蔣建軍，蔣勁松，莊衛(wèi)林

（1.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610041；2.四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院,四川 成都 610017）

0 引言

大跨徑鋼筋混凝土拱橋具有經(jīng)濟、耐久、美觀的特點，特別適用于地質(zhì)條件較好的V形河谷，其主拱圈的主要施工方法有纜索吊裝法、懸臂澆筑法、轉(zhuǎn)體施工法、勁性骨架法。懸臂施工法已在國內(nèi)6座特大跨徑拱橋上使用，目前建成的有四川鹽邊縣鳡魚大橋（凈跨徑200 m）、四川攀枝花市新密地大橋（凈跨徑182 m）、貴州木蓬特大橋（凈跨徑165 m）、四川白沙溝1號橋（凈跨徑150 m）。大跨徑鋼筋混凝土拱橋的主拱圈采用懸臂澆筑法施工時，主拱圈節(jié)段施工時間長，懸臂跨徑大，面臨多重風險考驗；為了確保主拱圈施工安全，需要對風險進行分析，并采取必要的防御措施。

1 工程概述

攀枝花市新密地大橋橫跨金沙江，為城市橋梁，橋面全寬30 m，雙向6車道（近期中分帶設(shè)尾礦管），分上、下游兩幅橋，橋梁全長296 m。該橋于2008年12月開工，上游幅橋于2011年9月建成通車，下游幅橋于2013年2月建成通車。

主拱圈為凈跨徑L0=182 m、凈矢跨比F0/L0=1/6、拱軸系數(shù)m=1.988的等高箱形截面（高3.5 m）懸鏈線無鉸拱，采用掛籃懸臂澆筑法施工。主拱圈分31個節(jié)段，其中兩岸各設(shè)一個拱腳搭架現(xiàn)澆段，拱頂設(shè)一個吊架澆筑合龍段，其余28個均為掛籃懸臂澆筑段[1-2]。

主拱圈懸臂澆筑施工采用斜拉扣掛體系（見圖1～圖3）。扣索下端錨固在拱箱內(nèi)橫隔板與腹板、頂板交叉處，上端為張拉端，錨固在索塔上鋼錨箱內(nèi)；錨索下端錨固在錨碇背面，上端為張拉端，錨固在索塔上鋼錨箱內(nèi)。索塔由鋼管格構(gòu)柱、橫撐、斜撐及鋼錨箱支撐平臺組成。斜拉索材料為φS15.2高強低松弛鋼絞線。

圖1 主拱圈懸臂澆筑施工

主拱圈施工期的風險分析和控制是保證大橋施工安全和工程質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 主拱圈施工主要技術(shù)要求

在橋梁總體設(shè)計中，對主拱圈施工提出了以下主要技術(shù)要求[1]：

（1）懸臂澆筑階段主拱圈截面邊緣法向壓應(yīng)力不超過0.7，拉應(yīng)力不超過0.7[3]，主拱圈混凝土的強度等級為C50，施工期法向應(yīng)力允許范圍為1.855～-22.68 MPa。

（2）扣索、錨索在整個施工階段任何工況下的安全系數(shù)不小于2.5。

（3）主拱圈懸臂澆筑階段，拱圈上各監(jiān)測點位移限值±10 mm，索塔塔頂縱向最大偏位不大于25 mm；索塔扣索、錨索張拉處的偏位誤差不大于H/3000；錨碇最大水平位移不超過6 mm。

圖2 新密地大橋立面圖（單位：cm）

圖3 主拱圈標準橫斷面圖（單位：cm）

3 主拱圈施工期多重風險分析及防御措施

3.1 極端氣溫

工程區(qū)位于攀枝花市東區(qū)，日照充足，太陽輻射強烈，年平均氣溫21℃，最熱五月，平均氣溫為27.6℃，極端高溫為40.7℃；最冷十二月，平均氣溫為13℃，極端低溫為-1.4℃。主拱圈從開始懸臂澆筑到合龍，要經(jīng)過最熱的五月和最冷的十二月。

參照《公路斜拉橋設(shè)計細則》JTG/T D65-01—2007第5.2.5條，索、塔、拱圈之間的溫差可取±10℃～15℃[4]。根據(jù)現(xiàn)場對扣錨索、索塔、拱圈溫度的監(jiān)測結(jié)果來看（一般在晴天或陰天進行）：陰天扣錨索、索塔、拱圈的溫差在5℃以內(nèi)；晴天扣錨索的溫度可達60℃，索塔的溫度可達45℃，而拱圈的溫度與監(jiān)測位置是否受太陽照射有關(guān)，各部位的溫度離散性較大，平均溫度約35℃。為偏安全考慮，晴天時，扣錨索與索塔的溫差按15℃計，扣錨索與拱圈的溫差按25℃計；陰雨天時，扣錨索與索塔的溫差按-10℃計，扣錨索與拱圈的溫差按-15℃計。

采用Midas/Civil有限元軟件建模計算，選取典型工況，對拱圈施工階段的溫差效應(yīng)進行分析：

工況①：懸澆一半狀態(tài)，整體升溫20℃，索、塔、拱箱正溫差；

工況②：懸澆一半狀態(tài)，整體降溫20℃，索、塔、拱箱負溫差；

工況③：最大懸臂狀態(tài)，整體升溫20℃，索、塔、拱箱正溫差；

工況④：最大懸臂狀態(tài)，整體降溫20℃，索、塔、拱箱負溫差。

針對上述4種工況，分別對塔頂水平位移、塔柱鋼管組合應(yīng)力、拱圈豎向位移、拱圈組合應(yīng)力和扣錨索應(yīng)力進行驗算，結(jié)果見表1。

表1 溫差效應(yīng)對結(jié)構(gòu)體系的影響

從表1可以看出：工況①和工況③時，塔頂水平位移較大，同時拱圈豎向位移（向下為負，向上為正）也較大，主拱圈的應(yīng)力幅較大（拉應(yīng)力/壓應(yīng)力）且拉應(yīng)力超限，塔柱鋼管組合應(yīng)力小于設(shè)計允許值140 MPa，扣錨索的應(yīng)力小于設(shè)計允許值744 MPa；工況②和工況④時，塔頂水平位移和主拱圈豎向位移均較小，主拱圈的應(yīng)力幅較小且在允許范圍之內(nèi)，塔柱鋼管組合應(yīng)力小于設(shè)計允許值140 MPa，扣錨索的應(yīng)力小于設(shè)計允許值744 MPa。

根據(jù)上面的分析計算結(jié)果，在主拱圈懸臂澆筑階段，當天氣炎熱時，結(jié)構(gòu)體系整體升溫較大，同時發(fā)生較大的索、塔、拱箱正溫差，會造成索塔朝江心方向傾斜、拱圈懸臂端下?lián)希瑫r拱圈局部部位會出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，對主拱圈施工安全性造成較大的影響，需要采取合理有效的措施進行控制，具體有：

（1）加強主拱圈混凝土(包含箱內(nèi)和箱外)的灑水養(yǎng)護和降溫；

（2）扣錨索鋼絞線應(yīng)采用PE護套進行防護和隔熱，不能直接裸露暴曬；

（3）鋼結(jié)構(gòu)索塔向陽側(cè)應(yīng)采取掛帷幕方式防止太陽直接照射。

3.2 洪水

洪水對主拱圈的作用分為浮力與流水壓力兩種[5]。該橋的設(shè)計洪水頻率為20 a一遇，對應(yīng)水位為1 005.2 m，主拱圈施工期偏安全地以此水位進行分析計算。

洪水作用(浮力、流水壓力)對扣錨索的應(yīng)力影響、對主拱圈軸線偏差影響、對主拱圈的截面應(yīng)力影響見表2和表3。

表2 洪水作用對結(jié)構(gòu)體系的影響（懸澆一半狀態(tài)）

表3 洪水作用對結(jié)構(gòu)體系的影響（最大懸臂狀態(tài)）

工況①：浮力、流水壓力；

工況②：自重、扣錨索力、浮力、流水壓力。

洪水作用(浮力、流水壓力)對扣錨索的應(yīng)力影響很小，只有21.8～30.5 MPa，扣錨索的最大拉應(yīng)力為682.8 MPa，在安全范圍內(nèi)；對主拱圈橫向偏差影響為5.8～9.6 mm，滿足設(shè)計要求不大于10 mm的要求；對主拱圈豎向撓度影響為8.5～17.3 mm，需調(diào)整立模標高；對主拱圈應(yīng)力影響較大，拱腳附近由洪水作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力為4.7～5.2 MPa。

從上面分析可知，洪水作用（浮力、流水壓力）對結(jié)構(gòu)體系的不利影響主要是在拱腳段下緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，超過了設(shè)計允許拉應(yīng)力1.855 MPa，可能會出現(xiàn)受力裂縫。

洪水發(fā)生時，浮力和流水壓力會對結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生不利影響，還可能腐蝕扣索鋼絞線，對其防御措施有：

（1）汛期應(yīng)加強水文和氣象觀測，做好防汛和度汛預(yù)案；

（2）對于可能受洪水淹沒的1#～5#扣索，應(yīng)做好防腐蝕工作，在豐水期間要防止漂浮物撞擊，且應(yīng)及時將洪水帶來的纏繞雜物進行清除；

（3）注意及時清除拱箱內(nèi)雜物(鋼筋、模板、混凝土渣塊等)，并疏通拱箱的排水管，保持水流進出順暢，減小浮力的影響；

（4）拱圈迎水面可設(shè)置導流板，減小流水壓力的影響；

（5）拱圈拱腳段下緣應(yīng)設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)片，并在混凝土配制時添加聚丙烯腈纖維。

3.3 強風

攀枝花新密地大橋橋區(qū)設(shè)計基本風速V10=26.0 m/s，橫橋向靜風荷載假定水平地垂直作用于主拱圈各節(jié)段迎風面積和索塔立柱的形心上。取最大懸臂狀態(tài)進行分析計算，在風荷載+自重（含掛籃和橫隔板重）+扣錨索力組合作用下，扣錨索索力、主拱圈應(yīng)力、索塔立柱應(yīng)力、主拱圈橫向偏位情況見表4。

表4 風荷載對結(jié)構(gòu)體系的影響

根據(jù)分析結(jié)果，風荷載對扣錨索索力、主拱圈應(yīng)力、索塔立柱應(yīng)力的影響均較小，對主拱圈橫向偏位影響稍大。由于結(jié)構(gòu)體系為彈性，在大風過后，主拱圈的橫向偏位會消失，因此靜風荷載不會對結(jié)構(gòu)體系的安全造成影響。

主拱圈抗風穩(wěn)定性驗算（不設(shè)抗風纜的情況下）參照《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》JTG/T D60-01—2004第6.3條計算。顫振穩(wěn)定性驗算結(jié)果見表5。

表5 施工期主拱圈顫振穩(wěn)定性驗算結(jié)果

從表5可以看出：半懸臂狀態(tài)時，其扭轉(zhuǎn)基頻ft為3.761 Hz，顫振穩(wěn)定性指數(shù)If為1.795；顫振檢驗風速[Vcr]為64.8 m/s，顫振臨界風速Vcr為158.0 m/s，Vcr＞[Vcr],所以顫振穩(wěn)定性驗算滿足設(shè)計規(guī)范要求；最大懸臂狀態(tài)時，其扭轉(zhuǎn)基頻ft為2.963 Hz，顫振穩(wěn)定性指數(shù)If為2.362；顫振檢驗風速[Vcr]為67.2 m/s，顫振臨界風速Vcr為124.5 m/s，Vcr＞[Vcr],所以顫振穩(wěn)定性驗算滿足設(shè)計規(guī)范要求[6]。

新密地大橋的主拱圈寬度為9.6 m，相對較寬，有必要驗算其渦激共振的發(fā)生風速。根據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》JTG/T D60-01-2004第7.2.3條[6]，豎向渦激共振發(fā)生風速，扭轉(zhuǎn)渦激共振的發(fā)生風速。渦激共振發(fā)生風速驗算結(jié)果見表6。

表6 施工期主拱圈渦激共振發(fā)生風速驗算

從表6可以看出：半懸臂狀態(tài)時，主拱圈豎向渦激共振發(fā)生風速為22.8 m/s，小于設(shè)計風速Vd，扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風速為48.0 m/s，大于設(shè)計風速Vd；最大懸臂狀態(tài)時，主拱圈豎向渦激共振發(fā)生風速為12.7 m/s，小于設(shè)計風速Vd，扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風速為37.8 m/s，大于設(shè)計風速Vd。因此，扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生的可能性較小，而豎向渦激共振發(fā)生風速低，出現(xiàn)的幾率較大，主拱圈施工安全性造成較大的影響，采取的防御措施有：

（1）風季加強風速觀測，做好防風預(yù)案；

（2）由于懸臂澆筑階段，結(jié)構(gòu)豎向振動的頻率較低，導致豎向渦激共振發(fā)生風速較低，因此提高其豎向振動頻率可以減小豎向渦激共振發(fā)生的概率，主要措施是在大風季節(jié)，在拱腳段設(shè)置臨時支架，減短懸臂長度，提高其剛度；

（3）加大索塔頂壓重索規(guī)格，提高索塔穩(wěn)定性。

3.4 掛籃滑落

在懸臂澆筑階段，掛籃的行走方式采用千斤頂逐漸頂推，如果操作不當，有可能發(fā)生掛籃滑落的風險。這里分別取懸澆一半狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)進行分析計算。加載方式為反向加載，沖擊系數(shù)取1.4。

在自重(含橫隔板重)+索力+掛籃滑落組合作用下，主拱圈應(yīng)力、索塔立柱應(yīng)力、扣錨索索力、主拱圈豎向撓度見表7和表8。

表7 掛籃滑落對結(jié)構(gòu)體系安全性的影響（半懸臂狀態(tài)）

表8 掛籃滑落對結(jié)構(gòu)體系安全性的影響（最大懸臂狀態(tài)）

工況①：掛籃滑落；

工況②：自重+掛籃滑落+索力。

從分析結(jié)果可知：掛籃滑落時，扣錨索索力小于744 MPa，在設(shè)計允許范圍內(nèi)；索塔立柱應(yīng)力在允許范圍內(nèi)；主拱圈下緣產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，遠遠超過設(shè)計允許值1.855 MPa；主拱圈豎向上撓變形嚴重，半懸臂狀態(tài)時上撓107.7 mm，最大懸臂狀態(tài)時上撓243.6 mm。

掛籃滑落對結(jié)構(gòu)體系安全的影響很大，為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，采取的防御措施有：

（1）在掛籃行走時，安排技術(shù)員和安全員駐守現(xiàn)場，指導作業(yè)；

（2）在使用千斤頂對掛籃進行頂推時，在滑槽兩側(cè)均設(shè)置千斤頂，一個送油頂推，另一個回油后退；

（3）在滑槽末端應(yīng)設(shè)置鋼棒進行限位，杜絕掛籃滑落。

3.5 扣錨索斷裂

在懸臂澆筑階段，扣索和錨索均在塔頂進行張拉，下端分別錨固在拱箱內(nèi)和錨碇后側(cè)。為了節(jié)約造價，扣錨索鋼絞線一般需要重復(fù)使用（上游幅橋使用后拆除保存，在下游幅橋施工時繼續(xù)使用），如果扣錨索鋼絞線保存不善，發(fā)生嚴重銹蝕且繼續(xù)使用，則有可能發(fā)生錨具失效，或鋼絞線本身因為缺陷而斷裂。

在最大懸臂狀態(tài)時，模擬15#索（索力最大）發(fā)生斷裂，對結(jié)構(gòu)體系進行分析計算。主拱圈應(yīng)力、索塔立柱應(yīng)力、扣錨索索力、主拱圈豎向撓度的結(jié)果見表9。

表9 扣索斷裂對結(jié)構(gòu)體系的影響

工況①：自重+扣索斷裂+索力。

從分析結(jié)果可知：當扣索斷裂時，其他扣錨索的索力將增加，最大拉應(yīng)力達到910.9 MPa，不能滿足設(shè)計要求；當扣索斷裂時，主拱圈上緣出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，達到3.0 MPa，不滿足設(shè)計要求；扣索斷裂時，拱圈出現(xiàn)較大下?lián)献冃?，達到231.3 mm。扣索斷裂時，索塔立柱的最大壓應(yīng)力為102.8 MPa，滿足設(shè)計要求。

扣錨索斷裂對結(jié)構(gòu)體系的安全性影響很大，采取的防御措施有：

（1）在扣錨索鋼絞線掛索時采用分索器，避免鋼絞線之間發(fā)生纏繞；

（2）張拉時嚴格按照索力和伸長量進行控制，并且在施工過程中對索力進行跟蹤監(jiān)測；

（3）對于扣錨索錨頭處的錨具、錨塊、鋼錨箱等每天進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)夾片松動、錨塊開裂等現(xiàn)象，及時進行補救；

（4）對于使用過的扣錨索鋼絞線進行妥善保管，防止銹蝕；對于使用過程中就發(fā)生了嚴重銹蝕的鋼絞線，則不得在下游幅橋中使用；

（5）施工作業(yè)過程中對扣錨索的風雨振動或其他原因?qū)е碌恼駝舆M行觀察，采取掛繩、支撐等措施進行適當約束，減小其振幅。

4 結(jié) 語

采用懸臂澆筑法施工的大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱圈的整體性、耐久性及抗震性能均較好，并且該施工方法不需要預(yù)制場地，也不需要專門的梁、拱運輸通道，減少占地，經(jīng)濟性好。在主拱圈采用懸臂澆筑法施工期間，將面臨多重自然災(zāi)害和事故風險。本文以建成的攀枝花市新密地大橋為例進行風險分析，結(jié)果表明：極端氣溫、洪水、強風、掛籃滑落、扣錨索斷裂等幾種常遇災(zāi)害或事故風險對主拱圈施工安全及工程質(zhì)量影響較大，有必要采取恰當?shù)姆烙胧?/p>