复合型上承式拱桥混凝土拱圈的浇注及变形控制

2010-09-04付殿文

天津建设科技 2010年6期

□文/付殿文

□文/付殿文

混凝土拱圈的浇注及其收缩变形控制问题是复合型上承式拱桥的施工控制的关键。文章以某复合型上承式拱桥工程为背景，通过施工过程中优化混凝土配合比设计、合理划分拱圈施工段、确定合拢顺序以及施工过程中对线形及混凝土浇注等加强控制，确保了复合型上承式拱桥的施工安全和工程质量。

复合型上承式拱桥；混凝土拱圈；变形控制

工程概况

该桥主桥与现状河斜交角度为80°，主桥全长为181 m，跨径组合为48 m+85 m+48 m。桥梁全宽为69 m，分为四幅桥，两侧辅道桥各宽16.75 m，中间上下行主线桥各宽16.25 m，上下行主桥之间设置3 m的分隔带。辅道桥与主线桥悬臂之间进行连接。边跨梁为一端简支一端固结的拱型梁，中间主跨为空腹式箱拱，在主墩顶设置腹拱。拱上建筑为钢筋混凝土连续箱梁。为平衡主跨拱脚的不平衡水平推力，除在主墩位处布置了大型的群桩基础及调整主墩的偏心位置外，还在上部桥面梁中设置了高强度镀锌平行钢丝系杆，系杆惯穿全桥，两端锚固在边跨梁的端横梁处。主桥跨越现状河流，主跨跨径为85 m，矢高为11 m，矢跨比为1∶7.727。主跨拱肋采用四次抛物线为参考拱轴线，立面为变截面箱形拱，拱角处截面高度为2.4 m，拱顶处截面高度为1.2 m。主跨拱肋为单箱四室箱形截面，全宽12.75 m。边跨跨径为48 m，靠近主墩位置30 m范围内与主跨拱圈结构对称布置，靠近边墩18 m桥面范围内采用变高度(1.75～2.917 m)的箱形截面梁，箱形梁悬臂为2 m(或1.75 m)，箱形梁底面宽度与拱圈宽度一致为12.75 m。腹拱跨径为20 m，矢高为6 m，矢跨比为1∶3.333。立面为单箱四室等截面箱形拱，截面高度为1.1 m，宽度为12.75 m。拱上钢筋混凝土连续梁高1.2 m，采用单箱四室截面，悬臂为2 m(或1.75 m)，箱梁底宽为12.75 m。跨径布置及各段长度见图1。

浇注方案

混凝土配合比

拱圈是一种变坡结构，不同的部位坡度不一样，对混凝土的要求也不同，拱顶坡度较缓部位，即腹拱脚2 m以上部位，坡度＜20°，依靠混凝土自身凝结力克服混凝土下滑，要求混凝土坍落度和扩散度小，坍落度控制在0.12～0.14 m，扩散度＜0.3 m；其下部位混凝土坍落度控制在0.16～0.18 m，扩散度控制在0.35～0.45 m。和其他异型结构一样，其必须通过优化主拱混凝土配合比，减小主拱混凝土收缩量和干缩量，以此满足施工坍落度和扩散度要求。

模板

拱桥为4次抛物线变截面薄壁箱形拱，不同的部位曲率不同，不能使用定型模板，只能使用木模拼装，模板质量不仅影响混凝土外观还关系到拱圈结构安全，模板刚度和稳定性不足会造成结构变形或开裂，必须对模板进行设计和验算。

当箱拱采用两次浇注成型时，混凝土对模板压力就小得多，由于顶模是敞开的，混凝土对底模产生的压力不会大于腹板混凝土静止高度所产生的压力。底模仅验算主拱混凝土施工时，模板能否满足主拱混凝土施工要求。主拱分5段施工，边拱分两段施工，拱段最大高差6.0 m，截面最大垂直高度2.8 m，混凝土自下缓慢向上浇注，当混凝土浇注上部时下部已初凝，混凝土静止高度不超过腹板垂直高度2.8 m。

混凝土收缩变形计算方法

混凝土拱结构收缩变形分析

混凝土收缩变形过程是缓慢而规律的，把握混凝土收缩变形规律能够在保证质量的前提下有效压缩施工周期，混凝土的收缩变形前期较快，随着时间的推移迅速变缓，不同配合比混凝土收缩量不同，但收缩变形规律基本相同。根据施工现场主拱使用最多的配合比(即强度等级为C50混凝土配合比：水泥∶砂∶石∶水∶外加剂=500∶720∶1 050∶170∶11.9)由试验测定的混凝土各阶段收缩变形变化规律见图2。

混凝土的极限拉应变

混凝土极限拉应变是鉴定混凝土抗裂性的重要指标。混凝土的极限拉伸与配筋有关，大量工程实践表明，合理的配筋可以提高混凝土的抗裂性。钢筋混凝土结构表面受到不稳定温差和收缩变形的作用，产生自约束应力，常引起混凝土的表面裂缝，构造钢筋在混凝土面层中起了强化作用，配筋后的混凝土极限拉伸应变可采用齐斯克列里经验公式进行计算，计算公式为

式中：εpa——配筋后的混凝土极限拉伸应变；

Rf——混凝土抗裂设计强度，MPa；

p——配筋率；

d——钢筋的直径，cm。

混凝土短期加载时的极限拉伸应变约为60～100，长期加载的极限拉伸应变约为120～200，根据式(1)，考虑配筋的影响，混凝土的极限拉伸应变取值为εpa=0.5×1.89×(1+4/3.2)×10-4=213。

由于混凝土本身具有不均匀性且施工中的环境因素和施工条件对混凝土的抗裂性能有很大的影响，偏于安全考虑，本文采用εpa=180作为混凝土开裂的控制标准。

防止主拱开裂的预案及拱圈的浇注

防止主拱开裂预案

控制拱桥开裂是道难题。这是因为大部分拱桥是超静定结构，拱桥变形受到约束，不能变化自如，从而产生裂缝。施工期间拱圈位于大曲率支架上且支架在系杆张拉之前不能拆除。拱圈膨胀升起不宜受到限制，即使受到限制也处于受压状态，不会造成拱圈混凝土开裂；而当拱圈发生收缩变形下降时，由于受到拱脚和支架约束，拱圈混凝土则会被拉裂。

另外混凝土收缩变形也是造成主拱开裂的主要原因。其主要表现形式为：

（1）浇注初期(终凝前)的凝缩变形；

（2）水泥水化热引起的热胀冷缩变形；

（3）硬化过程中的干缩变形；

（4）由凝胶材料的水化作用引起的自身收缩变形；

（5）环境温度下降引起的冷缩变形。

其中凝缩变形通常在混凝土表面形成龟裂，是由于水分蒸发速度超过了泌水速度表面的混凝土失水而开裂，通过及时苫盖和二次收面很容易得到控制；热胀冷缩在大体积混凝土中比较突出，而在薄壁箱形结构中热量很快散失，热胀冷缩很快结束；收缩和干缩进展缓慢，主拱合龙必须考虑这一因素，因为主拱合龙后混凝土的收缩和干缩还在进行。

针对以上因素，施工中首先将主拱混凝土进行分段施工，以减小混凝土连续浇注长度，从而分解混凝土收缩量、增大拱段刚度，避免支架不均匀沉降而造成主拱拉裂；其次合理安排工序，保证各拱段混凝土有一定的龄期，以便能完成前期较大的混凝土收缩量；优化合龙段混凝土配合比，减小混凝土收缩量，保证后浇段混凝土有足够膨胀率并能维持相应的时间；加快施工进度尽快实现结构体系转化，减少主拱合龙后上部结构施工时间，避免主拱带支架过冬。

拱圈施工变形控制

（1）划分拱圈施工段。拱圈施工段划分原则为主拱对称、边拱与主拱对称；支架高度变化大拱段短，支架高度变化小拱段长。缩短拱段长度可提高刚度，有利于提高抵抗支架不均匀变形能力并可以缩短施工周期保证质量；加大拱段长度可以加快施工进度。主拱划分为9段，其中 4段为 2 m后浇段；边拱 4段，含 2个2 m后浇段。

（2）确定各工段施工顺序。拱桥主桥桥梁净宽66 m，划分为 FDI(辅道 I)、ZX(主线下行)、ZS(主线上行)、FDII(辅道II)四幅，其结构基本相同。由于受现场条件限制，所有工程材料设备必须从两侧栈桥运输、吊装，所以只能先施工主线 (ZX、ZS)后施工辅道(FDI、FDII)。为了加快施工进度两幅主桥和两辅道同时施工，以便有必要的养护时间。每幅主拱混凝土浇注自两拱脚对称浇注且优先完成主拱。

（3）确定主拱合龙时间。主拱合龙前混凝土是分段浇注的，各拱段受到的约束力主要是混凝土内的钢筋和模板，这两者不至于拉裂混凝土；主拱合龙后混凝土受到主墩的刚性约束，混凝土收缩变形产生较大拉力足以拉裂混凝土。而当主拱完成落架后，混凝土会由受拉状态转为受压状态，即使发生收缩变形也不会开裂。主拱合龙后上部结构施工需3个月时间，这期间处于支架上的混凝土发生收缩变形是造成主拱开裂的主要原因，时间越靠后收缩量越小，主拱越不易开裂。但因工期要求，在保证主拱不开裂的情况下，主拱合龙时间应尽量提前。通过主拱混凝土开裂模拟计算，在最后一段混凝土浇注完成40 d后浇注合龙段混凝土，随后混凝土发生的90 d收缩量不会造成主拱开裂，出于安全考虑，决定在最后一段混凝土浇注完成45 d后合龙主拱。模拟计算时不计合龙段混凝土收缩量，合龙段使用无收缩变形混凝土。

（4）确定合龙段混凝土主拱合龙时浇注最晚的拱段混凝土凝期为45 d，拱段混凝土收缩量已完成50%以上，收缩变形速度已十分缓慢。合龙段混凝土为新浇注混凝土，应具有一定的膨胀性能，用以补偿上部结构施工期间主拱混凝土的收缩变形，至少应不增加收缩量。

（5）线形控制。由于受到桥梁横坡和竖曲线以及斜交影响，每幅拱都是空间曲线且拱截面为变截面。为保证拱肋外形精确定位，充分利用AUTOCAD软件功能，进行三维拱肋模型的模拟，根据需要实时读取坐标。所有拱底模均使用木模，底模曲线由支架高度调整。

（6）钢筋制作与绑扎。拱圈设计均为普通钢筋混凝土，腹拱为等截面箱形拱，钢筋直径小，钢筋制作、绑扎困难不大；主拱、边拱为变截面箱形拱，由于截面高度变化较缓，腹板箍筋较密，相邻箍筋高差很小，将箍筋分组制作，每组高差15 mm，每组3～5个箍筋。

（7）混凝土浇注。箱拱不同于箱梁，不同部位、不同坡度施工方法不同。10°～20°箱拱部位首先将混凝土坍落度调整到140 mm以下，浇注混凝土时应先浇注底板，后浇注腹板，在浇注完腹板后，凿毛、支立顶板内膜再浇注顶板，20°～40°部位箱拱底板、顶板都需要压模，采用压模法浇注混凝土时混凝土坍落度应适当放大，坍落度控制在160～200 mm，扩散度控制在400～450 mm。40°以上部位采用整体一次浇注，一次支模高度不超过3 m，湿接缝较短采用10°～20°部位整体浇注技术，湿接头采用膨胀混凝土。