非對稱外傾式曲線混凝土拱肋施工技術

萬宗江

(中鐵二局集團有限公司 四川成都 610031)

1 引言

近年來，我國大跨徑混凝土拱橋建設在數量、跨徑上均位于世界第一，日本緊隨其后，我國混凝土拱橋在跨越能力上位于世界前列，最具優勢和特色的方面就是施工技術[1]。 混凝土拱橋施工根據其受力和成拱原理將施工方法分為轉體法、懸臂法、支架法、勁性骨架法。

以往對混凝土拱肋的施工已有大量研究，粟學平等[2]在主橋拱肋施工中采用臥拼吊塔豎向轉體施工方法；李光輝[3]在主橋拱肋施工中采用懸臂澆筑施工方法；張亞杰等[4]在主橋拱肋施工中采用原位拼裝支架施工方法，以上學者對轉體法、懸臂法、支架法均已進行了全面論述。

本文在以往研究的基礎上，針對府河大橋拱腳段設計為混凝土實心截面，外傾曲線結構，上端與鋼箱拱肋連接，下端與承臺連接，其結構具有外傾和曲線漸變的鮮明特點，對外傾曲線結構施工穩定性、模型設計加工和精確定位，勁性骨架設計施工，大體積混凝土施工控制等進行專項研究。

2 工程概況

府河大橋位于成都新會展中心以東，毗鄰會展段規劃江灘公園，跨越府河。 采用主跨150 m 的曲線梁非對稱外傾肋拱橋，全長249 m。 主跨位于圓曲線上，左右兩側各自向外傾斜的拱肋，均位于獨自的傾斜平面上，兩個拱肋在主梁下方交叉，在拱頂遙遙相望，采用空間傾斜的吊索與主梁連接[5]。上部混凝土結構由向外傾斜的混凝土拱肋段、橋墩、拱腳外側楔形塊以及系桿錨塊等所組成的一個空間結構體系。 混凝土拱肋采用C50 高強耐久性混凝土，為等寬變高的實心截面，拱箱高度按2.5 次拋物線變化。 府河大橋主跨立面布置見圖1。

圖1 府河大橋主跨立面布置(單位:cm)

3 結構設計

混凝土拱肋段布置于承臺頂面上。 南側拱肋拱平面與水平面的夾角為72°，北側拱肋拱平面與水平面的夾角為60°。 拱肋拱軸線由R＝17.257 m的圓曲線和直線組成。 混凝土拱肋采用變高等寬實心形截面，拱肋寬度4.2 m，拱肋高度從頂端至承臺頂面由5.2 m 逐漸變化至6.495 m(南拱)、6.804 m(北拱)[6]，拱箱高度按照2.5 次拋物線變化。 為了與鋼拱段協調，混凝土拱肋四角也采用切角設計，切角尺寸為65. 9 cm×65.9 cm，混凝土拱肋結構三維示意見圖2。

圖2 承臺拱肋三維示意

4 施工特點

(1)結構構造復雜，施工技術難度大

混凝土拱肋為空間曲線構造，對鋼筋預應力加工成型、安裝精度控制要求較高；同時混凝土模型為異形漸變結構，結構加工施工技術難度大。

(2)結構整體呈傾斜狀態，施工安全風險高

混凝土拱肋為非對稱外傾曲線結構，南拱混凝土拱肋傾斜72°，北拱混凝土拱肋傾斜60°，鋼筋、預應力安裝及混凝土澆筑過程中結構整體穩定性差，必須設計專項的勁性骨架進行支撐固定，施工安全風險高。

(3)結構尺寸較大，水化熱控制技術要求高

混凝土拱肋為實心截面，最小截面在連接鋼箱拱肋位置，斷面尺寸為4.2 m ×5.2 m，梁下橋墩與拱肋一體澆筑，截面面積在梁上拱肋截面基礎上還會增加，產生水化熱較大，同時采高標號C50 混凝土，也增加了水化熱產生量。 施工采用分節段澆筑，體內設置冷卻水管進行水化熱控制，水化熱控制技術要求高。

5 施工技術方案

5.1 拱肋節段劃分

混凝土拱肋施工采用分段的方法進行。 為滿足拱肋預應力體系的分段錨固和接長，拱肋共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ六個大段和五個工作面，每個工作面均和拱軸線相垂直。 在施工工程中，混凝土拱肋在Ⅰ段、Ⅱ段和橋墩、拱肋外側楔形塊對應位置同步裝模、澆筑施工，橋墩、外側楔形塊的工作面位于水平面上，和拱肋工作面、施工縫較高點高程平齊。 拱肋在Ⅲ段和系桿錨塊同時進行裝模、澆筑施工[7]。 拱肋施節段分段見圖3。

圖3 拱肋節段劃分(單位:m)

5.2 拱肋勁性骨架設計

拱肋勁性骨架采用雙層結構。 南拱主弦桿采用∠100 ×10 的等邊角鋼，北拱主弦桿Ⅰ段和Ⅱ段采用∠100 ×10 的等邊角鋼，Ⅲ段和Ⅵ段采用∠125×10 的等邊角鋼；內外兩層角鋼之間采用∠50 ×5的等邊角鋼作為聯接桿；勁性骨架腹桿采用∠75 ×8的等邊角鋼作為橫向聯接系。 拱肋勁性骨架設計見圖4。

圖4 拱肋勁性骨架(單位:cm)

6 施工整體穩定性分析

6.1 有限元模型建立

采用軟件對混凝土拱肋施工過程進行了數字仿真分析，模型實體部分全部采用六面體單元，鋼束采用1D 鋼筋單元，骨架采用梁單元模擬，骨架與實體之間采用共節點方式處理。 模型共計8 870個梁單元，預應力鋼束6 844 個單元，三維實體單元個數為49 914 個，整個模型共有66 128 個節點。拱肋實體模型見圖5。

6.2 模擬施工階段

圖5 拱肋實體模型示意

根據現場施工實際情況，模型共分成14 個施工階段進行分析，除設計第1 階段為10 d 外，其他每個施工階段周期均為7 d。模型計算考慮的施工階段見表1。

表1 模型計算考慮的施工階段

續表1

6.3 計算結果

根據各施工階段的實際狀態進行模擬分析，各階段混凝土和勁性骨架計算結果如表2 所示。

表2 各施工階段計算結果

根據以上14 個施工階段模擬分析結果與設計文件計算結果進行比對，拱肋軸向壓應力分布范圍大致相同，在拱肋與三角塊接觸位置應力集中處極值點應力略小于設計值，拱肋上主拉、主壓應力基本與設計文件相同；在拱肋與橋墩接觸處，設計最大主拉應力出現在側邊，而本計算出現在頂面，經分析應是由于考慮拱肋骨架應力擴散作用所致；承臺上除去本計算中邊界條件模擬處，其他部位結果基本一致。 勁性骨架北拱外側主撐上最大壓應力達到-171 MPa，最大拉應力為125 MPa，應力偏大，施工中采取適當增大桿件截面進行加強。

7 關鍵施工技術

7.1 外傾式曲線混凝土拱肋模板安裝控制技術

(1)勁性骨架施工

拱肋勁性骨架在承臺最后一層混凝土澆筑施工前進行承臺內勁性骨架角鋼的埋設施工，接長拱肋勁性骨架施工在承臺最后一層混凝土施工完成后進行，勁性骨架安裝時主要根據拱肋分段分6 次進行接長施工[8]。

由于拱肋勁性骨架結構尺寸較大，先在加工場分6 段將勁性骨架放樣、下料焊接運至工地后，在施工現場采用吊車對其安裝并焊接為整體。 因勁性骨架在全部拼裝完成后高度較大，又是空間傾斜結構，所以在施工勁性骨架時根據拱肋預應力安裝順序進行分次拼裝，同時拱肋勁性骨架懸臂端與拱肋外支架連接進行支撐，連接件設為可調支撐可對勁性骨架進行調整定位，同時增加勁性骨架的承載力。

安裝勁性骨架時，為了保證勁性骨架空間位置的精度，須按照設計預拱度對其進行全程測量跟蹤定位。 勁性骨架主接長采用先利用拼接角鋼進行栓接，經測量定位后進行焊接的施工順序進行施工安裝。

(2)模板施工

拱肋模板采用2.1 cm 厚的膠合板，豎肋采用20 cm 高的木工字梁結構，橫肋采用雙拼14 號槽鋼結構，模板寬度、高度設計根據節段劃分情況單獨進行設計。 為了減少模板的周轉和倒用，拱肋頂板、底板、內外側腹板四個面均只加工一塊模板，模板尺寸按照拱肋節段劃分時6 個節段中最大的截面尺寸進行加工。 拱肋上下頂底板是由平面逐漸變為曲面的空間結構，因頂底板水平投影等寬，頂底板在各節段施工時線形各異，在周轉和倒用時需對面板線形進行調整，通過在槽鋼背楞上加墊弧形造形木進行面板預彎線形調整可實現模板多次周轉倒用，造形木按每節段弧度加工。

拱肋拱腳段因結構形狀較為特殊，在安裝時先用C30 砂漿找平后，再在承臺頂面安裝第一節模板。 安裝時利用塔吊進行吊運安裝，利用模板外可調支撐進行模板的定位固定。 模板安裝時，由拱肋勁性骨架對其支撐定位。 為了保證混凝土保護層厚度，在勁性骨架上每隔1 m 設置塑料墊塊。 利用拱肋內的鋼管腳手架和拱肋外支架作為操作平臺來進行安裝模板施工。 為了保證拱肋施工線形滿足設計要求，安裝模板時由專業測量工程師全程定位跟蹤安裝[9]。

當混凝土強度符合設計要求后，方可拆除模板及其支架。 當混凝土達到一定強度，且可以保證混凝土表面、棱角不會由于拆模而發生損壞后，方可拆除側模。 在混凝土強度符合設計要求后，在已拆除模板的結構上方可承受全部使用荷載；如施工荷載比使用荷載大，必須通過計算，采取加設臨時支撐等可靠措施后方可進行。 嚴禁隨意拋擲模板和其相關配件，均采用人工或機械傳遞模板，并及時整理拆下來的模板[10]。

7.2 大體積混凝土施工質量控制技術

(1)配合比設計

采用級配良好的碎石，選用水化熱較低的水泥，最大粒徑不得大于鋼筋間距的1/4，嚴格控制針狀、片狀和石粉的含量；采用優質中砂，細度模量控制在2.6 左右，含泥量不得超過1%；為延長混凝土初凝時間，在滿足混凝土設計強度的前提下，摻用高效減水劑，延遲水泥水化熱峰值出現的時間，使水化熱的峰值控制在不大于50 ℃；混凝土坍落度控制在14 ～16 cm，和易性好，不泌水，便于泵送[11]。

(2)混凝土施工技術控制

混凝土的入模溫度應維持在12 ～30 ℃之間，并控制混凝土的出料溫度，澆筑時要控制分層厚度，加快混凝土水化熱的散失；采用冷卻水管循環對混凝土進行冷卻，在充分進行熱交換后，由冷卻水管循環水將水化熱產生的熱量從混凝土體內帶出，使得混凝土體內的溫度降低，縮小了混凝土的內外溫差，使混凝土的內外溫差不大于25 ℃。 為了調整循環水流量，采取控制水閥，調節進出口溫差不大于10 ℃，保證循環水溫與混凝土內部溫差不大于20 ℃，并安排專人記錄好進出口水溫；采取水平分層、斜向分段的原則澆筑混凝土，可以確保混凝土部分熱量充分擴散于空氣中；在混凝土中提前埋設熱敏電阻元件，以測定混凝土內部的溫度，也可以實時掌握混凝土結構內外溫差變化情況，根據觀察結果調整冷卻水管通水、蓄熱養護時間[12]。

7.3 外傾式曲線混凝土拱肋線形控制技術

為確保計算模型能正確地反映實際結構狀態，在施工控制階段，根據實測的狀態變量值與相應理論值之間的差異對影響參數隨時進行識別和修正，減小設計參數誤差的影響。 選用代表當今世界先進水平的徠卡TC702 型全站儀進行施工測量控制，進而達到精度要求，保證工程質量和成型后線形的美觀性。

根據混凝土段拱肋段的施工順序，對于混凝土拱肋段的測量定位控制內容主要由以下5 個部分組成：勁性骨架的安裝測量定位控制、混凝土拱肋箱壁鋼筋測量定位控制、預應力鋼絞線的安裝測量定位控制、混凝土模板的安裝定位控制、施工過程中對混凝土拱肋撓度變形的測量監控。

8 結束語

在本項目施工技術研究過程中，充分考慮了本工程的結構特點和施工環境，采用先進的數值模擬技術預先對外傾式混凝土拱肋各施工節段進行分析，有效控制結構線形變化，明確各結構受力狀態，工程實施效果顯著，對工程實際具有較大的指導意義。