桥梁施工第8章

第8章拱桥施工8.1概述8.1.1拱桥的特点1.拱桥的优点（1）它的主受力构件是主拱圈，且属于偏心受压构件。因而，相对于其它桥型来说，拱桥拱圈截面的利用率较高，且由于截面内有较大轴向压力，配筋率较小，同时更能发挥混凝土或石材等材料的力学性能。（2）拱桥的另一个优点就是造型美观。优美的弧线，再配以炫丽的色彩以及灿烂的照明，使拱桥往往成为许多地方的标志性景观之一。2.拱桥的缺点（1）拱桥的主要缺点在于一般结构的拱桥都有较大的水平推力，由于拱桥属于高次超静定结构，任何基础的变位或不均匀沉降都将产生较大的次内力，因此，拱桥对地基的要求较其它桥型更严格，通常要求拱脚置于更可靠的基础上。（2）由于水平推力的存在，对于多孔拱桥的中间墩，或不等跨连拱的中间墩，需做特殊处理。因为桥墩一旦出现问题，就会产生因不平衡的水平推力而导致整个结构的垮塌，所以，对下部结构以及地基的特殊要求往往会增加拱桥的施工难度，加大拱桥造价。随着预应力技术的推广，现在修建组合体系（如梁－拱组合）的拱桥已不成问题，这种组合结构很好的平衡了水平推力，对拱桥体系外部而言，是静定结构，这大大提高了拱桥的使用泛围。8.1.2拱桥的构造及分类拱桥的种类繁多，分类方法也多种多样，下面介绍几种常见的分类方法：（1）按照建筑材料的不同，可将拱桥分为圬工拱、钢筋砼拱、钢拱、钢管混凝土拱。钢管混凝土拱桥是大跨径拱桥的首选，它充分利用了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力，其主跨跨径可达40~400m。近年来，钢管混凝土拱桥在我国桥梁建筑上发展较为迅速。（2）按照拱上建筑的形式，可分为实腹式拱及空腹式拱。实腹式拱常用于小跨径拱桥，对于大跨径拱桥，一般采用空腹式拱。（3）按照桥面系位置，拱桥可分为上承式拱、中承式拱及下承式拱。

图8-3拱桥桥面位置示意图a)上承式拱桥；b)中承式拱桥；c)下承式拱桥

（4）按照拱圈内是否有铰，可分为无铰拱、两铰拱和三铰拱。无铰拱属于三次超静定结构，整体刚度大，而且构造简单，施工方便，一般圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥均采用这种形式。三铰拱和两铰拱属于静定和一次超静定结构，刚度小，特别是由于铰的构造复杂，不利于施工，因此，两铰拱和三铰拱常用于小跨径的拱桥。（5）主拱圈各截面形心点的连线称为拱轴线。按照拱轴线的线型，可将拱桥分为圆弧线拱、抛物线拱以及悬链线拱。最理想的拱轴线是与拱桥的轴向压力线相重合的轴线，称为“理想拱轴线”或“合理拱轴线”。一般采用恒载压力线作为拱轴线。圆弧线拱常用于小跨径，对于恒载接近于均匀分布的拱桥，可采用二次抛物线作为拱轴线。另外，实腹式拱桥恒载压力线就是悬链线，它是目前大中型拱桥中经常采用的一种线形。（6）按照拱圈截面形式分，可分为板拱、肋拱、双曲拱及箱拱。（7）按照有无水平推力，拱桥可分为有推力拱和无推力拱。组合体系拱桥（如梁－拱组合体系等）多为无推力拱桥，这种无推力的组合拱桥也称为系杆拱。

8.1.3拱桥的施工方法拱桥的施工方法可以分为有支架施工和无支架施工两类。有支架施工是在桥位上搭设拱架，在拱架上砌筑拱圈石或立模浇筑混凝土，待砂浆或混凝土强度达到后，再卸落拱架。这种方法主要用于石拱桥、混凝土预制块砌筑的拱桥以及就地浇筑的混凝土拱挢。有支架施工方法的典型代表是满堂支架施工法。无支架施工是指不搭设拱架进行施工的方法，它包括：悬臂施工法、转体施工法等。

8.2满堂支架法施工

满堂支架法施工属于拱桥有支架法施工中较常用的一种，特别是对于中、小跨径的拱桥，它有着施工迅速，费用低，无体系转换以及施工过程中无较大次内力等特点，被广泛采用。满堂支架法施工工艺包括拱架搭设、拱圈模板搭设及拱上建筑的施工、拱架拆除等。8.2.1拱架拱架是拱桥满堂支架施工中必不可少的辅助工具，拱架种类很多，有以土石为架的“土牛”拱胎，也有木或竹拱架以及钢拱架。

由于大多数拱桥属于超静定结构，因此，满堂支架施工中要求不能有较大的施工误差。同时在整个拱桥施工期间，必须要有足够的强度、刚度和稳定性，足以承受施工过程中主拱圈、拱上建筑、施工机械、人员等可能的荷载，并且要保证其变形不得超过相关规定值。拱架作为一种临时结构，要求其必须构造简单、制作方便、节省材料，有的还要能够重复利用。1.满布式拱架满布式拱架通常由拱盔、卸架设备、拱架下部三个部分组成。满布式拱架常见有两种型式：立柱式（见图8-6、图8-7）和撑架式（见图8-8）。立柱式拱架上部由斜撑、立柱、拉杆组成，下部是立柱和横向联系组成的满布支架体系。满布立柱式拱架的结构简单且稳定性好，但其排架间距小，立柱数目很多，适用于流速小、不受洪水威胁的不通航河流上的桥孔。若拱桥下有通航或通行的要求，可以简化拱架下部的构造，利用斜撑来代替较多的立柱，这样就可以留出部分空间进行通行或通航，同时亦可以减小洪水及其它漂流物的威胁。

图8-6立柱式满布拱架1-水平拉杆；2-立柱；3-弓形木；4-斜撑；5-水平夹木；6-卸架设备；7-斜夹木；8-桩木图8-7实际工程中的立柱式满布拱架

图8-8撑架式满布拱架

2.铰桁式拱架三铰桁式拱架是一种拱式拱架，即由上、下弦杆、腹杆等构件拼接组合成三铰拱的一种拱架形式（如图8-9所示），它不受洪水、漂流物的影响，施工过程中仍可通行或通航。与满布式拱架相比，它的材料用量少，但对材料规格、质量要求高、架设难度大。拱顶铰处结合部位较为薄弱，搭设时应特别注意。

图8-9三铰桁架式满布拱架1-上弦杆；2-横梁；3-模板；4-腹杆；5-下弦杆

3.钢桁架拱架钢桁架拱架的结构类型有：常备拼装式桁架型拱架、装配式公路钢桥桁架节段拼装式拱架、万能杆件拼装式拱架、装配式公路钢桥桁架或万能杆件桁架与木拱盔组合的钢木组合拱架。钢桁架拱架顺桥向由一至两片拱形桁架构成，横桥向的桁架片数视桥宽及受力而定。由纵、横联结联系成整体，可拼成三铰、两铰或无铰拱架。它拆装容易，运输方便，适用范围广，利用效率高，尽管具有一次性投资大、钢材用量较多的缺点，在我国仍得到广泛采用。

拱圈模板1.板拱模板板拱拱圈模板厚度应根据弧形木或横梁的间距来确定，一般说来，有横梁的底模板厚度为4~5cm，无横梁的为6~7cm。底模板应与拱圈弧度一致，安装前可先预压压弯。模板顶面高程误差不应大于计算跨径的1/100，且不得超过3cm。2.肋拱模板肋拱模板底模的要求和架设方法与板拱一致。肋拱的侧面模板，一般先分段制作，然后拼装在地模上，侧面用螺栓、拉杆、斜撑固定。注意，在模板安装一段长度后，应设置一道变形缝，缝宽2cm。

8.2.3拱圈及拱上建筑的施工1.主拱圈的浇（砌）筑主拱圈不可能一次成型，它必须分成多个阶段浇（砌）筑而成。在浇（砌）筑过程中，拱架的荷载不断增加，而导致拱架不可必免的出现变形，这些变形有可能导致已浇（砌）筑的拱圈部分开裂，或是成桥后线形偏差较大而产生超过设计范围的次内力，因此，必须选择正确的浇砌方法和顺序，使其在施工过程中受力均匀，变形最小。对于跨径较小的拱圈（10米以内），可由两侧拱脚同时对称向拱顶浇砌，但应注意尽快施工，使其合拢时，拱脚处砼或砂浆尚未凝结。对于跨径10米以上的拱圈，浇砌时在拱脚处预留空地，由拱脚向拱顶全宽、全厚进行浇砌。为防止拱架拱顶部位上翘，可先在拱顶区段顶压，待拱圈砼强度达到设计强度的70%以后，再将预留空隙浇砌填实。

大、中跨径的拱桥，为了防止拱架反复变形，通常采用分段浇砌的方法进行。一般说来，分段点通常设在拱圈弯矩较大或拱架拱度曲线有转折的地方，如拱顶、拱脚处。可在各分段点预留30-40毫米的空缝，待拱圈浇砌后再用砂浆灌缝。分段时浇砌的顺序应注意左、右对称同时进行。如图8-10所示，拱顶最后浇砌，待所有缝隙浇填完毕并达到设计强度之后才能进行。此外，注意合拢时的温度，如无明确要求，通常选较低温度时进行合拢。图8-10分段浇筑示意图

若拱圈厚度较厚，可采用分层浇砌的方法进行浇注。即可先按分段对称浇砌的方法施工一层并合拢成拱，待达到设计要求之后，再浇筑上面一环。这样，先浇砌好的拱圈可以与拱架共同承担后浇筑的重量，有利于施工的安全以及拱架变形的最小化。

2.拱上建筑的施工

拱上建筑的施工一般放在主拱圈合拢至少三昼夜之后进行，要求主拱圈砼强度达到50%以上。拱上建筑的施工，应严格按照对称均衡的进行。对于实腹式拱上建筑，必须由拱脚向拱顶对称浇砌，待侧墙浇筑完后，对称填入拱上填料。对于空腹式拱上建筑，除了注意需要对称施工以外，还要强调的是必须在卸落拱架之后进行，主要上防止不均匀沉降而使腹拱开裂。

8.2.4卸拱架

拱架在拱圈砌筑或现浇期间，支承拱圈的全部重力，须待砂浆或混凝土达到一定强度后方可拆除拱架。为使拱架所支承的重力逐渐转移到由拱自身来承受，切忌将拱架突然拆除，或仅将其某一部分拆除。拱圈砌筑或现浇混凝土完毕，待达到一定强度后方可拆除拱架。对于石拱桥，待砂浆强度达到设计强度的70％后方可拆除。对于混凝土拱桥，待混凝土强度达到设计强度的75％后方可拆除。常用的卸架设备有木楔、砂筒和千斤顶。

8.3悬臂施工对于大跨径或无法搭设拱架的拱桥，悬臂施工法也是一种选择。它也是一种特大跨径拱桥的施工方法，包括悬臂浇筑和悬臂拼装两种施工方法。此外，缆索吊装法也是一种悬臂施工法的改进。8.3.1悬臂浇筑1.塔架、斜拉索及挂篮浇筑拱圈这是目前国外最早、利用最多的大跨径钢筋混凝土拱桥无支架施工方法。其主要流程是：在拱桥墩、台处设立临时塔架，用斜拉索(或斜拉粗钢筋)将拱圈(或拱肋)用挂篮浇筑一段系吊一段，从拱脚开始，逐段向拱顶悬臂浇筑，直至拱顶合龙。

2.斜吊式悬臂浇筑拱圈

斜吊式悬臂浇筑法借助于专用挂篮，结合使用斜吊钢筋将拱圈、拱上立柱和预应力混凝土桥面板等齐头并进地、边浇筑边构成桁架的悬臂浇筑方法。施工时，用预应力钢筋临时作为桁架的斜吊杆和桥面板的临时明索，将桁架锚固在后面的桥台(或桥墩)上。斜吊杆的力通过布置在桥面板上的临时明索传至岸边地锚上(也可用岸边桥墩作地锚)。8.3.2悬臂拼装悬臂拼装的施工方法是采用人字桅杆作为吊具将预制的桁片或单根杆件悬臂拼装的施工方法，主要用于预应力混凝土桁式组合拱桥的施工。这种桥型是近年来随着桁架拱桥跨径增大出现的一种新桥型，从外形上看，像是带斜杆的箱形拱，又像上、下弦为闭合箱形断面的桁架拱。

混凝土桁架拱悬臂拼装

钢桁架拱悬臂拼装

南京大胜关长江大桥模型南京大胜关长江大桥施工8.3.3缆索吊装法缆索吊装法是一种结合悬臂拼装、支架施工、吊装技术等的综合施工方法，目前，国内大多数大跨径拱桥，特别是钢管混凝土拱桥均采用这种施工方法。这种施工方法的三个关键点是：一是先期施工的结构部分要轻、强度要高，且能为后续施工的结构部分提供强有力的支撑；二是架设过程的受力情况要基本一致，减少临时辅助设施；三是由于分段施工，因而结构要有受力自调整能力或能够借助外力来调整内力。8.4转体施工转体施工法是一种拱桥常用而又特有的一种施工方法，一般用于各类单跨拱桥。其基本原理很简单，就是将拱圈或整个上部结构分为两个半跨，分别在河流两岸利用地形或简单支架，现浇或预制装配半个拱圈，然后，用扣索锚固在拱圈端部，经拱圈上临时支架至桥台尾部锚固，利用动力装置将其两半跨拱体转动至桥轴线位置(或设计高程)合龙成拱。转体施工包括平面转体施工和竖向转体施工两种方式。拱桥转体施工法据其转动方位的不同分为平面转体、竖向转体和平竖结合转体三种。

8.4.1平面转体主要适用于场地狭窄，河岸陡峭或无法现浇和预制吊装的施工现场。通常是在两侧岸边利用地形分别施工完成二分之一拱跨结构，当结构混凝土达到设计强度后，借助设置于桥台底部的转动设备和动力装置，在水平面内将其转动至桥位中线处合龙成拱。由于是平面转动，因此，半拱的预制高程要准确以便确保两岸拱箱能够精确合拢。通常需要在岸边适当位置先做模架，模架可以是简单支架，也可以做成土牛胎模。平面转体分为有平衡重转体和无平衡重转体两种。

1.有平衡重转体施工有平衡重转体是以桥台背墙作为平衡重和拱体转体拉杆(或拉索)及上转盘(拱座)组成平衡转动体系，其重心位置通过转盘中心。平衡重部分不仅在桥体转动时作为平衡重力，而且也要承受桥梁梁体的锚固力。平衡重大小由转动半拱的重力大小决定。由于平衡重过大不经济，所以采用本法施工的拱桥跨径不宜过大，一般适用于跨径100m以内的整体转体。当前，常用的转体装置有两种，一种是以四氟乙烯作为滑板的环道平面承重转体；另一种是以球面转轴支承辅以滚轮的轴心承重转体。四氟乙烯滑板环道转体球面转轴辅以滚轮转体

（1）牵引驱动系统有平衡重转体的牵引驱动系统通常由卷扬机、倒链、滑轮组、普通千斤顶等机具组成。要求是尽量做到：转体连续、同步、匀速、平稳。转动体系主要由底盘、上盘、背墙、桥体上部构造、锚扣系统、拉杆(或拉索)组成。

（2）拱体预制拱体预制应按设计桥型、两岸地形情况．设置适当的支架和模板(或土胎模)，预制时应注意以下两点：1）充分利用地形，合理布置场地，使拱体转动角度小，支架或土胎用料少，易于设置转动装置。2）严格控制拱体各部分高程、尺寸．特别要控制好转盘施工精度。（3）转体拱桥的施工有平衡重平面转体拱桥的主要施工程序如下：制作底盘→制作上转盘→试转上转盘到预制轴线位置→浇筑背墙→浇筑主拱圈上部结构→张拉拉杆，使上部结构脱离支架，并且和上转盘、背墙形成一个转动体系，通过配重基本把重心调到磨心处→牵引转动体系，使半拱平面转动合龙→封上下盘，夯填桥台背土，封拱顶，松拉杆，实现体系转换。2.无平衡重转体施工无平衡重转体施工是把有平衡重转体施工中的拱圈扣索拉力锚在两岸岩体中，从而节省了庞大的平衡重。这样不仅使重量可大大减轻，而且设备简单，施工工艺得到简化；虽施工所需钢材略有增加，但全桥圬工数量大为减少。无平衡重转体施工需要有一个强大牢固锚碇，因此宜在山区地质条件好或跨越深谷急流处建造大跨桥梁时选用。拱桥无平衡重转体施工是采用锚固体系代替平衡重平转法施工，利用锚固、转动、位控三大体系构成平衡的转体系统。一般构造见图8-20。图8-20无平衡转体施工一般构造1-锚碇；2-斜尾索；3-上转轴；4-扣索；5-拱肋；6-墩上立杆；7-下转盘；8-环道；9-缆风索

（1）锚固体系锚固体系由锚碇、尾索、平撑、锚梁(或锚块)及立柱组成。锚碇设在引道或边坡岩石中，锚梁(或锚块)支承于立柱上，两个方向的平撑及尾索形成三角形稳定体，稳定锚块和立柱顶部的上转轴使其为一确定的固定点。拱体转至任意角度，由锚固体系平衡拱体扣索力。（2）转动体系转动体系由上转动构造、下转动构造、拱体及扣索组成。上转动构造由埋入锚梁（或锚块)中的轴套、转轴和环套组成，扣索一端与环套连接，另一端与拱体顶端连接。转轴在轴套与环套间均可转动。下转动构造由下转盘、下环道与下转轴组成。拱体通过拱座铰支承在转盘上，马蹄形的转盘中部卡套在下转轴上，并支承在下环道上，转盘下安装了许多聚四氟乙烯蘑菇头(千岛走板)，转盘的走板可在下环道上沿下转轴作弧形滑动，转盘与转轴的接触面涂有黄油四氟粉，以使拱体转动。扣索常采用Ⅳ级Ø32mm精轧螺纹钢筋，扣索将拱箱顶部与上转轴联结，从而构成转动体系。在拱体顶端张拉扣索，拱箱即可离架转动。

（3）位控体系位控体系由系在拱体顶端扣点的缆风索与转盘牵引系统组成，用以控制在转动过程中转动体的速度和位置。

（4）无平衡重转体施工的主要内容和工艺1）转动体系施工主要包含有安装下转轴、转盘及浇筑下环道；浇筑转盘混凝土；安装拱脚铰、浇筑铰脚混凝土；拼装拱体；设必要的支架、模板，设置立柱；安装扣索；安装锚梁、上转轴、轴套、环套。2）锚碇系统施工主要包含有制作桥轴线上的开口地锚；设置斜向洞锚；安装轴向、斜向平撑；尾索张拉；扣索张拉。3）转体施工拱箱的转体是靠上、下转轴事先预留的偏心值形成的转动力矩来实现的。启动时，放松外缆风索，转到距桥轴线约60°时开始收紧内缆风索，索力逐渐增大，但应控制在20KN以下，如转不动，则应以千斤顶在桥台上顶推马蹄形下转盘。为了使缆风索受力角度合理，可设置两个转向滑轮。缆风索走速，启动时宜选用0.5～0.6m／min，一般行走时宜选用0.8～1.0m／min.4）合龙卸扣施工拱顶合龙后的高差，通过张紧扣索提升拱顶、放松扣索降低拱顶来调整到设计位置。封拱宜选择在低温时进行。先用8对钢楔楔紧拱顶，焊接主筋、预埋铁件，然后先封桥台拱座混凝土，再浇封拱顶接头混凝土。当混凝土达到70％设计强度后，即可卸扣索，卸索应对称、均衡、分级进行。拱桥平面转体施工8.4.2拱桥竖向转体施工当桥位处无水或水很少时，可以将拱肋在桥位进行拼装成半跨，然后用扒杆起吊安装。桥位处水较深时，可以在桥位附近进行拼装成半跨，浮运至桥轴线位置，再用扒杆起吊安装。竖向转体施工示意图见图8-22。图8-22竖向转体施工示意图1-锚索；2-牵引车；塔架；4-定滑车；5-动滑车；6-拱肋；7-转动较

1.竖向转体