橋梁上部結構預拱度施工設置技術

中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074

1 工程概況

文章的案例橋梁為湖北省咸寧大洲湖環湖北路1號橋，環湖北路起于桂鄉大道，自西往東下穿官埠大橋后，終點與在建的官埠大道平面交叉，設計范圍內道路全長為3.115km，樁號范圍為K5+669.931—K8+785。在K7+140處新建環湖路1號橋，橋長65m。環湖北路1號橋采用上承式飛鳥拱，共有3跨，跨徑分別為20m、25m、20m。

在該工程施工過程中，由于碗扣式滿堂支架節點可靠性好，因此可結合扣件式支架使用，更利于構造該橋所需的曲線線性。基于此，施工單位選用碗扣式滿堂支架來對全橋拱圈同步進行支架的搭設、模板的安裝和鋼筋的綁扎與混凝土的澆筑等工作。

2 設置預拱度的重要性

2.1 橋梁的下撓變形

橋梁一般分為上部結構與下部結構兩部分。其中，橋梁的上部結構在受到以下因素的影響時，會產生下撓變形：（1）當腳手架在承擔施工荷載時，所引起的彈性變形；（2）部分超靜定結構橋梁在組成結構的混凝土產生收縮和徐變時產生的下撓度；（3）桿件接頭的擠壓、卸落設備時的壓縮等產生的塑性變形；（4）腳手架基礎、支架基礎在承受荷載后發生的沉降；（5）橋梁內部的預應力鋼筋在張拉后，備份的預應力會有不同程度的流失，預應力的改變也會對橋梁的下撓程度產生不利影響[1]。

2.2 實際通車后會產生變化

在實際通車后，交通流量增大、部分車輛在駛上橋面時超載、橋的主體結構逐漸老化等原因，都會造成橋梁上部結構的下撓程度進一步擴大。為此，施工單位需在橋梁的施工過程中提前考慮上述因素并合理地設置預拱度，從而使橋梁線性符合要求，以保證全橋運行的安全性。

2.3 混凝土彈性模量的實際與理論存在差異

在橋梁施工過程中，由于混凝土的實際彈性模量與理論彈性模量存在一定的差異，如理論重量與實際重量不同、收縮徐變理論值與實際值存在差別等，因此往往會導致在完成橋梁澆筑后，其結構的線性和特性也隨之發生改變。

3 預拱度設置

3.1 預拱度的分類

（1）施工預拱度。設置施工預拱度主要是為了消除在施工過程中材料的理論性能與實際性能存在差異以及混凝土在養護過程中的徐變收縮等因素對全橋線性所造成的影響。在設置此類型預拱度時應結合材料性能測試報告，充分考慮施工階段橋面所承受的荷載以及張拉鋼筋時的預應力，從而設置合理的施工預拱度。

（2）成橋預拱度。設置成橋預拱度是為了消除后期運營階段預應力損失和車輛超重等對橋梁下撓度產生的不利影響。應結合當地實際交通情況和橋梁實際設計通車流量，嚴格按照規范計算全橋活荷載和恒荷載，并考慮各種不利工況，以此確定所要施加的成橋預拱度。

3.2 預拱度設置時存在的問題

（1）計算誤差。在設置橋面的預拱度時，需先對應該施加的預拱度進行計算分析。在計算過程中，工況考慮不周或氣候條件考慮得不全面都可能會導致計算預拱度時出現紕漏，使預拱度設計不準。另外，由于在設置預拱度時各項安全系數、組合系數取值較大，因此會容易使預拱度設置過大，使成橋出現反拱，這同樣也不能滿足成橋的線型要求[2]。

（2）材料性能誤差。通常情況下，橋梁施工的材料性質是無法完全保持一致的。這是因為，對于進場材料的實際性能，以及預拱度設置時，所考慮的理論性能往往會存在一定的差異，該差異主要體現為彈性模量的誤差、抗壓強度的誤差、重量的誤差、收縮徐變的誤差以及溫度場變化的誤差等。上述誤差一定程度上導致了橋梁預拱度設置的不合理。

3.3 預拱度影響因素

（1）拆除臨時支撐的先后順序。在該橋梁的施工過程中，臨時支撐共有先拆除和后拆除兩種工況。①臨時支撐先行拆除工況。施工時橋面粱先在臨時支撐上進行拼裝，在拼裝完成后拆除臨時支撐。②臨時支撐后拆除工況。這種工況對臨時支撐的拆除時機進行了調整，首先對正彎矩區橋面板進行混凝土澆筑，隨后拆除臨時支撐，最后對負彎矩區橋面板進行混凝土澆筑。當臨時支撐后拆除時，梁的跨中恒載撓度相較于臨時支撐先拆工況有所減小。

（2）混凝土收縮徐變。混凝土的收縮徐變在一般情況下會在橋梁中跨的跨中引起結構下撓，會使全橋的邊跨產生一定程度的上拱變形。根據實際橋梁構造形式的不同，收縮徐變產生的撓度方向也可能存在一定的差異，因此在考慮收縮徐變時應選用正確的受力模型，對于位于豎曲線上的橋梁，要預測理論收縮徐變的大小，視情況增減預拱度值，使竣工后的橋梁整體線型與豎曲線接近一致。

（3）地基沉降。該橋梁的跨度較大，橋梁自重恒載占全橋所受荷載的比重較大，因此在施工過程中同樣考慮到了地基沉降量對橋梁預拱度的影響。對此，在箱梁的支架和模板搭設完成后，應重新調節模板標高。若不考慮地基沉降值，會導致模板所在的橋面標高出現問題，最終成橋線型無法滿足設計的整體線型要求[3]。

3.4 預拱度的設計方法

目前常用的橋梁預拱度設計方法有兩種：經驗曲線分配法和公式計算法。其中，公式計算法較為簡便，但理論計算值可能與實際工程不符，后續還需不斷進行調整，因此該橋梁在設置預拱度時選取經驗曲線分配法進行設計計算。

有關實踐經驗和研究表明，上承式拱橋的最大預拱度通常取L/2000～L/1000，其中L表示橋梁跨徑。在確定最大預拱度之后，應對不同跨徑上的預拱度進行分配。當采用二次拋物線對預拱度進行分配時，分配結果通常與簡支梁較為近似，對于文章論述的橋梁，計算結果存在一定偏差。因此，文章案例橋梁應考慮采用余弦曲線對全橋進行預拱度設置。預拱度余弦曲線方程如下：

式中：y為預拱度余弦曲線；L為中跨跨徑，m；fcs為中跨預拱度，cm；x為預應力上拱度，cm。

在現階段施工條件下，一般在中跨合龍前使用梁體壓重或者頂推等方法，使橋墩墩頂在合龍前對邊跨有一定的預設值偏移量。因此在采用經驗曲線分配法時，可按式（1）進行預拱度的設置，并結合實際施工時的經驗進行合理調整。

3.5 預拱度施工設置控制要點

（1）混凝土施工質量控制。①選用正規供應商提供的原料，在原材料進場時要加以檢驗測試，確保各項材料都能達到指定的性能要求。②通過試驗的方式確定合適的水灰比、骨料用量等，在有條件的情況下應通過多種試驗確定最為合適的配合比參數。③施工人員所用設備和施工人員自身的工作都應滿足精度要求，施工前對機械設備做好檢修維保工作，做好對施工人員的安全意識管理，以既定的施工方案為指導完成作業。

（2）確定施工標高。該橋梁施工控制的主要任務之一就是線型控制，而要想控制好橋梁線型，在計算出預拱度的值之后，應確定好施工標高。受施工荷載、溫差及地質情況等因素的影響，通常應結合實際情況對式（2）進行多次調整，從而確定最佳高程。

式中：Hi實際為定位高程，cm；Hi為i點的設計標高，cm；β為撓度結果，一般取0.5～0.6；fi預測高為預拱度，cm；Δfi為撓度調整值，mm。

（3）預拱度的動態設置。在預拱度的動態設置過程中，重要的控制要點是對支架進行預壓。在進行支架預壓工作前，需采用有限元分析的方法對橋梁施工過程中的擾度值進行模擬分析，該擾度值包括澆筑時的理論擾度值、拆模時的理論擾度值、二期恒載及收縮徐變的理論擾度值。若橋梁中含有預應力鋼筋，還需計算張拉擾度值。

在此基礎上結合式（1），對整個施工過程中的支架和模板進行調整。支架的預壓試驗工序能較為準確地獲得支架及模板的彈性變形數據，并通過適當調整來消除非彈性變形的影響，還能通過試驗獲得的變形規律來指導施工工作的順利進行。

（4）確保模板工程質量。在該橋梁施工過程中，底模采用光面竹膠板，膠板與橫向方木間用鐵釘釘牢，膠板間接縫粘貼密封條用于防止接縫漏漿。底模鋪好后，應分別精確測量中線、邊線和標高，標注出各分段點和實心段位置，作為其他模板安裝的依據。側模選用18mm厚竹膠板，包裹于底模上，后背方木，方木后背豎向鋼管，在側模的上下側分別設置拉桿并扣于鋼管上，從而保持側模的穩定。該橋梁的拱圈下半段走勢偏陡，為防止拱圈混凝土澆筑時下滑，還應在該段拱圈上表面外封模板，外封模板的橫橋向每間隔1.5m布置一道空隙用于振搗，當混凝土澆筑至此部位時，應先做好模板封堵和加固，之后再進行下一階段的澆筑。

4 結束語

綜上所述，在設置預拱度時，需要考慮的因素較多，設置過程中也可能會發生偏差，因此，需要綜合分析，有必要時應及時調整預拱度。此外，還應注重對施工質量的控制，結合理論與工程實踐經驗，共同確保橋梁線型滿足精度要求。