連續(xù)拱橋主拱圈單跨施工橋墩抗推體系研究

田小路

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京市 100000)

連續(xù)拱橋作為一種造型美觀的橋梁形式，易與周邊景觀相協(xié)調(diào)，是城市橋梁最常用的橋型之一。多跨連續(xù)拱橋建設(shè)中，多跨同時(shí)施工往往存在一次投資較大、材料不易周轉(zhuǎn)、落架困難等問題，既不經(jīng)濟(jì)又不安全。連續(xù)拱橋單跨施工可以解決上述問題，但產(chǎn)生的水平推力將傳遞給墩臺(tái)。為防止單跨施工影響墩臺(tái)的安全，傳統(tǒng)做法是將橋墩設(shè)計(jì)成制動(dòng)墩來抵抗水平推力，該文介紹在不設(shè)置制動(dòng)墩的情況下，主拱圈單跨施工的解決方案。

1 工程概況

龍沖清水河大橋坐落于有“高原橋都”之稱的貴州省黔南布依族苗族自治州州府都勻，跨越清水河。為彰顯城市風(fēng)貌，該橋采用景觀效果較好的上承式鋼筋混凝土連拱結(jié)構(gòu)(圖1)，橋梁全長(zhǎng)196 m。橋?qū)?0 m，分左右雙幅，單幅寬18.75 m，中央分隔帶寬2.5 m。

圖1 龍沖清水河大橋效果圖全景

主拱圈為等厚度的鋼筋混凝土板拱結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)板厚0.7 m，單幅寬18.7 m，采用C40混凝土，單跨主拱圈混凝土理論用量為580 m3。主拱圈計(jì)算跨徑為30 m，矢跨比為1/6，主拱圈理論拱軸線采用懸鏈線。

橋墩采用矩形斷面倒圓角的墻式實(shí)體墩，墩身寬18.7 m、厚2.0 m，橋墩承臺(tái)厚2.0 m。橋墩樁基采用8根直徑1.3 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，分2排布置，橫橋向樁間距為3.5 m，縱橋向樁間距為5.7 m。

橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)，背墻臺(tái)前側(cè)為階梯狀，承接邊跨主拱、腹拱，臺(tái)后側(cè)按1∶4放坡。橋臺(tái)基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋臺(tái)基礎(chǔ)厚2.5 m，臺(tái)后設(shè)止推板。

2 主拱圈施工方案比選

連續(xù)拱橋主拱圈多跨同時(shí)施工，模板支架一次投入量大，重復(fù)利用率低，成本較高；主拱圈混凝土澆筑完成后，多跨一次性落架困難。主拱圈單跨施工可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，能夠大大減少模板支架等周轉(zhuǎn)材料的投入，施工成本能夠得到有效控制；主拱圈混凝土澆筑完成后，單跨可以實(shí)現(xiàn)落架，但按照此種方法施工，應(yīng)考慮水平推力對(duì)橋墩的影響，特別是橋墩不是按制動(dòng)墩設(shè)計(jì)時(shí)，橋墩的受力需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

拱橋主拱圈支架法現(xiàn)澆分為整體現(xiàn)澆和分段現(xiàn)澆兩種施工工藝。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，主拱圈整體現(xiàn)澆和分段現(xiàn)澆的分界點(diǎn)為跨徑16 m。當(dāng)主拱圈跨徑小于16 m時(shí)，采用整體澆筑的辦法進(jìn)行施工；當(dāng)主拱圈跨徑大于或等于16 m時(shí)，或受力較為復(fù)雜時(shí)，采用分段澆筑的辦法進(jìn)行施工。

根據(jù)龍沖清水河大橋的設(shè)計(jì)情況，經(jīng)過綜合考慮，該橋決定采用單跨分段、對(duì)稱澆筑的施工方案。

3 主拱圈施工方案

龍沖清水河大橋主拱圈采用支架法現(xiàn)澆施工?？傮w施工順序是先施工西岸左幅邊跨，之后向東岸逐跨推進(jìn)施工。左幅施工完成后，右幅由東岸向西岸逐跨施工。支架預(yù)壓完畢后方可進(jìn)行主拱圈模板安裝及鋼筋綁扎，單跨主拱圈混凝土縱向分成4段，由兩側(cè)拱腳對(duì)稱向拱頂澆筑，并在分段之間設(shè)置1 m寬合龍段，具體分段情況見圖2。

圖2 主拱圈單跨分段澆筑示意圖(單位：cm)

單跨主拱圈混凝土澆筑順序如下：

(1) 對(duì)稱澆筑主拱圈混凝土第一節(jié)段，每節(jié)段水平投影長(zhǎng)度700 cm。

(2) 對(duì)稱澆筑主拱圈跨中兩節(jié)段混凝土，每節(jié)段水平投影長(zhǎng)度650 cm。

(3) 對(duì)稱澆筑主拱圈拱腰間隔槽混凝土，水平投影長(zhǎng)度100 cm。

(4) 澆筑主拱圈拱頂間隔槽混凝土，水平投影長(zhǎng)度100 cm。

4 抗推體系設(shè)計(jì)

4.1 橋墩抗推體系確定

主拱圈單跨施工過程中，會(huì)對(duì)墩臺(tái)產(chǎn)生豎直及水平方向的作用力，豎直方向的作用力由墩臺(tái)承受，水平方向的作用力則需采取特殊措施進(jìn)行平衡，設(shè)置抗推制動(dòng)墩、傳力板和體外預(yù)應(yīng)力索是常用的方法。

龍沖清水河大橋橋臺(tái)抗推設(shè)計(jì)比較保守，采用重力式橋臺(tái)+擴(kuò)大基礎(chǔ)+臺(tái)后止推板的方式抵抗拱腳推力。橋墩雖未按制動(dòng)墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，但采用了雙排樁基礎(chǔ)，提高了橋墩的抗推剛度，也具有一定的抗推能力。通過對(duì)橋墩受力特點(diǎn)詳細(xì)分析，最終確定在墩臺(tái)間設(shè)置縱向臨時(shí)系桿來抵消單跨主拱圈施工對(duì)橋墩的水平推力。

4.2 橋墩抗推體系計(jì)算

4.2.1 水平推力計(jì)算

為確定主拱圈單跨施工時(shí)產(chǎn)生的水平推力，選取一跨主拱圈(30 m)建立模型。經(jīng)過工況分析，在主拱圈支架落架后，橋墩承受的水平推力最大。運(yùn)用有限元軟件Ansys建立單跨主拱圈的實(shí)體模型，混凝土采用實(shí)體單元(Solid65)模擬，共劃分為1 179個(gè)單元，3 854個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩端拱腳位置固結(jié)，受力僅考慮主拱圈自重。主拱圈有限元實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 主拱圈有限元實(shí)體模型

提取主拱圈一側(cè)約束反力(右側(cè))，得到拱腳處產(chǎn)生的最大豎向力為6 960 kN，最大水平推力為8 593 kN。

4.2.2 臨時(shí)系桿計(jì)算

由表1可以推算：在主拱圈支架落架后，精軋螺紋鋼筋需承受的最大拉力為586.2 kN，未超過667.5 kN，有一定的安全儲(chǔ)備，滿足施工要求。

表1 節(jié)點(diǎn)反力

5 臨時(shí)系桿施工

(1) 臨時(shí)系桿安裝

精軋螺紋鋼筋單根定尺長(zhǎng)度為9 m，臨時(shí)系桿需分段安裝，中間接頭采用YGL-32連接器連接。在墩身混凝土澆筑前，根據(jù)精軋螺紋鋼筋位置預(yù)埋PVC管道及錨墊板。

臨時(shí)系桿是施工階段結(jié)構(gòu)安全的保證，受力大且工作時(shí)間較長(zhǎng)。在施工過程中，為減少精軋螺紋鋼筋的損傷，安裝前將精軋螺紋鋼筋套入到鋼管中予以保護(hù)。主拱圈支架拆除時(shí)，保留部分支架支撐臨時(shí)系桿。

(2) 臨時(shí)系桿緊固

主拱圈的總體施工順序宜選擇在邊跨開始，臨時(shí)系桿的一端預(yù)埋在橋臺(tái)混凝土里，另一端固定在橋墩上。為了消除非彈性變形，對(duì)臨時(shí)系桿在橋墩側(cè)進(jìn)行單向初張拉，張拉力為50 kN。張拉順序從中間兩根開始，之后向兩側(cè)對(duì)稱同步進(jìn)行。邊跨主拱圈施工完畢后，下一跨的臨時(shí)系桿用連接器進(jìn)行接長(zhǎng)，之后重復(fù)上述步驟直到最后一跨施工前。最后一跨主拱圈施工產(chǎn)生的水平推力由橋臺(tái)承受，中間無需設(shè)置臨時(shí)系桿。

(3) 臨時(shí)系桿放張與拆除

連續(xù)拱橋主拱圈全部施工完成后，臨時(shí)系桿的放張采用千斤頂對(duì)稱同步放張的方式。臨時(shí)系桿完全拆除后，墩身上的孔道用留有壓漿孔的鋼板與預(yù)埋的錨墊板焊接密封，然后壓入不低于墩身混凝土強(qiáng)度的水泥漿。

6 施工監(jiān)測(cè)

6.1 橋墩監(jiān)測(cè)

主拱圈施工期間，對(duì)每個(gè)橋墩的狀態(tài)采用自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)。選擇橋墩傾角作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，采用雙軸傾角儀監(jiān)測(cè)橋墩橫橋向以及順橋向傾角的變化，傾角儀安裝在墩頂與墩底(圖4)，每個(gè)橋墩安裝8個(gè)。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)每個(gè)傳感器安裝溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置采集站對(duì)傳感器的采集及傳輸進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)，經(jīng)由公共互聯(lián)網(wǎng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。

圖4 傾角儀布置示意圖

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：連續(xù)拱橋在單跨施工過程中，最大傾角變化發(fā)生在順橋向的頂部，其值換算成水平位移為4.2 mm，表明臨時(shí)系桿發(fā)揮了抵抗推力的作用，減少了橋墩的順橋向變形，同時(shí)也表明單跨拱圈混凝土對(duì)稱澆筑的施工方案得到很好的執(zhí)行，減少了橋墩的橫橋向變形。

6.2 臨時(shí)系桿監(jiān)測(cè)

在橋墩張拉側(cè)安裝壓力傳感器進(jìn)行臨時(shí)系桿的張拉力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備采用JMZX-3106智能弦式數(shù)碼壓力傳感器及配套的JMZX-2006綜合測(cè)試儀。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位密集，選擇邊跨測(cè)試結(jié)果進(jìn)行臨時(shí)系桿張拉力的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。工況分為初張拉、邊跨主拱圈施工完畢后、次邊跨主拱圈施工完畢后3個(gè)階段，具體結(jié)果見表2。

從表2可以看出：邊跨主拱圈對(duì)橋墩的水平推力由縱向臨時(shí)系桿來承受，但張拉力值與表1相比明顯偏小，說明橋墩也具有一定的抗推能力。次邊跨主拱圈施工完畢后，壓力傳感器顯示臨時(shí)系桿張拉力基本回到初張拉時(shí)的力值，說明次邊跨主拱圈對(duì)橋墩的水平推力由臨時(shí)系桿傳遞到下一個(gè)橋墩張拉端，邊跨橋墩處于平衡狀態(tài)。

表2 臨時(shí)系桿張拉力

7 其他注意事項(xiàng)

(1) 主拱圈澆筑前，橋臺(tái)后填土要求完成100%(包括止推板上填土)，橋臺(tái)后填土用山場(chǎng)碎石和山場(chǎng)碎石土分層夯實(shí)，每層厚度30 cm，應(yīng)嚴(yán)格控制填筑速率，填土密實(shí)度要求≥96%。

(2) 主拱圈的線形為懸鏈線，單側(cè)每個(gè)部位的坡度不一樣，所以對(duì)混凝土的性能要求也不同。混凝土中的水泥應(yīng)選用水化熱較小的水泥，并添加防止收縮的摻和料，同時(shí)優(yōu)化混凝土的配合比，以滿足施工時(shí)混凝土的坍落度和擴(kuò)散度要求。

(3) 主拱圈混凝土在澆筑及振搗時(shí)，會(huì)順著底板而下滑。為了保證主拱圈的澆筑質(zhì)量及外形尺寸，在主拱圈的設(shè)計(jì)截面頂面，根據(jù)斜率變化間隔設(shè)置壓板。待混凝土澆筑完壓板部位后，及時(shí)進(jìn)行混凝土表面整平。應(yīng)保證拱圈澆筑的連續(xù)性，避免形成冷縫，導(dǎo)致混凝土的整體性及局部強(qiáng)度降低。

(4) 跨中合龍段混凝土選擇在當(dāng)天最低氣溫，并且氣溫正在回升時(shí)澆筑。合龍段底模應(yīng)在最后鋪設(shè)，以避免底模產(chǎn)生波浪狀變形。

(5) 主拱圈養(yǎng)護(hù)完成后按照少量、對(duì)稱的原則拆除支架，先從每跨中間拆除→再從每跨1/4處拆除→最后拆除每跨支點(diǎn)支架，隨后支架移至下一跨處，準(zhǔn)備該跨主拱圈的施工。

8 結(jié)語

多跨連續(xù)拱橋在沒有設(shè)置制動(dòng)墩的情況下，通過在墩臺(tái)間設(shè)置臨時(shí)系桿，抵消了主拱圈單跨施工時(shí)產(chǎn)生的水平推力，使全橋得以單跨逐跨施工，實(shí)現(xiàn)了支架的多次周轉(zhuǎn)。龍沖清水河大橋采用該方法進(jìn)行主拱圈施工，只投入了3跨支架，與原施工方案相比，節(jié)約成本205.43萬元，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也對(duì)以后設(shè)計(jì)和施工連續(xù)拱橋具有很好的借鑒意義，社會(huì)效益顯著。