上承式鋼筋混凝土箱型拱橋主拱圈施工技術(shù)

劉云飛

(天門市公路防汛救災(zāi)搶險中心,天門 431700)

在當(dāng)今的橋梁建設(shè)中,混凝土拱橋因其受力性能好、耐久性強(qiáng)、跨度大以及外觀優(yōu)美等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。19世紀(jì)50、60年代,鋼筋混凝土憑借更好耐壓性能開始被用來取代石料建造拱橋,拱橋的跨徑因此得到了很大的提升。到1942年,鋼筋混凝土拱橋的跨徑已接近200 m。鋼筋混凝土拱橋的建設(shè)在我國起步較晚,20世紀(jì)80、90年代開始興起[2]。自1989年建成了宜賓金沙江240 m中承式鋼筋混凝土拱橋后,我國開始陸續(xù)建成大跨徑的鋼筋混凝土拱橋,其中以箱型截面拱橋居多[3]。在當(dāng)今鋼筋混凝土拱橋的建設(shè)技術(shù)日益成熟與完善的情況下,許多拱橋形式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代社會的需求,呈現(xiàn)出被逐步淘汰的趨勢,箱型拱橋卻表現(xiàn)出了強(qiáng)大的活力,不僅數(shù)量日益增多,同時也成為目前跨徑 500 m以下拱橋中使用最為廣泛的形式之一,在我國大跨度鋼筋混凝土拱橋橋型中占據(jù)主要地位[4]。

目前為止,鋼筋混凝土拱橋的施工方法主要有支架施工法、勁性骨架施法、纜索吊裝施工法和轉(zhuǎn)體施工法。其中支架施工法一般用于跨徑較小的工程。鋼筋混凝土拱橋先鋪設(shè)鋼筋,后澆筑混凝土,使橋梁形成一個整體,這樣的橋梁具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、外形優(yōu)美、經(jīng)久耐用等特點(diǎn),在目前的橋梁建設(shè)中應(yīng)用廣泛[5]。為了確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全性、可靠度、結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力和變形能夠在其施工時期始終保持在安全的范圍內(nèi),以及當(dāng)成橋后所有的橋梁線形都能夠符合其設(shè)計技術(shù)規(guī)范的要求,在整個橋梁施工時期進(jìn)行嚴(yán)密的施工和監(jiān)控管理是必不可少的[6,7]。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合上承式鋼筋混凝土箱型拱橋工程實(shí)例,詳細(xì)梳理了其主拱圈的施工方法與監(jiān)控方法,為今后相關(guān)橋梁的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

該項(xiàng)目為天門市天門大橋拆除新建工程,新建天門大橋,跨越天門河。橋梁建設(shè)地區(qū)為沖積平原區(qū),其地形在河湖長期沉積作用下較為平坦開闊,海拔高程一般為 18～32 m,地表建筑物較為密集,北側(cè)湖泊較為密集。橋梁總長 90.5 m,跨徑布置為(8+60+8)m,橋梁分為左右兩幅,單幅寬度14.99 m,總寬30 m,主跨為跨徑60 m的上承式箱型拱橋,主拱圈為懸鏈線,凈跨L0=60 m、凈矢高f0=8.571 m、矢跨比=1/7、拱軸系數(shù)m=1.988,拱上橋面板為8 m預(yù)制鋼筋混凝土空心板,橋臺為組合式,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),拱上立柱采用方墩。

2 主拱圈施工工藝

主橋上部結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)是主拱圈,為等截面懸鏈線箱形拱,拱箱高1.3 m,截面形式為單箱四室,頂、底板厚0.22 m,邊中腹板厚0.35 m,橫隔板厚0.18 m。主拱圈采用支架法施工。

2.1 現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)施工

首先布置鋼管樁,鋼管樁為Q235B材質(zhì)卷制、φ630×10 mm規(guī)格鋼管,采用釣魚法施工,單樁承載力按65 t承重量控制。測量放樣后,由75 t履帶吊車振動打樁機(jī)沉樁。鋼管樁的插入深度控制為24 m,主要控制其入土深度,以貫入度為指標(biāo)。鋼管樁插入完成后安裝焊接主橫梁和剪刀撐,主橫梁為40a工字鋼,樁間橫聯(lián)和剪刀撐則使用16A槽鋼,起支承斜撐作用,所有焊接點(diǎn)要保證焊接牢固。然后安裝貝雷主梁,貝雷桁架寬度90 cm,桁架間距90 cm。支撐架與貝雷使用螺栓連接為整體,為減少因接頭變形使主梁產(chǎn)生的位移,接頭處可錯位連接,確保其剛度。最后進(jìn)行橫縱分配梁的安裝,采用人工與75 t履帶吊相互配合的方式安裝分配梁,樁頂橫梁為40a工字鋼、間距9 m。橫向分配梁均以設(shè)計支架支點(diǎn)位置按照0.6 m間距均勻布置,橫向分配梁與貝雷架橫梁之間進(jìn)行焊接,同時利用門型筋固定。分配梁安裝完成后須及時與主梁牢固焊接。

現(xiàn)澆支架拱腳部分基礎(chǔ)施工流程為:超挖換填墊渣→壓實(shí)→澆筑混凝土整平層。原地基超挖換填墊渣,厚度不小于80 cm,保證壓實(shí)。當(dāng)?shù)鼗休d力不低于200 kPa后,在墊渣層上澆筑20 cm厚C25混凝土整平層。處理完后基礎(chǔ)高程超過汛期水位0.5 m以上,確保支架不受汛期水位上漲影響。

2.2 滿堂支架施工

該工程采用的滿堂支架布局,與貝雷桁架分配梁位置匹配,主要分布為縱橋向水平桿步距0.6 m、橫橋向水平桿步距0.9 m,立桿方向2層1.5 m、1層1 m。底層滿設(shè)斜桿,支架腹內(nèi)每兩步設(shè)一步斜桿并錯步安裝,保證斜桿交錯相連,確保支架穩(wěn)定。支架第三層立桿層距1 m,滿設(shè)斜桿,其它的頂托部位根據(jù)需要加密橫桿。

2.3 支架系統(tǒng)預(yù)壓及檢測

為了保證支架施工使用時的安全性,同時保證施工的線形,在箱形拱施工之前需要對支架進(jìn)行壓載試驗(yàn)。在箱形拱支架進(jìn)行預(yù)壓前需將全部盤扣用鐵錘打緊,架體預(yù)壓及卸載過程不得有人員進(jìn)入架體傾覆范圍內(nèi),將人員隔離到現(xiàn)場設(shè)置的彩鋼板圍擋之外。最大預(yù)壓荷載為拱自重與施工荷載之和的1.2倍,加載過程按60%、80%、100%、120%四個等級逐級進(jìn)行,為確保支架安全穩(wěn)定,加載過程需對稱進(jìn)行。每一級加載后進(jìn)行測量,確保安全無異常方可繼續(xù)加載,直到完成1.2倍的加載目標(biāo)。然后在1～3 d時間內(nèi)持續(xù)測量支架的位移與沉降,當(dāng)支架沉降差值小于3 mm并連續(xù)不少于2 d時,表明地基處于穩(wěn)定狀態(tài);加載過程完成后,卸載過程也需按加載等級逐級反向進(jìn)行,每一級進(jìn)行測量,直至全部卸載完成且支架系統(tǒng)保持穩(wěn)定。最后綜合預(yù)壓全過程的測量計算結(jié)果對底模進(jìn)行調(diào)整,同時設(shè)置預(yù)拱度。

2.4 模板安裝

模板采用雙A48×3 mm鋼管制作弧形縱向?qū)к?鋼管橫向雙拼、縱向按拱底懸鏈線設(shè)弧放置,采用粗鐵絲綁固在支架頂托上,并將鋼管與頂托面的夾角用木楔頂固。雙鋼管導(dǎo)軌上,橫向采用4 cm×8 cm方木按間距10 cm安裝模架,方木按8 cm高度放置以增強(qiáng)承重能力,并采用鐵絲與雙鋼管導(dǎo)軌綁扎固定。方木模架上安裝15 mm厚木芯板,木芯板采用鐵釘在方木上固定。

安裝模板時,為了確保底模的標(biāo)高,首先用水準(zhǔn)儀沿箱形拱縱向每5 m、橫向2.25 m測量底模頂標(biāo)高,然后拉線調(diào)整方木位置。安裝時,根據(jù)橋梁中心線在方木上分段鋪設(shè)底模,要保證底模長邊與橋梁中心線平行,短邊保持在同一斷面上。模板拼縫之間應(yīng)采用玻璃膠補(bǔ)縫或回力膠條嵌封。相鄰兩模板高差要維持在2 mm以內(nèi),保證模板表面平順。底模安裝后根據(jù)測量控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。側(cè)模安裝時要保證模板縱橫接縫用回力膠條或雙面膠進(jìn)行嵌密,且橫縫在同一斷面上,模板必須對準(zhǔn)邊線垂直豎立,拉線調(diào)整,使模板直線段順直、曲線段圓滑。

2.5 鋼筋混凝土施工

鋼筋加工后按不同類別堆放,施工時根據(jù)現(xiàn)場需要由拖車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場,利用吊車直接吊至作業(yè)位置進(jìn)行現(xiàn)場安裝和綁扎。預(yù)埋件包括泄水孔、拱上立柱的基座預(yù)埋鋼筋、拱上墊梁的預(yù)埋鋼筋。施工基層底板環(huán)上應(yīng)安裝泄水孔管件(PVC(Polyvinyl Chloride,聚氯乙烯)管)。各空腹箱底均設(shè)置一個泄水孔,用于養(yǎng)護(hù)施工過程中的污染物和廢棄水及時清理和排除。施工頂板環(huán)鋼筋安裝時,安裝立柱基座和墊梁預(yù)埋筋。拱上立柱的立柱預(yù)埋鋼筋、基座預(yù)埋鋼筋、拱上墊梁的預(yù)埋鋼筋均預(yù)埋至拱圈頂板內(nèi)層鋼筋位置。

鋼筋鋪設(shè)完畢后進(jìn)行混凝土澆注,采用C40混凝土,初凝時間不少于10 h。該工程所使用的混凝土都是在攪拌站攪拌制作完成后,再經(jīng)混凝土運(yùn)輸車輛運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行澆注。澆注前要將模板清理干凈,清理出的雜物從排水管排出,清理完畢后用水打濕模板。箱形拱混凝土主要按水平距離每20 m分3個現(xiàn)澆段澆注,均要求從低處往高處澆筑,不得先高后低,以防混凝土裂縫破壞整體性。澆注過程中要嚴(yán)格控制頂板處混凝土的標(biāo)高,需在兩側(cè)模板之間拉線,保證混凝土的澆注厚度符合要求,保持合適高度。

拱圈混凝土澆注時先澆注中間段的頂板和腹板,然后再對兩側(cè)腹板進(jìn)行澆注;自拱底向拱頂分段澆筑。邊澆注邊振搗,使用振搗器使混凝土澆注均勻。同時需要在兩側(cè)模板、箱型拱頂和腹板處做好標(biāo)高控制標(biāo)記,按設(shè)計要求把控頂板的標(biāo)高和坡度?；炷翝沧⑼瓿珊?對其表面進(jìn)行抹平處理,同時控制好變坡坡度。在混凝土初凝之前再次進(jìn)行抹平。混凝土澆筑工序見圖1。

養(yǎng)護(hù)對提高混凝土的強(qiáng)度和防止收縮裂縫的產(chǎn)生十分重要。要定時水養(yǎng),保證混凝土表面濕潤,避免干燥開裂,夏天高溫時段需要增加灑水頻率?；炷帘砻婺毯笊w上土工布,并且需要經(jīng)常灑水,常溫下灑水養(yǎng)護(hù)過程通常不低于7 d。在混凝土強(qiáng)度未達(dá)到預(yù)期值前,要避免其遭受振動或?qū)ζ涫┘舆^重荷載。

2.6 模板、支架拆除

拱圈頂推完成且頂板混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值的90%后,便可以進(jìn)行模板和支架的拆除工作。支架的拆除要保證對稱同步進(jìn)行,防止因受力不均勻?qū)е轮Ъ茏冃位虻顾?。拆除過程一定要按計劃有序進(jìn)行,后裝的支架先拆、先裝的支架后拆,跨中向兩邊、從上往下、由里而外拆除。

應(yīng)按照以下順序從上到下拆除支架:松開兩側(cè)腹板處的頂托→ 拆除方木、側(cè)模、底?！?拆下縱向弧形鋼管→ 拆下盤鋼管支架→ 拆除貝雷梁頂部的工字鋼分配梁→ 移動并提升單個組,以移除貝雷梁→拆除樁頂主梁工字鋼→ 拆除水平桁架和剪刀撐→ 拆下鋼管柱→ 拆除水下鋼管[8],完成鋼管貝雷梁支架的拆除。

3 主拱圈質(zhì)量監(jiān)控

3.1 監(jiān)控目標(biāo)

為了確保橋梁施工的安全與質(zhì)量,必須對其進(jìn)行監(jiān)控控制。施工監(jiān)控技術(shù)是此次橋梁建設(shè)的一個關(guān)鍵點(diǎn),貫穿橋梁施工全過程,尤其是在主拱圈的施工過程中,更加需要通過實(shí)時監(jiān)控來嚴(yán)格把控其質(zhì)量和安全。施工監(jiān)控包括測量、計算分析、現(xiàn)場管控等多個部分。為達(dá)到控制目標(biāo),需要在建模計算的基礎(chǔ)上,實(shí)時測量記錄數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際情況修改計算理論設(shè)計值。根據(jù)修正后的設(shè)計值調(diào)整支架高度、拱軸線和拱肋預(yù)拱度等,根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度及時提供立模標(biāo)高和預(yù)拱度調(diào)節(jié)量等數(shù)據(jù),保證實(shí)際施工結(jié)果符合設(shè)計要求。

施工監(jiān)控需嚴(yán)格按照施工進(jìn)程和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行,保證實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo):在拱圈施工過程中,要保證拱架的應(yīng)力、變形符合要求,以確保其安全性;保證拱圈成型過程中早期形成的部分和受力過程中的拱的應(yīng)力、變形都處于可控范圍,避免結(jié)構(gòu)開裂,保證整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài);在拱結(jié)構(gòu)形成的過程中,要保證拱圈的受力、變形和穩(wěn)定性均符合設(shè)計規(guī)范的要求。

3.2 監(jiān)控技術(shù)

天門大橋主橋的主要監(jiān)控內(nèi)容包括:拱架和拱圈的線形、應(yīng)力與穩(wěn)定性控制。一般方法是根據(jù)拱圈和拱圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計成型模式,在拱上結(jié)構(gòu)施工過程中,根據(jù)現(xiàn)場情況準(zhǔn)確預(yù)測拱架、拱圈的應(yīng)力和變形穩(wěn)定性,然后通過實(shí)時監(jiān)測結(jié)果與理論值相對比并進(jìn)行誤差分析,及時調(diào)整施工工序,確保各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)都能處于預(yù)期狀態(tài)。

1)線形控制

結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)主要包括跨徑、拱軸線形和矢跨比。在施工過程中跨徑比較容易保證,相比而言,拱軸線形和矢跨比易受各類誤差影響產(chǎn)生一定偏差,影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形。所以需要在施工過程中嚴(yán)格控制拱軸線形與矢跨比,及時調(diào)整誤差。必要時對計算模型進(jìn)行修正,盡量保證其線形與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。

拱圈線形監(jiān)控的控制點(diǎn)對稱布置在8個斷面,包括拱腳、(1/8)L、(1/4)L、(3/8)L、拱頂((1/2)L)、(5/8)L、(3/4)L等斷面,每一斷面三個標(biāo)高觀測點(diǎn),同時可當(dāng)作坐標(biāo)觀測點(diǎn)。在拱圈施工監(jiān)控的同時,在每側(cè)橋臺承臺頂面對稱設(shè)置4個沉降觀測點(diǎn),觀測施工過程中承臺沉降情況。在后澆帶頂推階段,還需在阻滑板后澆帶設(shè)置阻滑板的水平位移測試點(diǎn),監(jiān)測在頂推過程中阻滑板的水平位移變化情況,每塊阻滑板設(shè)置兩個測點(diǎn)。

線形監(jiān)控使用水準(zhǔn)儀、全站儀、激光測距儀等準(zhǔn)確測量其空間坐標(biāo)并記錄數(shù)據(jù)。測點(diǎn)處埋設(shè)短鋼筋,并噴上紅色油漆做好標(biāo)識,保護(hù)測點(diǎn)不受破壞。此時的監(jiān)控目標(biāo)為標(biāo)高和水平線形,主要觀測拱圈各控制點(diǎn)軸線和標(biāo)高的變化,同時測量橋位水平位置變化。監(jiān)控、施工單位同時單獨(dú)進(jìn)行測量,測量結(jié)果進(jìn)行對比,及時發(fā)現(xiàn)誤差并予以糾正。同時盡量選擇在穩(wěn)定溫度場進(jìn)行測量。

2)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變測量

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變不僅可以用來表征施工質(zhì)量,還可用來實(shí)時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的變化?；炷翗蛄阂虿牧暇鶆蛐院头€(wěn)定性較差,實(shí)際應(yīng)力在諸多因素的影響下會出現(xiàn)與設(shè)計值不相符的情況,從而無法反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。因此,在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變實(shí)際測試中,通過系統(tǒng)識別、誤差分析與處理,使測試應(yīng)力盡可能地接近于實(shí)際,從而較準(zhǔn)確地掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

通過諸多工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn),箱型拱圈截面整體性好、剛度大、承受彎矩及抗扭能力強(qiáng),截面形式經(jīng)濟(jì)合理。因施工順序、人員、時間、預(yù)應(yīng)力、索應(yīng)力損失測定等因素的影響,并且為了對稱測量,拱圈應(yīng)力測試點(diǎn)布置在拱腳、(1/4)L、(3/4)L、拱頂?shù)?個關(guān)鍵控制截面處,左右兩幅橋應(yīng)力測點(diǎn)布置位置相同,全橋共2×5個控制截面。各截面對稱設(shè)置4個應(yīng)變計,共40個應(yīng)變計。從全橋開始建設(shè)直到竣工的整個施工過程中,需要對每一施工階段進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,實(shí)時掌握拱圈的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。通過拱圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測確保大橋施工的安全,為通車運(yùn)營荷載驗(yàn)收提供穩(wěn)定可靠的永久測點(diǎn)。因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)較大時應(yīng)變滯后時間較長,選擇在每一工況結(jié)束后3～6 h進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變測量,同時要保證各施工階段測量時的環(huán)境溫度較為穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

總而言之,在鋼筋混凝土拱橋施工中,主拱圈的施工最為重要,關(guān)乎整個橋梁的質(zhì)量與安全,對其進(jìn)行全程實(shí)時監(jiān)控尤為重要。橋梁施工過程中對每道工序都需要嚴(yán)格控制,保證監(jiān)控測量數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果基本一致,使橋梁施工安全與質(zhì)量都能達(dá)到預(yù)期效果。希望本次橋梁工程實(shí)例的相關(guān)拱橋施工技術(shù)能夠在今后得到進(jìn)一步的應(yīng)用,進(jìn)而為我國交通事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。