自錨式鋼筋混凝土拱橋飛燕式半拱圈施工方案研究

◎ 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 李大康

1.工程概況

滬杭鐵路客運專線在浙江省嘉善縣內(nèi)橫跨滬杭高速公路，該段線路均為橋梁結(jié)構(gòu)，跨滬杭高速公路的主橋設(shè)計為（88+160+88）m自錨上承式鋼筋混凝土拱橋，拱軸線采用二次拋物線，拱軸線方程為y=4f(L-x)x/L2，凈矢高f=25.5m，矢跨比為1/6，主拱圈截面采用單箱單室箱形變截面形式，寬7.5m不變，自拱腳向拱頂截面高度由6m變?yōu)?m，頂、底板及腹板厚度均采用60cm，拱腳處局部加厚。拱上為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，計算跨度（20+22+22+20）m，拱上立柱均采用矩形實體截面，拱圈在立柱對應(yīng)區(qū)域設(shè)置橫隔板。該拱橋效果圖見圖1。

圖1 滬杭客?？鐪几咚俟纷藻^式鋼筋混凝土拱橋

另外，主墩承臺底距離地面有10m的高差，距離高速公路路面有16m的高差，因此施工承臺、轉(zhuǎn)盤、拱座則需要在基坑內(nèi)進行，為保證公路的安全和根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件將基坑圍堰設(shè)計為混凝土沉井圍堰。

2.總體施工方法

為不影響滬杭高速公路繁忙的交通運輸，主橋采用單邊飛燕式拱圈現(xiàn)澆施工，經(jīng)過轉(zhuǎn)體后在跨中進行合龍，單邊的轉(zhuǎn)體重量約1.68萬噸。公路兩旁的施工現(xiàn)場均為流塑狀淤泥質(zhì)粘土地質(zhì)，承載力極差。對于拱圈及其以上結(jié)構(gòu)部分的施工定為支架現(xiàn)澆法，為了較好的分散載荷和控制軟土地基沉降，設(shè)計方案采用滿堂支架現(xiàn)澆，支架采用碗扣桿件。該支架施工方法需要解決三個重要問題，一是經(jīng)過處理的地基其承載力必須滿足混凝土荷載及支架自重荷載的需要，二是碗扣支架必須能夠保證半拱圈混凝土澆筑時的穩(wěn)定，三是軟土地基的沉降需準確計算以保證合龍的精度和橋面標高。

3.支架設(shè)計

整個支架體系設(shè)計中，由于承臺施工區(qū)域為混凝土沉井圍堰基坑支護，不能進行碗扣支架施工，因此圍堰區(qū)域的拱圈部分采用型鋼焊接鋼架作為現(xiàn)澆支架，鋼架支點分別位于承臺和圍堰頂端，圍堰以外部分全部采用碗扣支架施工，碗扣支架的縱向和橫向間距根據(jù)拱圈的截面進行調(diào)整，飛燕式半拱圈現(xiàn)澆支架整體布置見圖2。

圖2 現(xiàn)澆支架整體布置

3.1 拱腳鋼架

拱腳共布置6組鋼架，每組鋼架由兩片桁架組成，桁架上下弦桿采用[20槽鋼，立桿和斜桿采用[10槽鋼，節(jié)間2.4m，每個節(jié)間分段焊接，考慮鋼架變形以及拱肋曲線的影響，桁架上下弦桿間接沿拱圈方向變化，確?，F(xiàn)澆過程中拱圈的線性，每組兩片桁架間距分0.5m和0.65m兩種。

3.2 拱圈支架

碗扣支架的縱橫向間距根據(jù)拱圈混凝土載荷的分布來考慮，總體有五種分布形式，分別為0.3×0.3m，0.3×0.6m，0.3×0.9m，0.6×0.6m，0.6×0.9m。

從混凝土沉井圍堰外向拱頂方向單邊的48m范圍內(nèi)碗扣支架順橋向間距是0.3m，拱圈腹板以及橫隔板區(qū)域支架布置為0.3×0.3m，純底板區(qū)域則為0.3×0.6m，拱上連續(xù)梁翼緣板區(qū)域為0.3×0.6m和0.3×0.9m。而48m外至拱頂?shù)钠渌鼌^(qū)域碗扣支架順橋向間距是0.6m，拱圈腹板以及橫隔板區(qū)域支架布置為0.6×0.3m，純底板區(qū)域為0.6×0.6m，拱上連續(xù)梁翼緣板區(qū)域為0.6×0.3m和0.6×0.9m。碗扣支架的橫橋向布置見圖3-1、3-2，橫斷面剪刀撐按規(guī)范構(gòu)造要求設(shè)置，縱向剪刀撐朝向拱圈方向間距1.5m一道,而背向拱圈方向間距則是2.1m一道。

圖3-1 拱圈空腹區(qū)域支架布置

圖3-2 拱圈隔板區(qū)域支架布置

3.3 拱上連續(xù)梁支架

拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆支架采用鋼管貝雷梁膺架體系，底板區(qū)域共設(shè)16片貝雷梁，間距是0.45m，在跨中設(shè)立鋼管臨時支墩；翼緣板區(qū)域采用碗扣支架(從地面支立起來)，布置形式如3.2中所述。對于變截面梁段，通過在貝雷梁上豎立碗扣支架來調(diào)節(jié)高度，以滿足其設(shè)計線形。

4.支架檢算

4.1 工況說明

對于整個現(xiàn)澆支架體系，設(shè)計時根據(jù)整個拱圈及上部結(jié)構(gòu)情況，對整個支架的所有受力部分進行了強度、剛度檢算，本文重點就半拱圈支架和地基處理部分進行說明。施工過程中，拱圈采取分段現(xiàn)澆施工，每段拱圈再按底板、腹板、頂板分三次澆筑，支架受力檢算根據(jù)施工過程進行。

4.2 拱圈現(xiàn)澆支架豎向受力分析

支架所受載荷有自重、混凝土、模板體系、施工載荷等。設(shè)計過程行簡化處理，計算載荷只統(tǒng)計混凝自重，其它載荷按混凝土自重0.3倍計算（實際情況要小于0.3）。依據(jù)拱圈載荷分布以及碗扣支架的分布形式，支架豎向受力主要分7個區(qū)域(見圖2斷面劃分)進行計算，如表1中所示A-G。單根碗扣承受載荷為其面積范圍內(nèi)所對應(yīng)混凝土重量。

表1 拱圈現(xiàn)澆支架受力

4.3 支架穩(wěn)定性分析

4.3.1 方案選擇

由于半拱圈長度達到80m多，為防止拱圈開裂，將其進行分段澆筑，每段長度一般不大于25m，拱圈澆筑的分段如圖4所示。由于碗扣支架不能承受水平荷載，那么在澆筑半拱圈時就要仔細分析混凝土澆筑過程中碗扣支架的受力，以防止其因為承受了水平力而失去穩(wěn)定性，根據(jù)多種方案的對比，現(xiàn)場采用可按任意順序澆筑各節(jié)段而各節(jié)段能自平衡于碗扣支架上。

圖4 拱圈澆筑分段圖

4.3.2 模型概述

為了盡可能滿足施工工期，在澆筑拱圈時，只要支架模板等有安裝準備好的節(jié)段部分就可以先行澆筑混凝土，因此不存在必須從上到下或者從下到上的澆筑順序，如果這樣，那么就必須保證每個節(jié)段單獨澆筑的安全可靠性，且碗扣支架能夠承受混凝土荷載。

為了保證混凝土澆筑時不會對碗扣支架產(chǎn)生水平荷載，也就是不會存在整個體系的相對滑動，設(shè)計時考慮了如下方案來保證澆筑混凝土的可靠性。

方案大致是：將拱圈的下部端模板和拱圈的底模板進行對拉，澆筑混凝土的順序則是先澆筑底板，待其強度達到設(shè)計要求后再行澆筑拱圈的腹板和頂板部分。這樣處理的結(jié)果就是將混凝土、模板、橫向方木組成了一個統(tǒng)一的整體，這個整體對碗扣支架的效應(yīng)就是豎向荷載的傳遞，如圖5所示：

圖5 模板混凝土一體化處理

這種澆筑方案不需要在節(jié)段之間連接勁性骨架，待每段澆筑成型后再澆筑合龍段即可。在現(xiàn)場實施中就是采用這個方案，獲得了很好的效果，安全可靠的澆筑完整個拱圈。

4.4 拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆對支架受力影響

當拱肋現(xiàn)澆完畢后，通過在拱頂左右半幅拱圈之間安裝臨時拉索，然后澆注拱上連續(xù)梁。張拉臨時索并支架卸載后拱圈成為自錨體系。拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆主要產(chǎn)生豎向載荷，由于拱圈的剛度很大，為研究拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆對支架的作用，計算時通過建立拱圈有限元模型，拱圈混凝土采用實體單元模擬，碗扣支架采用梁單元模擬，拱頂連續(xù)梁自重以載荷的形式加載在立柱以及鋼管立柱對應(yīng)位置。通過計算得到，每個區(qū)域內(nèi)碗扣支架最終載荷。

碗扣支架最終受力 表2

計算結(jié)果可以得到，由于已成形拱圈剛度很大，拱上連續(xù)梁在現(xiàn)澆過程中會較為均布的分布在底部碗扣支架上，不會形成較大的局部應(yīng)力分布，對支架的受力有利。

5.地基處理

5.1 處理形式

整個飛燕式半拱圈結(jié)構(gòu)采取碗扣支架現(xiàn)澆，整體載荷分布較為均勻，由于地質(zhì)條件較差，經(jīng)過多種地基處理方式比選后確定采取CFG法。CFG樁的布置與碗扣支架布置相類似，順橋向間距均為1.6m，橫橋向分1.6m和2.4m兩種間距，1.6m間距為拱肋腹板和橫隔板區(qū)域，2.4m間距主要為純底板區(qū)域。基礎(chǔ)為L×B=62×10m矩形,褥墊層厚度300mm,地基板厚度50cm，CFG樁長14m，直徑0.5m。

5.2 地基承載力及沉降計算

經(jīng)過計算，單邊拱圈作用在支架上的荷載為G1=4681t，支架及模板考慮G2=2000t。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》可得：

fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa），

Ra 為單樁豎向承載力，

m為面積置換率，

Ap為樁的截面積，

為樁間土承載力折減系數(shù)取0.70，

fsk取天然地基承載力特征值100kPa，

up為樁的周長，

qsi、qp為土層樁周側(cè)阻力和樁端端阻力特征值(kPa)，

s1、s2為樁間距。

根據(jù)所取參數(shù)分布計算間距1.6×1.6m和1.6×2.4m兩種分布情況下的復(fù)合地基承載力特征值為286.53KPa和214.35KPa。根據(jù)前面計算：

拱肋和橫隔板區(qū)域所需最大承載力

頂?shù)装鍏^(qū)域所需要的最大地基承載力，

承載力滿足要求。

6.小結(jié)

對于該飛燕式半拱圈在軟土地基上現(xiàn)澆支架的設(shè)計需要注意以下幾點：

(1) 臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算必須仔細分析結(jié)構(gòu)在載荷工況，計算工況應(yīng)直接模擬施工過程，計算模型盡量接近實際情況。

(2) 在軟土地基上采用碗扣支架進行拱圈澆注，可以較好的分散載荷作用，控制地基沉降，滿足承載力需要。由于碗扣支架不能承受水平力作用，支架設(shè)計時必須認真考慮澆筑拱圈混凝土過程中支架的受力情況，合理處理各細部連接構(gòu)造情況。

(3) 施工預(yù)拱度必須嚴格控制，因此就必須準確計算出軟土地基在大荷載作用下的沉降，并充分考慮淤泥質(zhì)地基排水固結(jié)過程的沉降情況，另外還應(yīng)充分考慮支架非彈性變形的影響，必要時進行加載試驗取得經(jīng)驗數(shù)據(jù)，然后對立模標高進行修正，才能保證結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計要求。

該拱橋已于2010年5月轉(zhuǎn)體成功，并于10月份建成通車。整個現(xiàn)澆支架經(jīng)受住了實踐的考驗，在本橋施工過程中進行了有效的施工控制和監(jiān)測，其合龍線形達到設(shè)計要求，同時對整個支架的應(yīng)力也進行了同步監(jiān)測，實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合良好，表明本支架設(shè)計是合理的。