萬宗江

(中鐵二局集團(tuán)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(shè)在數(shù)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(yōu)勢和特色的方面就是施工技術(shù)[1]。 混凝土拱橋施工根據(jù)其受力和成拱原理將施工方法分為轉(zhuǎn)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(xué)平等[2]在主橋拱肋施工中采用臥拼吊塔豎向轉(zhuǎn)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(xué)者對轉(zhuǎn)體法、懸臂法、支架法均已進(jìn)行了全面論述。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上，針對府河大橋拱腳段設(shè)計(jì)為混凝土實(shí)心截面，外傾曲線結(jié)構(gòu)，上端與鋼箱拱肋連接，下端與承臺連接，其結(jié)構(gòu)具有外傾和曲線漸變的鮮明特點(diǎn)，對外傾曲線結(jié)構(gòu)施工穩(wěn)定性、模型設(shè)計(jì)加工和精確定位，勁性骨架設(shè)計(jì)施工，大體積混凝土施工控制等進(jìn)行專項(xiàng)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(guī)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(cè)各自向外傾斜的拱肋，均位于獨(dú)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(jié)構(gòu)由向外傾斜的混凝土拱肋段、橋墩、拱腳外側(cè)楔形塊以及系桿錨塊等所組成的一個空間結(jié)構(gòu)體系。 混凝土拱肋采用C50 高強(qiáng)耐久性混凝土，為等寬變高的實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土拱肋段布置于承臺頂面上。 南側(cè)拱肋拱平面與水平面的夾角為72°，北側(cè)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(shí)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(xié)調(diào)，混凝土拱肋四角也采用切角設(shè)計(jì)，切角尺寸為65. 9 cm×65.9 cm，混凝土拱肋結(jié)構(gòu)三維示意見圖2。

圖2 承臺拱肋三維示意

4 施工特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，施工技術(shù)難度大

混凝土拱肋為空間曲線構(gòu)造，對鋼筋預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)加工施工技術(shù)難度大。

(2)結(jié)構(gòu)整體呈傾斜狀態(tài)，施工安全風(fēng)險高

混凝土拱肋為非對稱外傾曲線結(jié)構(gòu)，南拱混凝土拱肋傾斜72°，北拱混凝土拱肋傾斜60°，鋼筋、預(yù)應(yīng)力安裝及混凝土澆筑過程中結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差，必須設(shè)計(jì)專項(xiàng)的勁性骨架進(jìn)行支撐固定，施工安全風(fēng)險高。

(3)結(jié)構(gòu)尺寸較大，水化熱控制技術(shù)要求高

混凝土拱肋為實(shí)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(chǔ)上還會增加，產(chǎn)生水化熱較大，同時采高標(biāo)號C50 混凝土，也增加了水化熱產(chǎn)生量。 施工采用分節(jié)段澆筑，體內(nèi)設(shè)置冷卻水管進(jìn)行水化熱控制，水化熱控制技術(shù)要求高。

5 施工技術(shù)方案

5.1 拱肋節(jié)段劃分

混凝土拱肋施工采用分段的方法進(jìn)行。 為滿足拱肋預(yù)應(yīng)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(cè)楔形塊對應(yīng)位置同步裝模、澆筑施工，橋墩、外側(cè)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(diǎn)高程平齊。 拱肋在Ⅲ段和系桿錨塊同時進(jìn)行裝模、澆筑施工[7]。 拱肋施節(jié)段分段見圖3。

圖3 拱肋節(jié)段劃分(單位:m)

5.2 拱肋勁性骨架設(shè)計(jì)

拱肋勁性骨架采用雙層結(jié)構(gòu)。 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(nèi)外兩層角鋼之間采用∠50 ×5的等邊角鋼作為聯(lián)接桿；勁性骨架腹桿采用∠75 ×8的等邊角鋼作為橫向聯(lián)接系。 拱肋勁性骨架設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 拱肋勁性骨架(單位:cm)

6 施工整體穩(wěn)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(jìn)行了數(shù)字仿真分析，模型實(shí)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(shí)體之間采用共節(jié)點(diǎn)方式處理。 模型共計(jì)8 870個梁單元，預(yù)應(yīng)力鋼束6 844 個單元，三維實(shí)體單元個數(shù)為49 914 個，整個模型共有66 128 個節(jié)點(diǎn)。拱肋實(shí)體模型見圖5。

6.2 模擬施工階段

圖5 拱肋實(shí)體模型示意

根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際情況，模型共分成14 個施工階段進(jìn)行分析，除設(shè)計(jì)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(jì)算考慮的施工階段見表1。

表1 模型計(jì)算考慮的施工階段

續(xù)表1

6.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)各施工階段的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，各階段混凝土和勁性骨架計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 各施工階段計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上14 個施工階段模擬分析結(jié)果與設(shè)計(jì)文件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，拱肋軸向壓應(yīng)力分布范圍大致相同，在拱肋與三角塊接觸位置應(yīng)力集中處極值點(diǎn)應(yīng)力略小于設(shè)計(jì)值，拱肋上主拉、主壓應(yīng)力基本與設(shè)計(jì)文件相同；在拱肋與橋墩接觸處，設(shè)計(jì)最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)邊，而本計(jì)算出現(xiàn)在頂面，經(jīng)分析應(yīng)是由于考慮拱肋骨架應(yīng)力擴(kuò)散作用所致；承臺上除去本計(jì)算中邊界條件模擬處，其他部位結(jié)果基本一致。 勁性骨架北拱外側(cè)主撐上最大壓應(yīng)力達(dá)到-171 MPa，最大拉應(yīng)力為125 MPa，應(yīng)力偏大，施工中采取適當(dāng)增大桿件截面進(jìn)行加強(qiáng)。

7 關(guān)鍵施工技術(shù)

7.1 外傾式曲線混凝土拱肋模板安裝控制技術(shù)

(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(jìn)行承臺內(nèi)勁性骨架角鋼的埋設(shè)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(jìn)行，勁性骨架安裝時主要根據(jù)拱肋分段分6 次進(jìn)行接長施工[8]。

由于拱肋勁性骨架結(jié)構(gòu)尺寸較大，先在加工場分6 段將勁性骨架放樣、下料焊接運(yùn)至工地后，在施工現(xiàn)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(jié)構(gòu)，所以在施工勁性骨架時根據(jù)拱肋預(yù)應(yīng)力安裝順序進(jìn)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(jìn)行支撐，連接件設(shè)為可調(diào)支撐可對勁性骨架進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)預(yù)拱度對其進(jìn)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(jìn)行栓接，經(jīng)測量定位后進(jìn)行焊接的施工順序進(jìn)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(jié)構(gòu)，橫肋采用雙拼14 號槽鋼結(jié)構(gòu)，模板寬度、高度設(shè)計(jì)根據(jù)節(jié)段劃分情況單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 為了減少模板的周轉(zhuǎn)和倒用，拱肋頂板、底板、內(nèi)外側(cè)腹板四個面均只加工一塊模板，模板尺寸按照拱肋節(jié)段劃分時6 個節(jié)段中最大的截面尺寸進(jìn)行加工。 拱肋上下頂?shù)装迨怯善矫嬷饾u變?yōu)榍娴目臻g結(jié)構(gòu)，因頂?shù)装逅酵队暗葘?，頂?shù)装逶诟鞴?jié)段施工時線形各異，在周轉(zhuǎn)和倒用時需對面板線形進(jìn)行調(diào)整，通過在槽鋼背楞上加墊弧形造形木進(jìn)行面板預(yù)彎線形調(diào)整可實(shí)現(xiàn)模板多次周轉(zhuǎn)倒用，造形木按每節(jié)段弧度加工。

拱肋拱腳段因結(jié)構(gòu)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(jié)模板。 安裝時利用塔吊進(jìn)行吊運(yùn)安裝，利用模板外可調(diào)支撐進(jìn)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(hù)層厚度，在勁性骨架上每隔1 m 設(shè)置塑料墊塊。 利用拱肋內(nèi)的鋼管腳手架和拱肋外支架作為操作平臺來進(jìn)行安裝模板施工。 為了保證拱肋施工線形滿足設(shè)計(jì)要求，安裝模板時由專業(yè)測量工程師全程定位跟蹤安裝[9]。

當(dāng)混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求后，方可拆除模板及其支架。 當(dāng)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度，且可以保證混凝土表面、棱角不會由于拆模而發(fā)生損壞后，方可拆除側(cè)模。 在混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求后，在已拆除模板的結(jié)構(gòu)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(jì)算，采取加設(shè)臨時支撐等可靠措施后方可進(jìn)行。 嚴(yán)禁隨意拋擲模板和其相關(guān)配件，均采用人工或機(jī)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(zhì)量控制技術(shù)

(1)配合比設(shè)計(jì)

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(yán)格控制針狀、片狀和石粉的含量；采用優(yōu)質(zhì)中砂，細(xì)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(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，摻用高效減水劑，延遲水泥水化熱峰值出現(xiàn)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(shù)控制

混凝土的入模溫度應(yīng)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(huán)對混凝土進(jìn)行冷卻，在充分進(jìn)行熱交換后，由冷卻水管循環(huán)水將水化熱產(chǎn)生的熱量從混凝土體內(nèi)帶出，使得混凝土體內(nèi)的溫度降低，縮小了混凝土的內(nèi)外溫差，使混凝土的內(nèi)外溫差不大于25 ℃。 為了調(diào)整循環(huán)水流量，采取控制水閥，調(diào)節(jié)進(jìn)出口溫差不大于10 ℃，保證循環(huán)水溫與混凝土內(nèi)部溫差不大于20 ℃，并安排專人記錄好進(jìn)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?；炷敛糠譄崃砍浞?jǐn)U散于空氣中；在混凝土中提前埋設(shè)熱敏電阻元件，以測定混凝土內(nèi)部的溫度，也可以實(shí)時掌握混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差變化情況，根據(jù)觀察結(jié)果調(diào)整冷卻水管通水、蓄熱養(yǎng)護(hù)時間[12]。

7.3 外傾式曲線混凝土拱肋線形控制技術(shù)

為確保計(jì)算模型能正確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在施工控制階段，根據(jù)實(shí)測的狀態(tài)變量值與相應(yīng)理論值之間的差異對影響參數(shù)隨時進(jìn)行識別和修正，減小設(shè)計(jì)參數(shù)誤差的影響。 選用代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平的徠卡TC702 型全站儀進(jìn)行施工測量控制，進(jìn)而達(dá)到精度要求，保證工程質(zhì)量和成型后線形的美觀性。

根據(jù)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(nèi)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(yù)應(yīng)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(jiān)控。

8 結(jié)束語

在本項(xiàng)目施工技術(shù)研究過程中，充分考慮了本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工環(huán)境，采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)先對外傾式混凝土拱肋各施工節(jié)段進(jìn)行分析，有效控制結(jié)構(gòu)線形變化，明確各結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，工程實(shí)施效果顯著，對工程實(shí)際具有較大的指導(dǎo)意義。