鋼筋混凝土拱橋拱架現(xiàn)澆施工技術(shù)研究

陳磊

摘要：近年來，拱架施工法在我國山區(qū)地帶得到了廣泛應(yīng)用，本文對目前工程上常采用的拱架類型以及混凝土澆筑的分段長度進(jìn)行了討論。以河洋大橋的監(jiān)控項目為依托，以最終的監(jiān)控數(shù)據(jù)驗證了該分段長度的方法是合理的，在類似跨徑的鋼筋混凝土拱橋中該方法可以借鑒。

中圖分類號： TU37文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

關(guān)鍵詞：拱架施工法；分段長度；鋼筋混凝土拱橋

1 拱架現(xiàn)澆技術(shù)研究現(xiàn)狀

拱橋在我國有著燦爛的文化，早期的混凝土拱橋主要采用拱架法施工，隨著轉(zhuǎn)體施工法、纜索吊裝法等出現(xiàn)，拱架法施工逐漸減少。近年來，在我國多山川峽谷一帶，由于受到地形限制，支架法施工又備受青睞。

拱架現(xiàn)澆的關(guān)鍵技術(shù)問題有兩方面：一是拱架構(gòu)造的優(yōu)化。如張興華對貝雷拱架做了優(yōu)化設(shè)計，張小花在《大跨度可調(diào)式無支墩鋼拱架施工混凝土拱橋技術(shù)》一文中探討了雙層桁架式“六四”式軍用梁拱架在拱橋施工中的應(yīng)用，劉泗平對現(xiàn)有三種常用拱架進(jìn)行了力學(xué)性能上的比較。歸結(jié)起來，目前尚且以常備的不同類型的鋼桁架為基本單元，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)。

二是如何劃分混凝土澆筑長度和控制拱架變形。國內(nèi)外在以往的拱圈混凝土澆筑過程中采取了不同方法，如地錨法、壓水箱法、斜拉扣索法和多工作面法。前三種方法均借助外力來控制拱架變形，以實現(xiàn)混凝土的連續(xù)澆筑，第四種則利用自身混凝土重量來調(diào)整鋼拱架線形，但混凝土不能連續(xù)澆筑，而且施工時間長，后期徐變收縮量大。不論采取何種方法，母的都是避免拱架出現(xiàn)上下反復(fù)變形導(dǎo)致混凝土的開裂。蔣云峰研究了支架現(xiàn)澆時拱架與混凝土的聯(lián)合作用，黃澤權(quán)等利用影響線開展了石拱橋拱石砌筑加載程序分析，但均未給出加載程序的分析方法[1]。張敏等利用應(yīng)力影響線分析了鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土灌注階段應(yīng)力調(diào)整方法[2]。

2 拱架構(gòu)造形式

拱架是支架施工中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。對于鋼筋混凝土而言，目前采用最多的是鋼拱架。目前主要采用滿布式拱架、軍用鋼橋桁架組拼拱架和定型拱架。

2.1 滿布式拱架[3]

滿布式拱架分為滿堂立桿式拱架和撐架式拱架。滿堂立桿式拱架主要由拱盔、支架和卸架設(shè)備組成，拱盔由立柱、斜梁、拉桿和斜撐組成，支架由立柱和橫向聯(lián)系組成，上下部之間放置卸架設(shè)備，如木楔或砂筒。

為了減少數(shù)量眾多的立桿，保證橋孔下有足夠的通航空間，減少漂流物的影響，用少數(shù)框架式支架加斜撐來取代滿堂立桿式拱架的立桿，形成撐架式拱架。其優(yōu)勢較滿堂立桿式拱架明顯，因此在實際工程中采用較多。另外，拱架還需要對強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗算通過后才能應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中。

2.2 軍用鋼橋桁架組拼拱架[4]

2.2.1 “321”公路鋼橋桁架

我國戰(zhàn)備公路鋼橋，名為“321”公路鋼橋，單片的矩形貝雷片（3×1.5m）是構(gòu)成貝雷架的標(biāo)準(zhǔn)單元，如圖1所示。貝雷片由上、下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成，上下弦桿端部都有陰陽接頭。弦桿由兩根槽鋼背靠背組合而成，其材料為16錳鋼。拼裝中為擬合實際形狀的需要，還有拱腳構(gòu)件、梯形構(gòu)件和異性桁架構(gòu)件等。貝雷拱架具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，而且單片貝雷片重量較輕，運(yùn)輸方便，架設(shè)拆卸快捷。

2.2.2 “六四”式鐵路鋼橋桁架

“六四”式鐵路鋼橋桁架，又名“六四”式軍用梁，由我國自行研制，與貝雷架有著很多共性，便于運(yùn)輸，易于拼裝拆卸，適用性強(qiáng)及可重復(fù)使用等優(yōu)點。利用“六四”式軍用梁拼裝拱架，可采用兩種形式：一種是單排桁架式。弦桿長短不一，盡管標(biāo)準(zhǔn)制式中提供了不同尺寸的弦桿，有時還需根據(jù)實際需要定制。而且承受壓應(yīng)力的下弦桿長細(xì)比較大，需特別注意施工過程中發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象。另一種是雙排桁架式。其梁高為單排的兩倍，較單排桁架式承載力明顯增大，而且專門定制的變曲率調(diào)節(jié)構(gòu)件，可以通過螺栓在橢圓孔中的滑動來實現(xiàn)一定程度上的微調(diào)，也避免了下弦桿長細(xì)比過大所帶來的風(fēng)險。相比單排桁架式，雙排桁架式性能較好，但對曲線擬合程度依然不夠理想。

2.3 可調(diào)式鋼拱架

可調(diào)式鋼拱架構(gòu)造形式是在軍用鋼橋桁架組拼拱架的基礎(chǔ)上揚(yáng)長避短，演化而來。可調(diào)式鋼拱架由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和連接構(gòu)件拼接而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段下弦通過鋼銷連接，上弦固接，如圖2所示。其構(gòu)造上的區(qū)別，主要在于加大了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的尺寸，同時每個節(jié)段都增加了微調(diào)節(jié)裝置。與軍用鋼橋桁架組拼拱架比較，增大了節(jié)段的承載能力，微調(diào)裝置在曲線擬合上有了更大的優(yōu)勢。

圖1 貝雷片標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)造圖 圖2 可調(diào)式鋼拱架構(gòu)造圖

3 河洋大橋主拱圈支架現(xiàn)澆監(jiān)控

3.1 工程概況

河洋大橋跨越北盤江，連接貴州省普安縣與水城縣的公路橋梁。橋梁總長247.36m，橋?qū)?m+1.25m×2,縱坡為2.5%的單向縱坡。本橋主拱采用凈跨徑126m的箱型拱橋，凈矢跨比1/4，線形為拱軸系數(shù)為m=2.8的懸鏈線。

主拱圈為單箱三室截面，箱寬7.6m，頂?shù)装搴?5cm，頂、底板在拱腳設(shè)加厚20cm的漸變段。主拱采用C50混凝土現(xiàn)澆形成。拱上立柱采用方柱，根據(jù)高度不同斷面尺寸分別為1.2m×1.2m、1.0m×1.0m和0.8m×0.8m，采用C35混凝土澆筑。主橋面板為16×10m鋼筋混凝土預(yù)制空心板，板厚0.45m，采用C40混凝土澆筑。

3.2 主拱圈澆筑長度計算

3.2.1 分析模型

對于拱架及主拱圈的結(jié)構(gòu)計算，利用手算或解析法是非常難以實現(xiàn)的，借助計算機(jī)可以較為快捷地解決問題。本文即采用分析軟件ANSYS來進(jìn)行必要的計算。在拱架模型建立時，所有拱架桿件均采用BEAM44單元。拱架有限元模型如圖3所示。

3.2.2 分段長度的計算

限于篇幅，考慮到底板強(qiáng)度達(dá)到以后，可與拱圈協(xié)同受力，故腹板和頂板混凝土澆筑時的位移較小，本文只針對最關(guān)鍵的施工階段——底板混凝土澆筑過程的分段長度計算。利用編制的專用程序進(jìn)行計算。首先，繪制各關(guān)鍵截面撓度（UY）影響線，如圖4所示。

圖3 拱架有限元模型 圖4 主要截面撓度影響線

經(jīng)如上計算，得到如圖5所示的結(jié)果，拱腳段15.517m，拱頂段16.29m，中間段38.324m，兩岸依箭頭順序?qū)ΨQ澆筑。

圖5 主拱圈底板混凝土澆筑順序示意圖

3.3 主拱圈混凝土澆筑變形測試

標(biāo)高測點布置在各八分點截面的上下游位置。限于篇幅，僅討論拱腳段澆筑完畢、拱頂段澆筑完畢及底板澆筑完畢相對于底板鋼筋和模板搭設(shè)完畢狀態(tài)的撓度，實測數(shù)據(jù)取上下游平均值。實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)見表1所示。

表 1 混凝土澆筑各階段相對撓度理論值與實測值

3.4 數(shù)據(jù)分析

圖6 拱腳段澆筑完畢相對撓度值 圖7拱頂段澆筑完畢相對撓度值

圖8底板澆筑完畢相對撓度值

從表6~表8可以看出，實際的位移要比計算位移小，實際的位移變化幅度也比計算值小。但都控制在2cm以內(nèi)。由于現(xiàn)場施工條件限制，纜吊運(yùn)行速度緩慢，拌合設(shè)備單位拌合量較小，導(dǎo)致實際澆筑過程緩慢，較早澆筑的混凝土已經(jīng)出現(xiàn)初凝，達(dá)到一定強(qiáng)度，其剛度對變形也起到阻礙作用。這是澆筑拱頂段及中間段完畢時的位移變化比理論值小的主要原因。

4 結(jié)語

拱架現(xiàn)澆施工，目前最適跨徑在100m~150m左右范圍。這種施工技術(shù)已經(jīng)十分成熟，然而工不厭精，對于施工過程有待進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)成最優(yōu)的成橋狀態(tài)。還可探討其他加載方案，以及其他分段長度的確定方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃澤權(quán)，梅蓋偉，楊興.拱橋有支架施工加載程序優(yōu)化設(shè)計[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報，2009，28(1):23-25

[2] 張敏，周水興，胡免縊.鋼管混凝土拱橋施工控制原理與控制分析算法研究[J].公路交通科技,2003,20(2):39-42

[3] 顧安邦,向中富 .橋梁工程(下冊)[M].第二版.北京：人民交通出版社.2011

[4] 黃紹金，劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京:人民交通出版社，2001.