大跨鋼筋砼拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

大跨鋼筋砼拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

近年來，這種類型的拱橋在中國得到了進一步發(fā)展。在一些季節(jié)河流中，本拱橋的建設(shè)采用了有支架的施工方法。隨著這座橋的橫跨直徑的增加，主拱的高度達到幾米，單個主拱的施工變得困難。因此，客觀上，支架應(yīng)分層、分段建造混凝土，并逐個連接。在結(jié)好后，然后拆除框架，最終形成主拱。作者主要研究了我國大橋橫跨拱橋的三個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是如何確定主拱的層高與每層之間的施工間隔。主拱的分段長度和砌塊的確定是不同的。由于不同的支架結(jié)構(gòu)，不同的分段長度和砌塊的劃分以及不同的主拱的不同拱的施工程序，因此，這是一個與支架形狀密切相關(guān)的問題。為了簡化這一問題，本文對鋼筋混凝土拱橋的設(shè)計進行了如下討論。許溝大橋主跨為鋼筋砼等截面懸鏈線箱形無鉸拱,凈跨徑L0=220m,凈矢高f0=40m,矢跨比f0/L0=1/5.5,拱軸系數(shù)m=1.543,拱上建筑為13×17.5m預(yù)應(yīng)力砼空心板橋面連續(xù)及雙柱式排架(圖1).主拱在橫橋向為兩半幅拱箱,每半幅拱箱為單箱三室截面,寬9m,高3.4m.該橋采用了有支架施工方法,支架的形式為滿堂式支架,用制式軍用器材(六五式軍用墩和軍用梁)組拼成撐架梁式結(jié)構(gòu),在拱腳區(qū)段34m范圍內(nèi)用萬能桿件拼裝成臺階狀的結(jié)構(gòu)體系,其上則采用碗扣式支架,其目的主要是可方便調(diào)整標高,保證拱軸線的成形及落架時的方便.1主拱的分層高度和施工期間的確定1.1分層澆筑技術(shù)方案確定1)主拱圈分層澆筑要確保主拱圈的整體受力特性,分層面應(yīng)選在截面應(yīng)力變化幅度較小處,這樣可以使分層面的縱向剪應(yīng)力較小.2)充分考慮方便施工.根據(jù)現(xiàn)場施工條件,一次性澆筑存在底板、腹板不易振搗,腹板砼側(cè)壓力較大等原因,分層高度應(yīng)根據(jù)砼澆筑能力確定.3)采用分層澆筑施工方案,要有利于支架的受力和變形控制,合理的分層高度,不僅保證了施工支架的安全,而且使支架的變形較為均勻.4)確定各層砼澆筑間隔時間,首先要保證下層砼強度達設(shè)計強度80%以上,其次要考慮上、下層砼澆筑時間不同,其砼收縮應(yīng)變不同,這會在截面上產(chǎn)生附加應(yīng)力,澆筑間隔時間越長,截面上產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大.1.2拱箱截面的自應(yīng)力砼收縮是隨時間變化的,它的增長速度受到空氣濕度等條件的影響.假設(shè)收縮的變化規(guī)律相似于徐變變化規(guī)律,收縮應(yīng)變的數(shù)學模式用狄辛格(Dinehinger)公式表示如下,即εs(t)=εs(∞)[1-e-β(t-τ)](1)根據(jù)收縮試驗與相關(guān)規(guī)范可知:砼收縮應(yīng)變終值εs(∞)=0.00032砼收縮增長速度系數(shù)β=0.03876在砼分層澆筑過程中,由砼收縮不同所產(chǎn)生的主拱圈截面自應(yīng)力分析如下:取一單元拱段,拱箱高為H,寬為b,下層砼澆筑高度為h,當縱向纖維之間不受約束,能自由伸縮時,沿拱箱高度各點的相對自由變形(如圖2b))為:εs(y)=εs(t)(y≤h)εs(y)=0(h≤y≤H)但因拱箱的變形必須服從平面假定,所以截面實際變形后,應(yīng)在圖2c)的直線位置,即:εa(y)=ε0+χ·y(2)式中,ε0——沿拱箱y=0處的變形值;χ——單元拱段撓曲變形后的曲率.圖2d)中陰影部分的應(yīng)變,既由縱向纖維之間的約束產(chǎn)生:εσ(y)=εs(y)-εa(y)=εs(y)-(ε0+χ·y)(3)由εσ(y)產(chǎn)生的自應(yīng)力為:σs(y)=Eεσ(y)=E[εs(y)-(ε0+χ·y)](4)由于在單元拱段軸線方向上無外荷載作用,因此自應(yīng)力在截面上是自平衡狀態(tài)的應(yīng)力,可利用截面上應(yīng)力總和為零和對截面中心軸的力矩為零的條件,求出ε0與χ值.N=E∫hεσ(y)?b(y)?dy=E{∫hεs?b(y)?dy?ε0A?A?χ}=0M=E∫hεσ(y)?b(y)?(y?yc)?dy=E{∫hεs(y)?b(y)?(y?yc)?dy?χ?I}=0(5)Ν=E∫hεσ(y)?b(y)?dy=E{∫hεs?b(y)?dy-ε0A-A?χ}=0Μ=E∫hεσ(y)?b(y)?(y-yc)?dy=E{∫hεs(y)?b(y)?(y-yc)?dy-χ?Ι}=0(5)式中,A——拱箱截面面積;I——拱箱截面的慣矩.解(5)式得:ε0=1A∫hεs(y)?b(y)?dy?yc?χχ=1I∫hεs(y)?b(y)?(y?yc)?dy(6)ε0=1A∫hεs(y)?b(y)?dy-yc?χχ=1Ι∫hεs(y)?b(y)?(y-yc)?dy(6)將式(6)的結(jié)果代入式(4),得砼收縮產(chǎn)生的截面自應(yīng)力.截面自應(yīng)力的極大值發(fā)生在上、下層砼交界面處,確定兩層砼澆筑間隔時間應(yīng)使砼收縮應(yīng)力小于砼的抗拉應(yīng)力.對于許溝大橋拱箱截面,拱箱高3.4m,寬為9m,面積A=7.66m2;抗彎慣矩I=13.76m4,主拱圈砼分兩次澆筑,每層高1.7m,兩層砼澆筑間隔時間不大于14d.則,14d砼收縮應(yīng)變最大量:εs(14)=1.34×10-4代入式(6)計算得ε0=0.9469×10-4χ=-0.17625×10-4取C50砼彈性模量E=3.5×104MPa兩層砼交界面處(即拱箱截面中心線)的應(yīng)力σs=2.43MPa;頂、底面砼的應(yīng)力σs=1.38MPa;均小于砼的抗拉設(shè)計強度Rl=2.45MPa.由此可知,拱圈分兩層澆筑是合理的.2確定主拱的長度和準備過程2.1主拱圈及拱腳段段劃分主拱圈澆筑分段長度主要依據(jù)以下兩個方面來確定:1)首先要考慮到施工單位的施工能力,根據(jù)施工單位砼的生產(chǎn)能力,每段主拱圈澆筑時間控制在15～20h內(nèi),在砼初凝前,本段砼澆筑必須結(jié)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(chǎn)生裂縫.2)充分考慮施工支架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(yīng)力的影響.根據(jù)上述原則,許溝大橋沿軸向方向?qū)⒅鞴叭澐譃?3段,其中在拱腳區(qū)段34m范圍內(nèi)劃分為3段,在跨中區(qū)域每個軍用梁跨為1段共7段,段與段之間預(yù)留1m寬間隔槽,具體分段情況見圖3.2.2主拱圈澆筑施工過程中支架的仿真分析根據(jù)主拱圈分層分段情況,結(jié)合施工支架構(gòu)造特點,按照均衡加載原則,確定了主拱圈澆筑程序(圖3),并對主拱圈澆筑施工過程中支架的受力進行了仿真分析.2.2.1模型設(shè)計及處理為了準確地模擬整個施工支架的受力,計算按半幅橋的支架來建立模型.考慮到空間建模太過繁雜,而且平面模型也可達到計算精度,故建立平面模型進行受力分析.按平面計算時,由于支架橫向連接較強,可視為共同工作.因此,可將每跨8片軍用梁視為一體,5個軍用墩、4片縱系梁、5片萬能桿件、10片碗口支架也都視為一體.整個計算模型的節(jié)點數(shù)為2776個,單元數(shù)為5947個,其中桁架單元為2736個,梁單元3211個.為了模擬拱圈澆筑時施工支架的受力情況,在模型中加入了模板單元.通過模板單元容重的改變來模擬拱圈加載時的各種工況.模型中碗口支架單元處理為桁架單元,只能承受軸力而沒有彎矩和剪力.軍用梁、縱系梁、軍用墩、萬能桿件等其他各桿件均處理為梁單元,能承受軸力、彎矩和剪力.各萬能桿件及軍用墩與基礎(chǔ)的連接均為固定鉸支座.2.2.2澆筑4號段液壓工況計算時根據(jù)圖3主拱圈加載程序劃分了14個計算工況:工況1:澆筑1號段砼后;工況2:澆筑2號段砼后;工況3:澆筑3號段砼后;工況4:澆筑4號段砼后;工況5:澆筑5號段砼后;工況6:澆筑6號段砼后;工況7:澆筑7號段砼后;工況8:澆筑8號段砼后;工況9:澆筑9號段砼后;工況10:澆筑10號段砼后;工況11:澆筑11號段砼后;工況12:澆筑12號段砼后;工況13:澆筑13號段砼后;工況14:澆筑14號段砼后;因施工間隔槽重量較小,故將其重量加到每段中進行計算.2.2.3計算加載施工支架桿件等代荷載容重132kN/m3砼及模板等代荷載容重32kN/m32.2.4最大應(yīng)力的確定各工況桿件最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1.從計算結(jié)果來看,軍用墩、軍用梁的最大應(yīng)力達設(shè)計容許應(yīng)力的82%和88%;萬能桿件的最大應(yīng)力達設(shè)計容許應(yīng)力的81.6%;碗扣支架的最大應(yīng)力達設(shè)計容許應(yīng)力的40%.各桿件的強度是滿足要求的,施工支架在施工中是安全的.3主框架沉降方案的制定3.1拱頂卸落量計算各落架點卸落總量由兩部分組成即主拱圈裸拱的彈性變形△g與拱架的彈性變形量△e之和,即△=△g+△e,由計算可得,拱頂最大卸落量達9cm.3.2施工支架卸落許溝大橋的拱架設(shè)計中采用了碗扣式支架頂端設(shè)可調(diào)托撐,用以調(diào)整標高和落架,那么上、下半幅各拱圈落架點多達2800個點(每排橫向10個可調(diào)托撐,縱向共280排),對于如此多的落架點,就不可能達到各點同步均勻地卸落.為了獲得一種合理的卸架順序,將拱架與主拱圈組成的復合體系用多種方法進行計算比較,確定于下面的落架方案.支架卸落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,并保持左右兩側(cè)同步對稱進行.根據(jù)這個原則制定施工支架卸落程序如下(圖5):第1步:卸落拱頂?shù)?號軍用墩至第5號軍用墩范圍內(nèi)的支架,125～133號桿卸落量3cm.卸落第3號(第5號)軍用墩至第4號(第6號)軍用墩范圍內(nèi)的支架,110～124號桿卸落量2cm,100～109號桿卸落量1cm.第2步:再次卸落拱頂?shù)?號軍用墩至第5號軍用墩范圍內(nèi)的支架,125～133號桿卸落量3cm.再次卸落第3號(第5號)軍用墩至第4號(第6號)軍用墩范圍內(nèi)的支架,110～124號桿卸落量2cm,卸落第1號(第6號)軍用墩至第3號(第8號)軍用墩范圍內(nèi)的支架.48～109號桿卸落量1cm.第3步:從拱頂開始到拱腳全部卸落各立桿,卸落量均大于6cm.要求模板與主拱圈完全脫離.根據(jù)落架過程中的測量結(jié)果,理論分析與實測值比較接近.落架方案是可行的.4確定主拱圈分段澆筑順序1)大跨RC拱橋有支架施工的關(guān)鍵問題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,尤其對于復合式支架,在結(jié)構(gòu)受力