预制拱法的设计施工手册.doc

预制拱法的设计施工手册第一编总论第1章总说1.1适用范围本手册适用于构筑与填土一体化的，由钢筋混凝土预制构件构成的3铰拱形结构物的预制拱法的设计、施工及量测。解释本手册的适用条件是：对象：根据拱部构件的最大厚度（40cm）及拱部构件运输时的限制条件，净空宽度不超过20m的；平面线形以直线或接近直线的为对象；考虑交通荷载的作用位置，铺装厚度最小取1m，并根据净空宽度和拱构件厚度的关系，最大为20m；纵向坡度最大为6%。1.2用语及符号（省略）1.3工法的特征预制拱法是构筑拱构件与填土成为一体三铰拱工法，此法构筑的结构物是由拱部、铰接部、基础部及填土构成。解释工法的特征如下。预制拱法是一个钢筋混凝土预制构件构成的三铰拱结构物；预制拱是一个静定的三铰拱结构，对土压的稳定性好，可以降低完成时发生的弯矩的结构物；与过去的结构比较，是一个比较薄的构件，形成与填土成为一体的柔性的稳定的结构物；可以修建净空宽度20m左右、埋深20m左右的厚度40cm 以下的预制构件；三铰拱的构造稳定性，受到脚部铰间的相对位移影响很大，因此要仔细考虑基础形式的选择和基础地层的承载力；预制拱法是于填土成为一体的结构物，受到偏荷载的影响大，因此，拱部间的填土施工要慎重进行；预制构件是左右交互组合架设的，不需要熟练工，可以迅速施工；拱部架设完成后（填土开始前）就是一个稳定的结构，因此架设过后就可以使用。第2章计划2.1基本原则解释预制拱法是为了代替现场灌注的拱涵和短跨桥梁而开发的结构物。与过去方法比较能够迅速施工而且拱部架设后就可以立即使用，因此在计划时要充分利用这个特征，研究设置位置、基础形式、构件的制造、施工方法等。在计划中应研究的事项：设置位置；基础形式的选择；拱构件的制造；拱构件的制作、运送、临时放置；基础、填土及洞口壁的施工方法；观察及量测；安全对策；进度及工程费；维修管理方法。2.2设置位置解释决定设置位置时，考虑经济的同时，要研究以下事项。土地利用状况、道路类型和交通状况、河川、湖泊等当地条件，包括现状和未来的计划地下结构物、埋设物、地上结构物等，不仅是既有的，也包括未来预计设置的； 决定设置位置时，也要考虑检查、补修容易的条件。2.3基础形式的选择基础形式对三铰拱的稳定影响极大，要充分考虑使用目的、地形及土质、施工方法、荷载条件等选定。解释选择时要充分考虑以下几点。三铰拱的结构稳定性受到脚部铰间相对位移影响极大，因此要选择脚部难于发生垂直及水平位移的基础。左右基础是独立的场合，垂直及水平的承载力要充分。有使三铰拱闭合的仰拱基础的场合，要有充分的构造上的承载力。构件是钢筋混凝土预制的，安装作业是迅速的，1天可以水果10m，因此选择基础形式时要考虑施工速度；为了避免妨碍交通等，左右基础最好采用分别独立的；预计填土施工会有比较大的下沉的场合，最好采用下沉追踪型的基础，例如仰拱基础。2.4构件的制作、运送、临时放置第3章调查3.1调查目的3.2事前调查3.3调查第二编设计第1章基本事项1.1基本原则预制拱法的设计，应考虑结构物特性、周边地形及土质，采用能够确认其安全性的方法。以容许应力法作为设计的前提，采用规定的回填材料和填土，并进行适当的施工管理和量测管理。解释预制拱法采用三铰拱的静定结构。所以，发生的弯矩小，产生的轴力可以维持结构的稳定状态。设计时要考虑各种可能出现的荷载状态，研究施工时的断面力。施工时的荷载有以下几种。拱构件运送、临时放置、安装时的荷载；填土过程中的荷载；预制拱上部暂时使用的荷载。预制拱的破坏模式有：拱构件的轴力和弯曲破坏、轴力和剪切破坏及轴力破坏；基础承载力不足引起的脚部不均匀下沉、开脚的破坏及洞口的纵向滑移破坏等。关于的破坏：拱部构件的罪行安全系数的出现时期，可以根据轴力和弯矩的相互作用曲线推察出来。其例示于图1。图中的2条直线是设定的钢筋容许拉应力及混凝土的容许压应力。曲线表示各施工阶段的拱构件的轴力和弯矩的关系。曲线上的A、B、C对应图中的填土高度。根据此图可以了解拱构件的最小安全系数出现在对应填土高度达到拱顶附近时的钢筋拉应力的情况。关于的破坏：脚部的不均匀下沉和开脚等决定于支持地层的好坏。在地层支持力不足的场合，应在脚部闭合方面下工夫。预制拱地震时的稳定心要从横向和纵向2方面研究。图2表示标准的预制拱法的设计流程。图21.2净空断面形状净空断面形状应考虑使用目的、功能等决定。拱的形状不仅要根据结构稳定性也要考虑满足设置位置等各种条件，决定最佳的形状。解释决定净空断面时要考虑以下条件。1） 道路的场合建筑限界视距；铺装构造；内装、照明、通风、排水、其他附属设施；维修管理用设备。2） 水路的场合必要的通水面积；维修管理用设备。3） 电力、通信的场合电缆条数；维修管理用设备。拱形状要满足以下3个条件设定。满足净空断面的条件；适合埋深的形状；经济的形状。一般说在建筑限界相同的场合，拱形状视埋深不同，其形状由蛋形向扁平形变化，同时根据拱长度最短的经济要求决定是比较合理的。1.3基础地层考虑预制拱长期的稳定性和耐久心，应尽可能地选定稳定的良好的地层。1.4基础形式基础形式应考虑使用目的、地形及土质、荷载条件、施工方法、进度等决定。解释基础有直接基础、桩基础和与直接基础组合的地层改良的基础。（1）直接基础（2）桩基础（3）地层改良第2章荷载2.1一般规定设计荷载有拱外部作用的荷载、自重、拱内部的荷载及这些荷载产生的地层反力。2.2荷载种类和组合（1） 设计时应考虑的荷载 填土上面的荷载； 拱内部的荷载； 自重； 垂直土压和水平土压； 地层反力； 地震的影响； 施工时的荷载； 其他荷载。（2） 按表1的荷载组合，考虑构件及基础最不利的条件进行设计。表1荷载组合荷载状态拱构件的设计基础设计常时+地震时+施工时2.3填土上面的荷载填土上面的荷载一般是路面交通荷载。填土上面的荷载要考虑未来的状态决定。解释路面交通荷载一般要考虑冲击，冲击力是随填土厚度的增加而减小，埋深超过4m以上的场合可以忽视。2.4拱内部荷载拱内部荷载是结构完成后作用在内部的荷载，应根据实况决定。解释拱内部荷载，根据用途而异。当直接作用在拱和基础上时应加以研究。否则可以省略。2.5自重2.6土压及地层反力土压和地层反力应考虑地层性质及结构的规模等分为垂直方向和水平方向考虑。解释（1） 土压、地层反力及其他偏压产生的反力，因施工条件不同而多变化，因此在决定土压及地层反力的分布形状及其大小时，应考虑地层性质和结构规模等决定。（2） 垂直土压是垂直方向的荷载。一般按均匀分布荷载考虑。垂直土压的大小一般按拱顶上的计划填土高度（包括铺装厚度）乘以填土材料的单位体积重量确定。但在埋深大，埋深与预制拱外宽之比大于2时，可采用增加系数的方法决定垂直土压。（3） 水平土压是作用在拱部水平方向的荷载，按均匀分布荷载考虑。水平土压的大小按垂直土压乘以侧压系数求出。一般侧压系数采用静止土压系数。 水平土压按下式求出（图1）。图1po=Ko（q+oH）（4） 水平地层反力按三角形分布，垂直地层反力按地层弹簧考虑。一般地层弹簧系数大致取515MN/m3。2.7地震的影响解释在以下场合因地震影响大，要特别慎重。围岩条件、填土形状在拱周边急剧变化的场合；埋深小的场合；在易于产生下沉和位移的地层上的场合；在困难有流动化的砂地层上的场合；基础形式、基础深度变化大的场合。2.8施工时荷载施工时荷载是施工工程中发生的荷载。拱构件放置时、起吊时、组装时的风荷载，填土施工时的荷载等，这些荷载应根据施工过程合理地确定。2.9其他荷载第3章材料及容许应力3.1混凝土及钢材3.2回填材料及填土材料3.3容许应力（1） 容许应力应考虑荷载种类、变形及开裂、计算假定预制拱种类及重要性等决定。（2） 设计的容许应力的增加系数，应根据荷载状态，取表1的值为标准。表1荷载状态和容许应力的增加系数荷载状态常时施工时地震时增加系数1.001.251.503.4混凝土容许应力（1） 混凝土的容许应力，一般根据设计基准强度f规定（2） 容许弯曲压应力（包括轴向压缩）取表1的数值。表1容许弯曲压应力（N.mm2）设计基准强度f18243040容许弯曲压应力791114（3） 容许剪应力取表2数值。设计基准强度18243040以上不计算斜拉钢筋的场合梁的场合0.40.450.50.55板的场合0.80.91.01.1计算斜拉钢筋的场合只是剪切的场合1.82.02.22.4（4） 容许附着应力取表3的数值。表3容许附着应力（N/mm）设计基准强度f18243040以上异形棒钢1.41.61.82.0（5） 容许支压应力=0.3f局部荷载的场合混凝土的全面积取A、受到支压的面积取A的场合，容许支压应力按下式求出。=（0.25+0.05A/A）f3.5钢筋的容许应力钢筋的容许拉应力以表1为标准。表1钢筋的容许拉应力钢筋种类SD295ASD295BSD345SD395一般场合决定的176176196206由疲劳强度决定的157157176176由屈服强度决定的1761761962163.6设计计算用的物理常数设计计算用的物理常数如下。（1） 钢材（2） 混凝土第4章拱构件的结构计算4.1基本原则（1） 计算应考虑工法的性质、结构的特殊性、周围填土代数根的重要性等进行施工时、完成时及地震时的计算。（2） 计算时应采用能够再现应力状态及变形状态的计算方法（3） 设计断面应考虑填土形状、基础地层的状况等，取结构上不利荷载条件的具有代表性的断面。解释预制拱是三铰的拱形结构，周围用回填材料及填土材料回填。同时预制拱与过去的现场灌注的拱涵比是比较柔软的结构。设计时不仅要考虑横向及纵向的强度和刚性，特别要考虑拱与地层的相互作用为此，要充分考虑基础地层和回填材料及填土材料的性质，进行结构的计算。在计算中，要考虑施工时、完成时及地震时的条件，尽可能地基于符合实际的假定，采用FEM及考虑地层弹簧的结构分析方法。拱构件的断面力视填土形状和荷载条件，会有纵向变化的场合。设计时要事先考虑好结构上最不利的荷载条件选定2个以上的断面进行计算。设计断面一般选择最大埋深附近的断面、以及受地震影响大的洞口附近的断面。4.2架设施工时的研究（1） 架设施工时应进行以下断面力的计算。1） 放置状态的断面力；2） 起吊状态的断面力；3） 临时组装时风荷载产生的断面力。（2） 采用1）3）断面力中最大值研究拱构件的应力。解释（1） 拱构件在现场架设时要临时放置在地面。此时应用下式求出由自重产生的最大弯矩（图1、2）。Mmax=pl/8式中p：单位轴线长的自重l：轴线长t：厚度b：宽度c：钢筋混凝土单位体积重量（2） 起吊时由自重产生的最大弯矩由下式求出。吊具的设置位置示于图3。M=-pl2/2l：吊具位置到支点的梁的曲线长度（l1或l2）（3） 拱临时放置时要考虑风荷载。风荷载可按下式求出。P=1/2 C v2式中P：单位面积上的风压力：空气密度 C：抗力系数（矩形断面取1.5） v2：设计风速（一般取28m/s）风荷载产生的断面力要按表1的组合和荷载组合进行计算。表1研究组合和荷载组合情况1情况2情况3拱构件组合无风荷载有风荷载4.3填土施工时的研究（1） 填土施工时的研究，可采用FEM解析方法计算断面力。（2） 拱构件的断面力应考虑填土施工的状况进行计算。解释（1） 采用FEM 解析方法可以求出异性性能。计算出填土施工时的拱构件的断面力；能够模拟填土施工十的变形动态；解析区域有超过从拱脚引的主动崩塌线和计划填土地表面交点的宽度；到拱顶部，能够设定填土高差1m的解析网络；能够设定完成时的洞口部的填土高度及计划填土高度的解析网络；拱在临时组装状态，能够计算只有自重作用的情况；能够把填土按阶段划分，计算每一阶段的情况。此时碾压面上的施工机械荷载可取10kN/m2。FEM 解析的网络图例示于图1。图1（2） 计算例示于图2。第1步：拱临时组装状态，只有自重作用；第29步：拱左右填土的水平差1m，一直分阶段填到拱顶；第1013步：洞口部的完成填土高度、计划填土高度；第14步：拱左右不利侧的地表面加上相当路面交通荷载的情况。图24.4完成时的研究(1) 完成时的研究，可采用FEM解析方法及结构解析方法计算断面力。(2) 拱构件的断面力，应考虑其构造特性计算。解释完成时断面力的计算，可采用FEM解析方法及结构解析方法计算。一般采用用这2种方法计算出来的断面力大者。结构解析方法采用的地层弹簧的弹簧系数，应根据围岩和填土状况、拱的形状、荷载、结构物的用途等各种设计条件决定。结构解析的构造模式如图1所示，有填土到拱顶的模式和填土到拱顶以上的模式。完成时的拱的断面力及支点反力，要把按这些模式计算出来的结果叠加求出。在解析时分别2个模式计算断面力，但因施工阶段的变形模式很复杂，要采用能够反映更接近实际的计算结果。拱的变形模式如图2所示，填土到拱顶附近，填土产生的水平土压是主要的，拱向净空侧挤压，拱顶上抬。填土高度在拱顶以上时，填土产生的垂直土压是主要的，此时拱向填土侧扩展，拱顶下降。这样的变形动态，已经为净空量测所证实。因此，拱在填土高度在拱顶以上阶段时要受到水平方向的地层反力的作用。世纪时要考虑这个阶段的变形模式，要采用相当地层水平反力的地层弹簧进行计算。此时可采用Winkler假定，并在拱向地层压缩的方向设置弹簧。图1图2结构解析采用的土压、偏压、地层弹簧等的设定例说明如下。1）土压按2.6条计算。一般土压取均匀分布荷载，并置换为节点荷载（图3）。置换节点荷载时的计算宽度l=l+l/2l：节点i的垂直方向的计算宽度l：节点I的水平方向的计算宽度垂直荷载PP=w+P自重ww=w：作用在节点I的自重l：拱轴线长l：跨度：钢筋混凝土单位体积重量垂直土压PP=P：作用在节点I的垂直土压：填土的单位体积重量h：节点I的填土高度水平土压P水平土压PP=K：水平土压系数图3图4图52）偏荷载按2.3的计算式计算。3）拱的节点按图4，以拱中心每10度分割设定。拱的断面力按图5的地层弹簧支持的构造模式进行计算。，4） 地层反力系数分垂直方向地层反力系数和水平地层反力系数。可方便按下式计算。垂直地层反力系数K=水平地层反力系数K=E：地层变形系数B：垂直方向加载宽度B：水平方向加载宽度A：垂直方向加载面积A：水平方向加载面积当埋深小时，考虑拱上方的垂直地层弹簧计算，会导致偏于危险的结果，因此，当埋深（H）和外宽（D）之比小于2时，除了基础底面，垂直方向的地层反力系数取为0进行计算。4.5地震时的研究（省略）4.6构造细节应研究的构造细目如下。（1） 拱构件的形状、尺寸、使用材料、配筋等；（2） 铰的构造；（3） 洞口部的拱构件的连接。解释拱构件具有必要强度的同时，应考虑组装的确实性、作业性及耐久性规定其构造细目。1） 形状、尺寸拱构件基本上采用钢筋混凝土（RC）构造，断面的尺寸以表1的组合为标准。表中的全尺寸一般指拱构件，半尺寸构件指预制拱的始点和终点的半宽的构件。其形状示于土1。表1拱构件断面（mm）种类构件宽度B构件厚度t全尺寸构件1250250、300、350、400半尺寸构件325250、300、350、400图1拱顶的形状2） 使用材料拱顶管在拱构件的顶部安装的拱顶管，一般采用钢管。构件尺寸（拱厚度）和标准的拱顶管尺寸的关系列于表2。表2拱顶管的尺寸拱构件种类拱顶管尺寸外径（mm）长度（mm）厚度t（mm）250宽全尺寸构件半尺寸构件300宽全尺寸构件半尺寸构件350宽全尺寸构件半尺寸构件400宽全尺寸构件半尺寸构件起吊夹具起吊夹具可采用一般结构钢材、冷压碳素钢或机械构造用的碳素钢。起吊夹具的使用例示于图3。图33） 配筋配筋例示于图2。钢筋最小保护层厚度（cmin）在20mm以上。图2拱顶部及脚部的配筋例示于图3。（2）铰的构造除具有必要强度外，应考虑轴力及剪力的传递和充分的回转功能。铰有拱构件顶部横向连接的铰和脚部和基础横向结合的铰。拱顶铰的构造如图4（a）所示，因具有纵向用钢筋补强的砂浆圆柱与拱构件配合的形状，因此具有能够充分满足三铰拱的功能的性能。铰要求的回转功能在通常的设计范围内，在1/100角度以下。此回转功能是用圆形的构造施工缝（共构件和灌浆材料）来保证的。在脚部是用压注砂浆时设置的橡胶类接缝材料的变形性能来保证的。拱顶铰的构造确保回转的圆形面是最重要的，但拱顶的上部接缝或下部接缝充填压注材料后会阻碍回转，同时拱顶部也有发生缺损的可能，因此在设计图上一定要明示拱顶部的形状及尺寸。脚部铰的构造最好按图4（b）的材料及构造细目进行设计。（3）预制拱除了用纵向钢筋连接外，是一个独立的拱构件相互组合的结构。在地震等的作用下，要连接好洞口附近的拱构件，提高预制拱的稳定性。从洞口的连接长度因洞口壁的构造而异，采用补强土的场合，最好在补强土的长度以上。连接方式有：1） 外部连接方式：在拱构件的填土侧安装连接构件的方法（图5）。图5外部连接方式2） 钢棒连接方式：在拱构件的纵断面内用PC钢棒和联结器连接的方法（图6）。图6钢棒连接方式第