大跨钢筋混凝土箱形拱桥悬臂浇筑技术论文_姚华

中铁一局集团广州分公司 广东省广州市 511495

摘要：拱桥相对于其他桥梁而言，施工工艺复杂，技术要求高，质量控制严。在大跨径钢筋混凝土箱形拱桥施工过程中，拱肋线性控制是施工控制的重点和难点。本文根据作者多年施工经验，以某大跨径拱桥为例，对大跨钢筋混凝土箱形拱桥悬臂浇筑技术进行了研究分析，供大家参考。

关键词：钢筋混凝土；拱桥；悬臂浇筑

1、工程概况

本拱桥设计采用上承式空腹拱桥，矢跨比1/5，跨径1-30m，全长：41.358m，桥梁中心桩号为K0+970.000，起点桩号为K0+949.321，终点桩号为K0+990.679。桥梁横断面布置：3（m）人行道（含护栏）+4.5（m）非机动车道+3（m）机非分隔带+11（m）机动车道+11（m）机动车道+3（m）机非分隔带+4.5（m）非机动车道+3（m）人行道（含护栏），全宽43m。桥梁上部采用钢筋混凝土上承式空腹式板拱，整体现浇。桥梁为上承式空腹拱桥，矢跨比1/5，跨径1-30m，全长：41.358m，主拱腹厚度1m；副拱腹厚度0.35m。

2、大跨钢筋混凝土箱形拱桥悬臂浇筑技术

2.1主拱圈施工技术方案

2.1.1预拱度计算

该桥设计未给出具体拱顶预拱度，根据《公路圬工桥涵设计规范》中给出经验值为（1/600-l/800）*L，本桥矢度比为1/5，拟选用（1/700）*L：

拱顶预拱度：（1/700）*L=（1/700）*30=4.28cm

则其余各点的预拱度值由下式计算：

式中： 为距拱顶距离为x处的预加高度值； 为拱顶预拱度值；x 为距拱顶距离；L为计算跨径，取30m。

主拱除 外再设三个预拱度点，分别 ，由公式计算得： =4.01cm， =3.21cm， =1.87cm。在搭设满堂支架拱架模板时按上述点位及数值进行预拱度设置。

2.1.2主拱支架总体布置

按设计要求本桥拟采用碗口式满堂钢管支架的方式。

碗口式满堂支架施工，采用φ48×3.5mm碗口脚手架，每根立杆底部设可调节底托。根据主拱圈混凝土的重量，支架纵桥向间距0.6m，横桥向间距0.6m，竖向步距1.2m，横向支架搭设宽度宽出桥面宽1m。竖杆底部设置纵、横向扫地杆。主拱圈支架纵断面图（附图1）：

2.1.3主拱支架受力验算

（1）支架使用材料

支架采用φ48×3.5mm碗扣式钢管支架，钢管采用Q235钢。

（2）荷载计算取值

A、活荷载计取

施工活荷载及设备荷载（Q3）：2.0KN/㎡

砼浇筑及振捣产生荷载（Q4）：2.0KN/㎡

B、恒荷载计取

根据规范支架搭设在10m以下不考虑自重，故模板与楞木自重恒载：Q1=0.75 KN/㎡

钢筋砼（Q2）：Q2=dγ=1*26KN/m³=26KN/m2

C、总荷载（恒荷载考虑1.2系数、活荷载考虑1.4系数）

Q=1.2*（Q1+Q2）+1.4*（Q3+Q4）=1.2*（26+0.75）+1.4*（2+2）=37.7KN/m2

（3）单肢立杆轴向承载力计算

根据Q235钢，查表5.1.6得：钢管弹性模量：E=2.06×105N/mm2，f=205N/mm2，考虑材料因素取壁厚为3.5mm。则截面面积：A=π（D2-d2）/4=3.14×（4.82-4.12）/4=4.89cm2，

截面惯性矩：I=π（D4-d4）/64=3.14×（4.84-4.14）/64=12.18cm4，

钢管回转半径：i=√（I/A）=√（12.18/4.89）=1.578 cm，

1）立杆容许荷载计算

本工程所有碗口支架钢管采用立杆步高：h=1.2m，

钢管按两端铰接，取µ=1；取最大外露a=0.6米。

计算立杆长度L0=h+2a=1.2+2×0.6=2.4（m）

即：λ= µL0/i=1×2.4×1000/15.78=152.1

查表A.0.6用插入法计算得：φ=0.301

[N]=φAf =0.301×489×205/1000=30.17KN

2）立杆承载力计算

支架立杆间距600×600mm，最厚按d=1米计，每根立杆受力情况如下：

N=Q×Lx×Ly=37.7×0.6×0.6=13.57KN

结论：由N＜[N]，故主拱支架立杆布置间距符合受力要求。

3）顶托受力验算

顶托容许受力查表5.1.7得40KN，本工程单根立杆受力为13.57KN。故顶托受力满足要求。

4）纵横向杆计算

满堂碗口支架的纵向间距为600mm，横向间距为600mm，因此计算横向干的计算跨径 =0.6m。根据荷载计取值，作用在横向杆上的均布荷载为：

q2=26*1*1=26KN/m；q1=0.75*1=0.75KN/m；q3=2*1=2KN/m；q4=2*1=2KN/m；

因横向杆间距为60cm，

则q=（1.2*（q1+q2）+1.4*（q3+q4））* =（1.2*（26+0.75）+1.4*（2+2））*0.6=22.62KN/m

由计算公式得：

弯曲强度： =160.36Mpa＜[ ]=215Mpa

抗弯强度：=0.78mm＜[ ]=3mm

根据验算横向杆满足受力要求。

2.1.4模板受力验算

取主拱高1m，@300mm的方木为支撑，计算跨径L=0.2m，模板长取1.0m。查表得竹胶合板f=35N/mm2，考虑材料因素及重复使用取f=21N/mm2竹胶合板弹性模量E=9898N/mm2。

q=37.7*1=37.7KN/m

M=qL2/8=37.7×2002/8=1.885×105N·mm

W=bh2/6=1000×152/6=3.75×104mm3

σ=M/W=5.02N/mm2﹤21N/mm2，故模板抗弯强度满足要求。

τ= V/A=0.5 qL/A=0.5×37.7×200/（15×1000）=0.251N/mm2 ﹤3.5N/mm2，故模板抗剪强度满足要求。

I=bh3/12=1000×153/12=2.81×105mm4，[f]=L/400=200/400 =0.5mm。

f=5qL4/384EI =0.282mm﹤0.5mm，故模板刚度满足要求。

综上所述，15mm厚竹胶合板能满足要求。

2.2地基承载力验算

地基基础为从基底回填压实，上面设置10 cm C20混凝土。其中支架底座钢板为10cm×10cm，根据上述计算最大单杆受力为13.57KN。故p=N/A=13.57×103/（100×100）=1.36MPa。查表得：C20砼抗折强度2.5Mpa，即[p基础]＞p，所以基础强度符合要求。取应力按照45度往下传递的原理，则土基A=（10+10+12）2 cm2=1024cm2，p地=（13.57+0.1×0.22×0.22×24）/0.1024=134kpa.

根据标高开挖后基底为粉土层，因设计未给出容许承载力，查《建筑地基基础技术规范》，得粉土地基承载力基本容许值为150Kpa。本工程基础开挖后用20T压路机碾压，并回填20cm碎石增强基底。故地基承载力符合要求。

2.3地基加固处理

浇筑10cm厚的C20混凝土基础时，待混凝土强度达到15MPa时，方可进行支架搭设。桥墩基坑范围内压实，上面铺20cm碎石，顶面浇筑10cmC20砼。对于桥台锥坡在支架位置开挖60cm*40cm（宽*高）台阶，并用10cmC20砼硬化，斜面均采用C20砼硬化，硬化厚度10cm。搭设支架硬化区域高出四周原地面并设好排水系统，避免雨水或其它水渗入地基内，造成承载力下降或沉陷。

2.4支架搭设

碗扣式满堂支架施工，采用φ48×3.5mm碗口脚手架，每根立杆底部设可调节底托。根据主拱圈混凝土的重量，支架纵桥向间距0.6m，横桥向间距0.6m，竖向步距1.2m，横向支架搭设宽度宽出桥面宽1m。竖杆底部设置纵、横向扫地杆。支架碗口钢管上方用可调节顶托调节高度，桥纵向采用双排钢管做拱盔，拱盔直接架在可调顶托上，弧形拱盔与可调节顶托的弧形空隙中间用钢筋支撑焊接或木楔连接。弧形钢管拱盔上铺10*10cm方木，方木间距25cm，用1.35cm以上模板做底模与侧模。预压完成后，调整底模标高。底模标高=设计拱底+预设预拱度+支架变形量+前期施工误差的调整量。

模板支撑架四周从底到顶连续设置竖向剪刀撑，中间纵、横向由底至顶连续设置竖向剪刀撑，每5个面设置一个剪刀撑，水平剪刀撑每10m设置一道；模板支撑高度大于4.8m的顶端和底部必须设置水平剪刀撑，中间水平剪刀撑设置间距应不大于4.8m。剪刀撑拉杆斜度控制45°～60°，斜杆应每步与立杆扣接。斜杆每步与立杆扣接，扣接点距碗扣节点的距离 ≤150mm；当出现不能与立杆扣接的情况时可采取横杆扣接，扣接点牢固。斜杆的搭接长度不小于1m，搭接处设2个扣件，两端扣件位置距端头不小于10cm。

2.5支架预压及观测

（1）预压重量设定

主拱弧长计算：L=2x3.14x22.148x43.6°x2/360°=33.7m

主拱重量（按设计要求考虑1.05倍系数）：G1=（2.6+0.075）t/㎡*1.05=2.81t/㎡*43*33.7=4072t

（2）预压材料及布置

预压材料选用0.9m³装沙袋，沙密度取1.35t/m³，每袋沙重量1.215吨，每袋占用面积为1mx1mx0.9m，密铺后每平方米为1.215吨，第一层共铺设1450个沙袋；第一层铺好后，每平米剩余重量为2.81-1.215=1.595t/㎡，在第一层上加叠第二层，间距、重量与第一层相同进行密铺，第二层1450个沙袋，第二层铺好后，每平米剩余重量为2.81-2.43=0.37t/㎡。

剩余总重量0.37t/㎡*43*33.7=536.2t。

第三层还需沙袋536.2t/1.215t=442袋，按主拱总平面平摊：（43*33.7）/442袋=3.28㎡/袋，折合砂袋间距 m，按此计算纵向需19个沙袋*横向需24个沙袋=456个沙袋。

三层沙袋综合：1450+1450+456=3356*1.215t/袋=4077t＞自重4072t，故满足要求。

（3）加载、卸载及沉降观测

预压加载顺序先拱脚后拱顶，对称均匀加载。加载过程中每加20%观察一次，共5次；加载完成每6h观察一次，连续观察72h，直至无明显沉降（＜1cm）即可卸载。卸载顺序即加载的逆作法（先拱顶后拱脚对称均匀卸载）。

在桥的纵向位置：拱脚、1/4、拱顶处布设沉降观测点；在桥的横向中部及两侧布设沉降观测点。每拱为15个点。横向以沉降缝为分界点。所有沉降观测点均在预压前设置完毕，并将起始数据记录好。预压时间从堆载物结束时起72h。

模板安装后对支架进行预压。预压采用主拱自重的105%预压，即预压重量等于主拱重量的1.05倍。预压时主拱采用标准沙袋，直接堆码在底模上。支架预压范围为主拱底板的实际投影面积。

2.6钢筋安装施工

将预先弯配好的钢筋，按图纸要求的规格、间距、长度安装在主拱底模上。同时对拱墩的钢筋按施工图要求预先埋入在主拱圈内，分别有拱墩A、拱墩B、的竖向钢筋。待施工拱墩时再将拱墩钢筋按要求连接到位。按设计图要求，主拱圈分二次浇注，分别在拱顶、拱脚处预留间隔槽，其宽度均为1.3m。因此主拱圈纵向钢筋安装在每孔也需要分段设置，其接头设置在预留的间隔槽内，待浇注间隔槽时再焊接连城一体。

2.7主拱圈C40混凝土施工

钢筋安装经监理验收合格后进行混凝土浇筑。混凝土浇筑按拱的每幅的全宽全厚，由两侧拱脚同时向拱顶分段对称浇筑，分段位置设置于拱顶、拱脚处，各分段点预留间隔槽，其宽度均为1.3m，分段接缝面与拱轴线垂直。为了防止拱架的拱顶部分上翘，在拱顶区段（1.3m范围内）压重（采用钢筋压重，加载时从两侧向中间加载，卸载时从中间向两侧开始卸载）。压重荷载按该间隔段的预压荷载重量。在浇筑混凝土同时要做好混凝土试块的工作。

混凝土试块拟做三组，提前试压以证明混凝土的强度已达到设计值的90%，以便于拱墩的施工。

混凝土达到终凝后及时用土工布覆盖洒水养护。在拱墩部位进行凿毛处理，同时注意泄水管的预留。

具体浇筑方法：主拱混凝土浇筑顺序：台→主拱中间段→拱脚间隔槽→拱顶间隔槽（与拱脚一起完成）共3次。

因砼量较大，拟选定俩台泵车俩侧同时浇筑（≥47m）。

主拱混凝土浇筑剖面图：

主拱分二次浇筑，第一次浇筑主拱，分8次下料（由低到高）第二次浇筑间隔槽（先拱脚后拱顶，全桥一起施工）混凝土浇筑过程中用振动棒不停振捣。

2.8腹拱施工

（1）钢管支架、模板施工

腹拱施工方法同主拱施工，支架不另单独验算。

（2）钢筋施工

第一腹拱和第三腹拱与拱座的铰接连接，采用铅垫板与拱铰锚杆对应布置，第二腹拱为固定端连接。

同时在第一腹拱的拱顶混凝土浇筑作断开处理，只采用了③③’、④④’、⑤⑤’连接，详见下图

（3）腹拱混凝土浇筑

腹拱混凝土采用C30混凝土，采用泵车输送浇筑时要注意振捣密实。

3、结束语

拱肋线性控制直接影响着桥梁成品的线性和内力是否满足设计要求，同时也影响着桥梁的结构寿命和行车安全，因袭，必须要引起足够的重视。

参考文献：

[1]大跨度钢管混凝土拱桥拱肋混凝土灌注过程稳定性研究[J].王红伟，谢开仲，郭晓，周剑希.世界桥梁.2019（05）

[2]初始缺陷对大跨径钢管混凝土拱桥稳定性的影响分析[J].樊开盼，张元峰. 中国公路.2019（15）

论文作者:姚华

论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/14

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