現(xiàn)澆施工飛燕式系桿拱橋施工控制技術(shù)

朱志有，楊耀生，陳嘉偉

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 概 述

彭陽(yáng)縣平安大橋建設(shè)項(xiàng)目，隸屬寧夏回族自治區(qū)固原市彭陽(yáng)縣，橋梁結(jié)構(gòu)形式為五跨連續(xù)雙飛燕上承式箱型斷面空腹式系桿板拱橋。橋梁跨徑布置為(30+3×50+30)m，橋梁總長(zhǎng)210 m，橋?qū)?5.5 m，設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載為城-A級(jí)，非機(jī)動(dòng)車(chē)道荷載為城-B級(jí)車(chē)道荷載的0.6倍。主拱橫橋向布置雙幅C40鋼筋混凝土拱，主拱采用單箱四室箱形斷面，高1.2 m，寬12.05 m，橋梁拱圈邊跨跨徑為30 m，矢高分別為11.1 m、12.6 m，矢跨比分別為1/5.41、1/4.76，拱軸系數(shù)分別為4.95、4.6；中跨主拱圈跨徑均為50 m，矢高為12.4m，矢跨比1/4.03，拱軸系數(shù)3.4。拱上立柱作為橋梁的傳力構(gòu)件之一，全橋共計(jì)68道立柱，拱上立柱順橋向間距4 m，高度0.96～9.4 m，采用薄壁墻式墩。拱腳兩側(cè)立柱等厚度0.4 m；其他立柱對(duì)應(yīng)拱圈腹板處厚度0.4 m，拱圈腹板之間的立柱內(nèi)凹為薄壁墻，墻厚0.15 m。拱圈在墻式墩位置設(shè)置內(nèi)橫梁。對(duì)于拱腳兩側(cè)高度大于8 m的墻式墩，為增強(qiáng)其穩(wěn)定性，采用立柱與橋面板固結(jié)構(gòu)造，其余立柱與橋面板則均采用鉸接。橋面板采用分段現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，厚0.22 m。全橋布置16根系桿，系桿采用采用15-12全防腐整根可調(diào)換型成品索體，索體采用環(huán)氧噴涂鋼絞線(xiàn)成品索體。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用輕型橋臺(tái)，橋墩采用墻式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

彭陽(yáng)縣平安大橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)雙飛燕式系桿板拱橋，橋梁施工過(guò)程中拱圈自重作用下結(jié)構(gòu)線(xiàn)形與成橋狀態(tài)下設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)存在不小的偏差，同時(shí)該橋梁的施工過(guò)程較繁雜；施工過(guò)程中需要采取合理的施工方案及施工控制措施，用以保證該橋梁在施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題以及橋梁成橋線(xiàn)形與結(jié)構(gòu)內(nèi)力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鑒于該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工特點(diǎn)，本文主要針對(duì)施工過(guò)程中主拱線(xiàn)形控制、滿(mǎn)堂支架脫架及系桿分批次張拉等主要施工控制技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 總體施工方案及施工控制要點(diǎn)

平安大橋采用自平衡體系的飛燕式系桿拱橋，系桿和拱圈相互依賴(lài)、共同承重。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)以及橋位河流特點(diǎn)，決定該橋采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆進(jìn)行施工。即先采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆主拱圈，然后拱上架設(shè)滿(mǎn)堂支架并現(xiàn)澆拱上立柱。在拱上立柱施工完成且強(qiáng)度達(dá)到要求后，依次進(jìn)行現(xiàn)澆橋面板、二期鋪裝及橋梁附屬設(shè)施施工，整個(gè)施工過(guò)程中穿插分批次系桿張拉施工。整個(gè)施工過(guò)程中，通過(guò)控制拱圈結(jié)構(gòu)線(xiàn)形與系桿張拉力的大小的方式，以改善橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力問(wèn)題[1]，并使結(jié)構(gòu)線(xiàn)形、內(nèi)力及應(yīng)力等滿(mǎn)足成橋狀態(tài)的預(yù)期目標(biāo)。該橋的主要施工步驟如下：①基礎(chǔ)、橋墩、橋臺(tái)等下部結(jié)構(gòu)施工；②滿(mǎn)堂支架搭設(shè)、預(yù)壓；③支架現(xiàn)澆拱圈；④在拱圈上搭設(shè)滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆拱上立柱并預(yù)留系桿孔；⑤拆除中跨滿(mǎn)堂支架；⑥在拱上滿(mǎn)堂支架上分段澆筑橋面板；⑦張拉第一批系桿；⑧拆除邊跨滿(mǎn)堂支架；⑨二期鋪裝及安裝橋梁附屬設(shè)施；⑩張拉第二批系桿成橋。

該橋施工控制關(guān)鍵點(diǎn)包括：①有限元軟件分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算主拱圈施工預(yù)拱度，確定拱圈底模立模標(biāo)高，控制拱圈線(xiàn)形達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；②研究拱下滿(mǎn)堂支架脫架方案，解決拱圈在結(jié)構(gòu)自重、收縮徐變、施工階段荷載共同作用下的不利受力問(wèn)題；③確定合理的系桿張拉順序、張拉批次及張拉時(shí)機(jī)，改善橋梁結(jié)構(gòu)受力。

3 主要施工控制技術(shù)

3.1 拱圈線(xiàn)形控制

對(duì)采用滿(mǎn)堂支架法施工的拱橋而言，施工階段影響拱圈線(xiàn)形的因素主要包括：地基沉降、支架變形、各階段施工預(yù)拱度的計(jì)算及立模標(biāo)高的控制。

平安大橋位于寧夏固原市彭陽(yáng)縣內(nèi)，為濕陷性黃土地區(qū)，在支架搭設(shè)前采用墊層法對(duì)支架下方土體進(jìn)行處理，將距地表2 m以?xún)?nèi)的原狀土進(jìn)行挖除，用材料堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石等材料分層換填，底層采用120 cm碎石，中層采用50 cm砂礫墊層提高地基承載力，在整平碾壓好的砂礫墊層上鋪筑30 cm厚水泥穩(wěn)定砂礫基層，同時(shí)采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，使壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求，以消除局部地基軟弱引起的不均勻沉降現(xiàn)象。滿(mǎn)堂支架搭設(shè)完成后，需對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓處理，即利用沙袋壓重物充分消除地基變形及支架非彈性變形對(duì)拱圈線(xiàn)形的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的地基沉降以及壓重前后高程數(shù)據(jù)，用以計(jì)算設(shè)置預(yù)拱度所需要的支架彈性變形值和支架非彈性變形值。

預(yù)拱度分析通過(guò)Midas Civil軟件完成對(duì)平安大橋各施工過(guò)程的仿真分析計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的線(xiàn)形控制[2-3]。預(yù)拱度分析具體采用倒裝分析法，即認(rèn)為橋梁成橋一定時(shí)間后(本橋取10年)，考慮混凝土收縮徐變的情況下，全橋拱圈底板標(biāo)高均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，在增加施工荷載的條件下，按實(shí)際施工步驟的相反步驟，逐步將各橋梁構(gòu)件“拆除”，然后計(jì)算出全橋拱圈底板的高程坐標(biāo)，利用此時(shí)計(jì)算出的各拱圈底板高程坐標(biāo)減去其設(shè)計(jì)標(biāo)高，即為需設(shè)置的預(yù)拱度。

3.2 支架脫架方案

該橋拱圈采用在滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆法施工，拱圈采用分環(huán)分層澆筑。對(duì)于飛燕式拱橋結(jié)構(gòu)，橋梁施工過(guò)程中若拱圈處于裸拱狀態(tài)，拱圈自重作用下結(jié)構(gòu)線(xiàn)形與成橋狀態(tài)下設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)存在不小的偏差，將導(dǎo)致拱圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的內(nèi)力；該橋采用C40混凝土進(jìn)行澆筑，混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值較低，所以在施工過(guò)程中需要嚴(yán)格控制各鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因此，有必要對(duì)拱圈滿(mǎn)堂支架脫架方案進(jìn)行研究討論，確定合理的拆架方案。為了改善拱結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力狀況，提出了兩種拱圈滿(mǎn)堂支架拆架方案：①方案1，拱圈脫架時(shí)拆除中跨滿(mǎn)堂支架，保留兩邊跨滿(mǎn)堂支架，待第一批系桿張拉后拆除邊跨支架；②方案2，先張拉第一批系桿，然后一次性拆除全跨滿(mǎn)堂支架。結(jié)合后續(xù)施工方案，分別對(duì)橋梁裸拱狀態(tài)、方案1和方案2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到各方案拱肋彎矩圖，并將其繪制在一起，如圖1所示。由圖1可看出：與裸拱狀態(tài)相比，兩種脫架方案均能夠有效改善邊拱及兩側(cè)拱腳的受力狀況，另外相對(duì)于方案2，方案1對(duì)拱圈的受力改善明顯更佳，拱圈彎矩分布相對(duì)均勻，且減少了后續(xù)拆除支架的工序；另外從整體造價(jià)方面來(lái)看，方案1將大幅減少支架的租賃費(fèi)用，同時(shí)節(jié)省工期。因此，該橋選用方案1施工。

圖1 不同脫架方案的拱圈彎矩

3.3 系桿張拉

3.3.1 系桿張拉時(shí)機(jī)

鑒于該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工特點(diǎn)，為控制拱腳水平推力以及改善橋梁結(jié)構(gòu)受力，結(jié)合施工各步驟順序、工期及施工成本等因素，最終確定該橋系桿采用二批次張拉方案施工。二批次系桿張拉的具體時(shí)機(jī)如下。

1)首批張拉。系桿在橋面板澆筑完成后進(jìn)行第二批張拉，以改善裸拱的受力狀態(tài)，使得拱圈最大彎矩值較小，同時(shí)拱腳拉應(yīng)力更為合理，避免了拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的情況，并改善橋面板及拱圈的受力狀態(tài)。

2)第二批張拉。在二期鋪裝全部施工后，根據(jù)實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)全橋系桿進(jìn)行第二批張拉，使得橋梁內(nèi)力及應(yīng)力狀態(tài)、各系桿張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

系桿張拉力主要通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合控制：①平衡各不同階段施工過(guò)程中對(duì)拱腳的水平推力；②控制拱圈飛燕端水平位移；③墩底最大彎矩；④使橋梁成橋內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。保證施工階段橋梁結(jié)構(gòu)安全，并使得橋梁最終成橋后無(wú)論是在線(xiàn)形方面還是橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面均能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 系桿張拉順序

各批次系桿張拉時(shí)，采用計(jì)算機(jī)控制的張拉機(jī)同步智能張拉的方法進(jìn)行張拉，理想狀態(tài)下可以一次張拉完成，即全橋每根系桿均配備張拉機(jī)，按照計(jì)算的索力值同比例智能張拉，且后期基本不用進(jìn)行調(diào)索，但是施工成本太高，為了控制成本以及減少不必要的資源浪費(fèi)，該橋系桿張拉采用2套設(shè)備對(duì)系桿進(jìn)行對(duì)稱(chēng)張拉，利用多次張拉系桿以及調(diào)索的方法確保各系桿索力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

在不同批次系桿張拉時(shí)，需要利用索力影響矩陣法對(duì)張拉順序及張拉力大小進(jìn)行確定[5]，保障系桿施工過(guò)程安全，在系桿張拉完成后盡可能少的調(diào)索，另外應(yīng)避免系桿張拉過(guò)程中使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力及拱圈線(xiàn)形變化過(guò)大[6]。

第一批系桿張拉時(shí)，系桿索力主要用于平衡橋梁主跨支架拆除后引起的拱腳水平推力以及改善邊跨拱腳與跨中截面應(yīng)力情況，避免混凝土受拉開(kāi)裂，并可以通過(guò)系桿力有效控制橋梁線(xiàn)形。因此，系桿的張拉順序主要由拱的內(nèi)力、變形及施工階段結(jié)構(gòu)安全等方面決定。為使拱的受力均勻合理，在系桿張拉時(shí)，先張拉靠中部的系桿。第二批系桿張拉時(shí)，全橋支架已經(jīng)拆除完成，系桿索力主要用于平衡二期鋪裝等荷載引起的拱腳推力。出于對(duì)施工階段結(jié)構(gòu)的安全及拱肋穩(wěn)定考慮，決定優(yōu)先張拉最外側(cè)系桿，后張拉最穩(wěn)定的中部系桿。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工變形分析，確定全橋系桿張拉順序?yàn)椋篘2、N3、N6、N7、N1、N8(第一批)→N4、N5(第二批)；同批施工的2根系桿盡量做到同步、緩慢張拉。

4 結(jié) 語(yǔ)

彭陽(yáng)縣平安大橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)雙飛燕上承式箱型斷面空腹式系桿板拱橋，采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆法進(jìn)行施工，施工過(guò)程較繁雜。施工過(guò)程中采取了主拱線(xiàn)形控制、滿(mǎn)堂支架脫架及系桿分批次張拉等主要施工控制技術(shù)。

該橋于2020年10月建成，11月正式通車(chē)。在橋梁建成后對(duì)其成橋狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)表明：拱圈成橋線(xiàn)形與設(shè)計(jì)線(xiàn)形存在小范圍的偏差，該偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足要求；系桿成橋索力與設(shè)計(jì)索力偏差在±7%以?xún)?nèi)；成橋后外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，結(jié)果表明橋梁各構(gòu)件受力情況良好。以上結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，說(shuō)明該橋施工整體達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該橋相關(guān)施工控制技術(shù)可為該類(lèi)型拱橋的建設(shè)提供參考與借鑒。

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