大跨徑鋼筋混凝土拱橋滿堂支架施工的應(yīng)用研究

收稿日期：2024-01-17

作者簡介：李松（1992—），男，本科，工程師，從事在建高速公路橋梁隧道工程監(jiān)控試驗檢測工作。

摘要 大跨徑鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)滿堂支架施工方法在國內(nèi)較少采用，施工風(fēng)險較大。工程案例在結(jié)合地形基礎(chǔ)上，對支架采取了科學(xué)設(shè)計理念，通過滿堂支架的整體建模分析計算，在理論上驗證支架結(jié)構(gòu)的安全性以及施工可行性，后期進(jìn)行預(yù)壓荷載試驗，進(jìn)一步驗證支架結(jié)構(gòu)安全性和可靠性，可為同類大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)施工提供工程應(yīng)用實例，具有較高的參考價值。

關(guān)鍵詞 大跨徑鋼筋混凝土拱橋；滿堂支架施工；預(yù)壓荷載試驗

中圖分類號 U448.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0141-03

0 引言

21世紀(jì)國內(nèi)山區(qū)修建大量的鋼筋混凝土拱橋，大跨度鋼筋混凝土拱橋的建設(shè)、設(shè)計及建模分析積累較多的經(jīng)驗，滿堂支架施工方法在國內(nèi)較少采用，該文以實際工程為例，在理論上驗證支架結(jié)構(gòu)的安全性以及運用于施工的可行性，并通過預(yù)壓荷載試驗，進(jìn)一步驗證支架結(jié)構(gòu)安全性和可靠性，可為同類高且大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)施工提供工程應(yīng)用實例和參考價值。

1 工程概述

花灘大橋主跨為箱形拱橋，主孔凈跨徑為1×145 m鋼筋混凝土箱拱，凈矢跨比為1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.756，拱上排架均采用三柱式鋼筋混凝土矩形排架，拱箱截面高度為2.4 m、寬度9.5 m單箱雙室截面，大橋施工采用跨河搭設(shè)滿堂支架進(jìn)行混凝土分層澆筑施工。

2 拱橋施工方法簡介

2.1 有支架施工方法

有支架施工[1]指利用木材或鋼材等制作成為拱胎，在上面進(jìn)行主拱圈的澆筑施工，最后完成落架操作。在主拱圈的澆筑過程中，拱架會伴隨承受荷載的不斷增大而發(fā)生變形，甚至?xí)?dǎo)致澆筑部分發(fā)生裂縫，為了確保整個拱架的受力能夠保持均勻，應(yīng)盡可能減小拱架發(fā)生的變形，需采取合理的澆筑方法及澆筑順序。

2.2 纜索吊裝施工方法

纜索吊裝施工[1]是利用纜索吊機(jī)將拱圈節(jié)段完成水平運輸，通過垂直起吊的方式完成安裝并將拱圈合龍。纜索吊裝施工不需要利用支架，是拱橋施工的主要施工方法之一。纜索吊裝施工具有較大的跨越能力，在運輸過程中可以保持較大的靈活性，受地形影響較小，施工方便快捷。

2.3 勁性骨架施工方法

勁性骨架施工[1]是在成形的勁性拱骨架上采取分環(huán)分段的方式進(jìn)行混凝土的澆筑、完成鋼筋混凝土箱板拱的施工，拱圈成形后勁性骨架成為主拱圈的一個重要組成部分。

2.4 轉(zhuǎn)體施工方法

轉(zhuǎn)體施工[1]是一般在高山深谷地帶地形，分別在河流的兩岸進(jìn)行橋梁半跨結(jié)構(gòu)的預(yù)制操作，利用適當(dāng)?shù)呐渲睾屠瓧U進(jìn)行轉(zhuǎn)盤或者滑道的安置，把兩岸已經(jīng)預(yù)制好的橋梁半跨進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，將其合龍成為一個整體的橋梁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體方式分為三種：平轉(zhuǎn)、豎轉(zhuǎn)、平豎結(jié)合。

花灘大橋處于寬闊河灘之上，施工期河床處于枯水期有利于搭設(shè)支架，經(jīng)過綜合比較采用搭設(shè)滿堂支架進(jìn)行混凝土澆筑施工，主拱圈澆筑按底板、腹板、頂板進(jìn)行分層澆筑，分層澆筑利用已澆筑的主拱結(jié)構(gòu)和支架共同參與受力，以保證各階段混凝土澆筑過程中的結(jié)構(gòu)安全。

3 主拱圈滿堂支架設(shè)計

（1）河心部分基礎(chǔ)采用Φ820 mm壁厚14 mm螺旋鋼管樁，I45分配梁工字鋼頂面鋪設(shè)6列貝雷架，貝雷架間距（117.5+117.5+40+117.5+117.5）cm布置，縱向布置采用12 m×7聯(lián)布置，采用高強度橫桿、弦桿、螺栓、螺帽連接；碗扣式支架順橋向間距采用（160×0.9）m布置，橫橋向間距采用0.9×2+0.6+0.9×4+0.6+0.9×4+0.6+0.9×2=

12.6 m布置，水平層距采用1.2 m布置，距底托20 cm以上采用50鋼管布置掃地桿，鋼管與碗扣式支架立桿根根連接，按每3.6 m布置一層水平剪刀撐，支架外立面每3.6 m高布置剪刀撐，支架內(nèi)用50鋼管布置立體斜撐，鋼管與碗扣件連接的地方全部鉸接固定。

（2）斜桿布置在框架節(jié)點上，縱向水平剪刀撐每4層碗口架布設(shè)一層連續(xù)閉合的水平剪刀撐，水平剪刀撐的間距不超過3.6 m，支架最底部立桿設(shè)置閉合水平掃地桿，頂部沿曲面每隔2.7 m（4根立桿）設(shè)置一道沿高度方向的45 °的斜桿（同一拱應(yīng)該在3個腹板位置設(shè)置），斜桿用雙轉(zhuǎn)扣或三轉(zhuǎn)扣連接，連續(xù)布置至支架底部，斜向支撐在鋼平臺工字鋼或者硬化的地面上。

（3）所有斜桿、掃地桿、斜撐（水平剪刀撐）必須與每一個立桿節(jié)點固定好，碗扣式支架立桿高度最長為3 m，相鄰兩根立桿之間用3.0 m和1.8 m兩種長度銜接，避免所有立桿接頭處于同一層高度內(nèi)。支架搭設(shè)完成以后，在支架外側(cè)搭設(shè)1.2 m高的攔腰桿，外側(cè)面掛安全防護(hù)網(wǎng)。

（4）該方案支架寬度12.6 m，現(xiàn)澆主拱圈寬度

9.5 m，兩側(cè)留有1.5 m的人行通道，人行通道用舊模板鋪地，并用木條每間隔50～70 cm橫向固定在底模上，在鋪地模板下方2.4 m處設(shè)置一道順橋向、水平布設(shè)的安全防墜網(wǎng)。

滿堂支架拱架縱斷面及平面圖見圖1。

4 主拱圈滿堂支架有限元分析計算

4.1 計算假定

（1）滿堂支架鋼管立柱支撐按支座進(jìn)行模擬，橫桿、水平桿節(jié)點采用固結(jié)處理，拱圈澆筑荷載采用分層澆筑，第一層主拱圈混凝土為澆筑拱圈底板、下倒角，第二層主拱圈混凝土為澆筑拱圈腹板至上倒角位置及橫隔板，第三層主拱圈混凝土為澆筑拱圈頂板、上倒角，每層主拱圈混凝土澆筑應(yīng)分段、對稱澆筑，確保拱架受力均勻，應(yīng)力分布合理。

（2）主拱圈第一層混凝土重量完全由拱架自身承擔(dān)，第二層混凝土重量由拱架和拱圈底板共同承擔(dān)，拱圈底板參與受力，第三層混凝土重量由拱架和拱圈底板、腹板共同承擔(dān)，拱圈底板、腹板參與受力。

（3）拱圈底面與拱架之間用受壓單元來模擬其荷載的豎向傳遞，拱圈底板與拱架不形成組合截面；滿堂支架腳手架僅模擬豎桿、橫桿、水平桿，未模擬斜撐，模擬計算結(jié)果更偏為保守。

（4）拱圈混凝土容重按2.6 t/m3計，模板、墊方、施工荷載按11.38 kN/m線荷載考慮。

4.2 滿堂支架結(jié)構(gòu)有限元分析模型

4.2.1 滿堂支架結(jié)構(gòu)計算

采用空間有限元軟件Midsa Civil軟件進(jìn)行建模計算，計算模型共158 673個單元、57 672個節(jié)點，鋼材的彈模采用2.1×105 MPa，鋼材的線膨脹系數(shù)采用1.2×10?5，拱圈混凝土容重按26 kN/m3計，模型計算簡圖見圖2。

圖2 花灘大橋滿堂支架計算模型簡圖

4.2.2 計算荷載

包括腳手架自重、墊方、分配量、模板重及施工荷載165 t（全橋均布）、第一層主拱圈底板下倒角混凝土重量、第二層主拱圈腹板、隔板混凝土重量。

4.2.3 計算工況

工況1：腳手架自重+墊方及模板荷載165 t；工況2：腳手架自重+墊方及模板荷載165 t+主拱圈第一層混凝土；工況3：拱架自重+墊方及模板自重165 t+主拱圈第一層混凝土+主拱圈第二層混凝土（主拱圈底板不參與受力）。

4.2.4 計算結(jié)果

有限元分析計算結(jié)果見表1。

表1 滿堂支架腳手架應(yīng)力及變形計算結(jié)果

桿件 工況1 工況2 工況3

桿件最大應(yīng)力/MPa ?6.44 ?50.11 ?64.06

桿件最小應(yīng)力/MPa 2.19 39.86 50.82

支架最大位移/mm ?0.5 ?4.1 ?5.1

注：應(yīng)力受壓為‘?，受拉為‘+，變形向下為‘?，向上為‘+。

4.2.5 穩(wěn)定性分析計算

工況1：腳手架自重+墊方及模板荷載165 t+主拱圈第一層混凝土，一階安全穩(wěn)定系數(shù)為3.16。

工況2：拱架自重+墊方及模板自重165 t+主拱圈第一層混凝土+主拱圈第一層混凝土+主拱圈第二層混凝土，一階安全穩(wěn)定系數(shù)為2.48。

4.2.6 貝雷桁架分析計算

貝雷架取拱頂區(qū)域位置下的三跨貝雷桁架進(jìn)行單獨模擬，拱圈澆筑、模板荷載以線荷載形式作用到貝雷弦桿上，取單片梁進(jìn)行計算，外腹板主拱圈對應(yīng)的下的貝雷梁，主拱圈考慮一次澆筑腹板上倒角位置，計算主拱圈和橫隔板作用到單片貝雷梁上混凝土線荷載為15.86 kN/m，腳手架、分配梁作用到單片貝雷梁上線荷載為4.3 kN/m。

4.2.7 變形計算結(jié)果

底板澆筑階段，貝雷梁跨中最大撓度變形為?7.3 mm，腹板澆筑階段，貝雷梁跨中最大撓度變形為?9.3 mm；結(jié)合滿堂支架在澆筑階段產(chǎn)生的最大變形?5.1 mm，該橋主拱圈滿堂支架最大撓度變形為?14.4 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

5 預(yù)壓荷載試驗

（1）預(yù)壓目的：檢驗支架及地基的強度及穩(wěn)定性，消除支架的非彈性變形、地基沉降變形，測量出支架的彈性變形用以指導(dǎo)施工。

（2）預(yù)壓范圍：對滿堂支架范圍進(jìn)行預(yù)壓，支架搭設(shè)完成后利用頂托調(diào)平，鋪設(shè)方木及底模，砂袋吊裝至底模上面。

（3）預(yù)壓方式：拱形箱形梁是圓弧式，采用左右、前后對稱預(yù)壓。在搭設(shè)支架時以拱圈中軸線對稱搭設(shè)階梯式平臺放置噸袋，共計11個平臺，每個平臺寬度為10.8 m，每半跨預(yù)搭設(shè)5個平臺，圓弧頂搭設(shè)36 m寬平臺放置噸袋，噸袋放置完畢后，用雨布覆蓋噸袋上口，設(shè)置一定的坡度，避免沙袋內(nèi)的砂石吸水造成超重；采用砂袋按分主拱圈自重60%、80%、110%三級荷載進(jìn)行預(yù)壓[2]，箱拱平均荷載為21 kN/m2，加載順序應(yīng)完全與混凝土澆筑的順序一樣，左右、前后均應(yīng)對稱加載。

（4）預(yù)壓觀測：對靠近墩邊1 m中心及其左右側(cè)布3個點進(jìn)行變形測量，其余采用間隔5 m布置一個橫斷面，每橫斷面3個點，在預(yù)壓前測量底模標(biāo)高1次，預(yù)壓過程中每隔2 h測量1次，沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為各監(jiān)測點24 h的沉降量平均值小于1 mm[2]，荷載卸載后觀測底模標(biāo)高1次，計算支架的彈性變形及地基的下沉量。

（5）預(yù)壓荷載試驗過程中應(yīng)進(jìn)行精確測量，可測出梁段荷載作用下支架將產(chǎn)生的彈性變形值及地基下沉值，將彈性變形值、地基下沉值與設(shè)計預(yù)拱度疊加，計算出施工中應(yīng)當(dāng)采用的預(yù)拱度，并按修正后的預(yù)拱度調(diào)整底模標(biāo)高。

（6）預(yù)壓試驗結(jié)果：主拱圈滿堂支架預(yù)壓試驗，實測彈性變形大部分在5～19 mm之間，彈性變形均值在15 mm左右，非彈性變形在0～11 mm之間，預(yù)壓試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明滿堂支架剛度及穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

（1）通過大跨徑鋼筋混凝土拱橋施工方法說明和比選，結(jié)合該橋施工平面位置及地形情況，選擇利用鋼管腳手架搭設(shè)滿堂支架作為拱架進(jìn)行混凝土澆筑施工是科學(xué)合理的選擇。

（2）通過主拱圈滿堂支架整體有限元分析計算，主拱圈滿堂支架最大撓度變形為?14.4 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

（3）通過整體建模進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算，在底板澆筑階段，一階安全穩(wěn)定系數(shù)為3.16，考慮底板、腹板一次性澆筑，一階安全穩(wěn)定系數(shù)為2.48，底板、腹板、頂板分次分層進(jìn)行澆筑可以保證施工過程中結(jié)構(gòu)安全可靠。

（4）通過實際預(yù)壓荷載試驗，表明支架剛度、強度及穩(wěn)定性滿足施工要求，支架結(jié)構(gòu)安全可靠，也驗證平臺逐步堆載試驗方式的可行性。

（5）該橋主拱圈為單跨145 m鋼筋混凝土拱橋，對于此種大跨結(jié)構(gòu)，一般采用纜索吊裝施工方法居多，該工程案例在結(jié)合地形基礎(chǔ)上，對支架采取了科學(xué)設(shè)計理念，在順橋向及橫橋向加強剪刀撐的設(shè)置；通過對設(shè)計滿堂支架的整體建模分析計算，在理論上驗證支架結(jié)構(gòu)的安全性以及運用于施工的可行性，通過預(yù)壓荷載試驗，進(jìn)一步驗證支架結(jié)構(gòu)安全性和可靠性，可為同類高且大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)施工提供工程應(yīng)用實例，具有較高的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范： JTG/T F50—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程： JGJ/T 194—2009[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2009.