拱形結構試驗的滑動拱座施工技術研究

滕延鋒

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 研究背景

拱形結構以其跨度大、承載力高和節省材料等優點在結構工程中得到了廣泛應用。拱形結構在承受荷載后，拱座將產生較大的水平推力。在地上結構施工中，一般通過設置較大的承臺和樁基來抵抗上述水平推力[1-3]。而在拱形地鐵車站建設中，由于頂板結構采用了拱形結構，上述拱形結構所產生的水平推力將由地下連續墻承受（圖1）。

圖1 地鐵車站的拱形頂板結構

地下連續墻屬于一種相對柔性結構，盡管施工前在地下連續墻的外圍采取了加固措施，地下連續墻在上述水平推力的作用下仍然容易發生較大的水平變形，上述水平變形將對拱形結構本身及其受力特性產生不利影響[4-5]，造成拱結構頂部發生開裂和較大的變形。為了討論上述不利影響，需要進行使用滑動拱座的方式以定量研究上述水平位移對拱形結構的影響程度。

2 滑動拱座的組成

拱形結構試驗如圖2所示，足尺試驗的結構包括拱形頂板、固定拱座、滑動拱座和拱座水平位移控制裝置。

圖2 足尺結構試驗構成

滑動拱座是拱形結構的滑動端，在試驗中，其水平滑動位移處于可控狀態。在滑動拱座滑動過程中，不僅要求滑動拱座滑動面光滑，摩擦因數小，而且要求滑動面能夠盡量保持水平狀態，消除由于滑動面傾斜而產生的附加滑動阻力。同時，滑動拱座的平面尺寸要足夠大，以消除拱腳彎矩對拱頂位移的影響。為滿足上述條件，在足尺結構試驗中，滑動拱座一方面平面尺寸較大，另一方面采用夾層式的滑動面結構（圖3）。

圖3 滑動拱座結構

在圖3中，滑動拱座為塊狀混凝土結構，長寬高為6 000 mm 6 000 mm 3 000 mm，由固定部分、滑動面和滑動部分組成。滑動拱座的固定部分位于下部，其下部與錨樁剛接，由錨樁提供整個拱形結構的豎向支承。滑動拱座的滑動部分位于上部，承受拱結構傳遞的軸力和彎矩。在固定部分和滑動部分間為滑動面結構（圖4）。滑動面結構由上預埋鋼板、聚四氟乙烯板和下預埋鋼板組成。上預埋鋼板固定在滑動部分內，下預埋鋼板固定在固定部分內，聚四氟乙烯板放置在上預埋鋼板和下預埋鋼板之間。

圖4 滑動面結構

當需要模擬地下連續墻發生水平位移時，放松或收緊水平位移控制裝置的鎖緊油缸，滑動拱座的滑動部分可以沿著滑動面發生水平滑動。滑動面的水平度誤差對滑動部分的滑動具有重要影響。

3 矩陣式多點水平度控制工藝

如前文所述，為了消除拱腳彎矩對拱頂位移的影響，滑動拱座的平面為6 000 mm 6 000 mm的大面積結構。在以往的施工中，一般采用預埋大鋼板的方式，即在澆筑混凝土之前，首先進行大鋼板定位，通過控制大鋼板4個角點的標高，實現大鋼板整體水平的目標，然后澆筑混凝土進行固定。上述方法應用在小面積結構中時，由于小平面的鋼板整體水平度好，不易發生翹曲，控制施工水平度較為適宜；但在大面積結構中，由于鋼板柔性大，僅控制4個角點的標高難以實現鋼板中部的水平度，因此使用常規的安裝方法將導致水平度超過設計值，滑動阻力增大，對滑動拱座的滑動特性產生不利影響。

為了控制大面積鋼板的水平度，減少或者消除因滑動面水平度誤差而導致的對滑動性能的影響，在滑動面施工時，采用矩陣式多點定位的方式進行大面積平面結構的水平度控制。矩陣式多點定位方式如圖5所示。

圖5 矩陣式多點定位控制裝置

在圖5中，矩陣式多點定位控制裝置由預埋鋼板、定位螺桿和雙層螺母組成。預埋鋼板內按照矩陣方式開有多個定位孔，定位孔和定位螺桿一一對應。定位螺桿一端錨固于滑動拱座固定部分內部，另一端伸出滑動面。

在控制預埋鋼板的水平精度時，使用測量設備對每個定位孔處的標高進行測量，滿足要求后使用定位螺桿上的雙層螺母進行標高鎖定。通過上述多點式標高控制方式，不僅實現了預埋鋼板角點處的標高滿足要求，同時對預埋鋼板中心部位的標高也實現了有效控制，保證了預埋鋼板的整體水平度要求。

4 滑動拱座的施工工藝

滑動拱座固定部分預埋鋼板的水平狀態對整個滑動面水平度的控制精度影響最大，因此，首先需要控制固定部分預埋鋼板的水平狀態。在固定部分的鋼筋和模板布設完成后，為保證各個定位螺桿的定位精度，保證定位螺桿在澆筑混凝土過程中不致被沖倒或者沖斜，使用定位架將定位螺桿布置在鋼筋內部并臨時固定，如圖6（a）所示。

定位螺桿完成固定后，保持定位架的位置不動，第1次澆筑固定部分的混凝土，當混凝土的液面距離預埋鋼板標高約300 mm時，停止澆筑混凝土。當首次澆筑混凝土的強度達到5 MPa時，移走定位架。在測量儀器的輔助下，在定位螺桿上擰入下層定位螺母并保持所有的下層定位螺母在同一標高位置，然后在下層定位螺母的上方放置固定部分的預埋鋼板，如圖6（b）所示；逐點測量固定部分預埋鋼板上部各個定位孔處的標高，達到設計值后迅速使用上層定位螺母擰緊并焊接。當僅靠上層定位螺母難以控制鋼板標高時，使用長柄扳手調整下層定位螺母進行鋼板標高調整。標高調整完成后的狀態如圖6（c）所示。

通過預埋鋼板上的預留注漿孔向預埋鋼板下部的空隙內注入自流平混凝土，并保持混凝土和預埋鋼板密實緊貼，如圖6（d）所示。當混凝土強度達到設計值時，切除上層定位螺母和定位螺桿超出預埋鋼板部分并磨平，如圖6（e）所示。至此，通過對每個定位孔處的標高進行控制和固定，大面積鋼板的整體水平度滿足設計要求。

以固定部分的預埋鋼板為安裝基面，依次安裝聚四氟乙烯板和滑動部分預埋鋼板。最后以滑動部分預埋鋼板為底模，進行滑動部分的鋼筋綁扎和混凝土澆筑工作，如圖6（f）所示。

圖6 滑動拱座的施工流程

5 滑動拱座的現場實施及滑動效果

滑動拱座的現場實施情況如圖7所示。拱形足尺結構加載后，在水平位移裝置的控制下，滑動拱座發生水平位移，如圖8所示。

根據現場實測，在滿載荷載作用下，理論計算水平推力值為4 200 kN，實測水平推力反力值為4 192 kN，滑動面不平順產生的阻力僅為理論值的0.2%，遠小于設計限值。

圖7 滑動拱座現場實施

圖8 滑動拱座發生水平位移

6 結語

本文通過分析現有滑動拱座滑動面水平度難以控制的原因，提出了能夠適應大面積滑動面水平度控制工藝，并進行了現場實施和測試。新工藝通過在預埋鋼板上設置多個定位孔和定位螺桿，通過定位螺桿和定位螺母的鎖定作用調整預埋鋼板在定位孔的標高，最后通過二次注漿保持混凝土和預埋鋼板能夠緊密接觸，上述工藝不僅能實現大面積預埋鋼板邊緣部位的標高控制，同時可實現大面積預埋鋼板在中部的標高控制，克服了現有安裝方法不能調整鋼板中部標高偏差的不足，取得了良好的實施效果。