先澆蓋板法在鋼筋混凝土拱橋施工中的應用

羅檢萍

(中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙 410004)

1 工程概況

1.1 設計概況

木河中橋位于西安至成都客運專線上。橋梁中心里程為DGK126＋294，橋梁形式為1－52 m實腹式鋼筋混凝土拱橋，全長67.96 m。木河中橋結(jié)構(gòu)形式為無鉸拱，外部為三次超靜定結(jié)構(gòu)。拱軸線采用二次拋物線，拱軸線方程為:y＝x－x2/52，中心跨度52 m，矢高13 m，矢跨比1/4。拱圈采用C50鋼筋混凝土等截面矩形板拱，拱圈截面寬9 m，高2.5 m。采用碗扣式滿堂支架作為拱圈施工時的支撐體系[1－3]。

1.2 施工順序

由于拱圈斷面較大，拱圈混凝土采用分層分段澆筑。先期澆筑拱腳部位全斷面及其余部位1.2 m高拱肋混凝土，此為第一層拱圈，共分為9個節(jié)段澆筑。再以第一層拱圈作為第二層拱圈的受荷層，待第一層拱圈強度達到100%后澆筑第二層拱圈，共分為9個節(jié)段澆筑完成。澆筑分段方式及順序見圖1。

圖1 木河中橋拱圈澆筑分段及順序(單位:mm)

2 先澆蓋板設計及應用

2.1 “先澆蓋板法”原理

“先澆蓋板法”采用“角鋼分配梁＋密目鋼板拉伸網(wǎng)＋收口網(wǎng)”作為先澆蓋板的免拆式復合底模，澆筑小體積混凝土蓋板以形成鋼筋混凝土模板，再澆筑塊段剩余部分，其最終同先澆蓋板一起構(gòu)成塊段整體。塊段澆筑時的混凝土側(cè)壓力和成型后的下滑力通過先澆蓋板傳遞至拱圈主筋或附加抗滑支撐，最終傳遞至下一個塊段或者拱座基礎[4－6]。

2.2 蓋板設計計算

計算假定如下:在混凝土澆筑至塊段成型的全過程中均不考慮模板與塊段之間的摩擦力，其原因為:

(1)澆筑過程中混凝土無法承受剪應力；

(2)塊段成型后，由于支架設計時未考慮模板切向荷載，為避免模板產(chǎn)生不可預計的線形變化，故不能讓塊段與模板間產(chǎn)生相對滑動趨勢。

因新澆筑混凝土和終凝后混凝土對蓋板的壓力不同，為簡化計算，可分析各塊段在均為新澆筑混凝土(未初凝塊段)和全為終凝混凝土(全終凝塊段)兩種情況下對蓋板的壓力，然后取最不利組合對蓋板進行結(jié)構(gòu)設計[7－9]。

2.2.1 全終凝塊段下滑力計算

計算模型借鑒邊坡工程中的“不平衡推力傳遞系數(shù)法”，利用有限單元法計算。因各塊段位于曲線上，塊段中各點下滑力并非按線性變化，將各塊段分解成若干個有限單元，每個塊段可近似認為位于一直線斜面上，單獨計算每個塊段在該斜面上的下滑力，將各個塊段的下滑力向下一個塊段斜面上進行分解累加，最后求得某一個塊段底端的最終下滑力。塊段單元受力模型如圖2所示[10－11]。

圖2 塊段單元受力模型

圖2中，邊界坐標以拱軸線向內(nèi)偏移0.65 m與1號塊1單元下端交點作為原點。除1號塊1單元外，其余塊段單元邊界點均位于拱軸線向內(nèi)偏移0.65 m的軸線上。

根據(jù)以上單元屬性分析及圖2可得到每個單元i的受力模型如下(混凝土容重取26 kN/m3):

式(1)為塊段下滑力遞推公式，在給定邊界值后即可求出塊段底端累計下滑力。1至3號塊段單元的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 各塊段單元幾何參數(shù)

2.2.2 新澆筑塊段混凝土側(cè)壓力計算

混凝土側(cè)壓力采用《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)中A.0.4項推薦公式計算:

當采用插入式振搗器且澆筑速度不大于10 m/h、混凝土坍落度不大于180 mm時，側(cè)壓力需分別按式(2)兩個公式計算并取小值；當澆筑速度大于10 m/h或混凝土坍落度大于180 mm時，側(cè)壓力直接采用式(2)中第二個公式計算。

2.2.3 工況組合

1、2號塊底端支撐按施工順序，主要可分為以下三種工況:

工況①:用于1號塊底端蓋板設計，僅考慮1號塊作用。荷載主要考慮以下兩種情況:

工況①-1∶1號塊為全終凝塊；

工況①-2:1號塊為未初凝塊。

工況②:用于2號塊底端蓋板設計、支撐鋼筋抗壓穩(wěn)定驗算及支撐設計，僅考慮2號塊作用。荷載主要考慮以下兩種情況:

工況②-1:2號塊為全終凝塊；

工況②-2:2號塊為未初凝塊。

工況③:用于驗算1號塊支撐鋼筋抗壓穩(wěn)定驗算及支撐設計，同時考慮1、2、3號塊作用。荷載主要考慮以下三種情況:

工況③-1:2號塊為未初凝塊，1號塊為全終凝塊；

工況③-2:2號塊為全終凝塊，3號塊為未初凝塊，1號塊為全終凝塊；

工況③-3:2號塊為全終凝塊，3號塊為全終凝塊、1號塊為全終凝塊。

以上工況，利用式(1)或式(2)計算，可計算出最不利工況下的荷載標準值。以此作為蓋板各階段構(gòu)件設計驗算的標準值。計算結(jié)果見表2。

表2 各工況下計算的荷載標準值

2.2.4 受壓鋼筋穩(wěn)定性分析

在全橋合龍前，相鄰塊段之間僅由拱圈主筋在未澆筑的情況下承受各塊段傳遞的下滑力，因此有必要對既有拱圈主筋的抗壓強度及穩(wěn)定性進行驗算以確定是否需要加設附加抗滑支撐。受壓鋼筋考慮為柱模型，先澆蓋板為無梁樓蓋模型。結(jié)構(gòu)求解采用PKPM2010軟件SATWE模塊進行內(nèi)力計算及配筋[12]。

各工況下各類鋼筋受壓穩(wěn)定性計算結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 各工況下鋼筋受壓穩(wěn)定性統(tǒng)計

由表3可知，各工況均有受壓鋼筋超臨界失穩(wěn)情況，故對于工況2和工況3均需增加附加支撐。

2.2.5 蓋板及其支撐設計

蓋板擬定厚度500 mm，采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共用一部分拱圈鋼筋用作蓋板配筋；1號塊支撐擬采用 20a型鋼支撐，柱網(wǎng)布置1 700(橫向)×1 000 mm(豎向)；1號塊與基礎之間支撐柱取1 500 mm。布設方式見圖3。

圖3 1號蓋板支撐布置平面及剖面(單位:mm)

2號塊支撐擬采用 10型鋼支撐，柱網(wǎng)布置1 700(橫向)×810 mm(豎向)；1號塊與2號塊之間支撐柱取1 000 mm。布設方式見圖4。

圖4 2號蓋板支撐布置平面及剖面(單位:mm)

1、2號蓋板荷載分別取表2中①-2、②-2荷載，支撐柱設計?、?2荷載。PKPM計算結(jié)果為:1、2號蓋板均采用雙向14＠120 mm作為受力主筋，頂?shù)撞扛鞑荚O一層可滿足承載力要求；20a及 10型鋼支撐能分別滿足1、2號蓋板支撐承載力及穩(wěn)定性要求。各工字鋼支撐軸力如圖5所示，蓋板施工效果如圖6所示。

圖5 各蓋板支撐柱軸力(單位:kN)

圖6 蓋板施工效果

2.3 蓋板免拆復合底模

先澆蓋板采用“角鋼分配梁＋密目鋼板拉伸網(wǎng)＋收口網(wǎng)”作為蓋板免拆式復合底模。復合底模主要用來承受蓋板澆筑時的荷載，其承載力驗算較為簡單，在此不再贅述。免拆式復合底模的結(jié)構(gòu)及安裝順序見圖7。

圖7 復合式免拆模板結(jié)構(gòu)及安裝順序示意

因為快易收口網(wǎng)及其背覆的鋼板拉伸網(wǎng)作為永久性模板固定，當在模板后面澆筑混凝土時，網(wǎng)眼上的余角片將嵌在混凝土里，形成一個與鄰近澆筑塊相連的機械楔。在后澆帶澆筑時，該套模板體系將被澆筑至后澆帶中，其粘接及剪切方面的強度可與經(jīng)過良好處理的粗琢縫合相媲美。因此在二次澆筑時可免去鑿毛等工序，縮短施工周期，同時增加了澆筑體的強度。

3 “先澆蓋板法”的特點及使用范圍

“先澆蓋板法”在拱圈塊段施工中有如下特點:

(1)充分利用了混凝土的承載力，減少了一次性搭設模板、支撐過程中的隱患，增加了模板支撐體系的安全性。

(2)由于免除了在密集鋼筋環(huán)境下模板拆卸、鑿毛及清渣工序，縮短了施工時間，提高了工效。

(3)免拆式復合模板的使用使得在密集鋼筋的施工環(huán)境下混凝土結(jié)合面的嚙合強度要優(yōu)于人工鑿毛，確保了工程質(zhì)量。

拱圈分塊段澆筑是鋼筋混凝土拱圈施工的常用方法，因此“先澆蓋板法”適用于各類有分層分段澆筑需要的拱橋結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

“先澆蓋板法”在鋼筋混凝土拱橋拱圈施工中尚屬首次嘗試，該方法是一種“先弱后強”的間接處理方法，旨在確保拱圈節(jié)段施工質(zhì)量的同時提高工效，其充分發(fā)揮了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力較常規(guī)模板大、耐久性好的特點，可為今后同類工程提供參考和經(jīng)驗。