拱圈頂板、腹板及橫隔板三向夾角處設(shè)置錨塊，扣索錨固在錨塊上，確保扣索受力安全可靠，后錨系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況采用重力錨與巖錨相結(jié)合的方法[8]。主拱圈斜拉扣掛施工如圖5所示。

圖5 主拱圈施工示意

纜索吊主索采用3根直徑52 mm的鋼絲繩，最大吊裝重量50 t；扣塔采用Q345B鋼材，鋼管型號為 1 020×18 mm，扣索采用Φs15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，型號為15-31，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。

3) 拱圈截面中創(chuàng)新性地配置預(yù)應(yīng)力。采取該措施大幅度降低了主拱圈在各施工階段下的最大拉應(yīng)力，避免了施工過程中主拱圈頂(底)板混凝土拉應(yīng)力過大，大幅提高了拱圈結(jié)構(gòu)受力安全儲備，有效降低了拱圈截面施工控制難度，并減小了拱圈截面開裂風(fēng)險(xiǎn)[9]。

4) 首次整體安裝主拱圈鋼筋。即直接將預(yù)先綁扎好的箱梁鋼筋籠段直接吊裝到相應(yīng)位置。這種全新鋼筋安裝工藝，既保證了鋼筋吊裝過程的安全性，又能更好地提高鋼筋安裝精度，同時(shí)又加快了施工進(jìn)度，降低了施工難度。主拱圈鋼筋節(jié)段整體吊裝如圖6所示。

圖6 主拱圈鋼筋整體吊裝

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

本橋分別采用有限元程序橋梁博士V3.5、Midas/Civil進(jìn)行總體計(jì)算。有限元模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)有限元模型

主要計(jì)算參數(shù)取值：1) 恒載：結(jié)構(gòu)恒載包括主拱圈、拱上建筑、墩身、橋面鋪裝、護(hù)欄等材料重量。其中拱圈及拱上建筑、橋面鋪裝的混凝土重力密度分別取值為26.0 kN/m3、24 kN/m3；2) 活載：公路-Ⅰ級汽車荷載，偏載系數(shù)1.15。汽車制動力著力點(diǎn)為橋面，按JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算其數(shù)值；3) 溫度：合龍溫度10 ℃～20 ℃，體系升、降溫度分別取值為24 ℃、20 ℃[10]。

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

采用懸臂澆筑法施工的大跨徑鋼筋混凝土拱橋，其靜力計(jì)算應(yīng)包括主拱圈施工階段及成橋階段。

1) 施工階段拱圈。懸臂澆筑中通過索力控制主拱圈的應(yīng)力狀態(tài)，理論上可通過多次調(diào)整扣錨索索力，使主拱圈懸澆時(shí)全截面保持受壓。實(shí)際上，為避免多次調(diào)索帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，采取在減少調(diào)整索力次數(shù)的同時(shí)將拱圈應(yīng)力狀況控制在合理范圍內(nèi)，主拱圈部分懸臂澆筑施工階段應(yīng)力如圖8所示，本橋通過少量調(diào)索結(jié)合松索，將主拱圈最大拉應(yīng)力控制在1.5 MPa以內(nèi)[11]。

(a) 澆筑16號塊拱圈應(yīng)力

(b) 澆筑18號塊拱圈應(yīng)力

2) 施工階段扣掛系統(tǒng)。懸臂施工過程中各節(jié)段施工索力及塔架鋼管受力交替變化，拱圈懸臂澆筑11號節(jié)段扣錨索張拉時(shí)索力如表2所示，扣塔應(yīng)力為70 MPa，拱圈澆筑11號節(jié)段時(shí)為控制拱圈節(jié)段拉應(yīng)力，將1#、2#、3#扣錨索松索[12]。

表2 拱圈懸臂施工索力 kN

根據(jù)施工過程的實(shí)測數(shù)據(jù)，拱圈懸臂澆筑施工過程中扣塔最大應(yīng)力86 MPa，扣塔頂最大偏位1.8 cm，扣索最大應(yīng)力468 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[13-14]。

3) 運(yùn)營階段主拱圈。主拱圈截面運(yùn)營階段上下緣應(yīng)力分布均勻，如圖9所示，拱腳附近最大壓應(yīng)力17.1 MPa，拱圈具有較高承載能力。

單位：MPa

4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算。主拱圈1/24的寬跨比小于規(guī)范對混凝土拱橋要求驗(yàn)算穩(wěn)定性的限值1/20，應(yīng)對主拱圈各階段進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。穩(wěn)定性驗(yàn)算分析主要采用彈性屈曲方法，選取最不利狀態(tài)(拱圈最大懸臂澆筑狀態(tài)、成橋后運(yùn)營狀態(tài))進(jìn)行分析。失穩(wěn)模態(tài)如圖10所示。由圖10可知：(1) 懸臂澆筑狀態(tài)下，拱圈一階最大穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到24，表現(xiàn)為扣塔失穩(wěn)，在斜拉扣掛體系下拱圈具有較好的穩(wěn)定性；(2) 運(yùn)營階段，拱圈一階穩(wěn)定系數(shù)7.4，表現(xiàn)為拱上排架面內(nèi)失穩(wěn)。以線彈性穩(wěn)定理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足受力要求[15]。

(a) 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(b) 運(yùn)營階段橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié)束語

懸臂澆筑法是鋼筋混凝土拱橋施工的一項(xiàng)新工藝，其整體穩(wěn)定、造價(jià)低廉、后期養(yǎng)護(hù)簡單、施工安全、跨越能力強(qiáng)。貴州山區(qū)多高山峽谷，非常適合懸澆拱的修建，采用該法設(shè)計(jì)與施工的沙坨特大橋主要有以下技術(shù)創(chuàng)新：

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主拱圈材料采用C60高性能混凝土，拱上建筑采用大懸臂排架結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)自重，降低了施工難度，節(jié)約了工程造價(jià)。

2) 通過在拱圈截面配置預(yù)應(yīng)力及采用整體安裝主拱圈鋼筋等工藝，減小了施工過程中拱圈開裂風(fēng)險(xiǎn)，加快了施工進(jìn)度。

沙坨特大橋在同類橋梁中跨徑全國第一，于2019年建成通車，為我國橋梁建設(shè)提供了一次新的技術(shù)探索，也為此類橋梁的推廣應(yīng)用以及邁向更大跨徑奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。