滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋自錨上承式拱橋現澆拱肋模板系統設計

蔡福海

(中鐵十二局集團第四工程有限公司,西安 710021)

滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋自錨上承式拱橋現澆拱肋模板系統設計

蔡福海

(中鐵十二局集團第四工程有限公司,西安 710021)

混凝土結構的模板工程,是混凝土結構構件施工的重要工具。采用先進適用的模板技術,對提高工程質量、加快施工進度、提高勞動生產率、降低工程成本和實現文明施工都具有十分重要的意義。跨滬杭高速公路特大橋主橋為1聯(88.8+160+88.8)m自錨上承式拱橋,采用“支架現澆、轉體就位”的施工工藝。拱肋軸線采用二次拋物線,拱肋截面采用單箱單室箱形混凝土截面,截面特性按照立特規律變化。通過對跨滬杭高速公路特大橋自錨式拱橋拱肋線形及截面形式的分析,探討了現澆拱肋模板系統的設計理念和制作工藝,以及通過模板設計控制拱肋線形的方法,供同類型橋梁施工提供一些可借鑒的經驗。

鐵路橋;上承式拱橋;拱肋;模板系統;設計

1 概述

滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋位于上海市金山區和浙江省嘉興市境內,沿途穿越上海市金山區,浙江省嘉興市嘉善縣,橋位處地形平坦。滬杭高速鐵路線路于嘉善縣內由滬杭高速公路南側跨到北側,在里程DK059+075.555～DK059+413.555處采用1聯(88.8+ 160+88.8)m自錨上承式拱橋,主橋設計為基礎、拱、梁固結體系,采用“支架現澆、轉體就位”的施工方案。

線路設計為雙線,線間距5.0m,本橋位于直線上,設計速度350km/h。本橋立面布置如圖1所示。

圖1 自錨上承式拱橋示意(單位:cm)

拱肋采用拋物線線形,矢跨比為1/6,中跨拱肋拱頂截面高為4m,拱腳截面高為6m,拱肋橫向寬度7.5m,采用單箱單室截面。

2 拱橋線形截面形式的研究分析

2.1 拱軸線形式的選擇與分析

拱軸線的形狀直接影響主拱截面內力的分布與大小[1]。選擇拱軸線的原則,也就是盡可能降低由于荷載產生的彎矩值,充分利用材料強度和圬工材料的良好抗壓性能[2]。因而施工過程中的線形控制對成拱后拱橋的良好受力起到至關重要的作用[3,4]。在本橋設計中,選用接近于拱橋壓力線的拋物線作為拱軸線方程,有效跨徑設計為153m,矢高為25.5m。

以拋物線頂點為坐標原點,以向下為y軸正方向(圖2),則拱軸線方程可表示為

圖2 以拋物線頂點為原點的坐標系

為方便施工過程中的控制,將坐標原點平移到拱座中心(圖3)。

圖3 以拱座中心為原點的坐標系

則拱軸線方程可表示為

2.2 拱箱截面變化形式的分析

為了充分發揮拱的每個截面的材料強度,拱圈截面沿拱軸線設計為變截面形式。其截面慣性矩自拱頂向拱腳變化方式主要有2種:等厚度變寬方式和等寬度變厚方式[5]。在本大跨度拱橋設計中,為了抵抗向拱腳逐漸增大的軸向力而采用第2種變化規律。為了有效提高拱的橫向穩定性,且使拱的自重不大幅增加,本橋設計采用箱形截面(圖4)。

截面慣性矩變化規律從拱頂向拱腳逐漸變大,解析函數采用立特公式

式中 I——拱任意截面的慣性矩;

Id——拱頂截面的慣性矩;

φ——拱任意截面的拱軸水平傾角;

n——拱高變化系數;

圖4 拱箱截面(單位:cm)

2.2.1 截面慣性矩的確定

對于實體矩形截面而言,其截面慣性矩 I= bh3/12,對于箱形截面而言,其截面慣性矩 I=(1-αβ3)bh3/12。

根據等慣性矩轉換原則,該箱形截面可等效轉換為寬度為7m的實體矩形截面。依此可求得,拱頂截面的慣性矩 Id=37.333m3,拱腳截面的慣性矩 Ij= 126.000m3。

2.2.2 φ值的確定

由“二次拋物線切線方程的斜率為二次拋物線的一階導數”知

則

2.2.3 n值的確定

在拱腳處,tanφ=2×(80-3.5)/(9×25.5)=2/3,則cosφ=0.832,利用拱腳處ε=1的邊界條件求得

2.2.4 任意截面拱高h的確定

3 拱橋線形控制坐標計算

為方便施工控制,以拱座中心為坐標原點,施工中線方向為x坐標軸,豎向為y坐標軸建立直角坐標系(與放樣時的里程和高程相對應)。

3.1 拱下緣坐標計算(圖5)

圖5 拱下緣坐標計算示意

3.2 拱上緣坐標計算(圖6)

圖6 拱上緣坐標計算示意

3.3 拱梁結合段梁頂坐標計算(拱橋位于直線平坡上)(圖7)

梁頂面高程為+29.464m,拱座中心高程為+1.964m,則

3.4 拱梁結合段腹板與翼緣板交接處坐標計算(即自梁頂以下58.3cm)

圖7 梁頂坐標計算示意

4 拱橋底模系統

底模系統選用木模,由橫向方木、縱向方木、竹膠板3部分組成[6]。

橫向方木放置于碗扣支架頂托頂部(碗扣支架縱向間距30cm)。為優化橫向方木的受力及底模的抗傾覆穩定性,特將橫向方木做切角處理(15cm×20cm方木做切角處理之后的凈尺寸大于15cm×15cm),如圖8所示,相鄰橫向方木之間用扒釘連接牢靠。

圖8 底模系統示意

縱向方木(10cm×10cm)搭置于橫向方木之上,為避免縱向方木接頭懸空而影響底模受力性能,須將縱向方木的搭接頭位置設置于橫向方木之上,即縱向方木在水平面上的投影長度為30cm的整數倍。為保證縱向方木與橫向方木的整體受力性能,防止縱向方木滑移,將縱向方木與橫向方木之間用扒釘連接牢靠。

竹膠板(1.8cm厚)釘連于縱向方木之上。

4.1 底模加工制作

4.1.1 底模矢高計算

假設取縱向方木長2.4m,則可近似地取縱向方木中心與同其對應的拱下緣點之間的高度作為理論底模矢高(圖9)。

圖9 底模矢高計算示意

1點、2點表示長為2.4m的縱向方木與拱下緣線的交點,4點表示縱向方木中心點,3點表示與相對應的拱下緣點。

底模矢高

經計算,底模矢高最大值Δmax=4mm,滿足施工控制要求。

4.1.2 縱向方木長度計算

為避免縱向方木接頭不能搭到橫向方木之上而影響底模剛度,則應使縱向方木在水平面上的投影長度為30cm的整數倍(圖10)。

1點、2點表示縱向方木與拱下緣線的交點,1′點、2′點表示與1點、2點對應的拱上緣線,則有

縱向方木長度

4.1.3 橫向方木切角計算

根據縱向方木的布置,可知其起點和終點的坐標(圖11)

為保證底模矢高滿足施工要求,選擇n值時應滿足L≤2.4m的條件。同時,為了保證腹板表面舒適美觀,要求模板接縫整齊有序,須使與拱下緣對應的拱上緣長度小于2.44m(竹膠板長度),即

圖11 縱向方木與橫向方木布置示意(單位:cm)

則縱向方木的傾角可表示為

橫向方木切角高度可表示為

4.2 底模高程控制

在底模的制作鋪設過程中,采取控制橫向方木頂面中心處高程、控制與橫向方木頂面中心處對應的縱向方木頂高程和控制竹膠板頂面高程的“三控措施”。其中,橫向方木頂面中心處高程為主控項目,與橫向方木頂面中心處對應的縱向方木頂高程和竹膠板頂面高程為檢查復核項目。

4.2.1 橫向方木頂面高程計算(中心處)

根據縱向方木布置,可知與縱向方木起端A和終端B所對應的拱下緣點的坐標,則與縱向方木起端A對應的橫向方木頂的高程為與其對應的拱下緣高程減去縱向方木、竹膠板的豎向高度(圖12),再加上地基沉降、碗扣支架變形、預拱度等修正項。

縱向方木和竹膠板對應的豎向高度可表示為: 11.8/cosγ(cm)。

與縱向方木起端A對應的橫向方木頂的高程可表示為:1.964(坐標原點拱座中心平面的高程)+yA下-11.8cosγ/100+修正項。

同理,可求得與縱向方木終端B對應的橫向方木頂的高程。

位于A、B之間的橫向方木頂高程可用內插法求得。

圖12 橫向方木頂面高程計算示意

4.2.2 縱向方木頂面高程計算

縱向方木頂面高程為橫向方木頂面高程加縱向方木的豎向高度(或拱下緣高程減去竹膠板的豎向高度)。

4.2.3 竹膠板頂面高程計算

竹膠板頂面高程計算方法同縱向方木頂面高程計算。

5 拱橋側模系統

為了降低工程造價,同時考慮到拱橋側模線形控制難度較大和工期緊張的特點,拱橋的側模選用復合模板,即采用以竹膠板作為面板,用鋼桁架加固[8]。為了保證拱橋的外觀漂亮自然,將模板接縫設置于垂直于拱軸線方向,且使每塊側模與底模縱向方木相對應。其形式如圖13所示。

圖13 拱橋側模示意

5.1 側模加固桁架的制作

為了克服拱橋腹板模板精度難以控制的困難,同時提高模板的穩定性和剛度,節約時間[7],特制作鋼桁架。以保證拱肋線形并對側模板進行加固。

鋼桁架在工廠加工后運至施工現場。鋼桁架大樣如圖14所示。

圖14 鋼桁架示意

5.2 側模面板(竹膠板)尺寸計算(圖15)

由于拱箱截面在拱軸線以上部分為直坡,在拱軸線以下部分設置成1∶4的變坡,面板制作時以拱軸線為界分為上下兩塊。由于側模接縫設置在垂直于拱軸線方向,致使側模面板成為一塊上下不等寬、左右不等高的不規則四邊形。

對于拱軸線以上部分:面板的左右高度為其對應拱箱截面高度的一半(1點、3點之間的距離和2點、4點之間的距離),面板的上下長度為其對應拱箱截面之間的拱上緣線和拱軸線的長度(1點、2點之間的距離和3點、4點之間的距離)。

圖15 竹膠板尺寸計算示意

在實際操作中,先用墨線彈出L1(L1＞L2)×H1(H1＞H2)的矩形區域ABCD(圖16);然后以D點為起點,沿DC方向量取長度a=H1-H2,彈墨線AE;再分別以B點、C點為起點,沿BC方向和CB方向量取長度b= (L1-L2)/2,彈墨線AF、DG;沿墨線裁下竹膠板。

圖16 竹膠板切角示意

6 結語

混凝土結構的模板工程,是混凝土結構構件施工的重要工具,對混凝土結構施工的質量、安全有十分重要的影響。模板及其支架具有足夠的承載力、穩定性好、剛度大,制作出梁體的幾何尺寸準確性高[8,9]。采用先進適用的模板技術,對提高工程質量、加快施工進度、提高勞動生產率、降低工程成本和實現文明施工都具有十分重要的意義[10]。特別對于大跨度橋梁,模板的制作更顯得尤為重要。

跨滬杭高速公路特大橋是滬杭客運專線上的一個控制性工程,主橋采用自錨上承式拱橋形式,構造復雜,施工環節多,工藝要求高。通過該課題的研究與應用,確保了主橋在施工過程中結構安全可靠,成橋后的線形符合設計要求。確保了在施工條件復雜、工期緊張的情況下,安全、快速、優質地完成了該橋的建設,取得了良好的經濟效益及社會效益。

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U238;U448.22

B

1004 -2954(2011)06 -0090 -04

2011-01-26;

2011 -03 28

蔡福海(1987—),男,助理工程師,2009年畢業于蘭州交通大學土木工程專業,工學學士,E-mail:cfhsff@163.com。