鎮雄三孔景觀橋拱架水袋預壓施工技術

許海林 他林波 祝紅偉 陳 韜

云南建投第五建設有限公司 云南 昆明 650106

拱架現澆法目前在現澆鋼筋混凝土拱橋的施工中得到廣泛應用，該方法能有效地解決山區峽谷鋼筋混凝土拱橋施工中場地限制的問題。在拱架懸拼完成后，主拱圈現澆施工前，還需對拱架進行預壓荷載試驗，以檢驗拱架力學性能以及收集主拱圈預拱度設置的相關參數。目前，業內普遍采用碎石袋或砂袋堆載預壓的方法進行現澆支架的預壓荷載試驗，但該種方法需消耗大量的人工及機械臺班，預壓施工周期較長，且對預壓荷載無法精準計量，施工效率較低[1-3]。鎮雄三孔景觀橋項目在拱架預壓施工階段，采用水袋法進行加載預壓，順利完成了預壓荷載試驗，完成了相關數據收集，并為主拱圈施工提供了安全保障。

1 工程概況

云南鎮雄縣南部新區新型城鎮化綜合建設項目三孔景觀橋總長179.62 m，主拱圈軸線為懸鏈線，設計跨徑115 m，設計矢高為23 m，矢跨比1/5，懸鏈線拱軸系數為2.24（圖1）。

圖1 主橋橋型立面布置示意

拱圈拱頂設計預拱度為143.8 mm，其余位置預拱度按二次拋物線分配。拱圈采用C50混凝土，截面高度為2.6 m，單幅拱圈寬度為14.6 m，單幅拱圈為單箱5室截面。腹板厚25 cm，頂、底板厚度為25 cm，橫隔板厚為30 cm。拱圈設計預拱度為143.8 mm。

2 拱架預壓施工工藝技術

2.1 主拱圈施工工藝簡介

拱圈混凝土采用專用拱架現澆方法施工，拱圈混凝土分4環澆筑：底板及下馬蹄為第1環，腹板及橫隔板為第2環，頂板、上馬蹄及部分立柱底座為第3環，剩余立柱底座、實腹段隔墻和側墻為第4環。單幅拱圈前3環混凝土的總量見表1。

表1 拱圈混凝土分環澆筑數量

拱圈底板、腹板和頂板混凝土均分7段澆筑，分段位置如圖2所示。

圖2 主拱圈每環混凝土澆筑分段示意（半幅）

為有效檢驗拱架在主拱圈施工過程中的受力和變形狀態，在整個拱架預壓施工過程中，需要對混凝土荷載進行模擬。因此，預壓荷載需要嚴格按照表1中混凝土荷載進行計算，加載順序必須嚴格按照圖2所示的混凝土澆筑順序逐級、對稱進行加載。

2.2 拱架預壓施工方案

2.2.1 拱架預壓的方法

本橋是為跨越現狀溝谷而設，橋位下方為南廣大溝，溝谷寬約200 m，橋面距溝底約64 m，溝谷上游水源充沛，補給主要為大氣降水，溝內常年地表徑流不間斷。本項目預壓總荷載量較大，若采用傳統的堆載預壓方法，需提前儲備大量砂石料，但因項目地處溝谷地帶，場地狹窄，無備料所需的場地，結合本項目地質、水文條件綜合考量，決定采用水袋的方式進行預壓。本橋拱架預壓方法是在拱架上用鋼管搭設平臺，加載方式采用鋼筋結合水袋分段預壓，其中拱圈拱腳弧長5.825 m實心段采用鋼筋預壓模擬，其余普通段采用水袋預壓模擬，整個鋼拱架預壓平臺分為21個平臺（圖3）。

圖3 拱架荷載試驗立面布置示意

2.2.2 預壓平臺搭設

水袋預壓支架用鋼管腳手架在拱架上搭設，底板鋪設方木及竹膠板，方木尺寸為10 cm×10 cm，竹膠板厚度為15 mm。單個水袋預壓支架平臺平面尺寸15 m×5.5 m，水袋底板鋼管0#平臺支架橫橋向間距為50 cm，縱橋向間距為40 cm，其他平臺支架縱橋向間距為90～100 cm，橫橋向間距為60～90 cm，立桿步距為100 cm（圖4、圖5）。

圖4 預壓平臺支架橫向布置示意

圖5 預壓平臺支架縱向布置示意

2.2.3 拱架預壓加載程序

1）預壓荷載取值。拱架結構自重4 700 kN，拱架上的模板及其支撐系統自重3 000 kN，施工荷載500 kN，拱圈澆筑第1環混凝土質量為18 620 kN。

拱架驗算時工況為：拱架自重＋模板系統＋施工荷載＋1.2倍混凝土底板質量。荷載總質量＝（模板、支架及施工荷載）＋（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）×1.2＝2 584 t。

第1期混凝土（底板及下馬蹄）澆筑后，當混凝土強度達到設計強度的85%以上時，底板混凝土即形成板拱，和拱架同時受力，結構自身可以承載第2期鋼筋混凝土荷載。第2期混凝土（肋板、橫隔板）澆筑完成后，強度達到設計強度的85%以上時，結構自身可以承載第3期鋼筋混凝土荷載。通過有限元軟件結構分析計算，拱架荷載試驗時的最大應力（142 MPa）與拱圈腹板混凝土澆筑完畢時的最大應力（144 MPa）基本相當，開口箱混凝土達到強度后，結構已經不存在整體破壞的可能，拱架預壓試驗時，所有荷載完全由拱架承受，其結構的整體穩定承載力比腹板澆筑完畢時更差，因此應嚴格控制拱架預壓試驗過程。

2）加載程序。為了確保安全，掌握拱架的彈性變形和應力，真實模擬主拱圈混凝土澆筑順序，按主拱圈混凝土澆筑順序進行預壓，兩岸對稱分段加載，以克服拱架的過度變形，直至加載完成。預壓時加載要勻速、對稱、平衡進行。荷載試驗的加載程序考慮盡量與拱圈混凝土（底板）的實際施工程序一致，分4級加載：施工平臺模板系統等附屬設施→20%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→60%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→100%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→120%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）。

每一級荷載在縱橋向按照拱圈混凝土澆筑順序依次、對稱進行加載。

2.2.4 預壓加載方法

1）水袋布置及編號。拱架加載方式：0#、0'#平臺采用鋼筋堆載方式加載，其余平臺采用水袋注水加載的方式。拱圈跨徑為115 m，共計布置21個加載平臺，0#、0'#加載平臺寬度為4.37 m，其他平臺寬度為5.5 m，水袋共計19個，水袋規格為15 m×5 m×2 m，近似橢圓形，每個極限容納180 t，實際容納約150 t左右，除拱腳段外，滿足拱架預壓荷載要求，拱腳段采用鋼筋堆載配重。

2）加載方式。0#、0'#平臺采用鋼筋預壓，用鋼筋原材和直線形的半成品打捆，每捆質量不超過3 t，長度9 m。然后用塔吊直接吊運到平臺上。質量控制：原材按標簽質量，半成品按理論重。專人負責鋼筋計重，事先準備好，堆于橋臺附近，每岸292 t。在平臺上按每條線兩捆橫放，兩岸對稱進行，以免偏壓。

1#～10#平臺水袋依靠流量計控制加水量，每立方米按1 t計，嚴格按照加載順序注水，并由專人負責注水量的控制（圖6）。

圖6 加載用水袋及流量計

3）持荷時間及注意事項見表2。

表2 加載持荷時間

2.2.5 拱架預壓卸載

拱架預壓卸載與加壓卸載順序相反，按120%→100%→60%→20%→0的順序卸載，卸載過程要對稱進行。

2.2.6 預壓用水后處理

預壓所采用的水為橋位下方溝谷內的自然徑流地表水，預壓開始前先在橋臺兩端設置儲水池，預壓開始時，先用高壓水泵將溪水提升至儲水池中，再同步采用水泵向預壓水袋中注水。

預壓處理結束后，打開水袋閘閥，使水在自然壓力作用下經注水管道流回儲水池中回收。依據南廣大溝內所取地表水樣的水質分析，該水對混凝土結構沒有腐蝕性，因此，回收回儲水池中的水可以用于本工程預制梁板、墩柱等構件的養護用水。另一方面，對于多余的水，可聯系城管部門，將水用于城市園林綠化養護、市政道路灑水降塵等方面，充分體現出標準化工程施工的綠色施工、節能環保理念。

2.3 應力監測與數據采集分析

為了準確了解拱架預壓的彈性形變、應力變化，項目經理部設置測量組、監測組（第三方監控單位）。

2.3.1 監測點布置

1）撓度監測斷面縱向布置7個，分別為拱架跨度的1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面、5/8截面、3/4截面、7/8截面。橫向布置在拱架兩側位置，共2條測線。因此，全橋共布置14個測點。

2）應力監測斷面縱向布置7個，分別為拱架跨度的1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面、5/8截面、3/4截面、7/8截面。橫向布置在拱架兩側及中線位置，共3條測線。因此，全橋共布置21個測點。

試驗預壓監測點布置如圖7、圖8所示。

圖7 撓度觀測點布置示意

圖8 應力觀測點布置示意

2.3.2 數據計算分析整理

加載前的初始讀數－滿載穩定后最終讀數＝總變形量，加載前的初始讀數－空載穩定后的終讀數＝非彈性變形量，總變形量－非彈性變形量＝彈性變形量。

2.3.3 監測過程控制

應力、撓度、軸線偏位、溫度等監控由監控單位負責，監控單位根據提供的數據現場布點，利用監測工具采集應力值、軸線偏位值、溫度變化值、撓度變化值。利用相應軟件進行分析總結，以便指導現場加載。

第1階段加載完成后進行監測，監測根據拱圈混凝土澆筑計算書提供的數據進行控制，觀測全橋拱架標高控制點與中軸線偏位情況，同時監控組對全橋應力控制點進行應力采集和應力分析，根據結論再確定下一階段加載是否進行。按同樣的方法進行下一階段的試壓，直到預壓結束。觀測數據一次并對數據進行分析，看數據是否和理論計算吻合。

當120%荷載加載完成后，觀測組立即采集各控制點三維坐標，監控組也采集監測數據。加載完成，持荷6 h拱架無異常變化，即可開始卸載，卸載步驟按加載步驟的反向順序進行，監測組同時做好各步驟下拱架的應力、應變、觀測記錄。

卸載完成后，測量組立即采集各截面控制點的三維坐標，以便計算彈性形變值。計算程序如下：Σ彈＝H卸后（拱架卸載后各截面控制點高程）－H卸前（120%荷載加載后各截面控制點高程）。

監測組在拱架加載過程中，要連續監測拱架應力，以便知曉是否繼續加載，拱架受力后是否處于安全狀態。測量組則采集各控制截面的三維坐標，以取得彈性形變值，以便指導以后拱圈混凝土施工。

2.4 拱架預壓施工注意事項

預壓試驗之前，必須對試驗鋼拱架進行全面檢查，并保證鋼拱架各連接構件可靠，檢查合格后，方可進行預壓試驗；加載時對稱進行，嚴禁偏壓加載造成失穩，預壓時荷載堆放部位要基本與梁體實際荷載分布相似；在加載過程中，要求詳細記錄加載時間、加載量及位置，要及時通知測量組進行現場跟蹤觀測，未經觀測不能加載下一級工況荷載。每完成一級加載工況應暫停一段時間，進行觀測，并對鋼拱架進行檢查，發現異常情況應及時停止加載，及時分析，采取相應措施；各操作人員必須服從指揮，配合一致，準確觀測流量計注水量，調節水流閥門，確保正確注水，拱架上搭設的人工操作平臺要穩固可靠，注水人員要系好安全帶，精力要集中；預壓過程中必須安排專人經常檢查支架及拱架、鋼管支架、模板拉桿等關鍵受力桿件的狀態（圖9）。

圖9 鎮雄三孔景觀橋拱架預壓實景

3 結語

鎮雄縣三孔景觀橋拱架水袋預壓施工方法，相比傳統的碎石、砂袋等堆載預壓方法，可大大縮減預壓工作消耗的人工及機械臺班費用，縮短預壓施工周期，有效節約施工成本。

同時，水袋預壓法采用流量計對預壓荷載進行精準計量，切實模擬拱圈混凝土澆筑過程，有效檢驗鋼拱架拼裝質量及承載能力，確保施工過程中鋼拱架的安全性，消除拱架的非彈性形變、獲取拱架彈性形變值，確?；炷料涔俺尚魏蟮木€形與質量。

最后，預壓所采用的水為地表徑流水，就地取材，預壓完成后可回收用于混凝土養護、市政園林綠化養護及道路灑水降塵，充分體現了節能、環保、綠色施工的理念。

綜上所述，水袋預壓施工技術作為一種橋梁工程施工新技術和新方法，在交通建設領域的梁式橋、拱式橋的現澆支架預壓工作中具有較大的推廣價值。