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现浇钢筋混凝土箱形拱桥主拱圈施工技术

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2020年4月19日
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120m跨现浇钢筋砼箱形拱桥主拱圈施工技术
1.工程概况
xx市xx大桥位于xx市xx镇内，为xx水库建成后原有道路改建工程。该桥位于xx水库上游，跨越库区，终点与上大线连接。该桥桥长192.8m，其中桥梁主跨为净跨径120m上承式悬链线箱形拱桥，其矢跨比1/6，拱轴系数m＝1.756；拱上结构为全空式三柱排架结构，采用7.8m先张法预应力空心板作桥面结构，主箱为高2m的等截面单箱双室，三腹板支承拱上排架柱；拱上结构根据高度分为横墙和排架两种形式；拱座采用8根φ130cm桩承台基础。桥梁设计荷载为公路Ⅱ级，桥面宽度9.5m（0.25m栏杆＋1.0m人行道＋7.0m行车道＋1.0m人行道＋0.25m栏杆）。桥面总体布置图见图1。
图1 桥梁总体布置图
2.支架施工
2.1.支架布置
本桥根据施工条件采用有支架施工。在两拱脚段根据原有的地形情况采用在硬化的地面上直接拼装碗扣式脚手架，中间段采用梁柱式复合体系：其结构构成为：明挖现浇混凝土基础；钢支架分三层，底层为置于混凝土基础上钢管立柱支墩，中层用万能杆件搭成框架结构形成纵梁，上层为满布式碗扣式脚手架。拱部利用碗扣式支架调整成拱型，拱架卸落利用碗扣式支架顶的可调托撑完成。
钢管立柱支墩用φ325×8㎜钢管作为主要支撑柱，在N型万能杆件高度变化处采用双立柱，其余采用单立柱，各钢管立柱水平用I12工字钢连接，且在纵横设置剪刀撑；其上用万能杆件搭成2m框架结构，经过横向［28a槽钢分配梁与立柱连接，在N型万能杆件两侧设置缆风绳；在万能杆件上布设纵横向工字钢分配梁，其上搭设碗扣件式脚手架。全桥钢管立柱布置成11跨形式，跨度为8 m、9m、10m。支架两拱脚段根据原有的地形情况采用在硬化的地面上直接拼装碗扣式脚手架。具体布置见图2。

图2 支架总体布置图
2.2支架基础施工
基础处理时，先清除桥位地表耕植土，并根据立柱间距及桥位地形，开挖至含砂质粘土卵石层，在清理后的地基上回填厚20cm 的碎石，并用手工电动夯实，在夯实地基上浇注3.0m×9.0m×1.0m或1.5m×9.0m×1.0m的C25凝土立柱基础，地基表面用水泥沙浆封闭，基础承载力不小于160kPa，在混凝土浇注前将预埋件按照立柱设计位置准确预埋并固定，防止浇注过程中移位。
2.3支架搭设
2.3.1钢管立柱
按照设计长度在陆地上接长或截短，利用吊车辅助立于设计位置上，在吊点未放松的情况下将根部焊接在基础预埋件上。逐根支立完成后，及时将纵横向槽钢及工字钢连接，以确保钢管立柱的稳定性。
2.3.2 N型万能杆件
拼装均为人工散拼，为保证支架拼装质量，拼装过程中应注意的事项有：
⑴万能杆件拼装之前，应组织技术交底以利于顺利拼装，进场材料应作全面检查，必要时作力学性能抽验。
⑵万能杆件为螺栓连接，拼装时螺栓应一次拧紧。
⑶万能杆件支架拼装前底层应固结，可采用后方支架上挂设滑轮卷扬机提升安装散根杆件, 万能杆件支架每拼装10m应进行测量检查并作调整。万能杆件支架拼装过程中应及时拉缆风索确保支架施工安全, 万能杆件支架拼装完成后应进行全面检查,其各项误差应符合下列要求:
万能杆件支架顶标高:≯50mm
万能杆件支架顶位移:≯20mm
万能杆件支架顶平面高差:≯10mm
横梁挠度:＜L/1000
立柱倾斜:＜H/
⑷拼装万能杆件支架属高空作业，施工中应严格遵守高空作业有关的安全技术规程。
2.3.3碗扣式脚手架
钢管支架立杆按照纵向间距90cm、横向90cm搭设于置于万能杆件支架上的纵向I18工字钢上，横杆步距采用90cm。在纵横向和水平按照间距300cm布置剪刀撑，以增强整体的稳定性。立杆及大小横杆连接采用对接方式，而在拱顶立杆单根长度若不足时则采用搭接方式，且至少用3个扣件与3根小横杆连接，立杆对接扣件位置呈交错布置。所有斜撑采用搭接方式，搭接长度不小于50cm，搭接段用扣件连接。在顶部小横杆与立杆连接的扣件下再增加一个扣件，以防拱顶小横杆下滑。由于拱架在拱圈混凝土浇注过程中存在较大的侧向挤压力，拱脚处立杆、横杆、斜撑均做了加密处理。拱架搭设要求严格控制立杆垂直度，但由于拱架较高处，对接立杆轴线难以做到完全重合，对接面也可能是非理想的水平状态，钢管的吊运碰撞也可能导致钢管产生的微弯曲，使用旧钢管也可能使立杆难以做到理想的直线状态。为增加立杆的稳定性，对情况严重的立杆经过增设横杆或斜撑作了局部加强处理。拱架架设完后，对所有扣件进行全面检查。
2.3.4支架预压
支架预压荷载试验的目的是检验其承载能力和消除非弹性变形，并实测支架的变形值。根据支架试压加载各项测试结果，绘出支架荷载—挠度曲线，为施工监控提供可靠依据。在拱桥结构施工过程中，同时对支架的应力与变形进行检查、测试、确保支架的整体性、刚度、强度与稳定性满足要求。
施工支架预压荷载试验采用部分荷载对整个拱圈进行预压，即预压总荷载值为：（拱圈底板重+拱圈腹板重）×1.2，这是根据主拱圈浇筑顺序确定的，加载顺序与主拱圈浇筑施工顺序相同。加载形式见图3。
图3 主拱圈支架预压立面图
加载监控及数据采集
选取顺桥向拱跨1/8、1/4、3/8、拱顶四个断面，横桥向每个断面布三个：两边、中间，用扎丝吊铅球，上端固结在拱圈槽钢上，下端吊铅球（用钢筋头焊接成三角形也行），与地面有50cm 的活动空隙，在距地面的1m左右的扎丝上绑1m长精度以mm为单位的尺（用卷尺截成）；后视尽量用水准点；测点作为整个桥梁施工全过程的观测点，因而采取保护措施。
每天于早上6点左右、晚上5点左右观测；分别于加载前、加载100%底板重、加载100%腹板重、满载120%（底板重+腹板重）时用水准仪观测。
拱架预压加载采用铺设砂袋方法实现，砂袋的搬运用两台汽车起重机来完成。双向同步对称加载（布载时横向也要对称进行）。加载过程中全程监测拱架变形。当地基沉降速率小于1mm/天时及48h后，开始卸载。预压荷载卸除后，经过观测数据对拱底标高和线形进行重新调整，并检查扣件松紧情况。
3.主拱圈施工
3.1主拱圈底模标高的确定
主拱圈的支架现浇过程中，立模标高的合理确定，是关系到主拱圈的线形是否平顺、是否符合设计的一个重要问题。如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终主拱圈与桥面系线形较为良好；否则最终主拱圈线形会与设计线形有较大的偏差。
立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高，总要设一定的预抛高，以抵消施工中产生的各种变形（挠度）。其计算公式如下：
模板定位标高＝设计标高＋运营预抛高＋施工预抛高＋支架变形
其中支架变形值是根据支架加载试验，综合各项测试结果，最后绘出支架荷载—挠度曲线，进行内插而得。
根据以往上承式拱桥施工及监控经验，并结合本桥的具体情况，估计在施工过程中影响本桥结构内力和线形的因素主要有以下几方面：
⑴ 施工临时荷载；
⑵ 支架变形；
⑶ 日照影响；
⑷ 主拱圈混凝土浇筑顺序和主梁的安装顺序；
⑸ 混凝土浇筑方量的控制；
⑹ 混凝土弹性模量和徐变。
当上述因素与估计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段施工中采用错误的纠偏措施，引起误差累积，因此在施工控制过程中，将经过对应力和位移偏差分析、结构参数敏感性分析、结构参数识别，找出误差原因，确定出设计参数真实值，以此为基础对该桥进行有效施工控制。
为使拱圈最终成形后符合设计和规范的要求，必须在支架上设置预拱度。
拱顶预拱度包括拱圈自重产生的拱顶弹性下沉、拱圈温度降低与砼收缩产生的拱顶弹性下沉、墩台水平位移产生的拱顶弹性挠度值、拱架在设计荷载作用下的弹性及非弹性变形、支架基础受载后非弹性下沉。
预拱度δ=运营预抛高＋施工预抛高＋支架变形
根据设计和监控单位提供的数据，拱顶处预拱度按全部预拱度总值设置，暂定为15cm，拱脚处为零，其余各点按二次抛物线分配。即:
δx＝δ[1-4x2/L2]
δx——任意点（距离拱顶水平距离为x）的预加高度。
δ——预拱度总值。
x ——跨中至拱脚的水平距离。
L——拱圈的计算跨径。
支架预压完成后，拱顶下沉18mm，与监控单位计算基本吻合。预拱度无需再调整。
3.2主拱圈施工方案的确定
拱圈混凝土施工过程是一个对支架不断加载的过程。考虑拱圈浇筑与支架变形之间的相互影响关系，为防止支架异常变形，破坏主拱轴线，甚至产生混凝土裂缝，同时遵循“分环分段灌注顺序应使支架在混凝土灌注过程中发生的变形幅度最小”的施工原则，确定了主拱圈浇筑顺序见图4（图中所标数码即为混凝土浇筑顺序）。

图4 主拱圈浇筑顺序
主拱圈混凝土采用分环、分段的方法进行施工，即：整个拱圈根据支架的结构体系分为3个浇筑环；即底板环、腹板环及顶板环，每环浇筑时再分5段对应水平长度分别均为24m，先对称浇筑拱脚段，再从跨中段向两拱脚方向浇筑，拱顶段浇筑完后，再浇筑1/4段。段与段之间预设间隔槽(顶板不设间隔槽)，间隔槽宽1.5m，根据监控单位的施工加载计算，腹板和底板环两环同时合龙，使拱圈形成一个开口箱形结构，这样对支架和结构比较安全，然后再进行顶板环的分段浇筑及合龙。为了避免支架局部异常变形，采取拱顶两侧对称的方法施工。
3.3主拱圈施工工艺
主拱圈施工工艺流程见图5。

图5 主拱圈施工工艺流程
3.3.1模板体系
3.3.1.1底模
在碗扣式脚手架上的可调托撑上纵向铺设弧形工字钢，工字钢与可调托撑之间的三角形空隙用角钢焊接三角形垫块填充。弧形工字钢上横向铺设10cm×10cm 方木，间距30cm，在工字钢上焊接挡块以防止其下滑。在方木上铺设底模，底模采用厚15mm竹胶板。底模安装的关键是的定位准确计算和测量，该值是根据AutoCAD 绘图软件计算得出，经过调整弧形工字钢和方木能够放样出理想的拱架底模线形。模板结构是否合适将直接影响梁体的外观。
3.3.1.2 外模
面板均采用15mm厚竹胶板，外侧用方木做成框架，2.4m一节，外模包在底模上，下缘根据拱圈内横向分布钢筋的位置布设拉杆，上缘用圆钢作拉杆。模板因曲线造成的缝隙，用加工后的木条填塞，再用“即时贴”贴缝，以防漏浆。
3.3.1.3 内模
浇筑底板时不需要内模，待混凝土初凝后人工压抹成型，底板浇筑后，用扣件式脚手架及可调托撑拼成框架，12mm 厚竹胶板作面板或顶板底模形成内模，拱箱内模框架设计应尽量少占净空，以利于内模的拆除。内模顶部设4道10cm×10cm方木纵向背肋，每道框架布置5个竖向钢管，分别用托撑顶在底板和顶板方木上，用于支撑顶板模板，内侧模每侧设两道10cm×10cm方木纵向背肋，用于支撑内模面板，横向上下布置二道钢管，利用托撑顶在顺桥向lOcm×1Ocm的方木上。框架纵向间距90cm，用钢管纵向联接，中间部分不加斜撑，这样，能够减小框架所占空间，便于施工。钢管间联接用扣件固定。
拱箱模板结构见图6。
模板的铺设顺序为：第一环混凝土浇筑时为：拱圈底模→外侧模→安装拉筋及分段隔板→设置横竖带木。
第二环混凝土浇筑时，模板铺设顺序为：内外侧模→安装拉杆及横竖带木。
第三环混凝土浇筑时，模板铺设顺序为：顶板底模→侧模→安装拉杆及横竖带木。

图6 模板结构图
3.3.2钢筋
拱圈底模铺好后，测设中线、边线、标高，标出各分段点及横隔板的位置，作为安装其它模板及绑扎钢筋的依据。拱圈钢筋安装采用在桥下加工弯制，汽车吊吊运至拱架上就地绑扎施工。钢筋绑扎顺序按拱脚至拱跨1/4段，先安箍筋后穿主筋的办法；拱跨1/4处至拱顶段先穿主筋后套箍筋，以利施工。主钢筋接头、箍筋及横隔板钢筋连接采用焊接；间隔槽钢筋和箍筋在浇筑前绑扎，注意在间隔槽位置钢筋的错开长度应满足规范要求。钢筋在绑扎中和骨架成型后，要做好支撑架避免变形，上层钢筋网采用钢管临时定位，保护层垫块按80cm间距梅花型布置，与主钢筋绑扎牢固。钢筋在浇筑前要保证其无锈蚀现象，如有则除锈后才能浇筑混凝土。
3.3.3混凝土浇筑
混凝土浇筑时采取水平移动，向拱顶方向推进，腹板浇筑时上下分层的方法浇筑，斜向分层（浇筑拱脚混凝土前，要将其与拱座的新旧混凝土接合处凿毛，混凝土表面应凿毛至露出集料并冲刷干净，再将接茬面用水湿润再布薄薄的一层1∶1 水泥砂浆。分段浇筑长度取4m～6m,分段浇筑时必须在前一段混凝土初凝前开始下段混凝土，以保证浇筑连续性。混凝土浇筑进行中不得任意中断，因故必须间歇时，间歇最长时间应按所用水泥凝结时间、混凝土的水灰比及混凝土硬化条件确定。拱圈预留间隔槽中混凝土，应待所有各分段混凝土均灌注完毕，且其相邻段混凝土强度达到70%后方可浇筑，浇筑前要将分段混凝土表面凿毛冲净，残留混凝土清理干净后绑扎钢筋，立好模板。浇筑过程中为防止混凝土外流，在底板、腹板和顶板拱脚位置设盖板防护。浇筑拱脚混凝土时，应控制好混凝土的坍落度，防止混凝土向拱脚处滑落。
3.3.4 间隔槽砼施工及养护
各段均浇筑完成后焊接暂时断开的纵向钢筋进行间隔槽的施工，先进行拱脚段与中间段间隔槽的施工，再进行拱顶段与中间段间隔槽的施工，最后完成拱脚处间隔槽的施工，实现整个拱圈合龙。在拱顶混凝土强度达30MPa 且气温达到8℃时浇注间隔槽混凝土。按施工组织安排，主拱箱间隔槽合龙作业将在十二月份进行。结合该地区的气温实际情况，采取以下措施来严格控制间隔槽的合龙温度。一是科学安排作业时间，在自然温度最低的凌晨零时至6时合龙；二是集中人力、物力，最大限度地缩短合龙的浇注时间，一般控制在4h之内完工；经过采取上述措施，有效地控制合龙温度。
4主拱圈落架
落架作业是主拱圈现浇的最后一道工序，也是很关键的一道工序，要在主拱圈裸拱形成后，待混凝土达到设计强度后落架，落架时要严格按程序图进行。卸落无须安装专门的卸架设备，只需有序地拧松紧固于顶部小横杆的扣件即可方便地完成拱架卸落工作。
主拱圈混凝土最低强度达到设计的90%后，即进行主拱圈脱架。由于拱架设计中采用可调托撑来调整标高和落架，落架点多，落架施工技术难度大。根据计算分析，确定卸架原则：横桥向必须同时均匀卸落，在纵桥向从拱顶向拱脚逐排卸落，最后使拱圈下底模全部脱离混凝土面为止，形成裸拱主拱圈完全受力。
4.1各落架点卸落总量计算
各落架点卸落总量由两部分组成即主拱圈裸拱的弹性变形gΔ与拱架的弹性变形量eΔ之和，即Δ = gΔ + eΔ ，由监控单位提供计算数据可得，拱顶最大卸落量达3.6㎝。
4.2落架步骤
支架设计中采用了碗扣式支架顶端设可调托撑，用以调整标高和落架，拱圈落架点各多达1500个点（每排横向11个可调托撑，纵向共139排），对于如此多的落架点，就不可能达到各点同步均匀地卸落。为了获得一种合理的卸架顺序，我们将拱架与主拱圈组成的复合体系用多种方法进行计算比较，确定了落架方案。支架卸落在横桥向必须同时均匀卸落，在纵桥向从拱顶向拱脚逐排卸落，并保持左右两侧同步对称进行。采取程序如下（分三步进行，见图7）。
第一步：卸落拱顶第5号钢管支墩至第7号钢管支墩范围内的支架，63～84号杆卸落量2cm。卸落第2 号（第10号）钢管支墩至第4 号（第8号）钢管支墩范围内的支架，52～63、84～94号杆卸落量为1cm。
第二步：再次卸落拱顶第5号至第7号钢管支墩范围内的支架，63～84 号杆卸落量1cm。再次卸落第52～63、84～94号杆卸落量0.5cm。
第三步：从拱顶开始到拱脚全部卸落各立杆，卸落量均大于1cm。要求模板与主拱圈求模板与主拱圈完全脱离。

图7 主拱圈支架卸落程序示意图
主拱圈脱架后，即进行支架拆卸，支架拆卸与拼装过程逆向，所用方法和设备一致。
5.结束语
主拱圈完成后，特别是拱上建筑施工结束后，经过一系列监测，应力和变形均达到理想状态，该桥施工实践证明，这种支架作为现浇支撑的施工方案是安全可靠的。主拱圈分环、分段施工是比较合理的，该施工方法施工简便，适用于大跨径现浇钢筋混凝土拱桥施工，对同类桥梁的施工具有很好参考价值。