砼剛架拱橋在滿堂支架條件下分環(huán)分段施工方法的探討

摘要:以四川自貢市某特大橋建設(shè)為例，通過(guò)對(duì)砼剛架拱橋滿堂支架的荷載分析、穩(wěn)定性驗(yàn)算、預(yù)拱度和支架預(yù)壓方案設(shè)計(jì)、河床基礎(chǔ)處理，總結(jié)了科學(xué)選擇經(jīng)濟(jì)、合理、安全的拱架支撐方案的方法，并針對(duì)滿堂支架的支撐條件，以相關(guān)技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，提出了分環(huán)分段施工的方法，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了施工過(guò)程中應(yīng)該修正和注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:砼剛架;滿堂支架;分環(huán)分段;方法研究

中圖分類號(hào):U448.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)11-0113-02

1工程概況

以四川自貢某橋?yàn)槔?橋位屬淺丘陵和河谷沖刷地貌，地形起伏較大，相對(duì)高差30-70m，兩岸為陡峭的石壁，基巖裸露，河面寬70余米?？辈觳槊?，橋位區(qū)出露有第四系的雜填土和沖填土(Q4)、侏羅系中上統(tǒng)自流井組馬鞍山底層(J1-2z)，巖性分粉細(xì)砂巖、砂巖和泥巖/泥質(zhì)砂巖。橋位位置為陡峭的巖石邊坡，坡度為45o-85o，多為基巖出露，形成時(shí)間久遠(yuǎn)，距河床2-4m范圍的泥巖因差異分化及洪水侵蝕，形成凹巖腔，對(duì)上部基巖穩(wěn)定不利。兩岸有崩坍現(xiàn)象，痕跡清晰可見。巖體間隙稍發(fā)育，均屬于Ⅱ類巖石邊坡，雖有較好穩(wěn)定性，但仍需考慮崩塌防護(hù)問(wèn)題。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用剛架拱，上下緣采用不同的拋物線，拱圈跨徑100m，下緣矢跨比1/8.6，上緣矢跨比1/5.33。拱圈采用變截面箱形拱，根部高1.5m，寬度為20.5m，在拱圈中部與上部梁體同寬，為16.47m。梁高在拱圈中部為1.5m。拱箱設(shè)置4個(gè)箱室，箱室寬3.70m，中部三道腹板寬30cm，邊腹板為變厚度板。拱圈與拱座固結(jié)，在邊跨梁端設(shè)置支座。邊跨采用單箱多室結(jié)構(gòu)，梁高與跨中拱圈同高，為1.5m。由于兩端橋臺(tái)基礎(chǔ)隨地貌高差變化較大故橋臺(tái)基礎(chǔ)埋深度變化較大。根據(jù)地質(zhì)資料，大部分為細(xì)砂巖和砂巖夾泥巖，承載力約在0.9Mpa左右，可以作為本橋臺(tái)的持力層，但臺(tái)身部分穿過(guò)部份巖腔，與橋臺(tái)臺(tái)身基礎(chǔ)形成空腔，此部分用加深基礎(chǔ)處理，所有基底應(yīng)放在較好巖層上。

設(shè)計(jì)荷載:城A，人群荷載3.5KN/m2。

2拱架方案設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)處理

基于工程自然和設(shè)計(jì)條件，擬采用滿堂支架的支撐方案

2.1荷載分析

a、拱圈砼重量荷載P1;b、拱圖鋼筋重量荷載P2;c、 模板及木枋重量荷載P3，d、施工荷載P4;e、支架自重荷載P5;f、風(fēng)荷載和水荷載P6。

2.2驗(yàn)算分析

a、立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算;b、大橫桿抗彎強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算;c、木枋驗(yàn)算;d、底模板驗(yàn)算;e、扣件抗滑驗(yàn)算;g、支架局部加密驗(yàn)算;h、拱架整體性驗(yàn)算。

2.3拱架預(yù)拱度設(shè)計(jì)

a、拱圈自重產(chǎn)生的拱架彈性下沉δ1;b、拱圈溫度降低與砼收縮產(chǎn)生的拱頂彈性變形δ2;c、墩臺(tái)水平位移產(chǎn)生的拱頂彈性撓度值δ3;d、拱架的彈性變形δ4;e、拱架的非彈性變形δ5;f、支架基礎(chǔ)變壓后非彈性度δ6;g、改斗撓度值δ7。

施工預(yù)拱度值為:δΣ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5+δ6

+δ7

施工中采用預(yù)拱度為δΣ值(四舍五入精確到十位)，即拱頂預(yù)度為δΣ，拱腳為 0，其余各點(diǎn)按二次拋物線公式δx=δ(1-4x2/L2)進(jìn)行計(jì)算分配。

2.4拱架搭設(shè)與預(yù)壓

①支架搭設(shè)

支架鋼管采用外徑為48mm，壁厚3.5mm的焊接鋼管。支架搭設(shè)縱距0.8m，橫距0.6m，步距為1.5m，局部加密處縱距為0.4m，橫距和步距不變。橫向兩側(cè)設(shè)置斜撐，斜撐采用6m長(zhǎng)鋼管成60o角布置，間距隨立桿間距。縱向和橫向每6排立桿設(shè)置剪刀撐，剪刀撐間距為6m，按45o角布設(shè)。在支架的最上層，縱向和橫向架管之間增設(shè)一排剪刀撐，以增加支架系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性，使?jié)沧⒒炷恋闹亓勘M快均勻地分布到各個(gè)架管上。立桿垂直偏差控制在1/200H，且不大于5cm。大、小橫桿應(yīng)基本保持水平，頂端大橫桿必須為雙扣件支撐。支架橫向兩側(cè)在拱頂、1/2拱、1/4拱處各設(shè)置5道防風(fēng)纜索，纜索采用φ12.5mm鋼絲索，且與地面水平夾角不大于30o。橫向邊立桿高于支架頂端大橫桿1.2m，用于搭設(shè)工作臺(tái)護(hù)欄。支架的拆除按照從拱頂?shù)焦澳_逐步予以拆除。支架工作過(guò)程中，在河上游采取了攔河網(wǎng)對(duì)支架采取保護(hù)措施。滿堂式支架的驗(yàn)算要求滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性(>1.3)要求。

②支架預(yù)壓

在整個(gè)支架完工后，正式澆注拱圈混凝土之前須對(duì)拱架進(jìn)行加載預(yù)壓，以達(dá)到消除支架的非彈性變形，和檢驗(yàn)支架承載能力的目的。支架預(yù)壓采用水箱加載方式，分別在拱頂、1/4拱、拱腳處設(shè)置水箱，加水增載。加壓荷載為施工計(jì)算荷載的1.2倍，預(yù)壓重量的施加方式采用與澆注拱圈混凝土的相同順序，預(yù)壓時(shí)間不少于2天;預(yù)壓過(guò)程中應(yīng)在拱圈的拱頂、3/8L、1/4L共5個(gè)位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，在加載過(guò)程中進(jìn)行每隔2小時(shí)的持續(xù)觀測(cè)，同時(shí)做好記錄。在卸除壓重時(shí)，也必須注意進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間不宜少于1天，所得到的數(shù)據(jù)將直接用到混凝土澆注施工中。

2.5基礎(chǔ)處理

(1)橋臺(tái)端土質(zhì)基礎(chǔ)處理

橋臺(tái)至河床段，地表面為土，部分為沖刷淤泥層，淤泥厚度20cm左右，淤泥底為巖層。對(duì)土層部分采用人工挖成50cm寬條行基礎(chǔ)，輔以人工夯實(shí)，并澆注15 cm高C20砼基礎(chǔ)帶，立桿再立于砼之上。立桿端頭用6mm厚A3鋼板封頭。對(duì)淤泥層采用人工清除，再按土質(zhì)基礎(chǔ)處理。

(2)河床裸露基巖基礎(chǔ)

對(duì)河床中裸露基巖，立桿基礎(chǔ)可不作處理，立桿直接立于基巖上，立桿端頭用6mm厚A3鋼板封頭。

(3)河床中水下基礎(chǔ)處理

①河床中水下地質(zhì)探測(cè)

大橋河床地質(zhì)資料為:河水深度為1.3m，河水寬度為50m，河床底面層為20cm沙礫層，下層為泥巖，其中靠0#橋臺(tái)有—2m寬、厚20cm的淤泥夾層。泥巖層采用Φ25圓鋼，端部尖頭，用9kg 錘，實(shí)施錘擊，10錘沉降1-2cm。10錘后再進(jìn)行錘擊，沉降很小。

②基礎(chǔ)處理

a、立桿端頭用6cm厚A3鋼板封頭。

b、采用錘擊方法對(duì)立桿加壓，使立桿承載力F滿足要求。具體做法是:立桿采用2m至4m鋼管搭設(shè)成略高水平的操縱平臺(tái)、用50kg錘離立桿頂端50cm自由落下進(jìn)行錘擊。當(dāng)立桿最后一錘下沉小于或等于1.8cm時(shí)，錘擊終止。對(duì)立桿進(jìn)行錘擊時(shí)，該立桿的連接扣件應(yīng)擰松，使立桿能自由滑動(dòng)，錘擊完成后再擰緊。

C、設(shè)計(jì)計(jì)算

已知錘的質(zhì)量m=50kg，g=10m/s2 ;h=0.5m

設(shè)錘落至立桿頂端時(shí)速度為V，根據(jù)自由地計(jì)算公式V2=2gh。速度從V降為V′=0的時(shí)間可以認(rèn)為是使立桿下沉△h=1.8cm所需要的時(shí)間，假定此過(guò)各均勻減速過(guò)程。所需時(shí)間為△t，則△t=△ h/V均=△h/(V/2);設(shè)立桿對(duì)錘平均作用力為F，取向上值為正方向，根據(jù)動(dòng)量定理得

(F-M)△t=MV'-(-MV)

由上式得F=Mg+Mgh/△h

將已知代入公式，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

(4)根據(jù)計(jì)算，基礎(chǔ)承載力不能小于160 kPa ，處理之后的基礎(chǔ)實(shí)際承載力已達(dá)到200kPa。并在軟基部分的地基加鋪了槽鋼以防止基礎(chǔ)不均勻沉降。

3分環(huán)分段施工組織

大橋主拱圈砼澆注采用分層、分段、分帶澆注砼。砼澆注順序?yàn)榉侄螡沧⒌装搴筒糠掷甙?澆注高度不宜小于60cm，設(shè)計(jì)拱腳高度為1.5m。)→合龍底板和肋板→澆注剩余肋板→澆注頂板。主拱底板采用分段澆注。這樣處理的目的是保證先期澆注混凝土有較大的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度抵抗后期混凝土的重量作用、同時(shí)也可以避免局部屈曲失穩(wěn)。

3.1主拱底板加載程序

混凝土的澆注應(yīng)確保沿拱頂對(duì)稱澆注:從拱腳到拱頂、從拱頂?shù)焦澳_兩個(gè)方向同時(shí)對(duì)稱澆注。首先在主拱拱頂、1/4拱處設(shè)置寬度為1m的后澆帶，其砼澆注順序?yàn)?，拱腳對(duì)稱往上至1/4拱處——拱頂對(duì)稱往下至1/4處。

待砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，再進(jìn)行后澆帶砼的澆注，后澆帶按砼施工縫處理，澆注后澆帶砼時(shí)溫度控制在100以下。

3.2主拱肋板加載程序

由于已合攏的底板可起拱架作用，加上底板荷載對(duì)支架有預(yù)壓作用，可看成支架變形很小。肋板澆注時(shí)不設(shè)后澆帶，采用分層加載，以減輕一次加載重量，減小變形。肋板分二層澆注，第一層和底板一次澆注，其余為第二層，縱肋漸變段砼做成臺(tái)階式結(jié)合面，其它按施工縫處理。

加載順序?yàn)?中肋——左1、右1邊肋——左2、右2邊肋;單條縱肋加載程序?yàn)?拱腳對(duì)稱往上20m——拱頂對(duì)稱往下30m。

3.3主拱圈頂板加載程序

拱腳對(duì)稱往上21.6m——拱頂對(duì)稱往下28.4m。在主拱圈砼施工全過(guò)程中，在拱圈1/4、3/8，拱頂處建立5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行全過(guò)程變形觀測(cè)，作好記錄，并據(jù)此分析變形發(fā)展的趨勢(shì)，以便采取相應(yīng)的措施，一旦出現(xiàn)不均勻沉降，立即停止加載，待查明原因處理后方繼續(xù)進(jìn)行。

4分環(huán)分段施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)

設(shè)計(jì)單位提出混泥土澆筑應(yīng)設(shè)置分段澆筑，最小分為四段，在段接處設(shè)置后澆帶，全橋?qū)嵭幸淮涡院淆垺Ｒ驗(yàn)榉侄问┕ひ淮魏淆垖?duì)拱架的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求很高，為了穩(wěn)妥起見，施工單位改為分環(huán)分段施工。在施工實(shí)踐中，跨徑大于16m的拱橋拱圈，為避免拱架變形而產(chǎn)生裂縫以及減小砼的收縮力，通常采用分段澆注的施工方法。但對(duì)大跨徑砼拱橋，為減輕拱架負(fù)擔(dān)和澆注砼的勞力強(qiáng)度，宜采用分層、分帶的施工方法。該大橋?yàn)橹骺?00m的斜腿鋼筋混凝土拱橋，屬特大型工程，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041-2000)16.2.1條規(guī)定，“澆筑大跨徑拱圈(拱肋)混凝土?xí)r，宜采用分環(huán)(層)分段法澆筑，也可沿縱向分成若干條幅，中間條幅先行澆筑合龍，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再按橫向?qū)ΨQ、分次澆筑合龍其他條幅。”。因此，本項(xiàng)目采用縱向分段豎向分層澆注混凝土方案是可行的:1、能大大減小一次澆注全部拱圈混凝土的施工風(fēng)險(xiǎn);2、降低支架搭設(shè)的難度和要求;3、合龍一期混凝土后，結(jié)構(gòu)的整體性大大加強(qiáng)，能抵抗部分外荷載(風(fēng)荷載、施工荷載、后期混凝土)的作用。但應(yīng)對(duì)以下幾點(diǎn)必須因其重視。

4.1在改變施工順序后，對(duì)結(jié)構(gòu)受力略有影響，考慮到在拱橋結(jié)構(gòu)中，拱腳截面和拱頂截面為兩個(gè)受力最大的截面，建議在拱腳位置上緣和拱頂截面下緣增設(shè)一部分鋼筋，目的是為了減小混凝土收縮影響、增大結(jié)構(gòu)抗力。

4.2結(jié)構(gòu)跨徑較大，無(wú)論采取什么施工方法，混凝土的收縮影響不可避免，但采取先分段澆注混凝土后一次合龍的辦法時(shí)，混凝土收縮影響相對(duì)要小;而分期澆注混凝土?xí)r，一期混凝土的收縮影響可以通過(guò)增加混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期予以減小，而后澆注的混凝土由于受到先澆注混凝土的約束，混凝土收縮的影響相對(duì)較大。因此應(yīng)采取可靠的施工措施減少混凝土收縮的影響。

4.3在拱腳處先設(shè)鉸，先鉸后固，以緩解混泥土徐變和溫變引起的應(yīng)力。

5結(jié)語(yǔ)

砼剛結(jié)構(gòu)特大拱橋施工，和中小橋和其它橋型相比技術(shù)要求更高，施工風(fēng)險(xiǎn)更大，對(duì)拱架的選擇和設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)的處理計(jì)算及混泥土施工和加載方法必須處理，對(duì)類似拱橋的施工關(guān)鍵應(yīng)注意以下事項(xiàng):

5.1根據(jù)地形、地質(zhì)、水文和環(huán)境條件，選擇合理、經(jīng)濟(jì)、安全的拱架方案。

5.2在拱架設(shè)計(jì)前，須對(duì)相關(guān)技術(shù)要素和指標(biāo)作詳盡的分析和準(zhǔn)確驗(yàn)算，對(duì)基礎(chǔ)的處理，必須在勘探分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，選擇安全科學(xué)合理的方法。

5.3對(duì)砼拱圈的施工，改變?cè)O(shè)計(jì)提出的施工方法時(shí)，必須對(duì)局部地方重新進(jìn)行受力分析和應(yīng)力計(jì)算，在確定沒有改變基本結(jié)構(gòu)和發(fā)生重大受力變化的情況下，采取有效方法消除應(yīng)改變施工方法和順序應(yīng)起的應(yīng)力應(yīng)變因素。

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