大跨度拱桥支架法现浇施工

大跨度拱桥支架法现浇施工大跨度拱桥作为桥梁工程中的重要结构形式，以其优美的弧线造型和卓越的跨越能力，在交通基础设施建设中占据着重要地位。支架法现浇施工是大跨度拱桥建造的关键技术之一，它通过在桥位现场搭建临时支撑结构，为混凝土的浇筑和成型提供稳定的作业平台，最终形成完整的拱圈。这种施工方法虽然工序复杂、技术要求高，但能够有效保证拱桥的结构精度和施工质量，尤其适用于地质条件复杂、运输条件受限或对结构整体性要求较高的工程场景。一、支架系统的设计与选型支架系统是支架法现浇施工的核心，其设计与选型直接关系到施工的安全性、经济性和可行性。1.设计原则支架系统的设计必须遵循安全可靠、经济适用、便于施工的原则。首先，安全性是首要考虑因素，支架必须能够承受拱圈混凝土自重、施工荷载、风荷载、温度应力等多种外力的作用，并有足够的安全储备。其次，经济性要求在满足安全的前提下，优化材料选用和结构形式，降低工程造价。最后，便于施工则要求支架的设计应考虑现场的安装、拆除和周转使用，减少施工难度和工期。2.常用支架类型根据材料和结构形式的不同，常用的支架类型主要有以下几种：支架类型主要材料适用场景优点缺点满堂支架钢管、扣件、碗扣等桥下净空较低、地质条件较好、拱跨不大的情况结构简单、整体性好、承载能力强、施工方便材料用量大、对桥下空间占用多、地基处理要求高梁柱式支架型钢（如工字钢、H型钢）、钢管柱桥下净空较高、需要保留桥下通行能力的情况对桥下空间影响小、受力明确、可重复利用结构相对复杂、对基础要求高、安装精度要求高钢管拱肋支架钢管自身作为拱肋一部分的钢管混凝土拱桥节省材料、施工进度快、结构受力合理对钢管的加工和安装精度要求极高万能杆件支架标准化的钢构件临时结构、应急抢修或特殊复杂结构通用性强、拆装方便、可根据需要组合承载能力相对有限、经济性一般在实际工程中，往往会根据具体的桥位地形、地质条件、拱跨大小、施工设备等因素，综合选择或组合使用上述支架类型。例如，在山区峡谷等桥下净空极高的地方，可能会采用钢管柱+贝雷梁的组合式支架，以减少支架高度和材料用量。3.关键设计参数支架设计需要计算和确定一系列关键参数，包括：荷载组合：明确作用在支架上的各种荷载及其组合方式，如恒载（支架自重、模板自重、混凝土自重）、活载（施工人员、设备、材料堆载）、风荷载、温度荷载等。强度验算：确保支架的各个构件（如立杆、横杆、斜杆、节点）在最不利荷载组合下的应力不超过材料的容许应力。刚度验算：控制支架的变形量，避免因支架过度变形导致拱圈混凝土开裂或线形失控。通常要求支架的弹性变形和非弹性变形之和不超过一定限值（如L/400，L为拱跨）。稳定性验算：这是支架设计中最关键的一环，特别是对于受压杆件（如满堂支架的立杆），必须验算其整体稳定性和局部稳定性，防止发生失稳破坏。基础设计：支架基础必须具有足够的承载力和稳定性，防止发生沉降、滑移或倾覆。基础形式可根据地质条件选择天然地基、扩大基础、桩基础等。二、支架的搭设与预压支架的搭设是将设计蓝图转化为实际支撑结构的过程，而预压则是检验支架安全性和消除非弹性变形的重要环节。1.支架搭设工艺支架搭设应严格按照设计图纸和相关规范进行，主要步骤包括：地基处理：对支架搭设区域的地基进行平整、压实，必要时铺设垫层（如碎石、混凝土），并设置排水设施，防止地基浸水软化。测量放线：精确测设支架的平面位置和高程控制点，确保支架搭设的准确性。支架安装：按照从下到上、从中间到两边（或对称安装）的顺序进行支架安装。对于满堂支架，应先立立杆，再安装横杆和斜杆，确保节点连接牢固。对于梁柱式支架，应先施工基础，再安装立柱、横梁和分配梁。检查验收：支架安装完成后，必须进行全面的检查验收，包括构件的规格、数量、连接质量、垂直度、平整度等，确保符合设计和规范要求。2.支架预压的目的与方法支架预压是支架法施工中不可或缺的关键工序。主要目的：检验支架的安全性：通过预压模拟拱圈混凝土浇筑过程中的荷载，检验支架的强度、刚度和稳定性是否满足要求，及时发现并处理潜在的安全隐患。消除非弹性变形：支架在首次承受荷载时，其节点、杆件的间隙以及地基的初始沉降等会产生非弹性变形。预压可以使这些变形在正式浇筑混凝土前充分发生并稳定下来。获取弹性变形数据：通过预压观测，精确测量支架在各级荷载下的弹性变形量，为后续拱圈的预拱度设置提供依据。常用预压方法：堆载预压：这是最传统也最直观的方法。通常使用沙袋、水箱、钢筋等重物，按照设计的荷载分布（一般为拱圈自重的1.1-1.2倍）进行分级堆载。每级堆载后需静置一段时间（如12-24小时），待变形稳定后再进行下一级堆载。水袋预压：使用大型柔性水袋，通过向水袋内注水来施加荷载。这种方法的优点是加载和卸载速度快、荷载分布均匀、对支架的冲击小，但需要确保水袋的密封性和支架的排水能力。砂箱预压：在支架顶部设置砂箱，通过砂箱内砂的流动来模拟沉降。这种方法主要用于测量支架的弹性变形，操作相对复杂。预压观测：在预压过程中，需要在支架顶部和地基上布置足够数量的沉降观测点。通过精密水准仪或全站仪，定期测量各观测点的高程变化，绘制荷载-沉降曲线，分析支架的变形特性。三、拱圈混凝土的浇筑拱圈混凝土的浇筑是支架法施工的核心环节，其质量直接决定了拱桥的最终性能。1.浇筑顺序的选择由于拱圈是一个空间受力结构，混凝土的浇筑顺序对支架的受力状态和拱圈的内力分布有显著影响。合理的浇筑顺序可以有效减小支架的不均匀沉降和拱圈的早期裂缝。常用的浇筑顺序有：对称浇筑法：这是最常用的方法，要求从拱脚向拱顶对称、均衡地进行浇筑。具体又可分为：全断面分层对称浇筑：将拱圈沿纵向分成若干段，每段沿高度方向分层，从两侧拱脚同时向拱顶推进。分段分层对称浇筑：将拱圈沿纵向分成若干大段，每大段再分层，同样从拱脚向拱顶对称浇筑。对称浇筑的核心是保持两侧荷载的平衡，使支架均匀受力，避免产生过大的偏心力矩。从拱顶向拱脚浇筑法：这种方法较少采用，通常在特定情况下，如拱圈较薄、支架刚度极大且地基非常均匀时，为了减少拱顶部位的拉应力而采用。但这种方法容易导致拱脚部位产生较大的剪力和弯矩。分环分段浇筑法：对于截面较大的拱圈（如箱型拱），可以将拱圈截面沿高度方向分成几个环（如底板、腹板、顶板），每个环再沿纵向分段，按一定顺序循环浇筑。这种方法可以减小单次浇筑的混凝土方量和支架的瞬时荷载，有利于混凝土的散热和收缩。2.混凝土的配制与运输拱圈混凝土通常采用高强度等级（如C40、C50甚至更高）的混凝土，以满足结构的受力要求。其配制应满足以下要求：高强度：具备足够的抗压强度和抗拉强度。良好的工作性：混凝土应具有适宜的坍落度和和易性，便于泵送和振捣密实，特别是对于拱圈的腹板、顶板等薄壁部位。低水化热：通过选用低热水泥、优化配合比（如掺加粉煤灰、矿渣粉等掺合料）、控制水泥用量等措施，降低混凝土的水化热，减少温度裂缝的产生。抗裂性：在混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维或钢纤维，可以有效提高混凝土的抗裂性能。混凝土的运输应保证其在初凝前到达浇筑现场，并保持良好的工作性。常用的运输方式包括混凝土搅拌运输车、混凝土泵车等。对于高差较大的拱桥，可能需要采用接力泵送或溜槽等辅助措施。3.混凝土的振捣与养护振捣：混凝土浇筑过程中，必须进行充分且均匀的振捣，以排出混凝土中的空气，保证混凝土的密实度。通常采用插入式振捣棒进行振捣，振捣时应快插慢拔，振捣时间以混凝土表面泛浆、不再下沉、无气泡逸出为宜，避免过振或漏振。对于钢筋密集区域或薄壁结构，应选用小型振捣棒或附着式振捣器。养护：混凝土浇筑完成后，及时、有效的养护是保证其强度发展和防止开裂的关键。养护措施包括：覆盖保湿：在混凝土初凝后，立即覆盖塑料薄膜或土工布，防止水分蒸发。洒水养护：保持混凝土表面处于湿润状态，养护时间通常不少于14天，对于高强度混凝土或炎热干燥地区，养护时间应适当延长。冬季保温：在低温环境下施工时，应采取保温措施（如覆盖棉被、搭设暖棚、通蒸汽等），防止混凝土受冻。四、支架的拆除支架拆除是支架法现浇施工的最后一步，也是风险较高的环节。不合理的拆除顺序可能导致拱圈结构受力突变，产生过大的应力集中，甚至引发结构破坏。1.拆除时机支架拆除必须在拱圈混凝土达到设计规定的强度和龄期后进行。通常要求混凝土强度达到设计强度的75%以上，对于重要结构或特殊部位，可能要求达到100%。此外，还应考虑混凝土的收缩和徐变对结构内力的影响，有时会选择在混凝土浇筑完成后一定时间（如28天）再进行拆除。2.拆除顺序支架拆除应遵循**“后搭先拆、先搭后拆”和“对称、均匀、缓慢”**的原则。对于满堂支架：通常从拱顶开始，向拱脚方向对称、分层、分段拆除。这样可以使拱圈的荷载逐渐、均匀地转移到拱脚和基础上，避免拱圈产生过大的附加内力。对于梁柱式支架：应先拆除分配梁、横梁等上部结构，再拆除立柱。立柱的拆除也应遵循对称、均匀的原则。对于有落架装置的支架：在一些大型拱桥中，会在支架顶部设置专门的落架装置（如砂箱、千斤顶）。拆除时，通过控制落架装置的下降量和速度，实现支架荷载的缓慢、可控释放，这是目前最安全、最有效的拆除方法。3.注意事项严格监控：在支架拆除过程中，应对拱圈的变形、应力以及支架的稳定性进行实时监测。一旦发现异常情况（如变形速率加快、出现裂缝等），应立即停止拆除作业，分析原因并采取相应措施。安全防护：拆除作业属于高空作业，必须做好安全防护措施，如设置安全网、作业人员佩戴安全带、安全帽等。统一指挥：支架拆除应在专人统一指挥下进行，确保各作业班组协调一致，避免误操作。五、施工监测与质量控制为确保大跨度拱桥支架法现浇施工的顺利进行和最终质量，全过程的施工监测和严格的质量控制至关重要。1.施工监测的内容施工监测贯穿于支架搭设、预压、混凝土浇筑、支架拆除等各个阶段，主要监测内容包括：支架变形监测：通过布置在支架顶部的观测点，监测支架在预压和混凝土浇筑过程中的沉降和位移。拱圈线形监测：在拱圈混凝土浇筑完成后，定期测量拱圈的实际线形（如拱顶高程、各控制点坐标），并与设计线形进行对比，及时发现偏差并分析原因。应力应变监测：在拱圈的关键部位（如拱脚、拱顶、1/4跨径处）埋设应力应变传感器（如钢筋计、混凝土应变计），监测混凝土在施工过程中的应力变化情况，确保结构受力在安全范围内。温度监测：对于大体积混凝土拱圈，监测混凝土内部的温度变化，防止因内外温差过大产生温度裂缝。地基沉降监测：监测支架基础的沉降情况，确保地基的稳定性。2.质量控制要点原材料控制：严格控制钢筋、水泥、砂石、外加剂等原材料的质量，确保其符合相关标准和设计要求。模板工程：模板的制作和安装必须保证拱圈的外形尺寸和线形精度，模板表面应平整光滑，接缝严密，防止漏浆。钢筋工程：钢筋的加工、绑扎应符合设计和规范要求，确保钢筋的品种、规格、数量、间距、保护层厚度等准确无误。混凝土工程：严格控制混凝土的配合比、搅拌、运输、浇筑、振捣和养护等各个环节，确保混凝土的强度和耐久性。隐蔽工程验收：对支架基础、钢筋绑扎、预埋件等隐蔽工程，必须在浇筑混凝土前进行严格的检查验收，合格后方可进行下一道工序。六、支架法现浇施工的优势与挑战1.主要优势结构整体性好：现浇施工使得拱圈混凝土整体浇筑成型，结构的整体性和抗震性能优于预制拼装结构。施工精度高：通过精确的支架设计、预压和施工监测，可以有效控制拱圈的线形和内力，保证结构的受力性能。适应性强：支架法现浇施工对桥位的地形、地质条件以及拱圈的结构形式（如板拱、肋拱、箱型拱）具有较强的适应性。无需大型吊装设备：相对于预制拼装法，支架法现浇施工对大型吊装设备的依赖程度较低，尤其适合于吊装条件受限的地区。2.面临的挑战对支架依赖性强：支架的安全性和可靠性是施工成败的关键，一旦支架出现问题，将直接威胁到整个工程的安全。施工周期长：支架的搭设、预压、拆除等工序繁琐，占用了大量的施工时间，尤其是对于大跨度拱桥，施工周期往往较长。受环境影响大：支架法现浇施工受天气、季节等环境因素影响较大，雨天、大风、高温、严寒等恶劣天气都可能导致施工中断或增加施工难度。经济性问题：对于桥下净空高、跨度大的拱桥，支架的材料用量巨大，工程造价较高。七、工程实例与技术发展1.典型工程实例巫山长江大桥：主跨492米的中承式钢管混凝土拱桥，其拱肋采用了支架法现浇施工，是当时世界上最大跨度的钢管混凝土拱桥。卢浦大桥：主跨550米的中承式钢箱拱桥，虽然主体结构为钢结构，但部分附属结构或施工临时措施也可能用到支架法。许多城市景观桥和人行天桥：由于其跨度相对不大，且对景观效果要求较高，常采用支架法现浇施工，以获得流畅的曲线造型。2.技术发展趋势随着桥梁工程技术的不断进步，支架法现浇施工也在不断发展和创新：新型支架材料：如高强度铝合金支架、复合材料支架等，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，正在逐步得到应用。模块化与智能化：支架的设计和制造向模块化、标准化方向发展，便于拆装和