復合支架在大跨度拱橋現澆施工中的應用

復合支架在大跨度拱橋現澆施工中的應用

0大跨度鋼筋混凝土系統(tǒng)結構施工技術鋼筋混凝土拱橋是一種傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料抗壓性、外形美觀、維護成本低的傳統(tǒng)橋型。因此，它在中國得到了廣泛應用和取得了巨大的技術成就。然而,近年來,鋼筋砼拱橋與其他橋型相比,應用與研究相對滯后,施工方法和施工能力的欠缺在一定程度上制約了該類拱橋的發(fā)展,尤其在一些施工技術力量相對薄弱、施工設備較落后的地區(qū)。有支架施工對施工技術能力和設備的要求相對較低,但一般用于中小跨度的拱橋施工,而在我國大跨度的拱橋施工中應用較少,尤其是跨徑100m以上的鋼筋砼拱橋,應用案例屈指可數,如北京豐沙線永定河七號橋、河南義馬許溝大橋、福建三明碧口大橋等。其中北京永定河七號橋是主跨150m的中承裝配式鋼筋混凝土鐵路肋拱橋,全橋由227塊預制構件拼成,在拱架上拼裝。2001年建成的220m的河南義馬許溝大橋,是目前我國采用支架法施工的跨度最大的拱橋,該橋為上承式鋼筋砼箱型拱橋,采用六五式軍用墩、六四式軍用梁、萬能桿件組拼成220m主拱箱梁支架,輔以碗扣式腳手架形成拱盔,主拱箱梁在支架上分段、分環(huán)、跳塊現澆施工。福建省三明碧口大橋是跨度133m的中承式鋼筋混凝土雙肋拱橋,其主拱肋結構與北京豐沙線永定河七號橋類似,不過后者采用拱架上拼裝施工方法,而碧口大橋是在深水上方,采用鋼筋砼—鋼結構—木結構復合支架法現澆施工。因此,在我國大力發(fā)展基礎設施建設的今天,開展大跨度鋼筋混凝土拱橋的有支架施工技術方面的研究,對促進我國拱橋的應用與發(fā)展具有現實意義。本研究以福建三明碧口大橋為例,采用理論研究與現場施工實踐相結合的方法,通過理論研究成果指導現場施工,然后再以現場施工成果進一步驗證和確認理論研究成果的成效。1主拱肋的形狀、規(guī)格福建三明碧口大橋位于三明市東面出口碧口村,南岸與205國道交接,從三明農藥廠跨越沙溪河到三明勞教所。碧口大橋主橋為中承式鋼筋混凝土箱型雙肋拱橋,凈跨徑133m,為福建省跨徑最大的現澆鋼筋混凝土拱橋。南岸引橋上部構造采用四孔13m簡支空心板,下部構造采用柱式墩,重力式U型臺。全橋長195.88m,橋面行車道寬9m,人行道寬2×1.5m。碧口大橋兩條主拱肋拱軸線均為懸鏈線,兩軸線中心間距為10.6m,拱軸系數M=1.347,凈矢跨比為2.3∶1,起拱線標高為126.00m,拱頂中心標高為149.40m。拱肋采用箱形變截面,其中兩端拱腳段(各長14.89m)既變寬又變厚,從拱腳起拱點截面313cm×260cm變到294cm×160cm,拱肋頂段寬度不變,厚度從294cm變到拱頂245cm,截面系數N=0.65。每條拱肋縱向分為28個箱,箱間設橫隔板,混凝土數量約為285m3,兩條肋共約570m3。2復合支架設計方案因碧口大橋主橋跨越沙溪,采用復合支架現澆施工,需在沙溪深水(常水位水深最大處約12m)中及水上架設拱肋支架,支架基礎及下部需承受水流的水平沖擊力,尤其可能面臨洪水的沖擊威脅。經多種設計方案比較,決定兩端拱腳段(各6.5m,位于岸上)采用滿堂式木拱架,跨中120m拱肋采用復合支架施工。復合支架由鋼結構及鋼筋混凝土支墩、下導梁及門式桁架、卸架設備及木拱盔等組成,其中下導梁及門式桁架采用西乙型萬能桿件拼裝,分為5跨,每跨24m。支架兩端1#、6#支墩采用貝雷桁架片及型鋼搭設,中間4個澆注鋼筋混凝土灌注樁基礎、鋼筋混凝土墩柱及墩帽作為支墩,卸架設備采用螺栓組合木楔,拱盔部分采用方木,主要由立柱、拉梁,水平夾木、剪刀撐、弓形木、上橫梁等構件組成。拱架的具體構造參見圖1現澆主拱肋復合支架立面圖。2.1支架2.1.1貝雷片組組出拱點和出拱點后排出設支墩為了減少主橋頭拱腳段的拋石回填工作量,同時根據拱肋底板標高,將1#、6#貝雷支墩設在距拱腳起拱點6.5m處,下方填筑亂毛石及河卵石至標高124.20m,平整加固后在上、下游距拱腳起拱點6.5m處澆筑C15片石砼作為支墩底座,用24片貝雷片組拼成1#、6#支墩,每個支墩12片。每個支墩的貝雷片上方架設2根Ⅰ25工字鋼作為橫梁,Ⅰ字鋼橫梁頂標高設計為126.50m。2.1.2灌注樁基礎特點沙溪河中設4個跨中支墩,分別為2#~5#墩。根據該橋的施工圖設計的勘探資料表明,沙溪河河床沿拱軸方向表面為砂礫石覆蓋層,厚約60~70cm,下層為粉砂巖。經拱架荷載計算分析后確定,每個支墩基礎采用2根Ф120cm的C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁基礎嵌入巖層2.5m,2根樁中心的距離為10.6m,每根樁位于雙拱肋拱軸線的正下方。由于沙溪河下游斑竹水電站已蓄水發(fā)電,沙溪河常水位約在124.10m左右,水深約11~13m,灌注樁水下長度長達14~16m左右,故在2根樁之間的水面上方用2[a36槽鋼焊接在灌注樁護筒上,作為橫系梁,連接2根樁體,中間加焊角鋼予以加固,既加強了樁的橫向穩(wěn)定性,也可作為澆筑墩帽的模板支架基礎。每根樁樁頂接Ф100cmC30鋼筋混凝土圓柱,柱頂澆注C30鋼筋砼墩帽(尺寸為1.2m×1.0m×13m)。圓柱及墩帽的尺寸及配筋參照其他橋梁設計,并經過受力驗算,滿足承載要求。2.2下導梁和門型桁架的拼裝主橋跨中120m,采用西乙型萬能桿件組拼成上下游2道下導梁,寬高各為2m,導梁中心線位于拱肋中心線正下方,并與墩帽中預埋鋼板固定,在縱向起到連接各支墩的作用,增強了整個拱架基礎的穩(wěn)定性。兩岸邊跨各24m段落內的導梁,根據拱肋拱腳段底板高程、拱腳段圍堰穩(wěn)定性及受力荷載的要求等因素,拼裝成1~3層結構形式。對應正下方灌注樁位置,在導梁上用萬能桿件組拼截面2m×2m立柱,高度盡可能接近拱腹下弧線,以減少木拱盔數量。各柱頂用萬能桿件拼裝成連續(xù)門型鋼桁架,上下游兩排桁架之間用萬能桿件及特制角鋼構件拼接成橫梁,將上下游桁架連成整體,以增加桁架的橫向穩(wěn)定性。下導梁及門型桁架的萬能桿件種類及數量除按萬能桿件拼裝基本要求配置外,另按全部拱肋自重及模板、木拱盔、人群荷載、萬能桿件自重等全部加載時萬能桿件的受力情況,根據線性靜力計算程序“QCS”進行計算后確定。另在桁架各轉角處,布設斜向連接桿件,以增加桁架的穩(wěn)定性,減小桁架跨中撓度。2.3木錨桿拱肋支架設計在萬能桿件下導梁及門式桁架組成的支架頂面各節(jié)點(對應萬能桿件豎向弦桿,每2m1個)上設置一個拱架卸落設備(30cm×30cm×16cm螺栓組合硬木楔),各塊木楔在順橋向用400cm×12cm×16cm(中間三跨用12cm×14cm)方木作為拉梁連接,并通過拉梁用Ф14鋼拉條加螺栓將木楔及拉梁固定在萬能桿件桁架上。木楔上方采用方木作為拱盔立柱,每條拱肋橫向設3排立柱,南北岸拱腳段各6.5m及第一跨立柱采用16cm×16cm×390cm方木,中間三跨采用14cm×14cm×390cm方木,縱橋向每兩根立柱之間采用2根與立柱同等截面的方木作為斜撐。立柱與立柱及斜撐之間用8cm×10cm方木作為水平夾木及剪刀撐,并采用Ф14螺栓與立柱連接。立柱與斜撐頂部為16cm×14cm弓形木,每2m1根,以便與立柱及下端鋼支架節(jié)點對應,并盡量與拱腹線吻合。弓形木上方用14cm×14cm方木作為橫梁,間距30cm,橫梁上方鋪設1.2cm厚的底模板。立柱、弓形木、斜撐及拉梁等之間采用雙面角鐵加Ф14螺栓或馬釘連接。木拱盔結構參見圖1,現澆主拱肋復合支架立面圖如圖1,圖2為Ⅰ-Ⅰ斷面圖,圖3為Ⅱ-Ⅱ斷面圖。為了美觀考慮,主拱肋拱箱底模板采用厚1.2cm的膠合板,側模板采用后1.2cm的膠合板。拱箱內模板采用一般的模板制作,內外模板采用拉條及橫木等加固。2.4安裝模板及施工方法為了方便支架施工,加快支架施工進度,在橋梁兩岸之間架設一組最大吊重18t的工作索,索跨160m,索塔高36m,主索采用2組Φ47.5鋼絲繩。南岸塔架搭設在引橋3#墩空心板上方,北岸塔架架設在勞教所右側地面平臺上。工作索配置快速卷揚機,主要用來吊裝萬能桿件桁架、木拱盔及運送混凝土,也可用來拱肋澆筑后安裝主橋橋面系的縱橫梁及微彎板等。在支架施工時,先進行橋頭片石拋填、平整,搭拼支架兩端1#及6#貝雷片支墩,同時采用方舟組拼水上鉆機工作平臺,進行水中2#~5#支墩的鉆孔灌注樁施工,然后進行上方的鋼筋混凝土接柱及墩帽等施工。上下游萬能桿件下導梁、立柱及門架在岸邊按設計圖分片拼裝,每拼成2節(jié)后,采用工作索吊至相應拼裝位置拼接成型。在拱架基礎及下部構造施工的同時,在水平地上按1∶1比例測放出半條拱肋底腹線及木拱盔各桿件大樣,再根據大樣進行制作。拱肋底腹線標高為設計標高與施工預拱度之和。木拱盔安裝時,先在南岸引橋上按順序預拼成組件后利用工作索吊運至鋼支架上方對應位置拼裝,大大加快了施工速度。整個復合支架采用流水施工法,上下游同時進行,從南岸一直往北岸延伸,直至完成。3鋼筋混凝土的主拱的現埋3.1主拱肋的變形控制因拱肋凈跨達133m,每條肋混凝土量約285m3,為減少混凝土的收縮應力和拱架變形帶來的影響,主拱肋采取分環(huán)、分段對稱澆注、分環(huán)合攏的方法。3.1.1澆筑階段的壓力和變形主拱肋澆筑分段長度主要依據以下2個方面來確定:(1)首先要考慮到施工單位的施工能力,根據施工單位砼的生產能力,每段主拱圈澆筑時間控制在15~20h內,在砼初凝前,本段砼澆筑必須結束。只有這樣才能保證澆筑過程中引起的支架變形對砼不產生裂縫。(2)充分考慮施工支架的結構特點及在澆筑砼過程中的受力狀態(tài)與變形情況,以及變形對已澆筑成型拱段應力的影響。根據上述2個原則,碧口大橋沿拱軸方向將每條主拱肋劃分為7段,中間設間隔槽,間隔槽設在兩道橫隔板(吊桿處)之間,每道間隔槽寬為100cm。具體分段情況見圖4。3.1.2混凝土澆筑變形大跨度鋼筋混凝土拱橋有支架施工,不僅要保證施工支架的強度和剛度,而且要保證支架的整體穩(wěn)定性,因此,在確定主拱肋混凝土澆筑順序時,要充分考慮主拱肋混凝土澆筑與支架變形之間的相互影響關系,防止支架異常變形,破壞主拱軸線,甚至產生混凝土裂縫,同時遵循“分環(huán)、分段對稱澆注、分環(huán)合攏”的澆筑方案,確定主拱肋混凝土澆筑程序,以支架在混凝土澆筑過程中受力和發(fā)生的變形幅度最小為原則。根據主拱肋分環(huán)分段情況,結合本橋施工支架構造特點,按照均衡對稱加載和保證支架的整體穩(wěn)定性原則,通過對拱肋的各種澆注順序進行模擬加載,采用“QCS”軟件進行支架受力分析比較,在不同的砼澆筑順序下,各桿件和節(jié)點的應力相差很小,但按圖4的順序澆筑混凝土過程中各結點所產生的撓度值最小,故確定出主拱肋每環(huán)砼最優(yōu)澆筑順序為:拱腳1號和1′號段→拱頂4號段→中間3號和3′號段→中間2號和2′號段。詳見圖4主拱肋分段及砼最優(yōu)澆筑順序示意圖。3.1.3混凝土澆筑及澆筑主拱肋混凝土澆筑時,先分段澆筑拱肋底板混凝土至下倒角上,然后分段澆筑拱肋腹板砼至上倒角上,橫隔板砼與腹板砼整體澆筑,最后一環(huán)澆筑頂板砼。在拱腹板砼澆筑完成后將底板先行合攏,在頂板砼澆筑完成后,澆筑腹板各分段點砼,將腹板合攏?；炷翝仓r拱肋兩端對稱進行,澆筑程序見圖4。拱肋頂板模板安裝時,在每兩道橫隔板之間應預留一個50cm×100cm孔洞,以便內模拆除,最后用吊模封洞。為保證拱架的橫向穩(wěn)定性和施工安全,上下游兩條拱肋的混凝土澆筑應交叉進行,如上游拱肋底板→下游拱肋底板→上游拱肋腹板→下游拱肋腹板→上游拱肋頂板→下游拱肋頂板。三角箱梁和X橫撐的砼澆筑工作應在兩拱肋澆筑合攏后,拱架卸落前搭設支架、安裝模板、鋼筋后進行混凝土澆筑。3.2拱架卸落裝置拱架卸落及拆除是主拱肋現澆施工的最后一道關鍵工序,在主拱肋混凝土全部澆筑完成并養(yǎng)護達到設計強度要求后,便可按照預定程序進行拱架卸落作業(yè)。碧口大橋拱架卸落裝置采用螺栓組合硬木楔,用以調整標高和落架。上下游兩條拱肋中間120m拱架部分有螺栓組合木楔61×3×2=366個,加上拱腳段的組合木楔,全橋共有木楔400多個,因此拱架卸落點也多達400多個。由于卸落點多,難以達到多點同步均勻地進行卸落。經計算分析,確定拱架卸落的原則如下:拱架在橫橋向必須同時均勻卸落,在縱橋向從拱頂向拱腳逐排卸落,并保持上下游兩條拱肋的拱架卸落同步對稱進行。3.2.1拱架各卸落點的卸落量h根據碧口大橋拱架設計時的施工預拱度計算可知,拱架各卸落點的卸落量h由兩部分組成,即主拱圈脫架后所產生的彈性變形量Δ1和拱架的彈性變形量Δ2之和。經計算可得,拱頂最大卸落量達9cm。3.2.2檢查是否可以卸落拱架為使拱體逐漸均勻降落和受力,各點卸落量分3次循環(huán)進行,每個階段的降落量為Δh=h/3(h為總降落高度),各次和各循環(huán)之間應有一定的間歇。卸架的時間宜在白天氣溫較高時進行,這樣能夠便于卸落拱架。拱架卸落程序如下:第一步:卸落拱架第3號支墩至第4號支墩范圍內的拱頂段拱架,卸落量為3cm;卸落拱架第2號支墩至第3號支墩及第4號支墩至第5號支墩范圍內的拱架,卸落量為2cm;卸落拱架第1號支墩至第2號支墩及第5號支墩至第6號支墩范圍內的拱架,卸落量為1cm。第二步:重復第一步中拱架卸落順序及卸落量。第三步:再次重復第一步中拱架卸落順序及卸落量,使拱肋底模板與主拱圈完全脫離。根據落架過程中的測量結果可知,理論分析值與實測值比較接近,說明落架方案是可行的。3.2.3利用工作索吊運,加快清除速度拱架卸落時從拱頂分別對稱進行,拆除工作根據后安裝先拆原則分層進行,并利用工作索吊運,加快拆除速度。在木拱盔、萬能桿件下導梁及門型桁架全部拆除后,利用墩帽及樁柱中預留孔洞,炸除灌注樁基礎及墩帽等,拆除兩岸貝雷支墩及拋石圍堰體等,清理河道。4質量方面的作用本文結合福建省三明碧口大橋工程施工的實際情況,探討了大跨度鋼筋砼拱橋主拱肋復合支架的設計與施工技術、主拱肋混凝土現澆施工程序