上承式鋼筋混凝土箱型拱橋主拱圈施工技術

劉云飛

(天門市公路防汛救災搶險中心,天門 431700)

在當今的橋梁建設中,混凝土拱橋因其受力性能好、耐久性強、跨度大以及外觀優美等特點而得到廣泛應用[1]。19世紀50、60年代,鋼筋混凝土憑借更好耐壓性能開始被用來取代石料建造拱橋,拱橋的跨徑因此得到了很大的提升。到1942年,鋼筋混凝土拱橋的跨徑已接近200 m。鋼筋混凝土拱橋的建設在我國起步較晚,20世紀80、90年代開始興起[2]。自1989年建成了宜賓金沙江240 m中承式鋼筋混凝土拱橋后,我國開始陸續建成大跨徑的鋼筋混凝土拱橋,其中以箱型截面拱橋居多[3]。在當今鋼筋混凝土拱橋的建設技術日益成熟與完善的情況下,許多拱橋形式已經不適應現代社會的需求,呈現出被逐步淘汰的趨勢,箱型拱橋卻表現出了強大的活力,不僅數量日益增多,同時也成為目前跨徑 500 m以下拱橋中使用最為廣泛的形式之一,在我國大跨度鋼筋混凝土拱橋橋型中占據主要地位[4]。

目前為止,鋼筋混凝土拱橋的施工方法主要有支架施工法、勁性骨架施法、纜索吊裝施工法和轉體施工法。其中支架施工法一般用于跨徑較小的工程。鋼筋混凝土拱橋先鋪設鋼筋,后澆筑混凝土,使橋梁形成一個整體,這樣的橋梁具有經濟節約、外形優美、經久耐用等特點,在目前的橋梁建設中應用廣泛[5]。為了確保橋梁的結構安全性、可靠度、結構內部壓力和變形能夠在其施工時期始終保持在安全的范圍內,以及當成橋后所有的橋梁線形都能夠符合其設計技術規范的要求,在整個橋梁施工時期進行嚴密的施工和監控管理是必不可少的[6,7]。在現有研究的基礎上,結合上承式鋼筋混凝土箱型拱橋工程實例,詳細梳理了其主拱圈的施工方法與監控方法,為今后相關橋梁的建設提供參考。

1 工程概況

該項目為天門市天門大橋拆除新建工程,新建天門大橋,跨越天門河。橋梁建設地區為沖積平原區,其地形在河湖長期沉積作用下較為平坦開闊,海拔高程一般為 18～32 m,地表建筑物較為密集,北側湖泊較為密集。橋梁總長 90.5 m,跨徑布置為(8+60+8)m,橋梁分為左右兩幅,單幅寬度14.99 m,總寬30 m,主跨為跨徑60 m的上承式箱型拱橋,主拱圈為懸鏈線,凈跨L0=60 m、凈矢高f0=8.571 m、矢跨比=1/7、拱軸系數m=1.988,拱上橋面板為8 m預制鋼筋混凝土空心板,橋臺為組合式,基礎采用樁基礎,拱上立柱采用方墩。

2 主拱圈施工工藝

主橋上部結構的主要承重結構是主拱圈,為等截面懸鏈線箱形拱,拱箱高1.3 m,截面形式為單箱四室,頂、底板厚0.22 m,邊中腹板厚0.35 m,橫隔板厚0.18 m。主拱圈采用支架法施工。

2.1 現澆支架基礎施工

首先布置鋼管樁,鋼管樁為Q235B材質卷制、φ630×10 mm規格鋼管,采用釣魚法施工,單樁承載力按65 t承重量控制。測量放樣后,由75 t履帶吊車振動打樁機沉樁。鋼管樁的插入深度控制為24 m,主要控制其入土深度,以貫入度為指標。鋼管樁插入完成后安裝焊接主橫梁和剪刀撐,主橫梁為40a工字鋼,樁間橫聯和剪刀撐則使用16A槽鋼,起支承斜撐作用,所有焊接點要保證焊接牢固。然后安裝貝雷主梁,貝雷桁架寬度90 cm,桁架間距90 cm。支撐架與貝雷使用螺栓連接為整體,為減少因接頭變形使主梁產生的位移,接頭處可錯位連接,確保其剛度。最后進行橫縱分配梁的安裝,采用人工與75 t履帶吊相互配合的方式安裝分配梁,樁頂橫梁為40a工字鋼、間距9 m。橫向分配梁均以設計支架支點位置按照0.6 m間距均勻布置,橫向分配梁與貝雷架橫梁之間進行焊接,同時利用門型筋固定。分配梁安裝完成后須及時與主梁牢固焊接。

現澆支架拱腳部分基礎施工流程為:超挖換填墊渣→壓實→澆筑混凝土整平層。原地基超挖換填墊渣,厚度不小于80 cm,保證壓實。當地基承載力不低于200 kPa后,在墊渣層上澆筑20 cm厚C25混凝土整平層。處理完后基礎高程超過汛期水位0.5 m以上,確保支架不受汛期水位上漲影響。

2.2 滿堂支架施工

該工程采用的滿堂支架布局,與貝雷桁架分配梁位置匹配,主要分布為縱橋向水平桿步距0.6 m、橫橋向水平桿步距0.9 m,立桿方向2層1.5 m、1層1 m。底層滿設斜桿,支架腹內每兩步設一步斜桿并錯步安裝,保證斜桿交錯相連,確保支架穩定。支架第三層立桿層距1 m,滿設斜桿,其它的頂托部位根據需要加密橫桿。

2.3 支架系統預壓及檢測

為了保證支架施工使用時的安全性,同時保證施工的線形,在箱形拱施工之前需要對支架進行壓載試驗。在箱形拱支架進行預壓前需將全部盤扣用鐵錘打緊,架體預壓及卸載過程不得有人員進入架體傾覆范圍內,將人員隔離到現場設置的彩鋼板圍擋之外。最大預壓荷載為拱自重與施工荷載之和的1.2倍,加載過程按60%、80%、100%、120%四個等級逐級進行,為確保支架安全穩定,加載過程需對稱進行。每一級加載后進行測量,確保安全無異常方可繼續加載,直到完成1.2倍的加載目標。然后在1～3 d時間內持續測量支架的位移與沉降,當支架沉降差值小于3 mm并連續不少于2 d時,表明地基處于穩定狀態;加載過程完成后,卸載過程也需按加載等級逐級反向進行,每一級進行測量,直至全部卸載完成且支架系統保持穩定。最后綜合預壓全過程的測量計算結果對底模進行調整,同時設置預拱度。

2.4 模板安裝

模板采用雙A48×3 mm鋼管制作弧形縱向導軌,鋼管橫向雙拼、縱向按拱底懸鏈線設弧放置,采用粗鐵絲綁固在支架頂托上,并將鋼管與頂托面的夾角用木楔頂固。雙鋼管導軌上,橫向采用4 cm×8 cm方木按間距10 cm安裝模架,方木按8 cm高度放置以增強承重能力,并采用鐵絲與雙鋼管導軌綁扎固定。方木模架上安裝15 mm厚木芯板,木芯板采用鐵釘在方木上固定。

安裝模板時,為了確保底模的標高,首先用水準儀沿箱形拱縱向每5 m、橫向2.25 m測量底模頂標高,然后拉線調整方木位置。安裝時,根據橋梁中心線在方木上分段鋪設底模,要保證底模長邊與橋梁中心線平行,短邊保持在同一斷面上。模板拼縫之間應采用玻璃膠補縫或回力膠條嵌封。相鄰兩模板高差要維持在2 mm以內,保證模板表面平順。底模安裝后根據測量控制點進行復核。側模安裝時要保證模板縱橫接縫用回力膠條或雙面膠進行嵌密,且橫縫在同一斷面上,模板必須對準邊線垂直豎立,拉線調整,使模板直線段順直、曲線段圓滑。

2.5 鋼筋混凝土施工

鋼筋加工后按不同類別堆放,施工時根據現場需要由拖車運輸到現場,利用吊車直接吊至作業位置進行現場安裝和綁扎。預埋件包括泄水孔、拱上立柱的基座預埋鋼筋、拱上墊梁的預埋鋼筋。施工基層底板環上應安裝泄水孔管件(PVC(Polyvinyl Chloride,聚氯乙烯)管)。各空腹箱底均設置一個泄水孔,用于養護施工過程中的污染物和廢棄水及時清理和排除。施工頂板環鋼筋安裝時,安裝立柱基座和墊梁預埋筋。拱上立柱的立柱預埋鋼筋、基座預埋鋼筋、拱上墊梁的預埋鋼筋均預埋至拱圈頂板內層鋼筋位置。

鋼筋鋪設完畢后進行混凝土澆注,采用C40混凝土,初凝時間不少于10 h。該工程所使用的混凝土都是在攪拌站攪拌制作完成后,再經混凝土運輸車輛運輸到指定地點進行澆注。澆注前要將模板清理干凈,清理出的雜物從排水管排出,清理完畢后用水打濕模板。箱形拱混凝土主要按水平距離每20 m分3個現澆段澆注,均要求從低處往高處澆筑,不得先高后低,以防混凝土裂縫破壞整體性。澆注過程中要嚴格控制頂板處混凝土的標高,需在兩側模板之間拉線,保證混凝土的澆注厚度符合要求,保持合適高度。

拱圈混凝土澆注時先澆注中間段的頂板和腹板,然后再對兩側腹板進行澆注;自拱底向拱頂分段澆筑。邊澆注邊振搗,使用振搗器使混凝土澆注均勻。同時需要在兩側模板、箱型拱頂和腹板處做好標高控制標記,按設計要求把控頂板的標高和坡度?；炷翝沧⑼瓿珊?對其表面進行抹平處理,同時控制好變坡坡度。在混凝土初凝之前再次進行抹平?；炷翝仓ば蛞妶D1。

養護對提高混凝土的強度和防止收縮裂縫的產生十分重要。要定時水養,保證混凝土表面濕潤,避免干燥開裂,夏天高溫時段需要增加灑水頻率?；炷帘砻婺毯笊w上土工布,并且需要經常灑水,常溫下灑水養護過程通常不低于7 d。在混凝土強度未達到預期值前,要避免其遭受振動或對其施加過重荷載。

2.6 模板、支架拆除

拱圈頂推完成且頂板混凝土的強度達到設計值的90%后,便可以進行模板和支架的拆除工作。支架的拆除要保證對稱同步進行,防止因受力不均勻導致支架變形或倒塌。拆除過程一定要按計劃有序進行,后裝的支架先拆、先裝的支架后拆,跨中向兩邊、從上往下、由里而外拆除。

應按照以下順序從上到下拆除支架:松開兩側腹板處的頂托→ 拆除方木、側模、底?！?拆下縱向弧形鋼管→ 拆下盤鋼管支架→ 拆除貝雷梁頂部的工字鋼分配梁→ 移動并提升單個組,以移除貝雷梁→拆除樁頂主梁工字鋼→ 拆除水平桁架和剪刀撐→ 拆下鋼管柱→ 拆除水下鋼管[8],完成鋼管貝雷梁支架的拆除。

3 主拱圈質量監控

3.1 監控目標

為了確保橋梁施工的安全與質量,必須對其進行監控控制。施工監控技術是此次橋梁建設的一個關鍵點,貫穿橋梁施工全過程,尤其是在主拱圈的施工過程中,更加需要通過實時監控來嚴格把控其質量和安全。施工監控包括測量、計算分析、現場管控等多個部分。為達到控制目標,需要在建模計算的基礎上,實時測量記錄數據,根據實際情況修改計算理論設計值。根據修正后的設計值調整支架高度、拱軸線和拱肋預拱度等,根據現場施工進度及時提供立模標高和預拱度調節量等數據,保證實際施工結果符合設計要求。

施工監控需嚴格按照施工進程和相關規范進行,保證實現如下目標:在拱圈施工過程中,要保證拱架的應力、變形符合要求,以確保其安全性;保證拱圈成型過程中早期形成的部分和受力過程中的拱的應力、變形都處于可控范圍,避免結構開裂,保證整個系統處于穩定狀態;在拱結構形成的過程中,要保證拱圈的受力、變形和穩定性均符合設計規范的要求。

3.2 監控技術

天門大橋主橋的主要監控內容包括:拱架和拱圈的線形、應力與穩定性控制。一般方法是根據拱圈和拱圈結構的設計成型模式,在拱上結構施工過程中,根據現場情況準確預測拱架、拱圈的應力和變形穩定性,然后通過實時監測結果與理論值相對比并進行誤差分析,及時調整施工工序,確保各項監控指標都能處于預期狀態。

1)線形控制

結構幾何形態參數主要包括跨徑、拱軸線形和矢跨比。在施工過程中跨徑比較容易保證,相比而言,拱軸線形和矢跨比易受各類誤差影響產生一定偏差,影響結構內力與線形。所以需要在施工過程中嚴格控制拱軸線形與矢跨比,及時調整誤差。必要時對計算模型進行修正,盡量保證其線形與實際結構一致。

拱圈線形監控的控制點對稱布置在8個斷面,包括拱腳、(1/8)L、(1/4)L、(3/8)L、拱頂((1/2)L)、(5/8)L、(3/4)L等斷面,每一斷面三個標高觀測點,同時可當作坐標觀測點。在拱圈施工監控的同時,在每側橋臺承臺頂面對稱設置4個沉降觀測點,觀測施工過程中承臺沉降情況。在后澆帶頂推階段,還需在阻滑板后澆帶設置阻滑板的水平位移測試點,監測在頂推過程中阻滑板的水平位移變化情況,每塊阻滑板設置兩個測點。

線形監控使用水準儀、全站儀、激光測距儀等準確測量其空間坐標并記錄數據。測點處埋設短鋼筋,并噴上紅色油漆做好標識,保護測點不受破壞。此時的監控目標為標高和水平線形,主要觀測拱圈各控制點軸線和標高的變化,同時測量橋位水平位置變化。監控、施工單位同時單獨進行測量,測量結果進行對比,及時發現誤差并予以糾正。同時盡量選擇在穩定溫度場進行測量。

2)混凝土應力-應變測量

混凝土的應力-應變不僅可以用來表征施工質量,還可用來實時監測橋梁結構的變化?；炷翗蛄阂虿牧暇鶆蛐院头€定性較差,實際應力在諸多因素的影響下會出現與設計值不相符的情況,從而無法反映結構實際受力情況。因此,在預應力混凝土結構的應變實際測試中,通過系統識別、誤差分析與處理,使測試應力盡可能地接近于實際,從而較準確地掌握結構的真實應力狀態。

通過諸多工程實踐可以發現,箱型拱圈截面整體性好、剛度大、承受彎矩及抗扭能力強,截面形式經濟合理。因施工順序、人員、時間、預應力、索應力損失測定等因素的影響,并且為了對稱測量,拱圈應力測試點布置在拱腳、(1/4)L、(3/4)L、拱頂等5個關鍵控制截面處,左右兩幅橋應力測點布置位置相同,全橋共2×5個控制截面。各截面對稱設置4個應變計,共40個應變計。從全橋開始建設直到竣工的整個施工過程中,需要對每一施工階段進行應力監測,實時掌握拱圈的應力-應變狀態。通過拱圈結構應力監測確保大橋施工的安全,為通車運營荷載驗收提供穩定可靠的永久測點。因為混凝土結構較大時應變滯后時間較長,選擇在每一工況結束后3～6 h進行應力-應變測量,同時要保證各施工階段測量時的環境溫度較為穩定。

4 結 語

總而言之,在鋼筋混凝土拱橋施工中,主拱圈的施工最為重要,關乎整個橋梁的質量與安全,對其進行全程實時監控尤為重要。橋梁施工過程中對每道工序都需要嚴格控制,保證監控測量數據與理論計算結果基本一致,使橋梁施工安全與質量都能達到預期效果。希望本次橋梁工程實例的相關拱橋施工技術能夠在今后得到進一步的應用,進而為我國交通事業做出更大的貢獻。