[12-11 17:00:56] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3541次
摘要:以四川自贡市某特大桥建设为例,通过对砼刚架拱桥满堂支架的荷载分析、稳定性验算、预拱度和支架预压方案设计、河床基础处理,总结了科学选择经济、合理、安全的拱架支撑方案的方法,并针对满堂支架的支撑条件,以相关技术规范为依据,提出了分环分段施工的方法,分析了其优缺点,指出了施工过程中应该修正和注意的问题。
关键词:砼刚架;满堂支架;分环分段;方法研究
中图分类号:U448.33
文献标识码:B
文章编号:1008-0422(2009)11-0113-02
1工程概况
以四川自贡某桥为例:桥位属浅丘陵和河谷冲刷地貌,地形起伏较大,相对高差30-70m,两岸为陡峭的石壁,基岩裸露,河面宽70余米。勘察查明,桥位区出露有第四系的杂填土和冲填土(Q4)、侏罗系中上统自流井组马鞍山底层(J1-2z),岩性分粉细砂岩、砂岩和泥岩/泥质砂岩。桥位位置为陡峭的岩石边坡,坡度为45o-85o,多为基岩出露,形成时间久远,距河床2-4m范围的泥岩因差异分化及洪水侵蚀,形成凹岩腔,对上部基岩稳定不利。两岸有崩坍现象,痕迹清晰可见。岩体间隙稍发育,均属于Ⅱ类岩石边坡,虽有较好稳定性,但仍需考虑崩塌防护问题。
桥梁上部结构采用刚架拱,上下缘采用不同的抛物线,拱圈跨径100m,下缘矢跨比1/8.6,上缘矢跨比1/5.33。拱圈采用变截面箱形拱,根部高1.5m,宽度为20.5m,在拱圈中部与上部梁体同宽,为16.47m。梁高在拱圈中部为1.5m。拱箱设置4个箱室,箱室宽3.70m,中部三道腹板宽30cm,边腹板为变厚度板。拱圈与拱座固结,在边跨梁端设置支座。边跨采用单箱多室结构,梁高与跨中拱圈同高,为1.5m。由于两端桥台基础随地貌高差变化较大故桥台基础埋深度变化较大。根据地质资料,大部分为细砂岩和砂岩夹泥岩,承载力约在0.9Mpa左右,可以作为本桥台的持力层,但台身部分穿过部份岩腔,与桥台台身基础形成空腔,此部分用加深基础处理,所有基底应放在较好岩层上。
设计荷载:城A,人群荷载3.5KN/m2。
2拱架方案设计和基础处理
基于工程自然和设计条件,拟采用满堂支架的支撑方案
2.1荷载分析
a、拱圈砼重量荷载P1;b、拱图钢筋重量荷载P2;c、 模板及木枋重量荷载P3,d、施工荷载P4;e、支架自重荷载P5;f、风荷载和水荷载P6。
2.2验算分析
a、立杆稳定性验算;b、大横杆抗弯强度和刚度验算;c、木枋验算;d、底模板验算;e、扣件抗滑验算;g、支架局部加密验算;h、拱架整体性验算。
2.3拱架预拱度设计
a、拱圈自重产生的拱架弹性下沉δ1;b、拱圈温度降低与砼收缩产生的拱顶弹性变形δ2;c、墩台水平位移产生的拱顶弹性挠度值δ3;d、拱架的弹性变形δ4;e、拱架的非弹性变形δ5;f、支架基础变压后非弹性度δ6;g、改斗挠度值δ7。
施工预拱度值为:δΣ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5+δ6
+δ7
施工中采用预拱度为δΣ值(四舍五入精确到十位),即拱顶预度为δΣ,拱脚为 0,其余各点按二次抛物线公式δx=δ(1-4x2/L2)进行计算分配。
2.4拱架搭设与预压
①支架搭设
支架钢管采用外径为48mm,壁厚3.5mm的焊接钢管。支架搭设纵距0.8m,横距0.6m,步距为1.5m,局部加密处纵距为0.4m,横距和步距不变。横向两侧设置斜撑,斜撑采用6m长钢管成60o角布置,间距随立杆间距。纵向和横向每6排立杆设置剪刀撑,剪刀撑间距为6m,按45o角布设。在支架的最上层,纵向和横向架管之间增设一排剪刀撑,以增加支架系统的整体性和稳定性,使浇注混凝土的重量尽快均匀地分布到各个架管上。立杆垂直偏差控制在1/200H,且不大于5cm。大、小横杆应基本保持水平,顶端大横杆必须为双扣件支撑。支架横向两侧在拱顶、1/2拱、1/4拱处各设置5道防风缆索,缆索采用φ12.5mm钢丝索,且与地面水平夹角不大于30o。横向边立杆高于支架顶端大横杆1.2m,用于搭设工作台护栏。支架的拆除按照从拱顶到拱脚逐步予以拆除。支架工作过程中,在河上游采取了拦河网对支架采取保护措施。满堂式支架的验算要求满足强度、刚度和稳定性(>1.3)要求。
②支架预压
在整个支架完工后,正式浇注拱圈混凝土之前须对拱架进行加载预压,以达到消除支架的非弹性变形,和检验支架承载能力的目的。支架预压采用水箱加载方式,分别在拱顶、1/4拱、拱脚处设置水箱,加水增载。加压荷载为施工计算荷载的1.2倍,预压重量的施加方式采用与浇注拱圈混凝土的相同顺序,预压时间不少于2天;预压过程中应在拱圈的拱顶、3/8L、1/4L共5个位置设置观测点,在加载过程中进行每隔2小时的持续观测,同时做好记录。在卸除压重时,也必须注意进行连续观测,观测时间不宜少于1天,所得到的数据将直接用到混凝土浇注施工中。
2.5基础处理
(1)桥台端土质基础处理
桥台至河床段,地表面为土,部分为冲刷淤泥层,淤泥厚度20cm左右,淤泥底为岩层。对土层部分采用人工挖成50cm宽条行基础,辅以人工夯实,并浇注15 cm高C20砼基础带,立杆再立于砼之上。立杆端头用6mm厚A3钢板封头。对淤泥层采用人工清除,再按土质基础处理。
(2)河床裸露基岩基础
对河床中裸露基岩,立杆基础可不作处理,立杆直接立于基岩上,立杆端头用6mm厚A3钢板封头。
(3)河床中水下基础处理
①河床中水下地质探测
大桥河床地质资料为:河水深度为1.3m,河水宽度为50m,河床底面层为20cm沙砾层,下层为泥岩,其中靠0#桥台有—2m宽、厚20cm的淤泥夹层。泥岩层采用Φ25圆钢,端部尖头,用9kg 锤,实施锤击,10锤沉降1-2cm。10锤后再进行锤击,沉降很小。
②基础处理
a、立杆端头用6cm厚A3钢板封头。
b、采用锤击方法对立杆加压,使立杆承载力F满足要求。具体做法是:立杆采用2m至4m钢管搭设成略高水平的操纵平台、用50kg锤离立杆顶端50cm自由落下进行锤击。当立杆最后一锤下沉小于或等于1.8cm时,锤击终止。对立杆进行锤击时,该立杆的连接扣件应拧松,使立杆能自由滑动,锤击完成后再拧紧。
C、设计计算
已知锤的质量m=50kg,g=10m/s2 ;h=0.5m
设锤落至立杆顶端时速度为V,根据自由地计算公式V2=2gh。速度从V降为V′=0的时间可以认为是使立杆下沉△h=1.8cm所需要的时间,假定此过各均匀减速过程。所需时间为△t,则△t=△ h/V均=△h/(V/2);设立杆对锤平均作用力为F,取向上值为正方向,根据动量定理得
(F-M)△t=MV'-(-MV)
由上式得F=Mg+Mgh/△h
将已知代入公式,计算结果满足要求。
(4)根据计算,基础承载力不能小于160 kPa ,处理之后的基础实际承载力已达到200kPa。并在软基部分的地基加铺了槽钢以防止基础不均匀沉降。
3分环分段施工组织
大桥主拱圈砼浇注采用分层、分段、分带浇注砼。砼浇注顺序为分段浇注底板和部分肋板(浇注高度不宜小于60cm,设计拱脚高度为1.5m。)→合龙底板和肋板→浇注剩余肋板→浇注顶板。主拱底板采用分段浇注。这样处理的目的是保证先期浇注混凝土有较大的结构刚度和强度抵抗后期混凝土的重量作用、同时也可以避免局部屈曲失稳。
3.1主拱底板加载程序
混凝土的浇注应确保沿拱顶对称浇注:从拱脚到拱顶、从拱顶到拱脚两个方向同时对称浇注。首先在主拱拱顶、1/4拱处设置宽度为1m的后浇带,其砼浇注顺序为,拱脚对称往上至1/4拱处——拱顶对称往下至1/4处。
待砼强度达到设计强度的90%后,再进行后浇带砼的浇注,后浇带按砼施工缝处理,浇注后浇带砼时温度控制在100以下。
3.2主拱肋板加载程序
由于已合拢的底板可起拱架作用,加上底板荷载对支架有预压作用,可看成支架变形很小。肋板浇注时不设后浇带,采用分层加载,以减轻一次加载重量,减小变形。肋板分二层浇注,第一层和底板一次浇注,其余为第二层,纵肋渐变段砼做成台阶式结合面,其它按施工缝处理。
加载顺序为:中肋——左1、右1边肋——左2、右2边肋;单条纵肋加载程序为:拱脚对称往上20m——拱顶对称往下30m。
3.3主拱圈顶板加载程序
拱脚对称往上21.6m——拱顶对称往下28.4m。在主拱圈砼施工全过程中,在拱圈1/4、3/8,拱顶处建立5个观测点,进行全过程变形观测,作好记录,并据此分析变形发展的趋势,以便采取相应的措施,一旦出现不均匀沉降,立即停止加载,待查明原因处理后方继续进行。
4分环分段施工方法的优缺点
设计单位提出混泥土浇筑应设置分段浇筑,最小分为四段,在段接处设置后浇带,全桥实行一次性合龙。因为分段施工一次合龙对拱架的刚度、强度和稳定性要求很高,为了稳妥起见,施工单位改为分环分段施工。在施工实践中,跨径大于16m的拱桥拱圈,为避免拱架变形而产生裂缝以及减小砼的收缩力,通常采用分段浇注的施工方法。但对大跨径砼拱桥,为减轻拱架负担和浇注砼的劳力强度,宜采用分层、分带的施工方法。该大桥为主跨100m的斜腿钢筋混凝土拱桥,属特大型工程,根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)16.2.1条规定,“浇筑大跨径拱圈(拱肋)混凝土时,宜采用分环(层)分段法浇筑,也可沿纵向分成若干条幅,中间条幅先行浇筑合龙,达到设计要求后,再按横向对称、分次浇筑合龙其他条幅。”。因此,本项目采用纵向分段竖向分层浇注混凝土方案是可行的:1、能大大减小一次浇注全部拱圈混凝土的施工风险;2、降低支架搭设的难度和要求;3、合龙一期混凝土后,结构的整体性大大加强,能抵抗部分外荷载(风荷载、施工荷载、后期混凝土)的作用。但应对以下几点必须因其重视。
4.1在改变施工顺序后,对结构受力略有影响,考虑到在拱桥结构中,拱脚截面和拱顶截面为两个受力最大的截面,建议在拱脚位置上缘和拱顶截面下缘增设一部分钢筋,目的是为了减小混凝土收缩影响、增大结构抗力。
4.2结构跨径较大,无论采取什么施工方法,混凝土的收缩影响不可避免,但采取先分段浇注混凝土后一次合龙的办法时,混凝土收缩影响相对要小;而分期浇注混凝土时,一期混凝土的收缩影响可以通过增加混凝土的养护龄期予以减小,而后浇注的混凝土由于受到先浇注混凝土的约束,混凝土收缩的影响相对较大。因此应采取可靠的施工措施减少混凝土收缩的影响。
4.3在拱脚处先设铰,先铰后固,以缓解混泥土徐变和温变引起的应力。
5结语
砼刚结构特大拱桥施工,和中小桥和其它桥型相比技术要求更高,施工风险更大,对拱架的选择和设计、基础的处理计算及混泥土施工和加载方法必须处理,对类似拱桥的施工关键应注意以下事项:
5.1根据地形、地质、水文和环境条件,选择合理、经济、安全的拱架方案。
5.2在拱架设计前,须对相关技术要素和指标作详尽的分析和准确验算,对基础的处理,必须在勘探分析计算的基础上,选择安全科学合理的方法。
5.3对砼拱圈的施工,改变设计提出的施工方法时,必须对局部地方重新进行受力分析和应力计算,在确定没有改变基本结构和发生重大受力变化的情况下,采取有效方法消除应改变施工方法和顺序应起的应力应变因素。
