500米级钢管混凝土拱桥建造创新技术：南盘江特大桥

云桂铁路南盘江特大桥（图9-19）是昆明至南宁高铁上的一座特大桥，也是世界最大跨径客货共线混凝土拱桥。云桂铁路南盘江特大桥由中铁二院设计，中铁十八局施工，2010年开工，2016年建成通车。

图9-19　云桂铁路南盘江特大桥

采用钢管混凝土拱桁作为劲性骨架，主拱计算跨径416 m，计算矢高99 m，拱轴线为拱轴系数1.8的悬链线。主桥拱圈采用单箱三室变宽度箱形截面，拱圈宽度变化段为拱脚区段，从拱脚至65 m处，拱箱宽度由28 m变化至18 m，其余部分为等宽。拱箱为等高度，高8.5 m。边箱室的顶板、底板和腹板均为变厚度，从拱脚至拱顶逐段变化。其中，拱脚底板最厚，为110 cm；拱顶处底板最薄，为55 cm；中箱室的顶板、底板厚度均为60 cm。在钢管混凝土劲性骨架中，弦管采用φ750 mm×24 mm等直径、等厚度的Q370圆形钢管，腹杆主要角钢采用Q345钢材，钢管及腹杆总重为4 000 t；钢管内灌注C80高性能混凝土，拱圈外包C60高性能混凝土，外包混凝土达24 068 m3。首先分38段斜拉扣挂悬拼质量4 000 t的钢管拱桁架，然后在弦管内灌注混凝土后形成钢管混凝土劲性骨架，再分五环浇筑24 000 m3外包混凝土形成拱圈，拱圈刚度比钢管混凝土劲性骨架提高了7.9倍，可满足高铁对桥梁刚度的要求。如图9-20所示，底板6 795 m3混凝土从拱脚至拱顶连续浇筑劲性骨架上、下弦管内混凝土应力及钢管应力的变化过程。拱脚钢管内混凝土瞬时名义拉应力达24 MPa，压应力达42 MPa，大大超过浇筑环末应力，其他截面瞬时应力较小，显然如不采取措施，瞬时应力会导致拱脚破坏。采用分环、多工作面、斜拉索调载法能降低瞬时应力，在拱脚附近设倾斜向上的拉索，能有效降低拱脚截面劲性骨架的瞬时拉应力，对其他截面负面影响小。

图9-20　南盘江特大桥主桥立面及拱脚、拱顶横断面布置（单位：cm）

南盘江特大桥拱圈外包混凝土共24 000 m3，分五环浇筑，计算每环分6个工作面浇筑，每工作面分三小段，各小段编号如图9-21所示。分3次完成一环浇筑，两套浇筑设备每次在各工作面按图9-21的顺序，半跨浇筑编号7、1、4三小段混凝土，全跨浇筑六小段混凝土，待一次浇筑 的混凝土获得强度，参与共同受力后，再浇编号8、2、5三小段混凝土，全跨浇筑六小段混凝土，待此次浇筑的混凝土获得强度，参与共同受力后，再浇编号9、3、6三小段混凝土，全跨浇筑六小段混凝土。至此，完成了一环混凝土浇筑。按这个浇筑顺序，瞬时应力较小。两组共4 000 kN 斜拉索在底板混凝土第一次浇筑时加上，在完成边室底板、腹板、顶板三环混凝土浇筑并获得强度后撤除，可使拱脚上弦管内混凝土增加5.51 MPa压应力储备，提高抵抗瞬时拉应力的能力，使拱脚下弦管内混凝土永存压应力减少5.40 MPa，在整个浇筑阶段未出现超过容许值的拉应力。如无斜拉索调载，拱脚上弦管内混凝土在35个混凝土浇筑阶段出现拉应力，最大值达7.39 MPa，拱脚下弦管内混凝土压应力超标。因为工地混凝土生产、泵送能力不足，边室底板、腹板、顶板三环实际上各分6次，即每次只浇筑每小段的1／2，中室顶、底板各分3次，共分24次，历时8个月完成了24 000 m3外包混凝土在4 000 t钢管混凝土拱骨架上的浇筑，每一次的拱桁变形实测值与理论值都很相近（图9-22、表9-9）。

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图9-21　外包混凝土浇筑工序示意图

图9-22　外包混凝土浇筑过程中拱桁挠度

原批准的大桥初步设计拱圈混凝土浇筑方案如下：挂篮悬浇两拱脚水平长度各65 m 拱圈两边的混凝土，待混凝土获得强度后，斜拉扣挂悬拼中间286 m劲性骨架，劲性骨架合龙后，松劲性骨架的斜拉扣索，分环浇筑中间286 m 拱圈两边室底板、腹板、顶板混凝土，混凝土获强度后，放松并拆除两边65 m段扣索，然后分环浇筑中室底板、顶板混凝土，完成拱圈混凝土施工。此方案中，拱圈两边室整体挂篮悬浇65 m时要张拉扣索的总索力达134 000 kN，在南盘江特大桥桥址建立如此大斜拉扣挂系统有困难，且费用高，扣挂时间超500 d，存在混凝土拱箱开裂风险，在箱室两边混凝土浇筑完，获得强度后，放松扣索时拱脚、拱顶上缘混凝土存在开裂风险。最后郑皆连教授建议采用了分环、多工作面、斜拉索调载法施工拱圈混凝土。

表9-9　南盘江特大桥外包混凝土浇筑过程中拱桁变形、最终偏差及混凝土累计方量

在大桥建设过程中，广西大学林春姣博士曾对南盘江特大桥拱圈外包混凝土分环连续浇筑进行了初步计算［4］，分六环，设3组不断改变索力的斜拉索，3组索力最大值分别为3 500 kN、3 000 kN、1 500 kN，可实现每一环混凝土从拱脚至拱顶连续浇筑。分环连续浇筑施工速度快、环内混凝土无工作缝，但要求混凝土生产和浇筑能力达到500 m3／h，因工地条件不具备而放弃了该方案。