上承式钢筋混凝土箱型拱桥主拱圈施工技术

刘云飞

(天门市公路防汛救灾抢险中心,天门 431700)

在当今的桥梁建设中,混凝土拱桥因其受力性能好、耐久性强、跨度大以及外观优美等特点而得到广泛应用[1]。19世纪50、60年代,钢筋混凝土凭借更好耐压性能开始被用来取代石料建造拱桥,拱桥的跨径因此得到了很大的提升。到1942年,钢筋混凝土拱桥的跨径已接近200 m。钢筋混凝土拱桥的建设在我国起步较晚,20世纪80、90年代开始兴起[2]。自1989年建成了宜宾金沙江240 m中承式钢筋混凝土拱桥后,我国开始陆续建成大跨径的钢筋混凝土拱桥,其中以箱型截面拱桥居多[3]。在当今钢筋混凝土拱桥的建设技术日益成熟与完善的情况下,许多拱桥形式已经不适应现代社会的需求,呈现出被逐步淘汰的趋势,箱型拱桥却表现出了强大的活力,不仅数量日益增多,同时也成为目前跨径 500 m以下拱桥中使用最为广泛的形式之一,在我国大跨度钢筋混凝土拱桥桥型中占据主要地位[4]。

目前为止,钢筋混凝土拱桥的施工方法主要有支架施工法、劲性骨架施法、缆索吊装施工法和转体施工法。其中支架施工法一般用于跨径较小的工程。钢筋混凝土拱桥先铺设钢筋,后浇筑混凝土,使桥梁形成一个整体,这样的桥梁具有经济节约、外形优美、经久耐用等特点,在目前的桥梁建设中应用广泛[5]。为了确保桥梁的结构安全性、可靠度、结构内部压力和变形能够在其施工时期始终保持在安全的范围内,以及当成桥后所有的桥梁线形都能够符合其设计技术规范的要求,在整个桥梁施工时期进行严密的施工和监控管理是必不可少的[6,7]。在现有研究的基础上,结合上承式钢筋混凝土箱型拱桥工程实例,详细梳理了其主拱圈的施工方法与监控方法,为今后相关桥梁的建设提供参考。

1 工程概况

该项目为天门市天门大桥拆除新建工程,新建天门大桥,跨越天门河。桥梁建设地区为冲积平原区,其地形在河湖长期沉积作用下较为平坦开阔,海拔高程一般为 18～32 m,地表建筑物较为密集,北侧湖泊较为密集。桥梁总长 90.5 m,跨径布置为(8+60+8)m,桥梁分为左右两幅,单幅宽度14.99 m,总宽30 m,主跨为跨径60 m的上承式箱型拱桥,主拱圈为悬链线,净跨L0=60 m、净矢高f0=8.571 m、矢跨比=1/7、拱轴系数m=1.988,拱上桥面板为8 m预制钢筋混凝土空心板,桥台为组合式,基础采用桩基础,拱上立柱采用方墩。

2 主拱圈施工工艺

主桥上部结构的主要承重结构是主拱圈,为等截面悬链线箱形拱,拱箱高1.3 m,截面形式为单箱四室,顶、底板厚0.22 m,边中腹板厚0.35 m,横隔板厚0.18 m。主拱圈采用支架法施工。

2.1 现浇支架基础施工

首先布置钢管桩,钢管桩为Q235B材质卷制、φ630×10 mm规格钢管,采用钓鱼法施工,单桩承载力按65 t承重量控制。测量放样后,由75 t履带吊车振动打桩机沉桩。钢管桩的插入深度控制为24 m,主要控制其入土深度,以贯入度为指标。钢管桩插入完成后安装焊接主横梁和剪刀撑,主横梁为40a工字钢,桩间横联和剪刀撑则使用16A槽钢,起支承斜撑作用,所有焊接点要保证焊接牢固。然后安装贝雷主梁,贝雷桁架宽度90 cm,桁架间距90 cm。支撑架与贝雷使用螺栓连接为整体,为减少因接头变形使主梁产生的位移,接头处可错位连接,确保其刚度。最后进行横纵分配梁的安装,采用人工与75 t履带吊相互配合的方式安装分配梁,桩顶横梁为40a工字钢、间距9 m。横向分配梁均以设计支架支点位置按照0.6 m间距均匀布置,横向分配梁与贝雷架横梁之间进行焊接,同时利用门型筋固定。分配梁安装完成后须及时与主梁牢固焊接。

现浇支架拱脚部分基础施工流程为:超挖换填垫渣→压实→浇筑混凝土整平层。原地基超挖换填垫渣,厚度不小于80 cm,保证压实。当地基承载力不低于200 kPa后,在垫渣层上浇筑20 cm厚C25混凝土整平层。处理完后基础高程超过汛期水位0.5 m以上,确保支架不受汛期水位上涨影响。

2.2 满堂支架施工

该工程采用的满堂支架布局,与贝雷桁架分配梁位置匹配,主要分布为纵桥向水平杆步距0.6 m、横桥向水平杆步距0.9 m,立杆方向2层1.5 m、1层1 m。底层满设斜杆,支架腹内每两步设一步斜杆并错步安装,保证斜杆交错相连,确保支架稳定。支架第三层立杆层距1 m,满设斜杆,其它的顶托部位根据需要加密横杆。

2.3 支架系统预压及检测

为了保证支架施工使用时的安全性,同时保证施工的线形,在箱形拱施工之前需要对支架进行压载试验。在箱形拱支架进行预压前需将全部盘扣用铁锤打紧,架体预压及卸载过程不得有人员进入架体倾覆范围内,将人员隔离到现场设置的彩钢板围挡之外。最大预压荷载为拱自重与施工荷载之和的1.2倍,加载过程按60%、80%、100%、120%四个等级逐级进行,为确保支架安全稳定,加载过程需对称进行。每一级加载后进行测量,确保安全无异常方可继续加载,直到完成1.2倍的加载目标。然后在1～3 d时间内持续测量支架的位移与沉降,当支架沉降差值小于3 mm并连续不少于2 d时,表明地基处于稳定状态;加载过程完成后,卸载过程也需按加载等级逐级反向进行,每一级进行测量,直至全部卸载完成且支架系统保持稳定。最后综合预压全过程的测量计算结果对底模进行调整,同时设置预拱度。

2.4 模板安装

模板采用双A48×3 mm钢管制作弧形纵向导轨,钢管横向双拼、纵向按拱底悬链线设弧放置,采用粗铁丝绑固在支架顶托上,并将钢管与顶托面的夹角用木楔顶固。双钢管导轨上,横向采用4 cm×8 cm方木按间距10 cm安装模架,方木按8 cm高度放置以增强承重能力,并采用铁丝与双钢管导轨绑扎固定。方木模架上安装15 mm厚木芯板,木芯板采用铁钉在方木上固定。

安装模板时,为了确保底模的标高,首先用水准仪沿箱形拱纵向每5 m、横向2.25 m测量底模顶标高,然后拉线调整方木位置。安装时,根据桥梁中心线在方木上分段铺设底模,要保证底模长边与桥梁中心线平行,短边保持在同一断面上。模板拼缝之间应采用玻璃胶补缝或回力胶条嵌封。相邻两模板高差要维持在2 mm以内,保证模板表面平顺。底模安装后根据测量控制点进行复核。侧模安装时要保证模板纵横接缝用回力胶条或双面胶进行嵌密,且横缝在同一断面上,模板必须对准边线垂直竖立,拉线调整,使模板直线段顺直、曲线段圆滑。

2.5 钢筋混凝土施工

钢筋加工后按不同类别堆放,施工时根据现场需要由拖车运输到现场,利用吊车直接吊至作业位置进行现场安装和绑扎。预埋件包括泄水孔、拱上立柱的基座预埋钢筋、拱上垫梁的预埋钢筋。施工基层底板环上应安装泄水孔管件(PVC(Polyvinyl Chloride,聚氯乙烯)管)。各空腹箱底均设置一个泄水孔,用于养护施工过程中的污染物和废弃水及时清理和排除。施工顶板环钢筋安装时,安装立柱基座和垫梁预埋筋。拱上立柱的立柱预埋钢筋、基座预埋钢筋、拱上垫梁的预埋钢筋均预埋至拱圈顶板内层钢筋位置。

钢筋铺设完毕后进行混凝土浇注,采用C40混凝土,初凝时间不少于10 h。该工程所使用的混凝土都是在搅拌站搅拌制作完成后,再经混凝土运输车辆运输到指定地点进行浇注。浇注前要将模板清理干净,清理出的杂物从排水管排出,清理完毕后用水打湿模板。箱形拱混凝土主要按水平距离每20 m分3个现浇段浇注,均要求从低处往高处浇筑,不得先高后低,以防混凝土裂缝破坏整体性。浇注过程中要严格控制顶板处混凝土的标高,需在两侧模板之间拉线,保证混凝土的浇注厚度符合要求,保持合适高度。

拱圈混凝土浇注时先浇注中间段的顶板和腹板,然后再对两侧腹板进行浇注;自拱底向拱顶分段浇筑。边浇注边振捣,使用振捣器使混凝土浇注均匀。同时需要在两侧模板、箱型拱顶和腹板处做好标高控制标记,按设计要求把控顶板的标高和坡度。混凝土浇注完成后,对其表面进行抹平处理,同时控制好变坡坡度。在混凝土初凝之前再次进行抹平。混凝土浇筑工序见图1。

养护对提高混凝土的强度和防止收缩裂缝的产生十分重要。要定时水养,保证混凝土表面湿润,避免干燥开裂,夏天高温时段需要增加洒水频率。混凝土表面凝固后盖上土工布,并且需要经常洒水,常温下洒水养护过程通常不低于7 d。在混凝土强度未达到预期值前,要避免其遭受振动或对其施加过重荷载。

2.6 模板、支架拆除

拱圈顶推完成且顶板混凝土的强度达到设计值的90%后,便可以进行模板和支架的拆除工作。支架的拆除要保证对称同步进行,防止因受力不均匀导致支架变形或倒塌。拆除过程一定要按计划有序进行,后装的支架先拆、先装的支架后拆,跨中向两边、从上往下、由里而外拆除。

应按照以下顺序从上到下拆除支架:松开两侧腹板处的顶托→ 拆除方木、侧模、底模→ 拆下纵向弧形钢管→ 拆下盘钢管支架→ 拆除贝雷梁顶部的工字钢分配梁→ 移动并提升单个组,以移除贝雷梁→拆除桩顶主梁工字钢→ 拆除水平桁架和剪刀撑→ 拆下钢管柱→ 拆除水下钢管[8],完成钢管贝雷梁支架的拆除。

3 主拱圈质量监控

3.1 监控目标

为了确保桥梁施工的安全与质量,必须对其进行监控控制。施工监控技术是此次桥梁建设的一个关键点,贯穿桥梁施工全过程,尤其是在主拱圈的施工过程中,更加需要通过实时监控来严格把控其质量和安全。施工监控包括测量、计算分析、现场管控等多个部分。为达到控制目标,需要在建模计算的基础上,实时测量记录数据,根据实际情况修改计算理论设计值。根据修正后的设计值调整支架高度、拱轴线和拱肋预拱度等,根据现场施工进度及时提供立模标高和预拱度调节量等数据,保证实际施工结果符合设计要求。

施工监控需严格按照施工进程和相关规范进行,保证实现如下目标:在拱圈施工过程中,要保证拱架的应力、变形符合要求,以确保其安全性;保证拱圈成型过程中早期形成的部分和受力过程中的拱的应力、变形都处于可控范围,避免结构开裂,保证整个系统处于稳定状态;在拱结构形成的过程中,要保证拱圈的受力、变形和稳定性均符合设计规范的要求。

3.2 监控技术

天门大桥主桥的主要监控内容包括:拱架和拱圈的线形、应力与稳定性控制。一般方法是根据拱圈和拱圈结构的设计成型模式,在拱上结构施工过程中,根据现场情况准确预测拱架、拱圈的应力和变形稳定性,然后通过实时监测结果与理论值相对比并进行误差分析,及时调整施工工序,确保各项监控指标都能处于预期状态。

1)线形控制

结构几何形态参数主要包括跨径、拱轴线形和矢跨比。在施工过程中跨径比较容易保证,相比而言,拱轴线形和矢跨比易受各类误差影响产生一定偏差,影响结构内力与线形。所以需要在施工过程中严格控制拱轴线形与矢跨比,及时调整误差。必要时对计算模型进行修正,尽量保证其线形与实际结构一致。

拱圈线形监控的控制点对称布置在8个断面,包括拱脚、(1/8)L、(1/4)L、(3/8)L、拱顶((1/2)L)、(5/8)L、(3/4)L等断面,每一断面三个标高观测点,同时可当作坐标观测点。在拱圈施工监控的同时,在每侧桥台承台顶面对称设置4个沉降观测点,观测施工过程中承台沉降情况。在后浇带顶推阶段,还需在阻滑板后浇带设置阻滑板的水平位移测试点,监测在顶推过程中阻滑板的水平位移变化情况,每块阻滑板设置两个测点。

线形监控使用水准仪、全站仪、激光测距仪等准确测量其空间坐标并记录数据。测点处埋设短钢筋,并喷上红色油漆做好标识,保护测点不受破坏。此时的监控目标为标高和水平线形,主要观测拱圈各控制点轴线和标高的变化,同时测量桥位水平位置变化。监控、施工单位同时单独进行测量,测量结果进行对比,及时发现误差并予以纠正。同时尽量选择在稳定温度场进行测量。

2)混凝土应力-应变测量

混凝土的应力-应变不仅可以用来表征施工质量,还可用来实时监测桥梁结构的变化。混凝土桥梁因材料均匀性和稳定性较差,实际应力在诸多因素的影响下会出现与设计值不相符的情况,从而无法反映结构实际受力情况。因此,在预应力混凝土结构的应变实际测试中,通过系统识别、误差分析与处理,使测试应力尽可能地接近于实际,从而较准确地掌握结构的真实应力状态。

通过诸多工程实践可以发现,箱型拱圈截面整体性好、刚度大、承受弯矩及抗扭能力强,截面形式经济合理。因施工顺序、人员、时间、预应力、索应力损失测定等因素的影响,并且为了对称测量,拱圈应力测试点布置在拱脚、(1/4)L、(3/4)L、拱顶等5个关键控制截面处,左右两幅桥应力测点布置位置相同,全桥共2×5个控制截面。各截面对称设置4个应变计,共40个应变计。从全桥开始建设直到竣工的整个施工过程中,需要对每一施工阶段进行应力监测,实时掌握拱圈的应力-应变状态。通过拱圈结构应力监测确保大桥施工的安全,为通车运营荷载验收提供稳定可靠的永久测点。因为混凝土结构较大时应变滞后时间较长,选择在每一工况结束后3～6 h进行应力-应变测量,同时要保证各施工阶段测量时的环境温度较为稳定。

4 结 语

总而言之,在钢筋混凝土拱桥施工中,主拱圈的施工最为重要,关乎整个桥梁的质量与安全,对其进行全程实时监控尤为重要。桥梁施工过程中对每道工序都需要严格控制,保证监控测量数据与理论计算结果基本一致,使桥梁施工安全与质量都能达到预期效果。希望本次桥梁工程实例的相关拱桥施工技术能够在今后得到进一步的应用,进而为我国交通事业做出更大的贡献。