新型鋼拱架在箱型拱橋中的應(yīng)用

陳永剛

[摘要]結(jié)合省道S207線綏陽(yáng)至道真改擴(kuò)建工程中三江河大橋,重點(diǎn)闡述新型鋼拱架在大跨徑箱型拱橋施工中關(guān)鍵工序主拱圈施工中的技術(shù)應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)總體安全、質(zhì)量、進(jìn)度等目標(biāo)的措施。

[關(guān)鍵詞]新型鋼拱架 箱型拱橋 主拱圈 試壓

一、前言

拱橋是我國(guó)公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式,它外形宏偉壯觀,且經(jīng)久耐用。鋼筋砼箱型拱橋結(jié)構(gòu)受力明確、跨越能力大、工程造價(jià)低、易于養(yǎng)護(hù)、耐久性好,并且外觀上具有濃郁的民族特色,因此在山區(qū)跨越60m～200m寬的河流、溝谷時(shí),鋼筋混凝土箱型拱往往是首選橋型方案,本文主要論述新鋼拱架在鋼筋混凝土箱型拱橋中關(guān)鍵工序主拱圈施工中的施工技術(shù)。

二、工程簡(jiǎn)況

三江河大橋位于省道S207線綏道公路K121+497處,跨越正安縣與道真縣交界的寨子嶺三江河。全橋長(zhǎng)157.8m。本橋平面位于直線段?？v坡為-1.6%的單向縱坡。三江河大橋孔跨布置為:2×10m+110m+1×10m。主拱采用懸鏈線箱形拱,凈跨110米,凈矢跨比采用1/5.5,凈矢高22.0m,拱軸系數(shù)2.0。拱圈為箱形,箱寬8.2m,橫向由單箱3室組成。拱上立柱為1m×1m的鋼筋混凝土方柱,上部構(gòu)造采用10m跨預(yù)制鋼筋混凝土空心板,橫向布置8塊。0#橋臺(tái)采用一字墻,15#橋臺(tái)采用U型臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ),1#引橋采用1m×1m的鋼筋混凝土方柱墩配擴(kuò)大基礎(chǔ),2#、4#拱座基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。

三、主拱圈施工方案

本橋原設(shè)計(jì)主拱圈為節(jié)段預(yù)制吊裝。但從安全、質(zhì)量、工期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及施工經(jīng)驗(yàn)等多方面綜合考慮,決定改用懸拼鋼拱架現(xiàn)澆主跨110米的鋼筋混凝土拱圈,具體施工方案如下:

1.設(shè)置纜吊

考慮本橋施工工藝及吊裝重量,在兩岸橋臺(tái)上立索塔,安裝15t纜索吊機(jī)。本橋纜索總體布置為單跨一組承重天線,設(shè)計(jì)吊重為15t。主索道承重繩選用2-1Ф52mm鋼絲繩。主索道用于吊裝鋼拱架、預(yù)制車道板以及解決部分混凝土澆注和材料、機(jī)具、等運(yùn)輸。兩端塔架為自行設(shè)計(jì)的120型塔架拼裝,每個(gè)索塔橫橋向由兩個(gè)單塔加橫向桁架組成,單塔斷面1.2mx1.2m,兩岸塔高均為20.96米。兩岸對(duì)應(yīng)塔架設(shè)錨樁式地?cái)n。

纜索主要參數(shù)如下:

單索最大吊重T=15噸;跨徑L=157.84米;初安裝撓度f(wàn)=8.7m;承重繩直徑Ф承=52mm;起重繩直徑Ф起=19.5mm;牽引繩直徑Ф牽=19.5mm

承重繩為2-1Ф52mm鋼絲繩,起重繩為2-1Ф19.5mm的鋼絲繩,牽引繩為2-2Ф19.5mm的鋼絲繩,鋼絲繩均為6x37型鋼絲繩。起重、牽引作業(yè)均采用5噸卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行,起重繩通過(guò)20噸四輪起重跑車組走四線,上下游分別為兩套獨(dú)立的起重和牽引系統(tǒng)。

2.鋼拱架施工

(1)鋼拱架拱座的施工

鋼拱架拱座是用來(lái)支承現(xiàn)澆施工荷載的臨時(shí)拱座。在拱座前緣設(shè)置鋼拱架拱座,在拱架座上設(shè)鉸座,作為鋼拱架的鉸支點(diǎn),同時(shí)支承現(xiàn)澆拱圈大部分的重量。在拱座前沿的臨時(shí)拱座上面預(yù)埋直徑331×16mm半圓弧板(水平預(yù)埋)作鉸軸槽,與鋼拱架拱腳節(jié)段下端的鋼管柱鉸形成鉸接。鉸座主要結(jié)構(gòu)是預(yù)埋在拱架座上的圓弧形軸槽。在澆筑拱座基礎(chǔ)同時(shí)將拱架座澆筑(也可分開澆筑)。拱架拱座為C40鋼筋混凝土。拱架拱座按設(shè)計(jì)施工圖,測(cè)量放樣,安裝鋼筋模板及鉸槽,在安裝鉸槽時(shí),嚴(yán)格控制兩岸鉸槽的高程,且同岸的5個(gè)鉸槽同軸心線,確保鉸軸與鉸槽的緊密配合。

(2)鋼拱架基本概況

本橋所用鋼拱架為自主設(shè)計(jì)的新型鋼拱架,本橋?yàn)榈谝淮问褂?。鋼拱架主要由?biāo)準(zhǔn)節(jié)段、調(diào)節(jié)節(jié)段、拱頂節(jié)段和拱腳節(jié)段等四種基本節(jié)段組成;所有節(jié)段均以大小不等的角鋼和鋼板組拼焊接成框架結(jié)構(gòu),。每節(jié)段高均為2200mm,有效長(zhǎng)度分別為3966mm、1720mm、1835mm、2490mm,寬度為700mm。拱架橫向系用橫聯(lián)聯(lián)結(jié),拱架頂面和底面用平聯(lián)聯(lián)結(jié);節(jié)段間下弦通過(guò)Ф50mm軸連接,上弦采用凹凸球面調(diào)節(jié)螺桿,側(cè)面輔以4根Ф38mm連接螺栓連接。所有基本節(jié)段和聯(lián)結(jié)片材質(zhì)均為Q345B鋼,所有聯(lián)結(jié)件和螺栓材質(zhì)均為40Cr高強(qiáng)鋼。

在欲澆拱圈下拼裝圓弧形鋼拱架,鋼拱架拱軸線半徑為83.98m,軸線長(zhǎng)度116.886m,寬8.3m,截面高度2.2m。沿弧向共用31片、橫向分為5組,共計(jì)155片。

本拱架最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)調(diào)節(jié)上弦桿調(diào)節(jié)螺栓,很容易變化拱架整體弧度,并且強(qiáng)度高,適用范圍廣。

(3)鋼拱架節(jié)段的安裝

鋼拱架拼裝采用纜索吊裝懸拼,為加快拼裝進(jìn)度,預(yù)先在橋頭按順橋向兩節(jié)段,橫橋向五組共十片拼裝成一個(gè)大節(jié)段,或橫向五片組成一個(gè)小節(jié)段,然后進(jìn)行吊裝。在拱架節(jié)段安裝前,清除拱鉸內(nèi)的雜物,并在拱鉸槽內(nèi)均勻涂抹潤(rùn)滑劑,確保拱鉸在鉸槽內(nèi)能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

拱腳節(jié)段安就位后,為防止拱腳節(jié)段在以后節(jié)段的拼裝過(guò)程中發(fā)生脫鉸,立即采用拱鉸壓板固定拱鉸。根據(jù)計(jì)算拱架安裝預(yù)抬值,逐段拼裝,逐段測(cè)量高程和偏位,直至鋼拱架合攏。

拱架在安裝過(guò)程中,嚴(yán)格控制其安裝高程和拱架軸線,根據(jù)計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn),一次安裝至滿足施工要求,無(wú)需再整體大幅度調(diào)節(jié)拱架高程,在安裝各個(gè)節(jié)段時(shí),通過(guò)調(diào)整節(jié)段兩端可調(diào)節(jié)陰陽(yáng)頭螺栓及臨時(shí)扣索和橫向施工纜風(fēng)索來(lái)控制拱架安裝傾角和平面位置。

為達(dá)到合攏快,拱架合攏處采用螺栓聯(lián)結(jié),拱架合攏采用現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)合攏,即拱架各節(jié)段安裝符合設(shè)計(jì)高程后,現(xiàn)場(chǎng)量取合攏段長(zhǎng)度,再在合攏調(diào)節(jié)節(jié)段的聯(lián)結(jié)鋼板上精確度套孔,確保拱架合攏誤差小、迅速。

(4)臨時(shí)扣索、纜風(fēng)索設(shè)置及拆除

本方案中共設(shè)置14組臨時(shí)扣索,每岸7組,橫橋向兩排,共28道扣索。扣點(diǎn)對(duì)稱設(shè)置,均設(shè)在拱架節(jié)段上弦桿上。在拱架拼裝過(guò)程中順橋向兩個(gè)節(jié)段設(shè)一組臨時(shí)扣索,每組扣索用1-Ф26mm(6×37)鋼絲繩,通過(guò)塔架上的導(dǎo)向滑輪后錨固在岸上錨樁上。在節(jié)段基本就位后立即拉扣索,按計(jì)算的每節(jié)段的扣索索力和安裝高程收緊扣索。

拱架橫向偏位的控制,在每一吊裝節(jié)段安裝就位后,采用拉Ф17.5mm的鋼絲繩作為橫向施工纜風(fēng),且上下游對(duì)稱設(shè)置在拱架上,通過(guò)調(diào)整橫向施工纜風(fēng)的索力來(lái)調(diào)整拱架軸線。

為了拱架在澆筑拱圈時(shí)的整體穩(wěn)定性,在拱架上下游用Ф21.5mm的鋼絲繩分別對(duì)稱設(shè)置4組永久橫向纜風(fēng),道真岸兩組,正安岸兩組,在收緊橫向纜風(fēng)時(shí),邊收緊邊測(cè)量拱軸線的偏位,每組纜風(fēng)上下游同時(shí)收緊,確保拱架橫向偏位在允許偏差范圍內(nèi),每根橫向纜風(fēng)的索力控制在3t左右。因地質(zhì)較好,巖石比較堅(jiān)硬及整體性好,纜風(fēng)索地?cái)n均以巖錨為主。

拱架完全合攏后拆除臨時(shí)扣索。為緩和拱架上下弦桿內(nèi)力的突然增大,拆除前應(yīng)先逐步松馳臨時(shí)扣索的拉力,首先拆除拱頂位置的扣索,再根據(jù)測(cè)量拱架高程的變化,再確定放松哪組扣索,兩岸扣索必須同步放松,且所有的臨時(shí)扣索需要循環(huán)松3～5次,依次循環(huán)放松,直至所有的扣索均已完全松馳。每松一次臨時(shí)扣索后,均要復(fù)測(cè)整個(gè)拱架的高程和平面位置,分析數(shù)據(jù)后再進(jìn)行。松完的扣索從拱頂至拱腳兩岸對(duì)稱逐一拆除。

3.加載試壓

為準(zhǔn)確掌握新型鋼拱架受荷載及溫度等因素影響下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況,確保安全順利地澆筑拱圈,在鋪設(shè)拱圈底模前對(duì)鋼拱架進(jìn)行加載試壓,試壓加載程序按設(shè)計(jì)加載程序相同進(jìn)行。本橋拱圈為單箱三室,混凝土澆筑施工順序如圖1所示:

圖1 拱圈澆筑順序

為確保安全,掌握拱架彈性變形趨勢(shì),方案中加載分三期進(jìn)行,第一期加載重量為底板及1/5肋板總重量的100%,本橋中底板+1/5肋板重量+調(diào)平支架及模板重量+施工荷載+鋼拱架自重的總重量為968.7t,其中底板+1/5肋板重量為620t。第二期加載重量為底板及1/5肋板總重量的10%,達(dá)到總重量的110%;第三期加載重量為底板及1/5肋板總重量的10%,達(dá)到總重量的120%。第一期加載完成后進(jìn)行一晝夜監(jiān)測(cè)。然后進(jìn)行第二期加載,同樣加載全部完成后再進(jìn)行一晝夜監(jiān)測(cè)。第三期亦是如此。在實(shí)際操作過(guò)程中,當(dāng)配重荷載超過(guò)50%已后,為確保安全,進(jìn)行了不間斷連續(xù)觀測(cè),并按每增加荷載的10%,觀測(cè)讀取數(shù)據(jù)一次并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,看數(shù)據(jù)是否和理論計(jì)算吻合。

加載方法為:在拱圈上搭設(shè)鋼管腳手架安裝蓄水斗。蓄水斗用黑層板圍拼,用木板四面加固,在內(nèi)部用薄膜鋪墊。往蓄水斗內(nèi)抽水開始加載,注入的水量為加載總量減去蓄水斗自重和加固蓄水斗支架的重量。加載過(guò)程模擬砼澆筑時(shí)的加載程序進(jìn)行,盡量讓拱架全斷面均布荷載。

加載至120%荷載時(shí)拱架應(yīng)力

拱架加載前后高程觀測(cè)

根據(jù)上述加載試壓后得到的拱架應(yīng)力數(shù)據(jù),可知拱架加載后的最大應(yīng)力[88.62Mp]遠(yuǎn)小于桿件剪切應(yīng)力[120Mp],富余量較大;根據(jù)拱架加載前后高程數(shù)據(jù)及彈性變形量,與監(jiān)控計(jì)算的加載變化及彈性變形量(最大為64mm)很相近,實(shí)際觀測(cè)的拱架橫向偏位,最大變化向上游側(cè)偏移2mm,說(shuō)明該拱架可控性較強(qiáng)。

4.主拱圈砼施工

主拱圈砼澆筑按豎向分環(huán)、縱向分段的方式進(jìn)行,并遵循縱向、橫向?qū)ΨQ、均衡的原則進(jìn)行施工。拱圈豎向分為三環(huán):第1環(huán)為現(xiàn)澆底板和下馬蹄;第2環(huán)為現(xiàn)澆腹板和橫隔板;第3環(huán)為現(xiàn)澆頂板和上馬蹄。實(shí)際施工中分五個(gè)步驟完成:現(xiàn)澆底板和下馬蹄;現(xiàn)澆兩道中腹板和部分橫隔板;現(xiàn)澆兩道邊腹板和部分橫隔板;現(xiàn)澆余下的所有橫隔板;現(xiàn)澆上馬蹄和頂板。當(dāng)?shù)?環(huán)混凝土達(dá)到95%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方可進(jìn)行第2環(huán)混凝土澆筑,第2環(huán)混凝土達(dá)到90%后方可進(jìn)行第3環(huán)混凝土澆筑。

為了使拱架能夠充分全段面的受力。拱圈砼澆筑時(shí)縱向上分為長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)奈宕蠖?分別為拱腳段(兩段)、拱頂段(一段)、中間段(兩段)。在進(jìn)行砼澆筑時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果,對(duì)這五大節(jié)段交替進(jìn)行往返澆筑。其中拱腳段澆筑方向?yàn)閺南峦?拱頂段澆筑方向?yàn)閺墓叭砂锻蟹较驅(qū)ΨQ進(jìn)行,中間段澆筑方向是從L/5分往2L/5位置澆筑。

相同砼澆筑方案在畢節(jié)地區(qū)畢威公路七星關(guān)大橋(2004年10月通車)和金沙縣沙后公路山丈水大橋(2005年3月通車)及金織公路底那河大橋(2007年4月通車)成功實(shí)施。根據(jù)幾次監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示,在澆筑底板混凝土以后(混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上),再澆筑肋板和頂板,拱架的應(yīng)力增長(zhǎng)和標(biāo)高的變化很小,可以認(rèn)為沒(méi)有變化。由此,在本方案中,鋼拱架承受的最大荷載,是用拱圈底板重量來(lái)控制。也即是鋼拱架在砼澆筑過(guò)程中的受力與試壓加載的情形基本相同,加載試壓得出的結(jié)果可以指導(dǎo)施工。

(1)現(xiàn)澆底板和下馬蹄

底板和下馬蹄混凝土的澆筑同時(shí)從兩邊拱腳、L/5及2L/5處對(duì)稱開始, L/5至2L/5處為最后合攏段。所有澆筑順序均為兩岸對(duì)稱?，F(xiàn)澆底板和下馬蹄澆筑順序見下圖2。

本階段最大荷載為:968.7t

底板澆筑完后鋼拱架應(yīng)力

根據(jù)上述拱圈底板砼澆筑后得到的鋼拱架應(yīng)力數(shù)據(jù),可知鋼拱架在實(shí)際砼澆筑時(shí)最大應(yīng)力[83.37Mp]遠(yuǎn)小于桿件剪切應(yīng)力[120Mp];根據(jù)砼澆筑過(guò)程中實(shí)際觀測(cè)的鋼拱架變形,最大為5.6mm,小于試壓時(shí)的最大彈性變形量6.6mm;實(shí)際觀測(cè)的拱架橫向偏位,最大變化向上游側(cè)偏移1mm。

(2)現(xiàn)澆腹板和橫隔板

待底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%以上后,在底板上直接支模現(xiàn)澆拱圈腹板和橫隔板,形成開口箱,截面慣矩增大,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在本階段鋼拱架所受荷載增加很小。中腹板的澆筑順序與底板的澆筑順序基本一致。

(3)現(xiàn)澆頂板

頂板的澆筑順序與腹板的澆筑順序一致。

頂板砼澆筑后,整個(gè)拱完全形成閉口箱,其截面慣矩已足以承受橋上所有設(shè)計(jì)荷載,故本階段鋼拱架所受荷載增量很小。

5.鋼拱架的拆除

在拱圈完全合攏,且混凝土強(qiáng)度達(dá)到95%后,方可進(jìn)行拱架的拆除。利用纜索吊機(jī)和橫纜卷?yè)P(yáng)機(jī)拆除鋼拱架,拆下來(lái)的鋼拱架及時(shí)清除砼等污垢后按構(gòu)件類型堆放。以便下一個(gè)同類型拱橋使用。

四、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試壓及實(shí)際砼澆筑加載所取得的應(yīng)力和測(cè)量數(shù)據(jù),可以得出結(jié)論,該新型鋼拱架使用安全、拼裝便利,且可以反復(fù)使用。利用新型鋼拱架施工主拱圈是三江河大橋的特點(diǎn),應(yīng)用該鋼拱架,在該橋新開便道,地形峻險(xiǎn)等不利環(huán)境條件下,三江河大橋得以提前順利完工。該新型鋼拱架是我公司堅(jiān)持以科研為先導(dǎo),充分發(fā)揮了自身建橋經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)特長(zhǎng),推廣成熟的施工工藝,開發(fā)新技術(shù)、新工藝的成果。該鋼拱架的應(yīng)用,使大跨徑鋼筋砼箱型拱橋關(guān)鍵工序主拱圈施工得到了安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、迅速等保障,值得推廣應(yīng)用。