關于上承實腹式拱橋施工幾點問題的研究

柳傳飛 陳 潔

工程概況：拱圈采用等厚度拱板結構，拱軸線采用圓弧線，除主拱圈厚度為0.4m以外，其他跨拱圈厚度為0.35m，拱圈寬17.05m，拱圈計算跨徑分別為 11m、12m、13m、12m、11m，計算失高分別為 5.5m、6m、6.5m、6m、5.5m，矢跨比均為1/2，拱圈為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C40，拱腳設C30護拱。

1 拱架理論驗算及其搭設過程中存在的技術、管理問題

拱架的核心任務是保證現澆結構的安全并與施工總體進度相匹配，現澆施工橋梁的支架根據橋下通航或通車情況可分為：滿堂支架、立柱——托梁支架，而根據支架的組成構件可將支架分為：鋼管扣接腳手架、門式腳手架、貝雷桁架、萬能桿件以及特殊加固支架。根據現場實際情況（后期因濕地生態公園水系綜合調整為水上橋）本工程采用當前使用較為普遍的碗扣式支架作為拱圈的主受力構件——現澆拱架（圓曲線或二次拋物線型），由于拱圈底模、支架上各點壓應力均斜指向圓心的受力特點，根據力學原理各斜向力均可分解為豎向及水平分壓力，因此除普通立桿外斜桿設置尤為重要，稍有疏忽必將導致拱圈底模板局部變形，尤其兩側1/4拱跨處常出現凹凸圓弧型，經驗證明除了對受力較為復雜的斜桿進行驗算、主次梁設置到位外、斜桿及其掃地桿必須全部落地并與立桿扣接，在加強拱架整體性的同時更有利于改善拱圈側面的實際受力狀況，方能保證圓弧拱圈拆模后順滑的外觀線型。筆者認為：從提高拱架安全穩定保證系數的角度出發，應遵從結構實際受力狀態而建模，通過應用軟件建立三維空間立體圖形，將實際材檢參數逐項帶入而得出具體的支架搭設方式。同時作為設計單位也應從工程安全性角度考慮對模板支架系統進行初步設計和穩定性驗算后給出相對較為簡單且便于實操的建設性意見。這里首推東南大學建筑系自主研發的《結構力學求解器》，在精確計算結構內力方面具有較高的準確度和優越性。近年來頻發的現澆支架倒塌事故固然和支架驗算有一定的關聯，但其本身的材質、實際是否按方案進行搭設（即管理問題）以及現行行規的不合理等也是不容忽視的原則性問題。一方面，支架鋼管驗算均按照外徑48mm，壁厚3.5mm進行的，而鋼管在經過多次反復周轉使用后壁厚2.8～3.0mm，這種鋼管截面慣性矩損失在7～13%左右，如果銹蝕嚴重，其驗算取值將更小，無疑增加其安全隱患。因此，對于進場的每一批管材都應按照規范要求進行外檢，以檢測其壁厚及相關技術參數從而確定實際單桿承載力。另一方面，現行的行業規范《建筑施工腳手架安全技術統一標準》（GB51210-2016）雖經多次修改，但部分規定仍然缺少合理性和現實的可操作性，諸如：支架底部掃地桿離地距離，支架頂部懸挑長度，縱、橫水平剪刀撐在橫梁加密區的搭設間距等。部分條文的不切實際必將造成從業者疑惑、抵觸心態，更是給施工、社會第三方及行業監管方造成有行規卻基本無法實施的矛盾尷尬局面，關于此問題呼吁行業主管部門根據當前市場的實際狀況，盡快研究制定新的規范標準，使部分數據理性回歸、讓行業規范回歸行業本源，實現真正意義上的“理論指導實踐”。

2 拱腳鋼筋密集不易搗實，拱頂混凝土塑性沉降而變形開裂

因本項目橋梁屬普通的上承式鋼筋混凝土實腹式板拱橋（超靜定結構），為了抵抗拱腳處承受的較大水平推力，設計通常在拱腳處采用鋼筋加密的方式，諸多類型鋼筋密布而縱橫交錯，為了保證混凝土振搗達到預期效果，通常做法根據振搗棒的作用半徑將鋼筋和模板預留操作孔，然而局部區域連50振搗棒都無法正常伸入，為了施工操作方便，一般按照100cm間距進行設置，同時可通過外加劑改變混凝土拌合物流動性兼具自密性（坍落度值一般控制在140～180mm），自拱腳至拱頂對稱平衡澆筑，嚴格按照澆筑一段振搗一段封閉一段的方式循環推進。由于拱頂后澆帶混凝土澆筑后初凝前骨料的塑性沉降變形，致使拱頂表面出現橫向收縮裂紋。對于該問題筆者認為應從以下幾個方面進行改進：①在B節段混凝土接近初凝前即進行C節段的混凝土澆筑；②C節段應采用UEA微膨脹混凝土；③C節段澆筑至初凝后再進行二次復振，然后快速人工壓面；④拱頂混凝土澆筑完成后須進行拉毛并及時進行成品保護；⑤、C節段合攏混凝土澆筑應在一天中溫度較低的時間段內完成。

圖1

3 拱圈縱向受力主筋保護層厚度兩側、上下不對稱

拱圈縱向主筋保護層厚度工前合格率約為95%，而工后成品檢測合格率僅為55%左右，分析總體數據呈現圓弧兩側不對稱趨勢（即一側偏大，另一側必偏小），前、后較大數值差異的主要原因分析如下：①鋼筋主材為彈性線性體，混凝土不能保持對稱澆筑，一側或底部受壓后另一側或上部將發生彈性形變（保護層偏大）；②目前市場普遍采用的鋼筋保護層墊塊為高強砂漿墊塊，但由于綁扎安裝不到位及砂漿墊塊自身的質量問題，常常在較高的混凝土布料沖擊力下造成墊塊滑移、個別倒伏甚至是壓碎剝落（保護層偏小）；③鋼筋連接過程中由于溫度的不均勻極易造成焊接過程中局部翹曲形變（保護層偏大）。諸多影響因素致使拱圈鋼筋保護層厚度很難控制到理想狀態。筆者根據本項目質量管控經驗總結如下幾點方法：①背面模板設置鋼筋或墊塊支撐；②鋼筋連接宜優先采用機械或CO2氣體保護焊連接方式；③采用鋼筋馬鐙、高強砂漿墊塊混合保護層；④混凝土澆筑前采用型鋼梁進行壓模反扣；⑤嚴格保持混凝土對稱平衡澆筑工藝。

4 拱圈底部（接近拱腳）容易出現縱向裂紋

由于拱橋自身受力特點，在理想狀態下拱腳處承受豎向、水平反作用力，然而由于承臺等基礎的不均勻沉降在拱腳處產生的位移或轉角、因恒載作用、混凝土收縮徐變以及拱圈混凝土產生彈性壓縮使拱軸線縮短等各種原因衍生的次生內力極易在拱腳處形成應力集中區域，當內應力的合力超過混凝土極限抗拉強度時便在拱腳部位出現環狀裂縫，直到結構內部應力處于平衡狀態后這種裂縫才能趨于停止。另外，對于拱式實腹板環向混凝土結構均承受壓應力，垂直方向上的單向板承受較大的混凝土收縮徐變拉應力影響，通過以上諸多原因分析得出主承重拱圈底部出現縱向裂縫將在所難免，據不完全統計在地質情況不良地區，95%以上的拱橋均存在類似的質量通病問題。然而筆者認為：在設計或施工工藝上的優化與完善，對限制裂縫的分部狀態與發展趨勢將大有裨益，盡管《混凝土結構設計規范》中根據結構物及所處環境等級對裂縫寬度有嚴格要求（三類環境及結構最低≤0.2mm），本橋拱圈寬度達到17.05m，根據《公路橋涵施工技術規范》（JTGTF50-2011）的要求，理論上對于無鉸拱超靜定寬幅拱橋應按照4～6m沿拱軸線方向至少應設置2道沉降縫；同時考慮上承式拱橋橋面通車的連續性，應在主拱圈上部設置蓋縫板（混凝土材料+有機合成材料）。在原設計的基礎上可考慮增設水平防裂構造鋼筋，加密區域自拱腳向上單側范圍為1/4拱跨，這些措施將大大減少拱圈底部縱向裂縫分部的密度和深度。

5 橋臺臺后防護塊側墻工后沉降大

因拱腳的受力特性，設計通常的做法是在拱腳橋臺后設置防滑快以平衡拱腳的水平推力，由于防滑塊采用片石混凝土或素混凝土等擴大淺基礎、拱腳采用鉆孔灌注樁深基礎，兩者的設計目的及其受力結構體系存在本質性的差異，工后沉降速率自然有差異。由于6號拱橋為五跨連續拱且地質條件較差，0#橋臺臺后防滑塊較拱上側墻近6m，臺后回填后產生23cm沉降值，通過防滑塊及其臺后路基的等載預壓、防滑塊頂部二次加高等方式予以解決。為了避免該質量問題的再次發生，筆者認為解決和預防該問題的方式應包括以下兩個方面：若拱腳及其臺后基礎結構形式相異，則待防滑塊側墻分段施工至最后一段后應暫停施工，將臺內及其臺后全部回填（長度為8～10m）即可進行超載預壓，待沉降穩定后再進行防滑塊兩側上部最后一段側墻的施工作業；若拱腳及其臺后基礎結構形式相同，預壓工序應根據工程樁深基礎的實際形式予以確定。從經濟、合理化角度出發，對于預防高填方工后沉降的方式仍應從回填材料及施工工藝兩方面進行優化改進。

6 結束語

（1）拱架理論驗算應從立足工程實際，從結構安全保證度出發，在三維空間網架立體結構體系技術尚未全面掌握和熟練應用的前提下，應優先考慮實際建模的平面結構體系；同時對于拱架實際搭設應重點關注與審批方案的一致性以及工人的專業性。

（2）拱腳鋼筋加密區不易振搗密實、拱頂合攏段混凝土塑性裂紋應從混凝土拌合物的和易性、施工工藝的合理性角度提前預判和優化。

（3）鋼筋保護層已成為混凝土結構主控項目（關鍵指標），如何突破當前施工水平，應從設計、施工優化的角度進行全面考慮，從而保證混凝土結構的耐久性。

（4）拱圈底部縱向裂縫已成為實腹式拱圈常見質量通病，應通過優化設計及加筋補強等方式予以防控，使裂縫受控直至消亡，提高拱橋結構的使用壽命。

（5）拱內回填及臺后沉降等質量通病問題應本著“實事求是、措施得當、及時消除”的原則，從“四新”出發優化設計、立足實際改進工法予以解決。