新型鋼拱架在箱型拱橋中的應用

陳永剛

[摘要]結合省道S207線綏陽至道真改擴建工程中三江河大橋,重點闡述新型鋼拱架在大跨徑箱型拱橋施工中關鍵工序主拱圈施工中的技術應用以及實現總體安全、質量、進度等目標的措施。

[關鍵詞]新型鋼拱架 箱型拱橋 主拱圈 試壓

一、前言

拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結構型式,它外形宏偉壯觀,且經久耐用。鋼筋砼箱型拱橋結構受力明確、跨越能力大、工程造價低、易于養護、耐久性好,并且外觀上具有濃郁的民族特色,因此在山區跨越60m～200m寬的河流、溝谷時,鋼筋混凝土箱型拱往往是首選橋型方案,本文主要論述新鋼拱架在鋼筋混凝土箱型拱橋中關鍵工序主拱圈施工中的施工技術。

二、工程簡況

三江河大橋位于省道S207線綏道公路K121+497處,跨越正安縣與道真縣交界的寨子嶺三江河。全橋長157.8m。本橋平面位于直線段。縱坡為-1.6%的單向縱坡。三江河大橋孔跨布置為:2×10m+110m+1×10m。主拱采用懸鏈線箱形拱,凈跨110米,凈矢跨比采用1/5.5,凈矢高22.0m,拱軸系數2.0。拱圈為箱形,箱寬8.2m,橫向由單箱3室組成。拱上立柱為1m×1m的鋼筋混凝土方柱,上部構造采用10m跨預制鋼筋混凝土空心板,橫向布置8塊。0#橋臺采用一字墻,15#橋臺采用U型臺配擴大基礎,1#引橋采用1m×1m的鋼筋混凝土方柱墩配擴大基礎,2#、4#拱座基礎采用明挖擴大基礎。

三、主拱圈施工方案

本橋原設計主拱圈為節段預制吊裝。但從安全、質量、工期和技術經濟指標及施工經驗等多方面綜合考慮,決定改用懸拼鋼拱架現澆主跨110米的鋼筋混凝土拱圈,具體施工方案如下:

1.設置纜吊

考慮本橋施工工藝及吊裝重量,在兩岸橋臺上立索塔,安裝15t纜索吊機。本橋纜索總體布置為單跨一組承重天線,設計吊重為15t。主索道承重繩選用2-1Ф52mm鋼絲繩。主索道用于吊裝鋼拱架、預制車道板以及解決部分混凝土澆注和材料、機具、等運輸。兩端塔架為自行設計的120型塔架拼裝,每個索塔橫橋向由兩個單塔加橫向桁架組成,單塔斷面1.2mx1.2m,兩岸塔高均為20.96米。兩岸對應塔架設錨樁式地攏。

纜索主要參數如下:

單索最大吊重T=15噸;跨徑L=157.84米;初安裝撓度f=8.7m;承重繩直徑Ф承=52mm;起重繩直徑Ф起=19.5mm;牽引繩直徑Ф牽=19.5mm

承重繩為2-1Ф52mm鋼絲繩,起重繩為2-1Ф19.5mm的鋼絲繩,牽引繩為2-2Ф19.5mm的鋼絲繩,鋼絲繩均為6x37型鋼絲繩。起重、牽引作業均采用5噸卷揚機進行,起重繩通過20噸四輪起重跑車組走四線,上下游分別為兩套獨立的起重和牽引系統。

2.鋼拱架施工

(1)鋼拱架拱座的施工

鋼拱架拱座是用來支承現澆施工荷載的臨時拱座。在拱座前緣設置鋼拱架拱座,在拱架座上設鉸座,作為鋼拱架的鉸支點,同時支承現澆拱圈大部分的重量。在拱座前沿的臨時拱座上面預埋直徑331×16mm半圓弧板(水平預埋)作鉸軸槽,與鋼拱架拱腳節段下端的鋼管柱鉸形成鉸接。鉸座主要結構是預埋在拱架座上的圓弧形軸槽。在澆筑拱座基礎同時將拱架座澆筑(也可分開澆筑)。拱架拱座為C40鋼筋混凝土。拱架拱座按設計施工圖,測量放樣,安裝鋼筋模板及鉸槽,在安裝鉸槽時,嚴格控制兩岸鉸槽的高程,且同岸的5個鉸槽同軸心線,確保鉸軸與鉸槽的緊密配合。

(2)鋼拱架基本概況

本橋所用鋼拱架為自主設計的新型鋼拱架,本橋為第一次使用。鋼拱架主要由標準節段、調節節段、拱頂節段和拱腳節段等四種基本節段組成;所有節段均以大小不等的角鋼和鋼板組拼焊接成框架結構,。每節段高均為2200mm,有效長度分別為3966mm、1720mm、1835mm、2490mm,寬度為700mm。拱架橫向系用橫聯聯結,拱架頂面和底面用平聯聯結;節段間下弦通過Ф50mm軸連接,上弦采用凹凸球面調節螺桿,側面輔以4根Ф38mm連接螺栓連接。所有基本節段和聯結片材質均為Q345B鋼,所有聯結件和螺栓材質均為40Cr高強鋼。

在欲澆拱圈下拼裝圓弧形鋼拱架,鋼拱架拱軸線半徑為83.98m,軸線長度116.886m,寬8.3m,截面高度2.2m。沿弧向共用31片、橫向分為5組,共計155片。

本拱架最大的優點是能夠通過調節上弦桿調節螺栓,很容易變化拱架整體弧度,并且強度高,適用范圍廣。

(3)鋼拱架節段的安裝

鋼拱架拼裝采用纜索吊裝懸拼,為加快拼裝進度,預先在橋頭按順橋向兩節段,橫橋向五組共十片拼裝成一個大節段,或橫向五片組成一個小節段,然后進行吊裝。在拱架節段安裝前,清除拱鉸內的雜物,并在拱鉸槽內均勻涂抹潤滑劑,確保拱鉸在鉸槽內能夠靈活轉動。

拱腳節段安就位后,為防止拱腳節段在以后節段的拼裝過程中發生脫鉸,立即采用拱鉸壓板固定拱鉸。根據計算拱架安裝預抬值,逐段拼裝,逐段測量高程和偏位,直至鋼拱架合攏。

拱架在安裝過程中,嚴格控制其安裝高程和拱架軸線,根據計算和施工經驗,一次安裝至滿足施工要求,無需再整體大幅度調節拱架高程,在安裝各個節段時,通過調整節段兩端可調節陰陽頭螺栓及臨時扣索和橫向施工纜風索來控制拱架安裝傾角和平面位置。

為達到合攏快,拱架合攏處采用螺栓聯結,拱架合攏采用現場即時合攏,即拱架各節段安裝符合設計高程后,現場量取合攏段長度,再在合攏調節節段的聯結鋼板上精確度套孔,確保拱架合攏誤差小、迅速。

(4)臨時扣索、纜風索設置及拆除

本方案中共設置14組臨時扣索,每岸7組,橫橋向兩排,共28道扣索。扣點對稱設置,均設在拱架節段上弦桿上。在拱架拼裝過程中順橋向兩個節段設一組臨時扣索,每組扣索用1-Ф26mm(6×37)鋼絲繩,通過塔架上的導向滑輪后錨固在岸上錨樁上。在節段基本就位后立即拉扣索,按計算的每節段的扣索索力和安裝高程收緊扣索。

拱架橫向偏位的控制,在每一吊裝節段安裝就位后,采用拉Ф17.5mm的鋼絲繩作為橫向施工纜風,且上下游對稱設置在拱架上,通過調整橫向施工纜風的索力來調整拱架軸線。

為了拱架在澆筑拱圈時的整體穩定性,在拱架上下游用Ф21.5mm的鋼絲繩分別對稱設置4組永久橫向纜風,道真岸兩組,正安岸兩組,在收緊橫向纜風時,邊收緊邊測量拱軸線的偏位,每組纜風上下游同時收緊,確保拱架橫向偏位在允許偏差范圍內,每根橫向纜風的索力控制在3t左右。因地質較好,巖石比較堅硬及整體性好,纜風索地攏均以巖錨為主。

拱架完全合攏后拆除臨時扣索。為緩和拱架上下弦桿內力的突然增大,拆除前應先逐步松馳臨時扣索的拉力,首先拆除拱頂位置的扣索,再根據測量拱架高程的變化,再確定放松哪組扣索,兩岸扣索必須同步放松,且所有的臨時扣索需要循環松3～5次,依次循環放松,直至所有的扣索均已完全松馳。每松一次臨時扣索后,均要復測整個拱架的高程和平面位置,分析數據后再進行。松完的扣索從拱頂至拱腳兩岸對稱逐一拆除。

3.加載試壓

為準確掌握新型鋼拱架受荷載及溫度等因素影響下的應力、應變和位移情況,確保安全順利地澆筑拱圈,在鋪設拱圈底模前對鋼拱架進行加載試壓,試壓加載程序按設計加載程序相同進行。本橋拱圈為單箱三室,混凝土澆筑施工順序如圖1所示:

圖1 拱圈澆筑順序

為確保安全,掌握拱架彈性變形趨勢,方案中加載分三期進行,第一期加載重量為底板及1/5肋板總重量的100%,本橋中底板+1/5肋板重量+調平支架及模板重量+施工荷載+鋼拱架自重的總重量為968.7t,其中底板+1/5肋板重量為620t。第二期加載重量為底板及1/5肋板總重量的10%,達到總重量的110%;第三期加載重量為底板及1/5肋板總重量的10%,達到總重量的120%。第一期加載完成后進行一晝夜監測。然后進行第二期加載,同樣加載全部完成后再進行一晝夜監測。第三期亦是如此。在實際操作過程中,當配重荷載超過50%已后,為確保安全,進行了不間斷連續觀測,并按每增加荷載的10%,觀測讀取數據一次并對數據進行分析,看數據是否和理論計算吻合。

加載方法為:在拱圈上搭設鋼管腳手架安裝蓄水斗。蓄水斗用黑層板圍拼,用木板四面加固,在內部用薄膜鋪墊。往蓄水斗內抽水開始加載,注入的水量為加載總量減去蓄水斗自重和加固蓄水斗支架的重量。加載過程模擬砼澆筑時的加載程序進行,盡量讓拱架全斷面均布荷載。

加載至120%荷載時拱架應力

拱架加載前后高程觀測

根據上述加載試壓后得到的拱架應力數據,可知拱架加載后的最大應力[88.62Mp]遠小于桿件剪切應力[120Mp],富余量較大;根據拱架加載前后高程數據及彈性變形量,與監控計算的加載變化及彈性變形量(最大為64mm)很相近,實際觀測的拱架橫向偏位,最大變化向上游側偏移2mm,說明該拱架可控性較強。

4.主拱圈砼施工

主拱圈砼澆筑按豎向分環、縱向分段的方式進行,并遵循縱向、橫向對稱、均衡的原則進行施工。拱圈豎向分為三環:第1環為現澆底板和下馬蹄;第2環為現澆腹板和橫隔板;第3環為現澆頂板和上馬蹄。實際施工中分五個步驟完成:現澆底板和下馬蹄;現澆兩道中腹板和部分橫隔板;現澆兩道邊腹板和部分橫隔板;現澆余下的所有橫隔板;現澆上馬蹄和頂板。當第1環混凝土達到95%設計強度后,方可進行第2環混凝土澆筑,第2環混凝土達到90%后方可進行第3環混凝土澆筑。

為了使拱架能夠充分全段面的受力。拱圈砼澆筑時縱向上分為長度相當的五大段,分別為拱腳段(兩段)、拱頂段(一段)、中間段(兩段)。在進行砼澆筑時根據現場監測的結果,對這五大節段交替進行往返澆筑。其中拱腳段澆筑方向為從下往上,拱頂段澆筑方向為從拱圈兩岸往正中方向對稱進行,中間段澆筑方向是從L/5分往2L/5位置澆筑。

相同砼澆筑方案在畢節地區畢威公路七星關大橋(2004年10月通車)和金沙縣沙后公路山丈水大橋(2005年3月通車)及金織公路底那河大橋(2007年4月通車)成功實施。根據幾次監控的數據顯示,在澆筑底板混凝土以后(混凝土強度達到設計強度的80%以上),再澆筑肋板和頂板,拱架的應力增長和標高的變化很小,可以認為沒有變化。由此,在本方案中,鋼拱架承受的最大荷載,是用拱圈底板重量來控制。也即是鋼拱架在砼澆筑過程中的受力與試壓加載的情形基本相同,加載試壓得出的結果可以指導施工。

(1)現澆底板和下馬蹄

底板和下馬蹄混凝土的澆筑同時從兩邊拱腳、L/5及2L/5處對稱開始, L/5至2L/5處為最后合攏段。所有澆筑順序均為兩岸對稱。現澆底板和下馬蹄澆筑順序見下圖2。

本階段最大荷載為:968.7t

底板澆筑完后鋼拱架應力

根據上述拱圈底板砼澆筑后得到的鋼拱架應力數據,可知鋼拱架在實際砼澆筑時最大應力[83.37Mp]遠小于桿件剪切應力[120Mp];根據砼澆筑過程中實際觀測的鋼拱架變形,最大為5.6mm,小于試壓時的最大彈性變形量6.6mm;實際觀測的拱架橫向偏位,最大變化向上游側偏移1mm。

(2)現澆腹板和橫隔板

待底板混凝土強度達到設計強度的95%以上后,在底板上直接支模現澆拱圈腹板和橫隔板,形成開口箱,截面慣矩增大,結構更加穩定。在本階段鋼拱架所受荷載增加很小。中腹板的澆筑順序與底板的澆筑順序基本一致。

(3)現澆頂板

頂板的澆筑順序與腹板的澆筑順序一致。

頂板砼澆筑后,整個拱完全形成閉口箱,其截面慣矩已足以承受橋上所有設計荷載,故本階段鋼拱架所受荷載增量很小。

5.鋼拱架的拆除

在拱圈完全合攏,且混凝土強度達到95%后,方可進行拱架的拆除。利用纜索吊機和橫纜卷揚機拆除鋼拱架,拆下來的鋼拱架及時清除砼等污垢后按構件類型堆放。以便下一個同類型拱橋使用。

四、結束語

根據試壓及實際砼澆筑加載所取得的應力和測量數據,可以得出結論,該新型鋼拱架使用安全、拼裝便利,且可以反復使用。利用新型鋼拱架施工主拱圈是三江河大橋的特點,應用該鋼拱架,在該橋新開便道,地形峻險等不利環境條件下,三江河大橋得以提前順利完工。該新型鋼拱架是我公司堅持以科研為先導,充分發揮了自身建橋經驗和技術特長,推廣成熟的施工工藝,開發新技術、新工藝的成果。該鋼拱架的應用,使大跨徑鋼筋砼箱型拱橋關鍵工序主拱圈施工得到了安全、質量、經濟、迅速等保障,值得推廣應用。