免拆苯板在葵花拱橋腹拱拱圈施工中的應(yīng)用探析

閆旭，王言磊，遲作強(qiáng)，鹿石磊，杜麗文

（1.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南鐵路局，山東 濟(jì)南 250001）

葵花拱橋橋型新穎，造型靈動(dòng)。將常規(guī)拱橋中腹拱立墻改為拱上拱，形成大拱與小拱交錯(cuò)疊放的樣式，增加橋梁層次感，其外形酷似向日葵花瓣，因此起名為葵花拱橋。但葵花拱橋建設(shè)過(guò)程中的受力與原始拱橋受力差別較大，葵花拱橋?qū)⒏构傲ι系臐M布荷載變?yōu)楣绊斏戏郊案构肮澳_處單個(gè)集中線性荷載，拱上鏤空率顯著提升，葵花拱橋的受力形式及受力位置均發(fā)生巨大改變。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使拱圈局部應(yīng)力降低從而延長(zhǎng)拱圈使用壽命，葵花拱橋應(yīng)注意腹拱拱圈的輕質(zhì)化，腹拱圈設(shè)計(jì)成空心式，挖空率達(dá)50%以上。使用常規(guī)鋼、木材料制作芯模模板，后期取模存在困難，留置于空心腔體內(nèi)則對(duì)葵花拱橋腹拱圈形變產(chǎn)生影響，反而會(huì)降低拱橋壽命。為減輕腹拱拱圈重量，減少拱腳負(fù)彎矩，保障腹拱圈空心形狀，免拆苯板的使用使施工難度降低，施工的便易性增加。

1 工藝原理及工藝特點(diǎn)

1.1 工藝原理

本施工工藝采用苯板作為低高度箱型空心截面的內(nèi)膜，應(yīng)用于葵花拱橋（見(jiàn)圖1）施工過(guò)程中，施工完成后內(nèi)膜免拆除，減少后期開(kāi)槽取模等工序，節(jié)省了工期。與充氣芯模相比，保證空心腔體結(jié)構(gòu)完整性，減少因內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)變形而引發(fā)的內(nèi)力重新分部，減少橋梁內(nèi)部應(yīng)力，增加了橋梁施工整體性，延長(zhǎng)了橋梁壽命。

圖1 葵花拱橋橋型布置圖

葵花腹拱施工步驟具體如下：

①選擇苯板；

②苯板加工，根據(jù)空心內(nèi)腔形狀及尺寸，將苯板芯模進(jìn)行切割加工，切割過(guò)程中應(yīng)注意芯模外邊的角磨圓處理（見(jiàn)圖2）；

圖2 加工后的苯板芯模

③為方便工人將苯板芯模定位安裝，人工將苯板芯模切割為小塊，方便單人挪動(dòng)定位；

④將苯板進(jìn)行試拼并進(jìn)行編號(hào)；

⑤拱橋腹拱支架模板搭設(shè)及預(yù)壓；

⑥腹拱底板鋼筋綁扎；

⑦拱圈側(cè)壁鋼筋安裝；

⑧苯板芯模定位安裝并進(jìn)行壓杠固定；

圖3 苯板芯模安裝圖片

⑨腹拱頂板鋼筋綁扎；

⑩混凝土澆筑；

?結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)；

?拱圈底拆模。

1.2 工藝特點(diǎn)

苯板作為施工建材已屢見(jiàn)不鮮，但苯板作為免拆芯模卻不常見(jiàn)。采用免拆苯板作為芯模材料有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

①苯板具有加工方便、易造型、易搬運(yùn)等特點(diǎn)。苯板加工便利，能夠根據(jù)工程需求快速切割成型。同時(shí)，苯板易于搬運(yùn)安裝，能快速在鋼筋骨架內(nèi)固定。利用苯板內(nèi)模整塊安裝的優(yōu)勢(shì)，能夠快速對(duì)葵花拱橋拱肋中低高度箱型內(nèi)腔進(jìn)行支護(hù)。

②保證了內(nèi)模施工的質(zhì)量、速率及安全性。苯板芯模直接成型，施工過(guò)程中植入腔內(nèi)即可，施工方便且質(zhì)量有保證，能夠大量節(jié)約施工工期。施工完成養(yǎng)護(hù)期過(guò)后，芯模仍在腔內(nèi)保留，節(jié)省取模、封腔等工藝。若箱室內(nèi)部采用傳統(tǒng)木模板施工，一旦發(fā)生變形或脹模，處理過(guò)程耗時(shí)耗力，進(jìn)而會(huì)影響混凝土澆筑質(zhì)量。同時(shí)，免拆除苯板內(nèi)模不需現(xiàn)場(chǎng)加工，避免了工人進(jìn)入低高度截面箱內(nèi)部施工帶來(lái)的危險(xiǎn)，大大提高了施工的安全性。

③拱橋受力過(guò)程中，苯板芯模與外周鋼筋混凝土協(xié)調(diào)一致變形，大大降低拱圈自重，使用內(nèi)模后的單跨腹拱圈重量增加約0.81t，僅為腹拱圈自重397.8t的1/500，均布后可以忽略其對(duì)拱圈受力的不利影響。使拱腳截面與拱頂線型保持一致，使葵花拱橋線型更加流暢、纖細(xì)。

④免拆苯板能使混凝土熱量留存，降低混凝土的散熱速度。在低溫環(huán)境下，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)有利，使低高度截面箱盡早承荷。

2 材料要求及力學(xué)分析

2.1 材料要求

免拆苯板作為芯模應(yīng)保證拱圈的形狀完整性，利用單軸壓縮試驗(yàn)及三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，單軸試件尺寸為φ50mm×20mm，對(duì)試件進(jìn)行有側(cè)限壓縮和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)。三軸壓縮試驗(yàn)的試件尺寸為φ38 mm×80mm，在GDS靜三軸固結(jié)儀上進(jìn)行快剪試驗(yàn)。

單軸壓縮試驗(yàn)在有側(cè)限壓縮和無(wú)側(cè)限壓縮將二者試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（有側(cè)限）

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（無(wú)側(cè)限）

圖6 在不同圍壓下的應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系及體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系

可以看出，隨著荷載不斷增加，苯板泡沫先后經(jīng)歷彈性變形、屈服變形階段和塑性變形等階段，累計(jì)變形增大。相同形變下，應(yīng)力值與材料密度呈正相關(guān)。側(cè)限的介入對(duì)苯板泡沫受力發(fā)生形變的規(guī)律影響極小，抗壓強(qiáng)度明顯低于無(wú)側(cè)限狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度。在三軸壓縮試驗(yàn)中，三軸壓縮試驗(yàn)所產(chǎn)生的變形與單軸壓縮試驗(yàn)所產(chǎn)生的變形類(lèi)似；當(dāng)圍壓很小時(shí)，對(duì)屈服強(qiáng)度的影響很小。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，材料的體積應(yīng)變接近于軸向應(yīng)變，苯板泊松比很小。

根據(jù)江西某新建葵花拱橋的單跨腹拱圈設(shè)計(jì)尺寸，低截面拱圈截面厚度為0.5m，則苯板應(yīng)承受12250Pa的強(qiáng)度（鋼筋混凝土比重為2500kg/m3），保證0.2倍的冗余量。對(duì)苯板材料進(jìn)行受荷狀態(tài)下體積變形測(cè)定，觀察苯板的受重壓縮情況。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

苯板材料受荷狀態(tài)下體積變形 表1

經(jīng)過(guò)論證，應(yīng)選擇樣品4作為內(nèi)膜材料，苯板壓縮強(qiáng)度應(yīng)大于30kPa、表觀密度在17.0～20.0kg/m3的苯板，可以保證拱圈內(nèi)空腔外形變化在要求范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

以拱圈的拱頂為分界線，半拱范圍內(nèi)進(jìn)行彎矩與軸力的監(jiān)測(cè)。在拱腳處（X=0m）到拱頂（x=7.5m），設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為X=1.2、X=2.2、X=3.75、X=5、X=6.2、X=7等6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)拱內(nèi)彎矩及拱內(nèi)軸力進(jìn)行數(shù)值監(jiān)測(cè)。結(jié)果見(jiàn)表2～表5。

溫度整體升溫 表2

溫度整體降溫 表3

結(jié)構(gòu)自重下 表4

2.3 力學(xué)分析

由圖7可以看出，在溫度升高和降低過(guò)程中，由溫度變化引起的腹拱處彎矩變化方向相反，但趨勢(shì)相似。整體溫度升高結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，拱腳處受到兩側(cè)橋臺(tái)給予的內(nèi)向力增大，使拱頂由上表面受壓變?yōu)樯媳砻媸芾绊攺澗剡_(dá)到-2670kN·m。溫度下降則材料收縮，拱腳處兩水平向力向外，拱頂彎矩為3725kN·m。溫度升高降低引發(fā)的拱圈內(nèi)彎矩為零的位置重合。溫度變化引發(fā)的腹拱軸力對(duì)稱于X=0軸。由此可知，苯板留于拱腔內(nèi)不會(huì)因材料質(zhì)地發(fā)生改變而另外產(chǎn)生拐點(diǎn)，苯板在拱腔內(nèi)能和拱體本身變化一致。從圖8中可以看出，在節(jié)點(diǎn)距離為1m處發(fā)生拐點(diǎn)正好與此處截面材質(zhì)由實(shí)心變成空心相吻合，從軸力變化的趨勢(shì)看，截面由實(shí)心變?yōu)榭招氖馆S力變化速率增大，在拱腳實(shí)心處受力則變化不明顯。由此說(shuō)明，采用低高度箱型空心截面作為拱圈結(jié)構(gòu)形式可以有效降低拱腳應(yīng)力變化，對(duì)拱腳壽命增加起有益作用。苯板芯模的采用使拱內(nèi)軸力驟減，對(duì)降低軸力效果明顯，大大提升拱圈壽命。

圖7 免拆苯板芯模作用中拱內(nèi)彎矩圖

圖8 免拆苯板芯模作用中拱內(nèi)軸力圖

3 工程造價(jià)及效益分析

以江西某新建葵花拱橋的單跨腹拱圈為例，施工過(guò)程中將常規(guī)施工工藝與免拆苯板內(nèi)模施工支出進(jìn)行對(duì)比。

3.1 免拆苯板內(nèi)模施工支出

根據(jù)市場(chǎng)詢價(jià)

①單跨材料費(fèi)：苯板內(nèi)模費(fèi)用為150元/m3×45m3=6750元。

②單跨人工費(fèi)用：300元/人×6人×1天=1800元（每跨投入人工6人，用時(shí)1天）。

③單跨運(yùn)輸機(jī)械費(fèi)用：200元/趟。

合計(jì)：8750元。

3.2 常規(guī)施工工藝造價(jià)

常規(guī)拱橋施工采用支架木模板為內(nèi)模，費(fèi)用清單如下。

①單跨材料費(fèi)用：鋼管支架、方木靠背及木模板單跨約6.3萬(wàn)元。

②單跨人工費(fèi)用：每跨投入人工12人，用時(shí)5天，人工費(fèi)按300元/人，每跨人工費(fèi)約1.8萬(wàn)元。

單跨機(jī)械運(yùn)輸費(fèi)用：200元/趟

拆模及填補(bǔ)孔洞：人工3人，用時(shí)4天，人工費(fèi)為3600元；材料費(fèi)100元。

合計(jì)：84900元

3.3 對(duì)比及分析

該橋全橋共12跨，腹拱圈共節(jié)省材料費(fèi)及人工費(fèi)約91.38萬(wàn)元，工期節(jié)約96天。從以上對(duì)比可以看出，使用免拆苯板內(nèi)模比使用傳統(tǒng)支架木模板法節(jié)省大量材料和勞動(dòng)力，節(jié)省了部分工序，施工簡(jiǎn)便，質(zhì)量易于保證。

3.4 工藝效果跟蹤

該工藝應(yīng)用于江西某拱橋和湖北宜昌某拱橋工程，以上兩工程現(xiàn)已建成通車(chē)，目前運(yùn)營(yíng)情況良好，腹拱拱腳與拱圈結(jié)合處尚未發(fā)生任何結(jié)構(gòu)裂紋。

4 結(jié)論

采用苯板作為芯模，大大降低了橋梁自重，使拱腳截面大小與拱頂截面大小保持一致的前提下減少了拱腳處彎矩，將拱腳壽命大大增長(zhǎng)，同時(shí)使葵花拱橋服役壽命大大延長(zhǎng)。苯板留置于拱圈腔內(nèi)，比起常規(guī)使用鋼木作為芯模模板，減少了后期開(kāi)槽取模等工序，節(jié)省了工期，增加了橋梁施工整體性，減少橋梁內(nèi)部應(yīng)力，延長(zhǎng)了橋梁壽命。針對(duì)葵花拱橋等低高度箱型空心截面現(xiàn)澆混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，免拆苯板作為低高度箱型空心截面芯模的施工工藝值得推薦。