500米级钢管混凝土拱桥：马滩红水河特大桥的建造创新技术

5.3.1.1　工程概况

马滩红水河特大桥是柳州至南宁高速公路中一座中承式CFST拱桥，该桥分左右两幅桥，每幅桥由两片拱肋组成，拱肋跨径320 m，矢跨比为1／4，拱轴线采用倒悬链线m＝1.167。主拱肋为四肢式空间桁拱结构，截面宽度均为1.8 m，拱顶和拱脚截面高度分别为7.0 m 和12 m。上下弦直径为φ1 200 mm，壁厚22～32 mm，管内灌注C55微膨胀混凝土，腹杆和横向缀管分别采用φ610×16 mm和φ813×20 mm，两拱脚横联为X撑，其各部位横联为三角撑。该桥采用悬臂拼装法施工，总拱段数为24段，左右各12个施工节段，左右两岸均在安装完第8段后封拱脚（图5-3）。

图5-3　马滩红水河特大桥结构示意图

5.3.1.2　优化分析

1）Δu 与目标函数f（x）的关系

由图5-4可知，当Δu≤9 mm 时，f（x）随Δu的增大而逐渐减少，呈近似直线关系，因此单纯地追求“结果最优”而忽略了施工过程将导致施工过程中实际线形与目标线形差别较大，造成施工过程中线形较差、各扣索索力均匀性差、调索困难等一系列问题；当Δu＞9 mm时，f（x）趋于零，说明其过程偏离程度已经很小，施工过程中线形较好。因此为了确保施工过程和合龙松索后结构均具有良好的施工线形，本章后续的计算均取Δu＝10 mm，远小于规范要求的允许值L／3 000＝107 mm（《钢管混凝土拱桥技术规范》第11.2.7条规定“钢管拱肋架设拱圈高程允许偏差±L／3 000，其中L 为拱肋的计算跨径”）。

图5-4　目标函数f（x）与Δu关系曲线

2）施工线形计算分析

根据上述分析结果，取Δu＝10 mm采用本章的“过程最优，结果可控”的施工优化计算方法进行结构施工优化分析，以设计制造线形为参考坐标系，向上为正方向。计算结果如图5-5所示。

由图5-5可知，施工过程中不同节段的悬臂端控制点位移uh变化较平缓，即相邻两节段控制点位移没有剧烈变化，表明施工线形的连续性较好；此外，合龙松索后的各控制点标高与目标线形偏差为10 mm，各吊装施工阶段的控制点标高与实际线形偏差不超过30 mm，远小于规范规定的限值。这些数据表明，采用本章的斜拉扣挂施工优化计算方法不仅能够高精度地控制松索合龙后结构的线形，而且还能高精度地控制各拱肋吊装施工阶段的线形，因此具有双重线形控制的优点。

图5-5　马滩红水河特大桥斜拉扣挂安装拱圈变形

3）索力均匀性分析

“先合龙，后封拱脚”的施工方案对比零弯矩法和本章提出的一次张拉优化计算方法结果，如图5-6所示（为保证图形简洁、美观，这里仅调取了1＃～4＃扣索索力进行分析，其他扣索索力规律类似，黑线表示一次张拉计算方法，红线表示零弯矩法，1＃～4＃表示扣索编号）。

图5-6　各扣索索力变化

由图5-6可知，采用零弯矩法计算索力时，各扣索索力随着吊装节段数的增加而产生较大波动，扣索索力均匀性较差。而采用本章的一次张拉施工优化方法计算各扣索索力时，随着拱肋吊装节段数的增加，各扣索索力变化较小，索力均匀性较好。由此表明本章提出的一次张拉施工优化计算方法能够有效克服传统施工监控计算方法的缺陷，可以保证各吊装施工过程中各扣索索力的均匀性良好。

为进一步对比零弯矩法和本章提出的一次张拉施工优化计算方法在配索情况上的差异性，这里对1＃～12＃扣索的最大扣索索力进行了分析，如图5-7所示。

图5-7　各扣索最大索力

由图5-7可知，采用零弯矩法计算各扣索在吊装施工过程中的最大索力时，各扣索的最大索力值存在较大波动，均匀性较差，如11＃扣索与12＃扣索最大扣索力差别达369.0 kN。而采用本章的一次张拉施工优化方法计算各扣索最大索力时，相邻两扣索最大扣索力仅相差99.2 kN，索力均匀性较好。此外结合图5-7中各扣索最大扣索力值，得到每幅桥各扣索的配索数量，见表5-1。

表5-1　半跨拱圈扣索配索　单位：根

由表5-1可知，采用零弯矩法计算各扣索索力，半跨拱圈（柳州岸）需配备扣索272根，而采用本章提出的一次张拉计算方法，仅需配备224根，较零弯矩法节省材料17.6%。

5.3.1.3　计算方法的验证

1）各扣索力和自重对拱脚弯矩

为验证所采用的计算方法的正确性，以安装第8段后封拱脚的施工方案为例，取左半跨（即柳州岸，柳州岸第1～12节段，简计为“L01～L12”）的拱圈计算分析。拱圈自重和各扣索力对拱脚的弯矩情况见表5-2。

表5-2　各吊装施工阶段对拱脚的弯矩

（续表）

由表可知，各吊装施工过程中，在拱圈封拱脚前，各扣索与自重对拱脚力矩偏差保持在0.19‰范围内，表征着该计算方法的合理性。

2）各吊装施工过程中的拱圈线形和扣索索力情况

为进一步研究各吊装施工过程中，拱圈各控制点线形与扣索力的变化规律，限于篇幅，这里列举了1＃～4＃扣索和第1～4拱肋节段控制点的线形。计算结果如图5-8所示。(www.xing528.com)

由图5-8可知，整个吊装施工过程中，各扣索索力变化较为平缓，同一扣索力在相邻两荷载施工阶段中最大扣索力偏差为35.7 kN，为4＃扣索在第6、7段施工阶段，即安装第4拱肋节段和安装横联系2。此外，由于各扣索力值是随着控制点的线形变化而变化，线形往上挠则扣索力减少，线形往下降则扣索被拉长，扣索力增加，这个结论与图5-8所示规律是一致的，也表征着该计算方法的正确性。

3）与实际线形偏差

由图5-9可知，整个吊装施工过程中，各控制点线形与目标线形偏差最大为29 mm，合龙松索后计算线形与目标线形相差10 mm，实测线形与目标线形偏差为20 mm，均远小于规范要求的允许值L／3 000＝106.7 mm，具有良好的线形精度。

5.3.1.4　不同封拱脚时机对比分析

马滩红水河特大桥为目前国内在建高速公路桥面最宽、用钢量最大的钢管混凝土拱桥，该桥分左右两幅桥，每幅桥由两片拱肋组成。由于自重大，吊装不方便，每一片拱肋又分为24个节段吊装施工，这已经超出460 m 跨径的巫山长江大桥和530 m 跨径的合江长江一桥的施工拱段数。这里从结构施工过程中的施工线形、索力均匀性、刚度、误差试验分析等方面对比分析了以下三种不同的封拱脚方案：两岸均在安装完第1段拱肋后封拱脚；两岸均在吊装第8段拱肋后封拱脚；先合龙，后封拱脚。

1）施工线形

取合龙松索后的线形与目标线形（裸拱自重作用下的线形）容许偏差Δu＝10 mm，三种封拱脚方案的施工过程中线形uh与目标线形偏差对比结果如图5-10所示。

图5-8　各扣索索力和控制点线形

图5-9　各控制点线形偏差

图5-10　三种不同封拱脚方案施工过程线形情况

由图5-10可知，方案一和方案二各吊装施工阶段的预抬高值uh与目标线形最大偏差均控制在30 mm以内，且整个吊装施工阶段线形较平缓，施工过程中线形精度良好；方案三各吊装施工阶段的预抬高值uh与目标线形偏差最大达562 mm，施工过程中的线形远不如方案一和方案二封拱脚方式。同时，计算结果也表明了提前封拱脚有助于提高结构施工线形的精度。

此外，为进一步研究各吊装施工过程中施工线形偏差对扣索力的影响，这里以方案三的封拱脚方式为例，开展相关研究。图5-11为合龙松索线形Δu 与目标函数f 的变化规律。

图5-11　目标函数f（x）与Δu关系曲线

由图5-11可以看出，当合龙松索后与目标线形的允许偏差Δu≤39 mm 时，优化目标函数f与Δu 近似呈现此消彼长的线形关系。因此为研究施工过程中的线形对结构索力的影响，这里分别取Δu ＝10 mm和39 mm进行结果分析。由于左右两岸的扣索力情况很接近，因而这里取柳州岸最初安装索力与拱圈合龙时索力对比分析，各扣索索力变化情况如图5-12所示（图中纵坐标表示最初安装索力与拱圈合龙时索力的变化率）。

图5-12　方案三各扣索索力变化率

根据图5-12可知，当施工过程中线形良好，即取Δu ＝39 mm，整个吊装施工过程中最初安装时各扣索索力与拱圈合龙时各扣索索力变化较小，最大变化率不超过15%；而取Δu ＝10 mm 时，即施工过程中线形偏差大时，各扣索索力的最大变化率达到50%左右，这将导致施工过程中调索困难、施工风险大等一系列问题。

2）索力均匀性分析

图5-10从施工线形的角度对比分析了三种不同封拱脚方案的效果，并从施工过程线形偏差对各扣索索力变化的影响进行了对比研究。这里进一步对各扣索索力均匀性方面进行了对比分析，其计算结果如图5-13所示。

图5-13　三种不同方案扣索索力结果

由图5-13可以看出，采用本章的基于“过程最优，结果可控”的斜拉扣挂施工优化一次张拉计算方法，三种不同的封拱脚方式相邻两扣索索力变化较小，各扣索索力均匀性均较好。其中，方案一和方案二的索力情况很相近，较方案三的索力均匀性好，这也进一步说明了提前封拱脚能提高各扣索的索力均匀性。

3）误差试验分析

为模拟施工过程中的测量误差和拱圈制造误差，对施工过程中安装预抬高值引入幅值为30 mm的白噪声，进行了100次试验分析，其结果如图5-14所示。

图5-14　白噪声试验

根据图5-14的误差试验分析结果显示，采用安装完第1段后拱脚的方案一，悬臂拼装施工过程中预抬高值误差30 mm，在松索成拱后被放大成了105 mm，已经很接近规范要求的允许值L／3 000＝107 mm，而方案二和方案三则没有被放大。因此过早地封固拱脚对拱圈线形控制是很不利的，需合理选取封拱脚的时机。

以马滩红水河特大桥为工程背景，采用“过程最优，结果可控”一次张拉施工优化计算方法进行拱圈的扣索力和线形分析，计算结论如下：

（1）通过斜拉扣挂施工过程中各拱肋节段自重和各扣索索力对拱脚弯矩对比、各扣索力随线形的变化规律以及计算线形与实际线形的对比，多方面验证了本章提出的“过程最优，结果可控”一次张拉施工控制方法的正确性。

（2）三种不同封拱脚方案对比表明，提前封拱脚有助于提高施工过程中的线形精度和各扣索力均匀性，但过早封拱脚将可能导致施工过程中较小的线形偏差在合龙松索后被大幅度放大。因此对于跨径大、吊装拱段数多的拱桥，需选取合理的封拱脚时机。

（3）施工过程中的线形偏差对各扣索索力会有一定影响。当施工过程中各控制点的施工线形偏差较大时，最初安装时的索力与拱圈合龙时的索力会有较大变化。因此需严格控制施工过程中的施工线形，以降低拱肋吊装的施工风险。