《桥梁工程(第3版)》课件 第12章 拱桥施工

与梁式桥施工方法相似,拱桥施工方法总体上也分为有支架第12章拱桥施工施工和无支架施工两大类。石拱桥、混凝土预制块拱桥和现浇钢筋混凝土拱桥,只能采用有支架施工方法修建。1

钢筋混凝土拱桥施工方法较多,除了支架施工法外,还可以采用缆索吊装法、悬臂浇筑法、转体施工法和劲性骨架法施工;钢管混凝土拱桥、钢拱桥则多采用缆索吊装和转体施工法施工。劲性骨架法实际上是同时使用了缆索吊装和支架施工两种方法,即先用缆索吊装法架设拱形劲性骨架,然后围绕钢骨架浇筑拱箱(肋)混凝土,形成箱形拱圈(肋)。与有支架方法不同的是,劲性骨架法将劲性骨架埋入混凝土拱箱中,作为拱圈的一部分不再回收,而有支架法在拱圈(肋)混凝土浇筑完后拱架撤除予以回收。

拱桥施工一直是制约拱桥发展的关键技术问题。桥梁工作者要勇于创新施工方法,为今后我国朝更大跨径拱桥建设做出贡献。

本章重点介绍有支架法和缆索吊装法,其他方法做简略介绍。212.1有支架施工

有支架施工的主要施工工序有材料准备、拱圈放样(包括石拱桥的拱石放样)、拱架制作与安装、拱圈及拱上建筑的砌筑等。

拱桥材料选择应满足设计和有关规范的要求。石拱桥石料准备(包括开采、加工和运输等)是决定施工进度的一个重要环节,也在很大程度上影响桥梁的造价和质量。特别是料石拱圈,拱石规格繁多,所费劳动力也很多。为了加快桥梁建设速度,降低桥梁造价,减少劳动力消耗,可以用小石子混凝土取代砂浆砌筑拱石来修建拱桥。

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拱圈或拱架的准确放样,是保证拱桥符合设计要求的基本条件之一。石拱桥的拱石,要按照拱圈的设计尺寸进行加工,为了保证尺寸准确,需要制作拱石样板,它是将拱圈按1∶1比例放出大样,然后用木板或锌铁皮在样台上按拱石大小制成样板,并注明拱石编号(图12.1),以利加工。样板必须保证在施工期间不发生过大变形,便于施工过程中对拱石加工尺寸进行复查。对于左右对称的拱圈,可只放出半跨大样。常用的放样方法有直角坐标法、多圆心法、计算机辅助(CAD)放样法等。拱弧分点越多,用这种方法放出的拱圈尺寸越精确。4图12.1拱石编号5

拱架是拱桥有支架施工过程中的重要临时结构,在拱桥的整个施工期间,用以支承全部或部分拱圈和拱上建筑的重量,并保证拱圈的形状符合设计要求,因此,要求拱架具有足够的强度、刚度和稳定性。拱架又是一种施工临时结构,在设计和安装拱架时,要求构造简单、稳定可靠、受力清楚、装卸方便,以加快施工进度、减少施工费用。6(1)满布式木拱架

满布式木拱架的优点是施工可靠,技术简易,木材和铁件规格要求较低,缺点是木材用量多,木材和铁件的损耗率也较高,受洪水危险大。因此,木拱架多用于可设中间支架的桥孔和不通航的河流上。满布式木拱架通常由拱架上部(拱盔)、卸架设备和拱架下部(支架)三部分组成。1)立柱式拱架

立柱式拱架(图12.2),上部由斜梁、立柱、斜撑和拉杆组成拱形桁架(拱盔),下部由立柱及横向联系(斜夹木和水平夹木)组成支架,上下部之间放置卸架设备(木楔或砂筒等)。12.1.1拱架构造及安装7图12.2立柱式木拱架

1—

弓形木;2—立柱;3—

斜撑;4—

卸架设备;5—

水平拉杆;6—斜夹木;7—

水平夹木;8—

桩木8

为适应拱腹曲线形状,需要在斜梁上钉以弧形垫木,通常将斜梁和弧形垫木合称为弓(弧)形木。弓(弧)形木支承在立柱或斜撑上,长度一般为2～3m。在弓形木上设置横梁,间距一般为0.6～0.7m,上面再纵向铺设2～4cm厚的模板(图12.3(a)),就可砌筑拱石或作为现浇混凝土拱的底模板。当拱架横向间距较密时,也可不设横梁,直接在弓形木上横向铺设3～5cm厚的模板(图12.3(b))。立柱间距按桥梁跨径及承受拱圈重量的不同,一般为1.5

～5m,拱架横桥向间距一般为1.2～1.7m。为了增强横向稳定性,拱架之间应设置横向联系(水平及斜向夹)。9图12.3弓形木构造10图12.4撑架式木拱架112)撑架式拱架撑架式拱架(图12.4),是用少数框架式支架加斜撑来取代数量众多的立柱,材料用量较少。

立柱式拱架少,构造也不复杂,而且能在桥孔下留出适当的空间,减少洪水及漂浮物的危险,在一定程度上满足通航或桥下通行的要求。因此,在实际中采用较多。

拱架的卸落设备,一般设置于拱架水平拉杆与支架帽木间上下立柱相对应之处;跨径较大时,可设于弓形木下支点处。

拱架各杆件的联结应紧密,可用铁夹板、硬木夹板或螺栓等铁件或硬木联结。一般拱架上应力较小部位的杆件可用圆钉、扒锯钉等简易铁件联结。3)支架基础支架基础必须稳固,承重后应能保持均匀沉降且沉降值不得超过预计范围。12

基础为石质时,应挖去表土,将柱根处岩面凿低、凿平。基础为密实土壤时,如在施工期间不致被流水冲刷,可采用枕木、石块铺砌或混凝土作基础;如施工期间可能被流水冲刷,或为松软土质时,须采用桩基或框架结构或其他加固措施。基础承重后的预计沉降值可按载重实验确定,应不大于在计算预拱度时采用的基础下沉值。4)拱架的制作及安装

拱架的弓形木及立柱等主要杆件,应采用材质较强、无损伤及湿度不大的木材。拱架制作及安装时,应以基础牢固、立柱正直、节点联结紧密为主要原则。高拱架应特别注意其横向稳定性。

拱架可就地拼装,或根据起吊设备能力,预拼成组件后再进行安装。满布式木拱架的制作及安装程序如下:13模弧线分成段,定出弓形木接头位置和排架、斜撑、拉杆的中心线。②在样台上量出各杆件尺寸,制作各杆件大样。③在支架及卸落设备上操平,定出拉杆水平线。④安装拉杆、立柱、斜撑、夹木及弓形木等杆件。⑤在弓形木各节点操平(包括预拱度),准确的按拱模弧线(减去模板、垫木和横梁的高度)控制弓形木高度。

由于木拱架需要耗用大量木材,而且损耗大,目前已经很少采用。如仍需满布式拱架时,可采用钢管或碗扣式钢管搭设。有关满布式钢管支架搭设要求见第9章。①在平台上,按拱圈拱腹弧线加预拱度放出拱模弧线,并将拱14(2)钢桁架拱架1)结构类型①常备拼装式桁架型拱架

此种拱架系由标准节、拱顶节、拱脚节及联结杆等以钢销联结而成,再以纵横向联结系将两拱架联成一组,即可作为砌筑、浇筑或吊装一片拱肋的支架。用变换联结长度的方法来调整曲度和跨度,如图12.5所示。15图12.5常备拼装式桁架型拱架16②装配式公路钢桥桁节拼装拱架

在装配式公路钢桥桁节上弦接头处加上一个不同长度的钢铰接头,即可拼成用于多种曲度和跨度的拱架。拱架两端应设拱脚节及支座以构成两铰拱架,为使完工后卸架方便,应在弓形木下设置木楔。拱架的横向稳定需依靠各片拱架间的抗风拉杆、撑杆以及风缆等设备来保证,拱架构造如图12.6所示。17图12.6公路装配式钢桥桁节拼装拱架18

近年来,这种拱架形式在四川、贵州等地应用较多,非常适合于山区地形复杂,又需要建造拱桥的地区。③万能杆件拱架

万能杆件经补充一部分带钢铰的联结短杆后也可拼装成拱架。拼装时,先拼成桁架节段,再用长度不同的联结短杆连成折弧形。④万能杆件桁架、装配式公路钢桥桁架与木拱盔或钢管脚手架组合拱架

图12.7所示为山西丹河大桥(146m跨石拱桥)所采用的拱架形式,由万能杆件桁架(也可用装配式公路钢桥桁架)拼装成支架,上面布置帽木、立柱、斜撑、横梁及弧形木等构成拱架。图12.8所示为一座60m拱桥的组合拱架示意,它是用钢管脚手架取代帽木、立柱、斜撑、横梁及弧形木形成拱架。19图12.7丹河大桥拱架20图12.860m跨组合拱架21⑤斜拉贝雷平梁拱架

如图12.9所示,斜拉贝雷平梁拱架可用于一跨或几跨连续施工的情况,在距边墩一定位置设一临时墩,在中间墩墩顶各设一个塔柱,塔柱顶端伸出斜拉杆(索)拉住贝雷平梁,平梁设拱盔,形成几孔连续的斜拉式贝雷平梁拱架结构。22图12.9斜拉贝雷平梁拱架23

斜拉贝雷平梁拱架的平梁可采用浮吊船架设,也可采用悬臂扒杆节段拼装。

由于斜拉贝雷平梁拱架柔性较大,施工中应严格掌握和控制对称加载及塔柱、平梁的挠曲变形,控制平梁、斜拉杆(索)及塔柱的受力不超限。该拱架适用于山区河流、航道复杂地段或深谷间施工的钢架拱及其他拱桥的现浇施工。2)钢桁架拱架的安装①半拱旋转法

该架设方法是将每片拱架先组拼成两个半拱片,然后同时将左、右半拱片吊至一定高度。起吊前拱铰先安在支座上,然后用拉索使两半拱拱架向上旋转合龙。②竖立安装法在桥跨内的两端拱脚上,垂直拼成两半孔拱架,再以绕拱脚铰旋转的方法安放至设计位置进行合龙。24③悬臂拼装法

适用于拼装式桁架型拱架。拼装时从拱脚起逐节进行,拼装好的节段,用滑车组或斜拉索系吊在墩台临时塔架上,这种拼装方法与劲性骨架、钢管拱肋的悬臂施工相似。25kN/m估算。(1)拱架的计算荷载

①拱圈圬工重量。不分环砌筑时,按拱圈全部重量计入。分环砌筑时,对于小跨径拱桥,按实际作用于拱架的环层计算,一般计入拱圈总重的60%～75%;对于大跨径拱桥,分环数多,拱架高,相对刚度较小,不宜简单地以拱圈重量的多少(百分比)计算,而应根据施工工序进行整体分析。

②拱架自重。包括拱架及弓形木,模板、垫木等的自重,可假定为在水平面上均匀分布。对排架式木拱架(包括铁件)可按6.5312.1.2拱架的设计计算26kN/m估计。料时可按1.0kN/m计。受横风载作用时的拱架抗倾覆稳定系数③施工人员、小型机具设备的重量,按拱架水平投影上2.02

④横向风力。验算拱架稳定性时应考虑横向风力。横向风力应按现行《公路桥涵设计通用规范》第4.3.7条计算,缺乏实测资2不小于1.3。27(2)满布式拱架的计算1)拱块重力的分解

作用在拱架上的拱块重量,只有在拱顶处是全部传到拱架上的,在其他处,拱块重量将分解为垂直于斜面的正压力N和平行于斜面的切向力T。此外,由于N的作用,使拱块与模板间产生阻力T0,以抵抗使拱块下滑的切向力T。拱块重力作用图式如图12.10所示。28图12.10立柱式和撑架式拱架计算图式29式中:G———

拱块重量;

μ1———

拱块与模板间的摩阻系数,混凝土拱圈采用0.47,石 砌拱圈采用0.36。

作用在拱架斜面上的拱块切向力T,当T≤T0时,应采用T;当T>T0时,应采用T0,其差值(T-T0)将传给下一已成拱块,或由临时支撑架传给下一段斜梁。

2)满布式木拱架杆件内力计算 计算满布式木拱架时,不考虑拱盔的桁架作用,各杆件的内力可从拱顶开始用节点法逐次分析,但大多用图解法,以避免繁琐计算。图12.11所示为拱架顶部4个不同的节点受力情况。30图12.11拱架顶部节点受力图式31

由于木拱架的节点构造一般不适于受拉,故斜梁、立柱和斜撑只能承受压力,并假定拱架正压力平均分配于斜梁两端节点,合力R只由其作用相邻的两杆件承受,则当斜梁上的作用力N和T已知时,即可计算出斜梁、立柱和斜撑所受的压力。

斜梁除了承受轴向力外,还要承受由拱石正压力引起的弯矩,应按压弯构件计算。立柱和斜撑按压杆计算。模板按受弯构件计算,斜夹木和横夹木,作为增强稳定之用,按构造要求设计,不考虑受力,不作计算。32(3)拱式拱架的计算

计算三铰拱式拱架内力之前,应根据前述拱架受力分析方法,分别求得各节点所承受的竖直力和水平力,再按三铰拱求得拱架的支承反力Ra和Ha,如图12.12所示。然后根据拱架构造用节点法或截面法分析各杆件内力。

这种计算方法比较精确,但也费时。对此,可采取具有一定精度且偏于安全的简捷方法。即在计算拱架荷载时,不考虑拱块和模板间的摩阻力及拱块部分重量,可由下一拱块逐次传至拱脚的有利作用,假定拱块全部重量均由拱架承担,于是各节点仅有竖向力G,这样就大大简化了计算,并可利用影响线选择合理的砌筑(或浇筑)顺序。对于钢桁拱架,由于拱架的上下弦隐蔽程度不同,温差颇大,要根据当地情况对温度作出估计,进行温度应力验算。33分层浇(砌)筑法,并使先浇(砌)好的拱圈层与拱架一起共同支承后浇(砌)拱圈层的重量。理论计算和工程实践表明,先大跨度拱桥的拱圈(肋)自重很大,为了节省拱架材料,多采用浇(砌)好的拱圈层可以承担30%～40%的自重。在计算拱圈底(环)与拱架共同工作时,由于两者的刚度相差甚大,可假定拱架承受全部弯矩和剪力,拱圈底(环)则仅帮助拱架承受一部分轴向压力,如图12.13所示。因此,拱架必须有足够的刚度,以免底板混凝土开裂。34图12.12拱架受力图式35图12.13拱圈与拱架共同作用情况3612.1.3施工预拱度计算与设置

拱架在拱桥施工中会产生弹性和非弹性变形。另外,当拱圈砌筑(浇筑)完毕,强度达到要求而卸落拱架后,在自重、温度变化等因素影响下,拱圈也会产生弹性下沉。为使拱圈的拱轴线符合设计要求,必须在拱架上设置施工预拱度,以抵消各种可能发生的竖直变形。37(1)拱圈施工时和卸(脱)架后产生的变形①拱圈自重产生的拱顶弹性挠度δ1;②拱圈温度变化产生的拱顶弹性挠度δ2;③拱圈墩台位移、支座变形产生的拱顶弹性挠度δ3;④混凝土拱圈因混凝土硬化收缩产生的挠度δ4;⑤拱架和支架在设计荷载下的弹性及非弹性变形δ5、δ6及由于卸拱设备的非弹性压缩产生的非弹性下沉δ7;⑥拱式拱架在设计荷载下产生的弹性挠度δ8和非弹性下沉δ9;⑦支架基础受载后的非弹性压缩δ10;⑧无支架吊装时的裸拱变形δ11,一般可预估为l0/1000,l0为拱圈的计算跨径;⑨斜拉平梁拱架由于不平衡加载引起的塔柱变形产生的挠度δ12

。38394041424344454647484950515253545556575859606112.1.6圬工拱圈及拱上结构的砌筑6263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123(4)施工加载内力计算

施工加载程序设计主要体现在拱上施工加载过程中使拱圈受力合理、安全的施工顺序。施工加载程序设计一般采用影响线加载法。①绘制截面内力影响线

主要计算拱脚、l0/8、l0/4、3l0/8和拱顶五个截面。在用手册法绘制内力影响线时,可不计弹性压缩影响。若考虑弹性压缩影响则另作补充计算,采用电算时则自动计入。随着有限元程序的快速发展,施工加载程序设计应优先采用电算方法。124算时应予以注意。④根据强度验算情况,调整施工加载顺序和范围、或增减施工阶段。②根据施工条件并参考有关施工经验,初步拟定施工阶段(步骤或顺序)。

③按照施工工序,在影响线上进行加载(即施工部分结构的重量),求出各截面内力,并验算是否满足要求。在整个施工加载过程计算中,每环拱圈合龙成拱之后,拱圈截面特性要发生变化,计125126

当拱肋强度、刚度较小时,施工加载计算往往需要多次反复,才能确定出较适当的施工加载程序。因此,应充分利用有限元程序进行施工加载程序设计。127128129130131132③在骨架上悬挂模板,分环、分段浇筑拱圈混凝土。133134135136137138139140141142143(1)平面转体

平面转体施工就是按照拱桥设计标高在岸边预制半拱,当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到至桥位中线处合龙成拱。由于是平面转动,因此,半拱的预制标高要准确。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做成土牛胎模。

平面转体分有平衡重转体和无平衡重转体两种。144系统、背墙、拱体结构、拉杆(拉索)等部分,如图12.35所示。1)有平衡重转体

有平衡重转体以桥台背墙作为平衡和拱体转体用拉杆(或拉索)的锚锭反力墙,通过平衡重稳定转动体系和调整其重心位置。平衡重的大小由转动体的重量大小决定。由于平衡重过大不经济,也增加转体困难,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。有平衡重的转体施工的转动体系一般包括底盘、上转盘、锚扣145146147148149150151152153154155156157158159160161

采用本法施工时,施工误差会对整体工程质量产生很大的影响,故必须对施工测量、材料强度及混凝土的浇筑等进行严格的检测和控制。尤其对斜拉预应力钢筋,必须严格测定每根的强度,观测其受力情况,必要时予以纠正和加强。为防止计算与实际差别过大,施工前须做施工模拟试验以及预应力钢筋锚固可靠性试验。162(2)悬臂拼装法

这种方法是将拱圈的各个组成部分(腹板、顶底板等)事先预制,然后将整孔桥跨的拱肋、立柱通过临时斜压杆(或斜拉杆)和上下弦杆件组成桁架拱片,沿桥跨分作几段(一般3～7段),再用横系梁和临时风构将两个桁架拱片组成框构,每节框构整体运至桥孔,由两端向跨中逐段悬臂拼装至合龙。悬伸出去的拱体通过上弦杆和锚固装置固定于墩、台上维持稳定,也可以将拱圈的各个组成部分分别在拱圈上悬臂组拼成拱圈,然后利用立柱与临时斜杆和上拉杆组成桁架体系,逐节拼装,直至合龙。163

1980年建成的主跨390m

的南斯拉夫KRK大桥,是采用悬臂拼装法建成的跨径最大的钢筋混凝土箱形拱桥。箱形拱由预制的底板、顶板和两片中肋(腹板)用缆索吊机吊运,由可在拱圈上移动的钢架组拼,然后就地浇筑接缝形成拱箱。悬拼中采用钢索加强的钢拉杆作工具式斜杆和上弦杆,以与拱上立柱和主拱圈一起形成临时悬臂桁架,自两端向跨中逐段延伸直至基箱合龙。随后在其两侧拼边箱。

上述悬臂拼装方法,均系在施工时增加临时斜杆(拉或压杆)与临时上弦杆,施工完毕后又得全部拆除这些临时杆件,不仅增加了施工工序,而且还要增长施工工期。164

预应力混凝土悬臂桁架拱桥可以克服这个缺点。这种体系的特点是:斜杆(拉杆)与上