扣件式满堂高拱架拱桥施工技术.doc

扣件式满堂高拱架拱桥施工技术黄 羚1 作者简介：黄羚（1966-），男，副教授，1985年本科毕业于西南交通大学土木工程系隧道专业，1988年研究生毕业于西南交通大学工程力学系固体力学专业，工学硕士，现为中南大学土木建筑工程学院桥梁与隧道工程专业博士研究生，主要从事桥梁结构分析、施工、监控等方面的研究工作。 金鑫2 张新亮2(1石家庄铁道学院力学与科学工程系，河北，石家庄，050043；2中铁十四局集团公司成都分公司，四川，成都，746000)摘 要： 扣件式满堂支架施工是拱桥施工中的一种常用的施工方法，也是容易发生拱桥施工事故的施工方法。蒋家湾大桥属扣件式高拱架满堂支架施工，本文主要介绍该桥施工的一些关键技术及其处理方法。关键词 ：蒋家湾大桥 ；拱桥； 扣件 ；满堂拱架； 施工 1 工程背景蒋家湾大桥是重庆市319国道彭水县郁山镇境内的3改2工程项目，桥长136m，为双车道上承式钢筋混凝土拱桥（见图1）。主拱圈为等截面悬链线无铰拱，净跨100m，失跨比为1/6，拱轴系数2.514；按5段吊装施工方案设计，即先预制6片拱箱，用缆索分段吊装后，浇注纵缝及接头混凝土成为6箱室钢筋混凝土主拱圈。因桥位区为无水V形沟谷，地表植被不发育，无溶洞、断层、崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象，为节约施工成本，改用了扣件式满堂支架现浇施工方法。该拱架跨中最大高度为35.5m，拱架占地面积900m2，使用钢管及扣件数量达470吨。图1 蒋家湾大桥立面布置（单位：cm）2 拱架设计与施工2.1 拱架设计拱架设计需要综合考虑安全与经济因素，以确定合适的立杆、横杆及斜撑间距。蒋家湾大桥拱架设计选用了Q235A483.5型钢管，立杆横向间距为75cm，纵向间距为120cm；横向每排布置小横杆，纵向仅单排号布置大横杆，横杆的竖向间距1.21.5m；横向每排设斜撑，斜撑竖向间距500cm，纵向仅单排号设斜撑，间距9001500cm，拱脚处斜撑适当加密；工程上习惯采用的纵向弓形方木选用纵向弓形钢管代替，有利于拱圈底模的平整度控制；弓形钢管由300600cm长的Q235A483.5型钢管微弯制作而成，将它们用铁丝绑扎在拱架的顶部小横杆上，横向间距为37.5cm；在纵向弓形钢管上铺设净距为20cm截面为612cm2的横向方木，方木上铺1cm厚的竹胶板形成拱箱底模。根据拱架的简化计算方法，采用包括拱圈全截面、施工机械及人群等共20000kN荷载作为拱架的设计荷载，可计算得到立杆所受最大轴力为20.2kN，钢管的允许轴力为N= 50.9kN，立杆的计算安全系数为2.5，满足设计要求。图1 跨径100m的钢管拱架（单位：cm）2.2 拱架施工拱架施工包括基础处理、拱架搭设及拱圈底模安装等。基础处理时，先清除桥位地表浮土，并根据立杆间距及桥位地形，开挖并砌筑成台阶状，在清理后的地基上回填20cm厚的混渣土，并用手工电动夯实，在夯实地基上浇注5030cm2的C15混凝土立杆条形基础，地基表面用水泥沙浆封闭。基础处理完毕后，在跨中两相邻条形基础上施加1.4陪的立柱最大荷载50天，记录条形基础的沉降位移。测量结果表明，条形基础最大沉降不超过1mm，表明地基在拱圈荷载作用下沉降微小。基础处理好后进行拱架搭设。立杆及大小横杆连接采用对接方式，而在拱顶立杆则采用搭接方式，且至少用三个扣件与三根小横杆连接，立杆对接扣件位置呈交错布置；所有斜撑采用搭接方式，搭接长度不小于50cm，搭接段用两个扣件连接；在顶部小横杆与立杆连接的扣件下再增加一个扣件，以防拱顶小横杆下滑。由于拱架在拱圈混凝土浇注过程中存在较大的侧向挤压力，拱脚处斜撑做了加密处理。拱架搭设要求严格控制立杆垂直度，但由于拱架较高，对接立杆轴线难以做到完全重合，对接面也可能是非理想的水平状态，钢管的吊运碰撞也可能导致钢管产生的微弯曲，使用旧钢管也可能使立杆难以做到理想的直线状态。检查发现，拱架较高部位（20m）的立杆均有不同程度的蛇行扭转、微弯（鼓肚子）、顶部偏移（有的顶部纵向偏移超过10cm）等现象。为增加立杆的稳定性，对情况严重的立杆通过增设横杆或斜撑作了局部加强处理。拱架架设完后，对所有扣件进行全面检查。拱圈底模安装的关键是拱顶小横杆圆心标高h(见图2)的准确计算和测量，该值是根据立杆的水平距离利用AutoCAD绘图软件计算得出。本桥通过在拱架上测量小横杆圆心标高h放样出了理想的拱架底模线形。图2 小横杆标高控制图2.3 拱架预压为消除拱架的非弹性变形，并检验拱架能否承受拱圈安全施工的最不利荷载，对拱架进行了荷载预压试验。拱架预压采用铺设沙袋方法实现。因拱圈施工采用的是混凝土分环浇注施工方案，底板合拢后具有一定的承载能力，其实质是形成了对拱架起保护作用的一层薄壳结构，尽管后续工序会继续增加对拱架的压力，但这些压力的增加不会引起拱架的失稳，故拱架所受的最不利荷载应为底板合拢时由底板、预制腹板、横隔板、施工机械及人群等7000kN荷载构成，该荷载即为预压荷载的采用值。荷载预压方法模拟了底板混凝土浇注过程，分3段加载，即先压拱脚后压拱顶。加载过程中全程监测拱架变形。变形监测结果表明，拱架是一种非均匀结构，测点沉降数值具有一定的随机性，拱顶最大沉降值为23mm。由于地基沉陷微小，荷载预压一天后开始卸载。预压荷载卸除后，抽查扣件松紧情况。3 主拱圈施工主拱圈施工采用全截面组装并现浇的方法，截面施工顺序见图3。先在预制场预制4cm厚的腹板和6cm厚的横隔板，再用缆索将它们吊运到拱架上，与底板、边腹板钢筋网及组装接头钢筋组装成全截面拱圈骨架。骨架的腹板及底板纵向钢筋在底板间隔槽位置（见图4）暂不焊接，以适应在拱圈底板混凝土浇注过程中引起的拱架底模变形。图3 主拱圈截面混凝土浇注顺序图（单位：cm）主拱圈混凝土浇注采用分环分段施工方法。第一环为底板混凝土。因箱室底板混凝土厚度仅为12cm，为加强底板合拢后的承载能力，将底板浇注成带肋底板，底板在纵缝的厚度控制在2430cm。底板混凝土分3段浇注，即两拱脚段及拱顶段，长度分别为23m和64m，拱脚段与拱顶段间对称设两个70cm的间隔槽。底板混凝土按拱脚拱顶间隔槽顺序浇注。根据现场施工能力，每拱脚段设一道施工缝，拱顶段设两道施工缝，施工缝按径向布置。在拱顶B段混凝土浇注完毕后，焊接底板及腹板暂时断开的纵向钢筋。在拱顶混凝土强度32Mpa且气候温度达到150C后浇注间隔槽混凝土。底板混凝土浇注完毕后，测得拱架在拱顶下沉2mm，表明拱架变形微小且稳定。图4 拱圈底板分段图（单位：cm）第二环为纵缝及边腹板混凝土，按工序从拱脚到拱顶对称连续一次浇注完毕。第二环混凝土浇注完毕后，拱架位移很小，拱顶下沉3mm，施工过程中未发现拱顶向上冒起现象。第三环为顶板混凝土。浇注纵缝及边腹板混凝土混凝土强度达32MPa后，加盖4cm厚的C40钢筋混凝土盖板作为顶板底模，盖板上铺设顶板钢筋，从拱脚到拱顶对称连续一次浇注顶板混凝土，形成六箱室钢筋混凝土主拱圈。第三环顶板混凝土浇注完毕后的拱顶下沉2mm4 变形监测扣件式满堂高拱架拱桥施工，拱架的变形监测是一项不可或缺的重要工作。由于拱架较高，跨径大，拱架的变形情况复杂，因此，需要多布置一些变形监测点。本桥监测位置选择了拱架的两个拱脚、桥跨的1/8、1/4、3/8、1/2，5/8、3/4及7/8截面，每个截面布置上游、轴线及下游3个监测点，监测的位移包括竖向、横向及纵向位移。监测发现，整个拱圈施工过程中测点位移主要为竖向沉降，纵向及横向位移均很小，难以监测到其位移量，表1示出了拱圈各施工阶段拱圈底面轴线测点的竖向沉降。监测重点放在荷载预压及底板混凝土浇注阶段，施工过程中全程监测测点位移，监测人员定期向现场技术负责人汇报变形监测结果，发现异常及时报告。每一工序的施工方案根据变形监测结果及时作出调整。5 卸架卸架工序是在顶板混凝土强度达到40MPa后进行的。扣件式满堂拱架的卸落无须安装专门的卸架设备，只需有序地拧松紧固于顶部小横杆的扣件即可方便地完成拱架卸落工作。具体做法是：分两个循环从拱脚到拱顶隔排对称拧松小横杆扣件，使小横杆脱离拱架顶部立杆；第一循环拧松单排号小横杆扣件，第二循环拧松双排号小横杆扣件；卸架过程中统一指挥，听号令有序进行，全程监测拱架变形情况。整个卸架工作耗时6个小时，卸架后拱顶下沉19mm。6 结 语蒋家湾大桥于2003年9月顺利竣工通车。通过对蒋家湾大桥施工实践，可以得到如下结论和启示：l 采用扣件式满堂拱架方法进行拱桥施工，简单方便，施工成本低，工期短；高拱架理论计算的安全系数与实际可能相差较大，现场难以评估拱架的实际承载能力及变形情况，需要对拱架进行变形监测，并根据变形监测结果适时评估拱架的安全状态，即时调整拱圈施工方案；l 当拱桥跨径较大时，拱架高度明显加大，拱架施工成本与安全矛盾尤为突出，需要从安全与经济的角度对拱架进行合理设计及精心施工；l 拱架预压及拱圈施工方案应根据拱架承受较小的最不利荷载为原则，这样有利于拱架安全及变形控制；l 在拱