新型钢拱架在箱型拱桥中的应用

陈永刚

[摘要]结合省道S207线绥阳至道真改扩建工程中三江河大桥,重点阐述新型钢拱架在大跨径箱型拱桥施工中关键工序主拱圈施工中的技术应用以及实现总体安全、质量、进度等目标的措施。

[关键词]新型钢拱架 箱型拱桥 主拱圈 试压

一、前言

拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式,它外形宏伟壮观,且经久耐用。钢筋砼箱型拱桥结构受力明确、跨越能力大、工程造价低、易于养护、耐久性好,并且外观上具有浓郁的民族特色,因此在山区跨越60m～200m宽的河流、沟谷时,钢筋混凝土箱型拱往往是首选桥型方案,本文主要论述新钢拱架在钢筋混凝土箱型拱桥中关键工序主拱圈施工中的施工技术。

二、工程简况

三江河大桥位于省道S207线绥道公路K121+497处,跨越正安县与道真县交界的寨子岭三江河。全桥长157.8m。本桥平面位于直线段。纵坡为-1.6%的单向纵坡。三江河大桥孔跨布置为:2×10m+110m+1×10m。主拱采用悬链线箱形拱,净跨110米,净矢跨比采用1/5.5,净矢高22.0m,拱轴系数2.0。拱圈为箱形,箱宽8.2m,横向由单箱3室组成。拱上立柱为1m×1m的钢筋混凝土方柱,上部构造采用10m跨预制钢筋混凝土空心板,横向布置8块。0#桥台采用一字墙,15#桥台采用U型台配扩大基础,1#引桥采用1m×1m的钢筋混凝土方柱墩配扩大基础,2#、4#拱座基础采用明挖扩大基础。

三、主拱圈施工方案

本桥原设计主拱圈为节段预制吊装。但从安全、质量、工期和技术经济指标及施工经验等多方面综合考虑,决定改用悬拼钢拱架现浇主跨110米的钢筋混凝土拱圈,具体施工方案如下:

1.设置缆吊

考虑本桥施工工艺及吊装重量,在两岸桥台上立索塔,安装15t缆索吊机。本桥缆索总体布置为单跨一组承重天线,设计吊重为15t。主索道承重绳选用2-1Ф52mm钢丝绳。主索道用于吊装钢拱架、预制车道板以及解决部分混凝土浇注和材料、机具、等运输。两端塔架为自行设计的120型塔架拼装,每个索塔横桥向由两个单塔加横向桁架组成,单塔断面1.2mx1.2m,两岸塔高均为20.96米。两岸对应塔架设锚桩式地拢。

缆索主要参数如下:

单索最大吊重T=15吨;跨径L=157.84米;初安装挠度f=8.7m;承重绳直径Ф承=52mm;起重绳直径Ф起=19.5mm;牵引绳直径Ф牵=19.5mm

承重绳为2-1Ф52mm钢丝绳,起重绳为2-1Ф19.5mm的钢丝绳,牵引绳为2-2Ф19.5mm的钢丝绳,钢丝绳均为6x37型钢丝绳。起重、牵引作业均采用5吨卷扬机进行,起重绳通过20吨四轮起重跑车组走四线,上下游分别为两套独立的起重和牵引系统。

2.钢拱架施工

(1)钢拱架拱座的施工

钢拱架拱座是用来支承现浇施工荷载的临时拱座。在拱座前缘设置钢拱架拱座,在拱架座上设铰座,作为钢拱架的铰支点,同时支承现浇拱圈大部分的重量。在拱座前沿的临时拱座上面预埋直径331×16mm半圆弧板(水平预埋)作铰轴槽,与钢拱架拱脚节段下端的钢管柱铰形成铰接。铰座主要结构是预埋在拱架座上的圆弧形轴槽。在浇筑拱座基础同时将拱架座浇筑(也可分开浇筑)。拱架拱座为C40钢筋混凝土。拱架拱座按设计施工图,测量放样,安装钢筋模板及铰槽,在安装铰槽时,严格控制两岸铰槽的高程,且同岸的5个铰槽同轴心线,确保铰轴与铰槽的紧密配合。

(2)钢拱架基本概况

本桥所用钢拱架为自主设计的新型钢拱架,本桥为第一次使用。钢拱架主要由标准节段、调节节段、拱顶节段和拱脚节段等四种基本节段组成;所有节段均以大小不等的角钢和钢板组拼焊接成框架结构,。每节段高均为2200mm,有效长度分别为3966mm、1720mm、1835mm、2490mm,宽度为700mm。拱架横向系用横联联结,拱架顶面和底面用平联联结;节段间下弦通过Ф50mm轴连接,上弦采用凹凸球面调节螺杆,侧面辅以4根Ф38mm连接螺栓连接。所有基本节段和联结片材质均为Q345B钢,所有联结件和螺栓材质均为40Cr高强钢。

在欲浇拱圈下拼装圆弧形钢拱架,钢拱架拱轴线半径为83.98m,轴线长度116.886m,宽8.3m,截面高度2.2m。沿弧向共用31片、横向分为5组,共计155片。

本拱架最大的优点是能够通过调节上弦杆调节螺栓,很容易变化拱架整体弧度,并且强度高,适用范围广。

(3)钢拱架节段的安装

钢拱架拼装采用缆索吊装悬拼,为加快拼装进度,预先在桥头按顺桥向两节段,横桥向五组共十片拼装成一个大节段,或横向五片组成一个小节段,然后进行吊装。在拱架节段安装前,清除拱铰内的杂物,并在拱铰槽内均匀涂抹润滑剂,确保拱铰在铰槽内能够灵活转动。

拱脚节段安就位后,为防止拱脚节段在以后节段的拼装过程中发生脱铰,立即采用拱铰压板固定拱铰。根据计算拱架安装预抬值,逐段拼装,逐段测量高程和偏位,直至钢拱架合拢。

拱架在安装过程中,严格控制其安装高程和拱架轴线,根据计算和施工经验,一次安装至满足施工要求,无需再整体大幅度调节拱架高程,在安装各个节段时,通过调整节段两端可调节阴阳头螺栓及临时扣索和横向施工缆风索来控制拱架安装倾角和平面位置。

为达到合拢快,拱架合拢处采用螺栓联结,拱架合拢采用现场即时合拢,即拱架各节段安装符合设计高程后,现场量取合拢段长度,再在合拢调节节段的联结钢板上精确度套孔,确保拱架合拢误差小、迅速。

(4)临时扣索、缆风索设置及拆除

本方案中共设置14组临时扣索,每岸7组,横桥向两排,共28道扣索。扣点对称设置,均设在拱架节段上弦杆上。在拱架拼装过程中顺桥向两个节段设一组临时扣索,每组扣索用1-Ф26mm(6×37)钢丝绳,通过塔架上的导向滑轮后锚固在岸上锚桩上。在节段基本就位后立即拉扣索,按计算的每节段的扣索索力和安装高程收紧扣索。

拱架横向偏位的控制,在每一吊装节段安装就位后,采用拉Ф17.5mm的钢丝绳作为横向施工缆风,且上下游对称设置在拱架上,通过调整横向施工缆风的索力来调整拱架轴线。

为了拱架在浇筑拱圈时的整体稳定性,在拱架上下游用Ф21.5mm的钢丝绳分别对称设置4组永久横向缆风,道真岸两组,正安岸两组,在收紧横向缆风时,边收紧边测量拱轴线的偏位,每组缆风上下游同时收紧,确保拱架横向偏位在允许偏差范围内,每根横向缆风的索力控制在3t左右。因地质较好,岩石比较坚硬及整体性好,缆风索地拢均以岩锚为主。

拱架完全合拢后拆除临时扣索。为缓和拱架上下弦杆内力的突然增大,拆除前应先逐步松驰临时扣索的拉力,首先拆除拱顶位置的扣索,再根据测量拱架高程的变化,再确定放松哪组扣索,两岸扣索必须同步放松,且所有的临时扣索需要循环松3～5次,依次循环放松,直至所有的扣索均已完全松驰。每松一次临时扣索后,均要复测整个拱架的高程和平面位置,分析数据后再进行。松完的扣索从拱顶至拱脚两岸对称逐一拆除。

3.加载试压

为准确掌握新型钢拱架受荷载及温度等因素影响下的应力、应变和位移情况,确保安全顺利地浇筑拱圈,在铺设拱圈底模前对钢拱架进行加载试压,试压加载程序按设计加载程序相同进行。本桥拱圈为单箱三室,混凝土浇筑施工顺序如图1所示:

图1 拱圈浇筑顺序

为确保安全,掌握拱架弹性变形趋势,方案中加载分三期进行,第一期加载重量为底板及1/5肋板总重量的100%,本桥中底板+1/5肋板重量+调平支架及模板重量+施工荷载+钢拱架自重的总重量为968.7t,其中底板+1/5肋板重量为620t。第二期加载重量为底板及1/5肋板总重量的10%,达到总重量的110%;第三期加载重量为底板及1/5肋板总重量的10%,达到总重量的120%。第一期加载完成后进行一昼夜监测。然后进行第二期加载,同样加载全部完成后再进行一昼夜监测。第三期亦是如此。在实际操作过程中,当配重荷载超过50%已后,为确保安全,进行了不间断连续观测,并按每增加荷载的10%,观测读取数据一次并对数据进行分析,看数据是否和理论计算吻合。

加载方法为:在拱圈上搭设钢管脚手架安装蓄水斗。蓄水斗用黑层板围拼,用木板四面加固,在内部用薄膜铺垫。往蓄水斗内抽水开始加载,注入的水量为加载总量减去蓄水斗自重和加固蓄水斗支架的重量。加载过程模拟砼浇筑时的加载程序进行,尽量让拱架全断面均布荷载。

加载至120%荷载时拱架应力

拱架加载前后高程观测

根据上述加载试压后得到的拱架应力数据,可知拱架加载后的最大应力[88.62Mp]远小于杆件剪切应力[120Mp],富余量较大;根据拱架加载前后高程数据及弹性变形量,与监控计算的加载变化及弹性变形量(最大为64mm)很相近,实际观测的拱架横向偏位,最大变化向上游侧偏移2mm,说明该拱架可控性较强。

4.主拱圈砼施工

主拱圈砼浇筑按竖向分环、纵向分段的方式进行,并遵循纵向、横向对称、均衡的原则进行施工。拱圈竖向分为三环:第1环为现浇底板和下马蹄;第2环为现浇腹板和横隔板;第3环为现浇顶板和上马蹄。实际施工中分五个步骤完成:现浇底板和下马蹄;现浇两道中腹板和部分横隔板;现浇两道边腹板和部分横隔板;现浇余下的所有横隔板;现浇上马蹄和顶板。当第1环混凝土达到95%设计强度后,方可进行第2环混凝土浇筑,第2环混凝土达到90%后方可进行第3环混凝土浇筑。

为了使拱架能够充分全段面的受力。拱圈砼浇筑时纵向上分为长度相当的五大段,分别为拱脚段(两段)、拱顶段(一段)、中间段(两段)。在进行砼浇筑时根据现场监测的结果,对这五大节段交替进行往返浇筑。其中拱脚段浇筑方向为从下往上,拱顶段浇筑方向为从拱圈两岸往正中方向对称进行,中间段浇筑方向是从L/5分往2L/5位置浇筑。

相同砼浇筑方案在毕节地区毕威公路七星关大桥(2004年10月通车)和金沙县沙后公路山丈水大桥(2005年3月通车)及金织公路底那河大桥(2007年4月通车)成功实施。根据几次监控的数据显示,在浇筑底板混凝土以后(混凝土强度达到设计强度的80%以上),再浇筑肋板和顶板,拱架的应力增长和标高的变化很小,可以认为没有变化。由此,在本方案中,钢拱架承受的最大荷载,是用拱圈底板重量来控制。也即是钢拱架在砼浇筑过程中的受力与试压加载的情形基本相同,加载试压得出的结果可以指导施工。

(1)现浇底板和下马蹄

底板和下马蹄混凝土的浇筑同时从两边拱脚、L/5及2L/5处对称开始, L/5至2L/5处为最后合拢段。所有浇筑顺序均为两岸对称。现浇底板和下马蹄浇筑顺序见下图2。

本阶段最大荷载为:968.7t

底板浇筑完后钢拱架应力

根据上述拱圈底板砼浇筑后得到的钢拱架应力数据,可知钢拱架在实际砼浇筑时最大应力[83.37Mp]远小于杆件剪切应力[120Mp];根据砼浇筑过程中实际观测的钢拱架变形,最大为5.6mm,小于试压时的最大弹性变形量6.6mm;实际观测的拱架横向偏位,最大变化向上游侧偏移1mm。

(2)现浇腹板和横隔板

待底板混凝土强度达到设计强度的95%以上后,在底板上直接支模现浇拱圈腹板和横隔板,形成开口箱,截面惯矩增大,结构更加稳定。在本阶段钢拱架所受荷载增加很小。中腹板的浇筑顺序与底板的浇筑顺序基本一致。

(3)现浇顶板

顶板的浇筑顺序与腹板的浇筑顺序一致。

顶板砼浇筑后,整个拱完全形成闭口箱,其截面惯矩已足以承受桥上所有设计荷载,故本阶段钢拱架所受荷载增量很小。

5.钢拱架的拆除

在拱圈完全合拢,且混凝土强度达到95%后,方可进行拱架的拆除。利用缆索吊机和横缆卷扬机拆除钢拱架,拆下来的钢拱架及时清除砼等污垢后按构件类型堆放。以便下一个同类型拱桥使用。

四、结束语

根据试压及实际砼浇筑加载所取得的应力和测量数据,可以得出结论,该新型钢拱架使用安全、拼装便利,且可以反复使用。利用新型钢拱架施工主拱圈是三江河大桥的特点,应用该钢拱架,在该桥新开便道,地形峻险等不利环境条件下,三江河大桥得以提前顺利完工。该新型钢拱架是我公司坚持以科研为先导,充分发挥了自身建桥经验和技术特长,推广成熟的施工工艺,开发新技术、新工艺的成果。该钢拱架的应用,使大跨径钢筋砼箱型拱桥关键工序主拱圈施工得到了安全、质量、经济、迅速等保障,值得推广应用。