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(lái)，這種類(lèi)型的拱橋在中國(guó)得到了進(jìn)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(dá)到幾米，單個(gè)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(gè)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(guó)大橋橫跨拱橋的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)與支架形狀密切相關(guān)的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，本文對(duì)鋼筋混凝土拱橋的設(shè)計(jì)進(jìn)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(wú)鉸拱,凈跨徑L0=220m,凈矢高f0=40m,矢跨比f(wàn)0/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?yàn)閮砂敕跋?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(mǎn)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(wàn)能桿件拼裝成臺(tái)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(biāo)高,保證拱軸線的成形及落架時(shí)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(chǎng)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(shí)間,首先要保證下層砼強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上,其次要考慮上、下層砼澆筑時(shí)間不同,其砼收縮應(yīng)變不同,這會(huì)在截面上產(chǎn)生附加應(yīng)力,澆筑間隔時(shí)間越長(zhǎng),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(shí)間變化的,它的增長(zhǎng)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(xué)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(yàn)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(zhǎng)速度系數(shù)β=0.03876在砼分層澆筑過(guò)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(dāng)縱向纖維之間不受約束,能自由伸縮時(shí),沿拱箱高度各點(diǎn)的相對(duì)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(shí)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(wú)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(duì)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(shí)間應(yīng)使砼收縮應(yīng)力小于砼的抗拉應(yīng)力.對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)強(qiáng)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(zhǎng)度和準(zhǔn)備過(guò)程2.1主拱圈及拱腳段段劃分主拱圈澆筑分段長(zhǎng)度主要依據(jù)以下兩個(gè)方面來(lái)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(shí)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(guò)程中引起的支架變形對(duì)砼不產(chǎn)生裂縫.2)充分考慮施工支架在澆筑砼過(guò)程中的受力狀態(tài)與變形情況,以及變形對(duì)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(gè)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(jiàn)圖3.2.2主拱圈澆筑施工過(guò)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(diǎn),按照均衡加載原則,確定了主拱圈澆筑程序(圖3),并對(duì)主拱圈澆筑施工過(guò)程中支架的受力進(jìn)行了仿真分析.2.2.1模型設(shè)計(jì)及處理為了準(zhǔn)確地模擬整個(gè)施工支架的受力,計(jì)算按半幅橋的支架來(lái)建立模型.考慮到空間建模太過(guò)繁雜,而且平面模型也可達(dá)到計(jì)算精度,故建立平面模型進(jìn)行受力分析.按平面計(jì)算時(shí),由于支架橫向連接較強(qiáng),可視為共同工作.因此,可將每跨8片軍用梁視為一體,5個(gè)軍用墩、4片縱系梁、5片萬(wàn)能桿件、10片碗口支架也都視為一體.整個(gè)計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為2776個(gè),單元數(shù)為5947個(gè),其中桁架單元為2736個(gè),梁?jiǎn)卧?211個(gè).為了模擬拱圈澆筑時(shí)施工支架的受力情況,在模型中加入了模板單元.通過(guò)模板單元容重的改變來(lái)模擬拱圈加載時(shí)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(méi)有彎矩和剪力.軍用梁、縱系梁、軍用墩、萬(wàn)能桿件等其他各桿件均處理為梁?jiǎn)卧?能承受軸力、彎矩和剪力.各萬(wàn)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(hào)段液壓工況計(jì)算時(shí)根據(jù)圖3主拱圈加載程序劃分了14個(gè)計(jì)算工況:工況1:澆筑1號(hào)段砼后;工況2:澆筑2號(hào)段砼后;工況3:澆筑3號(hào)段砼后;工況4:澆筑4號(hào)段砼后;工況5:澆筑5號(hào)段砼后;工況6:澆筑6號(hào)段砼后;工況7:澆筑7號(hào)段砼后;工況8:澆筑8號(hào)段砼后;工況9:澆筑9號(hào)段砼后;工況10:澆筑10號(hào)段砼后;工況11:澆筑11號(hào)段砼后;工況12:澆筑12號(hào)段砼后;工況13:澆筑13號(hào)段砼后;工況14:澆筑14號(hào)段砼后;因施工間隔槽重量較小,故將其重量加到每段中進(jìn)行計(jì)算.2.2.3計(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,軍用墩、軍用梁的最大應(yīng)力達(dá)設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的82%和88%;萬(wàn)能桿件的最大應(yīng)力達(dá)設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的81.6%;碗扣支架的最大應(yīng)力達(dá)設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的40%.各桿件的強(qiáng)度是滿(mǎn)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(jì)算各落架點(diǎn)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(jì)算可得,拱頂最大卸落量達(dá)9cm.3.2施工支架卸落許溝大橋的拱架設(shè)計(jì)中采用了碗扣式支架頂端設(shè)可調(diào)托撐,用以調(diào)整標(biāo)高和落架,那么上、下半幅各拱圈落架點(diǎn)多達(dá)2800個(gè)點(diǎn)(每排橫向10個(gè)可調(diào)托撐,縱向共280排),對(duì)于如此多的落架點(diǎn),就不可能達(dá)到各點(diǎn)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(fù)合體系用多種方法進(jìn)行計(jì)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(shí)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(duì)稱(chēng)進(jìn)行.根據(jù)這個(gè)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(hào)軍用墩至第5號(hào)軍用墩范圍內(nèi)的支架,125～133號(hào)桿卸落量3cm.卸落第3號(hào)(第5號(hào))軍用墩至第4號(hào)(第6號(hào))軍用墩范圍內(nèi)的支架,110～124號(hào)桿卸落量2cm,100～109號(hào)桿卸落量1cm.第2步:再次卸落拱頂?shù)?號(hào)軍用墩至第5號(hào)軍用墩范圍內(nèi)的支架,125～133號(hào)桿卸落量3cm.再次卸落第3號(hào)(第5號(hào))軍用墩至第4號(hào)(第6號(hào))軍用墩范圍內(nèi)的支架,110～124號(hào)桿卸落量2cm,卸落第1號(hào)(第6號(hào))軍用墩至第3號(hào)(第8號(hào))軍用墩范圍內(nèi)的支架.48～109號(hào)桿卸落量1cm.第3步:從拱頂開(kāi)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(guò)程中的測(cè)量結(jié)果,理論分析與實(shí)測(cè)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(wèn)題不僅要保證施工支架的強(qiáng)度和剛度,而且要保證支架的整體穩(wěn)定性,尤其對(duì)于復(fù)合式支架,在結(jié)構(gòu)受力