大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法

1 大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法 1 1 前言 前言 随着我国公路事业的高速发展 箱形拱桥工量少 自重轻 截面合理 近年来在大跨度钢筋砼拱桥中被广泛应用 我公司先后承建了陕西省境内的 包 头 茂 名 高速公路毛坝至陕川界 MC4 合同段 渝 重庆 昆 明 高速公路云南省境内的水富至麻柳湾 23 合同段等工程项目 均包括 大跨度钢筋混凝土拱桥结构 其中水富至麻柳湾 23 合同段在施工中大力开 展科技攻关 不断完善施工工艺 成功的解决了主拱圈下部原地面基础处理 和下沉 扣件钢管拼装满堂式拱架的搭设方法和要求 支撑主拱圈底模的 1 80 米弧形杆件的材料选择与制作 主拱圈加载程序和下部支撑卸载程序 主拱圈间隔槽的预留位置 合拢温度的选择 混凝土分段和浇注顺序 拱上 运输系统的布置 消除拱架形 控制主拱圈变形等关键技术难题 本工法是 在总结上述成功经验的基础上形成的 2 2 工法特点 工法特点 公路工程大跨度钢筋混凝土拱桥 近年来的桥跨已经发展到 140m 现代桥 梁 它是集桥梁结构学 结构力学 地质结构学与材料科学等技术为一体 具有很高的技术含量和远景发展 大跨度钢筋混凝土拱桥具有以下特点 2 1 对原地面进行处理后采用满堂支架系统克服了传统的土牛胎易产生不 均匀沉降导致支架下沉引起主拱圈变形开裂及填筑挖出土牛胎增加工程量的 弊端 有效防止了拱架下沉拱圈变形 保证了施工质量 2 2 支撑体系和模板系统位于稳固的地基上 安全系数高 不易下沉 结构受力合理 支架 模板安装拆卸方便 操作简单 支架和模板适用范围 2 广 可再利用 2 3 拱圈采用钢筋砼分段现浇 整体性强 结构轻盈 自重小 线性美 观 减少了砼用量 节约了投资 2 4 施工工艺完善 简便 可操作性强 降低劳动强度 便于推广 2 5 施工速度 施工质量容易得到保证 3 3 适用范围 适用范围 本工法适用于公路大跨度钢筋混凝土箱形拱桥采用现浇的主拱圈 适合 拱圈下部为水流不大的山谷 沟壑 坑洼 平地 河流 跨度 50 140m 的 钢筋混凝土拱桥施工 4 4 工艺原理工艺原理 大跨度钢筋混凝土拱桥设计理念先进 施工技术成熟 具有广阔的市场 前景 通过混凝土原材料把关 配合比选定 埋设循环水管 混凝土搅拌 运输 浇注过程的控制 以及后期通过混凝土养护 控制水温以降低混凝土 内外温差 防止大体积混凝土出现裂缝 保证大体积混凝土施工质量 5 5 施工工艺 施工工艺 5 1 拱架地基处理 将跨径范围左右共宽 13m 投影面下的沟槽表层植被 浮土与挖基倾倒土 全部清除后 纵横方向挖成错台 横向靠近两桥台处尤其近 1 号台处的自然 坡度大 依土质和风化岩石层的具体情况分别处理为不同宽度及外坡的错台 清除错台废方 顺桥向左侧拱架支承面的外缘 施作一浆砌片石挡土墙 砂 浆标号 M7 5 基础处理深度依地质情况而定 但不宜小于 0 5m 挡墙顶宽 0 8m 外坡直立 内侧背坡依挡墙高度定为 1 0 3 挡墙高度在 2 4 m 横 3 向也依此作成阶梯形挡墙 墙背回填用无有机质的天然土 分层用振动冲击 夯夯实 每层松铺厚度控制在 15cm 填筑至墙顶 压实度不低于 90 以上 每台阶宽度为立杆横向间距 0 75 米的倍数 靠近两桥台斜坡地段立杆的底端 用浆砌片石小挡墙作基础 基础顶面浇 注 5 8 cm 厚的 C20 砼垫层 上面铺方木 之上立架 跨中已填平的纵向 30 多米长范围采用 1 0m 1 2m 孔径的 C15 片石 砼桩基础 共 13 根桩 桩 底挖至原地面以下 1 5m 即可 桩身长度不等 根据覆盖层厚度在 3 7 米深 范围内 桩顶以上预埋 12 螺纹钢并满铺 8 钢筋网 网格间距 12cm 然 后采用 20cm 厚 C20 砼满铺 作为找平和持力层 横向在每排钢管下铺设 15cm 15cm 方木 以增大承压面 减小压强 增大基础刚度 减小地基沉 降 其余高度相对较小的立杆基础可以用砼独立条形基础 5 2 拱架搭设 设计采用拱架现浇进行主拱圈施工 拱下横坡很陡 近 1 1 跨中前后 纵向 30 多米长范围经回填夯实后 拱顶处拱腹至沟心高差为 29 米 5 2 1 拱架方案选择 桥位前后区域山坡陡峭 无平坦地形 施工场地仅能沿路线作带状布置 为保持道路通行 难以设置吊装系统 难采用拱式钢拱架进行拱圈施工 近年来 公路桥梁施工中 成功地将房建施工用的钢管脚手架移植过来 已有不少先例 有资料表明 以此修建的桥跨已经发展到 110m 拱架高度 30 m 不仅在陆地上 在水深 7m 左右的河流中也可使用扣件式钢管脚手架 这些先例表明 采用建筑脚手架扣件钢管作桥梁拱架与传统拱架比较有不少 技术经济上的优势 与木拱架比较 其刚度好 形小并能节约大量木材 4 因此本桥选定用扣件钢管拼装满堂式拱架的施工方案 5 2 2 拱架布置 设计采用在拱架上组装并现浇箱形截面拱圈的工艺施工 这是一种预制 与现浇相结合的施工方法 拱架只需承担部分拱圈的重量与施工荷载 待预 制件组拼与现浇部分拱圈结合成拱以后 拱架仅承担后续工序拱圈施工的部 分重量 已施工的部分拱圈可以起到部分拱架的作用 因而可以减轻拱架荷 载 有利于拱架受力和控制 拱架由立杆 纵杆 顺桥水平方向 横杆 横桥水平面 拱顶小横杆 纵 向斜杆 横向斜杆 主拱圈弧形杆等几种类型的杆件由扣件联结并辅助点焊 及绑扎 共同组成空间框架结构 拱架立杆承受主拱圈第一施工阶段的荷载 包括预制与现浇部分的砼和钢筋重量 施工临时荷载 纵横向水平杆与斜向 剪力杆起稳定立杆的作用 施工期间拱架需承受的总重 计算过程略 预 制部分 现浇部分 施工荷载 562 6t 在满足拱架整体稳定性的前提下经计算 确定 立杆间距 纵向 0 9m 横向 0 75m 根据经验 并查阅有关资料 每层 纵横杆之间的垂直间距取用 1 3m 5 2 3 拱架搭设和拱盔形成 拱架搭设之前 首先对原地面布设点进行操平 作为地面标高初始值 并 做好记录 待拱架搭设完毕后 用水准仪测出地面在承受拱架荷载下的相应 标高 二者之差便是原地面下沉值 并以此分析判断地面下沉的原因 制定 出相应的对策 以便进行处理 然后测量放线确定拱架位置 在预先处理好 的全跨基础顶面测设出线路中线 每排纵横向立杆的具体里程和位置横向立 杆间距为 0 75m 纵向立杆间距 0 9 米 每排横向立杆下面铺设厚 5 15cm 15cm 的方木 在方木上按照设计好的间距定出每根立杆的位置 每 根立杆底部在方木上支垫 5mm 厚的对契子 之后搭设满堂脚手架 钢管直 径为 47cm 壁厚 3mm 6m 长 根 各个方向的钢管接长后均在同一轴线上 钢管接头必须采用配套的专用标准扣件 搭架顺序为 横向立杆 横向横杆 纵向立杆 纵向横杆 立杆 横杆 接长 形成空间框架结构 每根立 杆的顶部标高 加上预拱度和沉降值 本桥考虑主拱圈挠度形 拱架压缩形和 地基沉降三个因素 预留变形量按 14cm 考虑 采用预先计算好的高程值用 水准仪操平控制 计入预拱度的拱腹高程即 正拱高程换算成斜置高程 同 一垂直方向的立杆顶部高程 弧形管高 钢模高 注 弧形钢管高和钢模高 不是水平放置 而是该处坐标按设计拱腹线斜置后的高 坐标中间点内插 横向同一排每根横向立杆的顶部标高值相同 每根立杆顶部按计算高程用气 割烧割成凹弧形 凹槽弧度和纵向钢管外弧相同 纵向每一排立杆顶部便 形成了标准的且和主拱圈弧度相一致的弧形 在每排纵向立杆顶部凹弧内采 用和满堂架相同的钢管点焊制作纵向拱盔弧形杆 全桥共需弧形杆 14 排 每排 80 多米长 弧形杆采用每根 6m 长的钢管相连接 接头内插 2 根 12 和 1 根 16 螺纹钢形成的钢筋束 钢管接头预留 2 3mm 缝隙 将接头全 部焊接 安装时尽量将接头放置于立杆顶部凹槽内 所有凹槽内的弧形杆和 立杆均须点焊牢固 至此 纵向弧形杆在拱架上纵向立杆顶部可现场弯制成 型 弯制弧形杆之前 首先要对拱圈放大样 按设计 80 米长拱跨等比例放 样 选择一块平整宽敞的砼场地 按照设计给出的主拱圈纵横坐标加上预拱 度值将水平和斜置拱轴线及拱弧线精确放出 实际量取弧长 弦长等数值与 理论值进行比较 确保正确后再在拱架上实际放样制作弧形杆 斜置拱轴线 6 等分 48 份后 两桥台拱脚连线上各等分点在铅垂方向至立杆顶部凹槽底的 高度可实际量取 立杆顶部凹槽底至拱盔钢模板顶部在铅垂方向的高度也可 实际量取 弧形杆上部的所有荷载直接传递到每根立杆顶部并通过整体框架 均匀传递到原地面 拱盔钢管弧形杆顶部直接铺设 1 5m 长 0 3m 宽的标准 钢模板 钢模板横向安放 横向每排模板为 7 块 10 5m 宽 模板下部用 U 形卡连接成几块整体 为消除钢模板因温差而变形 在拱顶 1 4 和 3 4 处横 向采用共 3 排木模板 为防止钢模板微动和受力凸起 在钢模板下部用铁丝 间隔将钢模板和顶部弧形杆绑扎牢固 钢管弧形杆上满铺的所有钢模板就是 主拱圈底模 所有底模可以无缝结合 利用 9m 宽拱圈底模外左右两侧各 1 5m 宽作为人行道 人行道路面采用旧钢模或木板均可 人行道外边缘采用 和满堂架相同的材料搭设栏杆 以保证施工人员安全 之后进行主拱架右侧 两个支撑架的搭设 布置和固定四道揽风绳 5 2 4 拱架浪风布置 浪风是保证拱架稳定的重要设施 本桥所处位置 风力较大 满堂式拱 架阻风面积较大 浪风的作用尤显重要 设置两组浪风缆索 每组各 2 根 分别系于 3 8 与 5 8L 处 2 根缆索平面呈八字形布置 用 28 钢丝绳 缆索系于靠近拱顶处 用大包围方式与拱架全宽连接 各局部用滑车紧系后 卡死 右侧的 4 个死头分别系于地锚上 施工中根据风力与缆索张力变化 拱架横向稳定情况可适时调整风缆的松紧程度 为保证拱架因风力作用而向 右侧倾覆的稳定性 采用横系框架式劲性支撑 与拱架连接 水平或斜向布 置 其平面与桥轴垂直 位置同样在 3 8 与 5 8L 处 如地形 制需要斜置时 框架的轴线与水平方向的夹角不宜超过 30 度 框架截面为 1 5m 1 5m 用 7 钢管与扣件拼装 左侧与拱架连接 右侧支撑于圬工基础上 中部设垂直支 撑架承受自身重量 横系框架式劲性支撑用来支撑拱架防止向右侧倾斜 揽 风绳则拉住拱架防止拱架向左侧倾斜 二者共同作用可有效的防止拱架在风 力作用下左右倾斜 5 2 5 拱架预压 拱架搭设完成 经过预压 可消除部分变形 再进行箱拱现浇部分施工 预压前在拱架顶部钢模板上布设沉降观测点 并进行初始值观测 预压完 成后再行观测 卸荷后再次观测 预压采用已经预制好的横隔板及腹板另 加沙袋 按加荷程序在放好样的拱盔上依次顺序就位 可按拱上设计荷载同 时预压两个拱箱 预压两天后继续预压另外两个拱箱 直至 6 个拱箱全部压 完 预压后拱架已经消除了部分变形 基本稳定 预压完的拱箱底模上用 C40 砼垫块对横隔板和腹板垫隔 然后在拱架上进行组装 先将腹板 横隔 板伸出的钢筋与底板钢筋焊接固定 待全部预制件组装完后 绑扎组装接头 钢筋 立组装接头模板 再浇筑组装接头与拱箱底板砼 然后立边箱模板 浇注边箱 合拢成拱并达到设计强度 70 以后 可以形成部分拱架作用 再 施作主拱圈其余部分 5 3 主拱圈施工 主拱圈施工工艺流程图附后 8 安装拱段的端模 侧模并加固 分段安装拱段主拱箱钢筋 浇注混凝土 混凝土养生 支架应力应变监测 间隔槽混凝土浇注 成型监测 卸落拱架拱圈应力应变监测 拱圈施工工艺流程 5 3 1 底模上放样 在底模上放出线路中线 将底板每道纵向钢筋位置 和 1 8 2 8 7 8 跨度横向法线位置弹上墨线 以此线作为底板纵向钢筋 横向钢筋 纵向腹板 每排横隔板位置定位的基准 5 3 2 钢筋绑扎 底板纵向钢筋和横向钢筋上架按设计位置绑扎固定就位 并在全桥预留 4 个间隔缝 间隔缝位置留在和中箱现浇腹板调节段相同的地 方 拱顶左侧两条 右侧两条 从拱脚向拱顶方向 6 块预制腹板一条间隔 缝 间隔缝全桥横向贯通只对底板 顶板而言 间隔缝宽 20 cm 左右 5 3 3 预制件组装 采用在两个桥台顶部预先安装好的简易索塔水平天线 运输系统将预制好的腹板横隔板水平运输上架就位 用 C40 细石砼垫块对 腹板和横隔板进行支垫 调整好预制件位置和间距 对腹板和横隔板分单元 进行临时支撑和稳固 将调整好的预制件底部预留出的钢筋和底板钢筋焊接 固定 预压步骤 拱顶 拱脚段 1 4 段 预制件的加载顺序为先中间后两 侧 左右对称 逐箱进行组装固定直至所有预制件组装完毕 绑扎拱脚加强 9 段的钢筋 点焊或绑扎组装接头钢筋 5 3 4 拱脚加强段 现浇腹板和组装接头施工 立拱脚加强段模板 现浇 腹板模板和组装接头模板 之后开始浇注立好模板部位的砼 浇注顺序按规 范规定的加载原则进行 即 每列从拱脚向跨中方向进行 每列左右对称 至拱顶合拢 形成拱片 然后绑扎边腹板钢筋 立好边腹板模板 待组装接 头砼强度达到 50 设计强度后进行底板和边腹板砼浇注 5 3 5 按加载程序浇注拱圈底板砼 根据检算结论 浇注顺序纵向应从拱 脚向拱顶对称进行 横向应先中间后两侧左右对称 连续浇注 注意预留 间隔缝 底板砼强度达到 5Mp 时浇注边腹板 5 3 6 间隔缝砼施工 底板砼浇注完后及时进行养生 待底板砼 除间隔 缝部分 强度达到设计强度的 50 时 浇注底板间隔缝砼 其灌筑顺序应 先灌筑靠近拱脚处的两侧间隔缝 次为靠近拱顶的两条间隔缝 全跨要对称 浇注间隔缝 灌注温度按设计合拢温度 本桥主拱圈合拢温度采用当地年平 均气温 15 22 合拢时间温度在 6 月中旬晚间为宜 至此全拱合拢 5 3 7 纵缝砼施工 待间隔缝底板砼强度达到 75 时进行拱箱纵缝砼浇 注 纵缝上部预留 20cm 高 以后和顶板砼同时浇注 以增加整体连接性 浇注纵缝时上部要预埋横墙底梁 U 形钢筋 同时做好养生工作 5 3 8 拱圈顶板施工 按拱脚 拱顶分段立顶板底模 绑扎顶板钢筋 分 段按和底板相同的分段方式和浇注顺序浇注顶板砼 在砼中加入适量早强剂 以提前达到设计强度 分段拆模 分段支模 分段浇注 合拢处的顶板底 模 木模 是无法取出的 留在拱箱中不取 5 3 9 拱架拆除顺序 10 现场技术人员负责对大桥在拆除拱架期间的位移和沉降进行观测 配备 两台水平仪 一台经纬仪 对每天的观测要详细认真记录 当场签字 得出 结论及时提供给主管技术人员和现场结构监理工程师 拆前测一次 拱架永 久脱离拱圈后测一次 拆架期间每天观测不少于 3 次 根据检算结果 主拱 圈拱顶最大计算下挠度为 2 7cm 从底部跨中位置同时横向全宽向两拱脚沿 纵向方向间隔一排切割一排进行切割 跨中位置切割 1cm 高度 向两拱脚按 线形比例计算的高度切割 之后再从跨中向两拱脚方向按上述高度对称割除 剩余的一半 切割前必须提前在每排钢管下部用粉笔划线标出每排钢管需割 除的高度 以便操作人员准确控制割除的高度 完成第一循环后经过 3 5 小时的稳固期 然后进行第二循环 顺序以及割除高度和第一循环完全相同 完成第二循环后根据观测结果如拱圈还在下沉再重复第一循环 如未下沉就 将拱架完全拆除 主拱圈满堂架拆除速度慢将对主拱圈受力不利 为此要求 施工队至少达到 4 个切割枪 四名以上切割人员同时展开 以提高拱架拆除 速度 6 6 机具设备 机具设备 见表 1 表表 1 1 机具设备机具设备 序号项目机具设备名称规格单位数量 1 强制式搅拌机 500L 台 2 2 混凝土作 业插入式振动器 HZ6X 50 台 8 3 钢筋切断机 CQ40 台 1 4 钢筋调直机 TQ4 4 台 1 5 钢筋作业 钢筋弯曲机 CW40 台 1 11 6 电焊机 BX3 500 台 8 7 简易索塔槽钢拼装个 2 8 电动卷扬机 30KN 20 KN 台 4 9 天线滑车自制个 1 10 钢丝绳 牵引 升降索 14mmm400 11 钢丝绳 承重索 22mmm250 12 钢丝绳卡子 Y7 22 个 20 13 缆索 钢丝绳卡子 Y4 12 个 20 14 全站仪拓普康套 1 15 水准仪蔡司 010B台 1 16 量测仪器 塔尺个 2 17 支架安装倒链 100KN 个 4 7 7 质量控制标准 质量控制标准 本桥通过对主拱圈挠度 形 拱架压缩 形和地基沉降的控制 达到主拱 圈轴线与设计悬链线最大程度的吻合 具体控制标准见表 3 表表 2 2 现浇拱圈的质量检测标准表现浇拱圈的质量检测标准表 拱肋间距5 检查项目规定值或允许偏差 mm 混凝土强度 Mpa 在合格标准内 12 轴线偏位 板拱 10 内弧线偏离设计弧线 L 1500 高度 5 断面尺寸 顶底腹板厚 10 0 控制原地面下沉是关键 因此在处理原地面时必须确保整个支撑体系位 于牢固的地基上面 地基加固针对不同的地质情况可采用压路机压实 增加 挖孔灌注桩 浇筑钢筋砼面板等方法 8 8 安全措施 安全措施 除严格遵守国家相关安全技术规程外 本项目还根据本工程特点制定各 项安全措施 包括