復(fù)合型上承式拱橋混凝土拱圈的澆注及變形控制

□文/付殿文

復(fù)合型上承式拱橋混凝土拱圈的澆注及變形控制

□文/付殿文

混凝土拱圈的澆注及其收縮變形控制問(wèn)題是復(fù)合型上承式拱橋的施工控制的關(guān)鍵。文章以某復(fù)合型上承式拱橋工程為背景，通過(guò)施工過(guò)程中優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、合理劃分拱圈施工段、確定合攏順序以及施工過(guò)程中對(duì)線形及混凝土澆注等加強(qiáng)控制，確保了復(fù)合型上承式拱橋的施工安全和工程質(zhì)量。

復(fù)合型上承式拱橋；混凝土拱圈；變形控制

工程概況

該橋主橋與現(xiàn)狀河斜交角度為80°，主橋全長(zhǎng)為181 m，跨徑組合為48 m+85 m+48 m。橋梁全寬為69 m，分為四幅橋，兩側(cè)輔道橋各寬16.75 m，中間上下行主線橋各寬16.25 m，上下行主橋之間設(shè)置3 m的分隔帶。輔道橋與主線橋懸臂之間進(jìn)行連接。邊跨梁為一端簡(jiǎn)支一端固結(jié)的拱型梁，中間主跨為空腹式箱拱，在主墩頂設(shè)置腹拱。拱上建筑為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。為平衡主跨拱腳的不平衡水平推力，除在主墩位處布置了大型的群樁基礎(chǔ)及調(diào)整主墩的偏心位置外，還在上部橋面梁中設(shè)置了高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲系桿，系桿慣穿全橋，兩端錨固在邊跨梁的端橫梁處。主橋跨越現(xiàn)狀河流，主跨跨徑為85 m，矢高為11 m，矢跨比為1∶7.727。主跨拱肋采用四次拋物線為參考拱軸線，立面為變截面箱形拱，拱角處截面高度為2.4 m，拱頂處截面高度為1.2 m。主跨拱肋為單箱四室箱形截面，全寬12.75 m。邊跨跨徑為48 m，靠近主墩位置30 m范圍內(nèi)與主跨拱圈結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，靠近邊墩18 m橋面范圍內(nèi)采用變高度(1.75～2.917 m)的箱形截面梁，箱形梁懸臂為2 m(或1.75 m)，箱形梁底面寬度與拱圈寬度一致為12.75 m。腹拱跨徑為20 m，矢高為6 m，矢跨比為1∶3.333。立面為單箱四室等截面箱形拱，截面高度為1.1 m，寬度為12.75 m。拱上鋼筋混凝土連續(xù)梁高1.2 m，采用單箱四室截面，懸臂為2 m(或1.75 m)，箱梁底寬為12.75 m?？鐝讲贾眉案鞫伍L(zhǎng)度見(jiàn)圖1。

澆注方案

混凝土配合比

拱圈是一種變坡結(jié)構(gòu)，不同的部位坡度不一樣，對(duì)混凝土的要求也不同，拱頂坡度較緩部位，即腹拱腳2 m以上部位，坡度＜20°，依靠混凝土自身凝結(jié)力克服混凝土下滑，要求混凝土坍落度和擴(kuò)散度小，坍落度控制在0.12～0.14 m，擴(kuò)散度＜0.3 m；其下部位混凝土坍落度控制在0.16～0.18 m，擴(kuò)散度控制在0.35～0.45 m。和其他異型結(jié)構(gòu)一樣，其必須通過(guò)優(yōu)化主拱混凝土配合比，減小主拱混凝土收縮量和干縮量，以此滿足施工坍落度和擴(kuò)散度要求。

模板

拱橋?yàn)?次拋物線變截面薄壁箱形拱，不同的部位曲率不同，不能使用定型模板，只能使用木模拼裝，模板質(zhì)量不僅影響混凝土外觀還關(guān)系到拱圈結(jié)構(gòu)安全，模板剛度和穩(wěn)定性不足會(huì)造成結(jié)構(gòu)變形或開(kāi)裂，必須對(duì)模板進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

當(dāng)箱拱采用兩次澆注成型時(shí)，混凝土對(duì)模板壓力就小得多，由于頂模是敞開(kāi)的，混凝土對(duì)底模產(chǎn)生的壓力不會(huì)大于腹板混凝土靜止高度所產(chǎn)生的壓力。底模僅驗(yàn)算主拱混凝土施工時(shí)，模板能否滿足主拱混凝土施工要求。主拱分5段施工，邊拱分兩段施工，拱段最大高差6.0 m，截面最大垂直高度2.8 m，混凝土自下緩慢向上澆注，當(dāng)混凝土澆注上部時(shí)下部已初凝，混凝土靜止高度不超過(guò)腹板垂直高度2.8 m。

混凝土收縮變形計(jì)算方法

混凝土拱結(jié)構(gòu)收縮變形分析

混凝土收縮變形過(guò)程是緩慢而規(guī)律的，把握混凝土收縮變形規(guī)律能夠在保證質(zhì)量的前提下有效壓縮施工周期，混凝土的收縮變形前期較快，隨著時(shí)間的推移迅速變緩，不同配合比混凝土收縮量不同，但收縮變形規(guī)律基本相同。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)主拱使用最多的配合比(即強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土配合比：水泥∶砂∶石∶水∶外加劑=500∶720∶1 050∶170∶11.9)由試驗(yàn)測(cè)定的混凝土各階段收縮變形變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

混凝土的極限拉應(yīng)變

混凝土極限拉應(yīng)變是鑒定混凝土抗裂性的重要指標(biāo)?；炷恋臉O限拉伸與配筋有關(guān)，大量工程實(shí)踐表明，合理的配筋可以提高混凝土的抗裂性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面受到不穩(wěn)定溫差和收縮變形的作用，產(chǎn)生自約束應(yīng)力，常引起混凝土的表面裂縫，構(gòu)造鋼筋在混凝土面層中起了強(qiáng)化作用，配筋后的混凝土極限拉伸應(yīng)變可采用齊斯克列里經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：εpa——配筋后的混凝土極限拉伸應(yīng)變；

Rf——混凝土抗裂設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；

p——配筋率；

d——鋼筋的直徑，cm。

混凝土短期加載時(shí)的極限拉伸應(yīng)變約為60～100，長(zhǎng)期加載的極限拉伸應(yīng)變約為120～200，根據(jù)式(1)，考慮配筋的影響，混凝土的極限拉伸應(yīng)變?nèi)≈禐棣舙a=0.5×1.89×(1+4/3.2)×10-4=213。

由于混凝土本身具有不均勻性且施工中的環(huán)境因素和施工條件對(duì)混凝土的抗裂性能有很大的影響，偏于安全考慮，本文采用εpa=180作為混凝土開(kāi)裂的控制標(biāo)準(zhǔn)。

防止主拱開(kāi)裂的預(yù)案及拱圈的澆注

防止主拱開(kāi)裂預(yù)案

控制拱橋開(kāi)裂是道難題。這是因?yàn)榇蟛糠止皹蚴浅o定結(jié)構(gòu)，拱橋變形受到約束，不能變化自如，從而產(chǎn)生裂縫。施工期間拱圈位于大曲率支架上且支架在系桿張拉之前不能拆除。拱圈膨脹升起不宜受到限制，即使受到限制也處于受壓狀態(tài)，不會(huì)造成拱圈混凝土開(kāi)裂；而當(dāng)拱圈發(fā)生收縮變形下降時(shí)，由于受到拱腳和支架約束，拱圈混凝土則會(huì)被拉裂。

另外混凝土收縮變形也是造成主拱開(kāi)裂的主要原因。其主要表現(xiàn)形式為：

（1）澆注初期(終凝前)的凝縮變形；

（2）水泥水化熱引起的熱脹冷縮變形；

（3）硬化過(guò)程中的干縮變形；

（4）由凝膠材料的水化作用引起的自身收縮變形；

（5）環(huán)境溫度下降引起的冷縮變形。

其中凝縮變形通常在混凝土表面形成龜裂，是由于水分蒸發(fā)速度超過(guò)了泌水速度表面的混凝土失水而開(kāi)裂，通過(guò)及時(shí)苫蓋和二次收面很容易得到控制；熱脹冷縮在大體積混凝土中比較突出，而在薄壁箱形結(jié)構(gòu)中熱量很快散失，熱脹冷縮很快結(jié)束；收縮和干縮進(jìn)展緩慢，主拱合龍必須考慮這一因素，因?yàn)橹鞴昂淆埡蠡炷恋氖湛s和干縮還在進(jìn)行。

針對(duì)以上因素，施工中首先將主拱混凝土進(jìn)行分段施工，以減小混凝土連續(xù)澆注長(zhǎng)度，從而分解混凝土收縮量、增大拱段剛度，避免支架不均勻沉降而造成主拱拉裂；其次合理安排工序，保證各拱段混凝土有一定的齡期，以便能完成前期較大的混凝土收縮量；優(yōu)化合龍段混凝土配合比，減小混凝土收縮量，保證后澆段混凝土有足夠膨脹率并能維持相應(yīng)的時(shí)間；加快施工進(jìn)度盡快實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化，減少主拱合龍后上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)間，避免主拱帶支架過(guò)冬。

拱圈施工變形控制

（1）劃分拱圈施工段。拱圈施工段劃分原則為主拱對(duì)稱、邊拱與主拱對(duì)稱；支架高度變化大拱段短，支架高度變化小拱段長(zhǎng)?？s短拱段長(zhǎng)度可提高剛度，有利于提高抵抗支架不均勻變形能力并可以縮短施工周期保證質(zhì)量；加大拱段長(zhǎng)度可以加快施工進(jìn)度。主拱劃分為9段，其中 4段為 2 m后澆段；邊拱 4段，含 2個(gè)2 m后澆段。

（2）確定各工段施工順序。拱橋主橋橋梁凈寬66 m，劃分為 FDI(輔道 I)、ZX(主線下行)、ZS(主線上行)、FDII(輔道II)四幅，其結(jié)構(gòu)基本相同。由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，所有工程材料設(shè)備必須從兩側(cè)棧橋運(yùn)輸、吊裝，所以只能先施工主線 (ZX、ZS)后施工輔道(FDI、FDII)。為了加快施工進(jìn)度兩幅主橋和兩輔道同時(shí)施工，以便有必要的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。每幅主拱混凝土澆注自兩拱腳對(duì)稱澆注且優(yōu)先完成主拱。

（3）確定主拱合龍時(shí)間。主拱合龍前混凝土是分段澆注的，各拱段受到的約束力主要是混凝土內(nèi)的鋼筋和模板，這兩者不至于拉裂混凝土；主拱合龍后混凝土受到主墩的剛性約束，混凝土收縮變形產(chǎn)生較大拉力足以拉裂混凝土。而當(dāng)主拱完成落架后，混凝土?xí)墒芾瓲顟B(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，即使發(fā)生收縮變形也不會(huì)開(kāi)裂。主拱合龍后上部結(jié)構(gòu)施工需3個(gè)月時(shí)間，這期間處于支架上的混凝土發(fā)生收縮變形是造成主拱開(kāi)裂的主要原因，時(shí)間越靠后收縮量越小，主拱越不易開(kāi)裂。但因工期要求，在保證主拱不開(kāi)裂的情況下，主拱合龍時(shí)間應(yīng)盡量提前。通過(guò)主拱混凝土開(kāi)裂模擬計(jì)算，在最后一段混凝土澆注完成40 d后澆注合龍段混凝土，隨后混凝土發(fā)生的90 d收縮量不會(huì)造成主拱開(kāi)裂，出于安全考慮，決定在最后一段混凝土澆注完成45 d后合龍主拱。模擬計(jì)算時(shí)不計(jì)合龍段混凝土收縮量，合龍段使用無(wú)收縮變形混凝土。

（4）確定合龍段混凝土主拱合龍時(shí)澆注最晚的拱段混凝土凝期為45 d，拱段混凝土收縮量已完成50%以上，收縮變形速度已十分緩慢。合龍段混凝土為新澆注混凝土，應(yīng)具有一定的膨脹性能，用以補(bǔ)償上部結(jié)構(gòu)施工期間主拱混凝土的收縮變形，至少應(yīng)不增加收縮量。

（5）線形控制。由于受到橋梁橫坡和豎曲線以及斜交影響，每幅拱都是空間曲線且拱截面為變截面。為保證拱肋外形精確定位，充分利用AUTOCAD軟件功能，進(jìn)行三維拱肋模型的模擬，根據(jù)需要實(shí)時(shí)讀取坐標(biāo)。所有拱底模均使用木模，底模曲線由支架高度調(diào)整。

（6）鋼筋制作與綁扎。拱圈設(shè)計(jì)均為普通鋼筋混凝土，腹拱為等截面箱形拱，鋼筋直徑小，鋼筋制作、綁扎困難不大；主拱、邊拱為變截面箱形拱，由于截面高度變化較緩，腹板箍筋較密，相鄰箍筋高差很小，將箍筋分組制作，每組高差15 mm，每組3～5個(gè)箍筋。

（7）混凝土澆注。箱拱不同于箱梁，不同部位、不同坡度施工方法不同。10°～20°箱拱部位首先將混凝土坍落度調(diào)整到140 mm以下，澆注混凝土?xí)r應(yīng)先澆注底板，后澆注腹板，在澆注完腹板后，鑿毛、支立頂板內(nèi)膜再澆注頂板，20°～40°部位箱拱底板、頂板都需要壓模，采用壓模法澆注混凝土?xí)r混凝土坍落度應(yīng)適當(dāng)放大，坍落度控制在160～200 mm，擴(kuò)散度控制在400～450 mm。40°以上部位采用整體一次澆注，一次支模高度不超過(guò)3 m，濕接縫較短采用10°～20°部位整體澆注技術(shù)，濕接頭采用膨脹混凝土。

結(jié)論

通過(guò)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，主拱圈的澆注在很大程度上降低了混凝土開(kāi)裂的可能性。成橋后，通過(guò)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的允許值，達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)效果，從而確保復(fù)合型上承式拱橋的施工安全和工程質(zhì)量。

U448.34

C

1008-3197（2010）06-43-03

2010-08-18

付殿文/男，1975年出生，工程師，天津城投建設(shè)有限公司，從事市政工程施工管理工作。