沪杭高速铁路跨沪杭高速公路特大桥自锚上承式拱桥现浇拱肋模板系统设计

2011-05-09蔡福海

铁道标准设计 2011年6期

关键词：侧模惯性矩方木

蔡福海

(中铁十二局集团第四工程有限公司,西安 710021)

沪杭高速铁路跨沪杭高速公路特大桥自锚上承式拱桥现浇拱肋模板系统设计

蔡福海

(中铁十二局集团第四工程有限公司,西安 710021)

混凝土结构的模板工程,是混凝土结构构件施工的重要工具。采用先进适用的模板技术,对提高工程质量、加快施工进度、提高劳动生产率、降低工程成本和实现文明施工都具有十分重要的意义。跨沪杭高速公路特大桥主桥为1联(88.8+160+88.8)m自锚上承式拱桥,采用“支架现浇、转体就位”的施工工艺。拱肋轴线采用二次抛物线,拱肋截面采用单箱单室箱形混凝土截面,截面特性按照立特规律变化。通过对跨沪杭高速公路特大桥自锚式拱桥拱肋线形及截面形式的分析,探讨了现浇拱肋模板系统的设计理念和制作工艺,以及通过模板设计控制拱肋线形的方法,供同类型桥梁施工提供一些可借鉴的经验。

铁路桥;上承式拱桥;拱肋;模板系统;设计

1 概述

沪杭高速铁路跨沪杭高速公路特大桥位于上海市金山区和浙江省嘉兴市境内,沿途穿越上海市金山区,浙江省嘉兴市嘉善县,桥位处地形平坦。沪杭高速铁路线路于嘉善县内由沪杭高速公路南侧跨到北侧,在里程DK059+075.555～DK059+413.555处采用1联(88.8+ 160+88.8)m自锚上承式拱桥,主桥设计为基础、拱、梁固结体系,采用“支架现浇、转体就位”的施工方案。

线路设计为双线,线间距5.0m,本桥位于直线上,设计速度350km/h。本桥立面布置如图1所示。

图1 自锚上承式拱桥示意(单位:cm)

拱肋采用抛物线线形,矢跨比为1/6,中跨拱肋拱顶截面高为4m,拱脚截面高为6m,拱肋横向宽度7.5m,采用单箱单室截面。

2 拱桥线形截面形式的研究分析

2.1 拱轴线形式的选择与分析

拱轴线的形状直接影响主拱截面内力的分布与大小[1]。选择拱轴线的原则,也就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值,充分利用材料强度和圬工材料的良好抗压性能[2]。因而施工过程中的线形控制对成拱后拱桥的良好受力起到至关重要的作用[3,4]。在本桥设计中,选用接近于拱桥压力线的抛物线作为拱轴线方程,有效跨径设计为153m,矢高为25.5m。

以抛物线顶点为坐标原点,以向下为y轴正方向(图2),则拱轴线方程可表示为

图2 以抛物线顶点为原点的坐标系

为方便施工过程中的控制,将坐标原点平移到拱座中心(图3)。

图3 以拱座中心为原点的坐标系

则拱轴线方程可表示为

2.2 拱箱截面变化形式的分析

为了充分发挥拱的每个截面的材料强度,拱圈截面沿拱轴线设计为变截面形式。其截面惯性矩自拱顶向拱脚变化方式主要有2种:等厚度变宽方式和等宽度变厚方式[5]。在本大跨度拱桥设计中,为了抵抗向拱脚逐渐增大的轴向力而采用第2种变化规律。为了有效提高拱的横向稳定性,且使拱的自重不大幅增加,本桥设计采用箱形截面(图4)。

截面惯性矩变化规律从拱顶向拱脚逐渐变大,解析函数采用立特公式

式中 I——拱任意截面的惯性矩;

Id——拱顶截面的惯性矩;

φ——拱任意截面的拱轴水平倾角;

n——拱高变化系数;

图4 拱箱截面(单位:cm)

2.2.1 截面惯性矩的确定

对于实体矩形截面而言,其截面惯性矩 I= bh3/12,对于箱形截面而言,其截面惯性矩 I=(1-αβ3)bh3/12。

根据等惯性矩转换原则,该箱形截面可等效转换为宽度为7m的实体矩形截面。依此可求得,拱顶截面的惯性矩 Id=37.333m3,拱脚截面的惯性矩 Ij= 126.000m3。

2.2.2 φ值的确定

由“二次抛物线切线方程的斜率为二次抛物线的一阶导数”知

则

2.2.3 n值的确定

在拱脚处,tanφ=2×(80-3.5)/(9×25.5)=2/3,则cosφ=0.832,利用拱脚处ε=1的边界条件求得

2.2.4 任意截面拱高h的确定

3 拱桥线形控制坐标计算

为方便施工控制,以拱座中心为坐标原点,施工中线方向为x坐标轴,竖向为y坐标轴建立直角坐标系(与放样时的里程和高程相对应)。

3.1 拱下缘坐标计算(图5)

图5 拱下缘坐标计算示意

3.2 拱上缘坐标计算(图6)

图6 拱上缘坐标计算示意

3.3 拱梁结合段梁顶坐标计算(拱桥位于直线平坡上)(图7)

梁顶面高程为+29.464m,拱座中心高程为+1.964m,则

3.4 拱梁结合段腹板与翼缘板交接处坐标计算(即自梁顶以下58.3cm)

图7 梁顶坐标计算示意

4 拱桥底模系统

底模系统选用木模,由横向方木、纵向方木、竹胶板3部分组成[6]。

横向方木放置于碗扣支架顶托顶部(碗扣支架纵向间距30cm)。为优化横向方木的受力及底模的抗倾覆稳定性,特将横向方木做切角处理(15cm×20cm方木做切角处理之后的净尺寸大于15cm×15cm),如图8所示,相邻横向方木之间用扒钉连接牢靠。

图8 底模系统示意

纵向方木(10cm×10cm)搭置于横向方木之上,为避免纵向方木接头悬空而影响底模受力性能,须将纵向方木的搭接头位置设置于横向方木之上,即纵向方木在水平面上的投影长度为30cm的整数倍。为保证纵向方木与横向方木的整体受力性能,防止纵向方木滑移,将纵向方木与横向方木之间用扒钉连接牢靠。

竹胶板(1.8cm厚)钉连于纵向方木之上。

4.1 底模加工制作

4.1.1 底模矢高计算

假设取纵向方木长2.4m,则可近似地取纵向方木中心与同其对应的拱下缘点之间的高度作为理论底模矢高(图9)。

图9 底模矢高计算示意

1点、2点表示长为2.4m的纵向方木与拱下缘线的交点,4点表示纵向方木中心点,3点表示与相对应的拱下缘点。

底模矢高

经计算,底模矢高最大值Δmax=4mm,满足施工控制要求。

4.1.2 纵向方木长度计算

为避免纵向方木接头不能搭到横向方木之上而影响底模刚度,则应使纵向方木在水平面上的投影长度为30cm的整数倍(图10)。

1点、2点表示纵向方木与拱下缘线的交点,1′点、2′点表示与1点、2点对应的拱上缘线,则有

纵向方木长度

4.1.3 横向方木切角计算

根据纵向方木的布置,可知其起点和终点的坐标(图11)

为保证底模矢高满足施工要求,选择n值时应满足L≤2.4m的条件。同时,为了保证腹板表面舒适美观,要求模板接缝整齐有序,须使与拱下缘对应的拱上缘长度小于2.44m(竹胶板长度),即

图11 纵向方木与横向方木布置示意(单位:cm)

则纵向方木的倾角可表示为

横向方木切角高度可表示为

4.2 底模高程控制

在底模的制作铺设过程中,采取控制横向方木顶面中心处高程、控制与横向方木顶面中心处对应的纵向方木顶高程和控制竹胶板顶面高程的“三控措施”。其中,横向方木顶面中心处高程为主控项目,与横向方木顶面中心处对应的纵向方木顶高程和竹胶板顶面高程为检查复核项目。

4.2.1 横向方木顶面高程计算(中心处)

根据纵向方木布置,可知与纵向方木起端A和终端B所对应的拱下缘点的坐标,则与纵向方木起端A对应的横向方木顶的高程为与其对应的拱下缘高程减去纵向方木、竹胶板的竖向高度(图12),再加上地基沉降、碗扣支架变形、预拱度等修正项。

纵向方木和竹胶板对应的竖向高度可表示为: 11.8/cosγ(cm)。

与纵向方木起端A对应的横向方木顶的高程可表示为:1.964(坐标原点拱座中心平面的高程)+yA下-11.8cosγ/100+修正项。

同理,可求得与纵向方木终端B对应的横向方木顶的高程。

位于A、B之间的横向方木顶高程可用内插法求得。

图12 横向方木顶面高程计算示意

4.2.2 纵向方木顶面高程计算

纵向方木顶面高程为横向方木顶面高程加纵向方木的竖向高度(或拱下缘高程减去竹胶板的竖向高度)。

4.2.3 竹胶板顶面高程计算

竹胶板顶面高程计算方法同纵向方木顶面高程计算。

5 拱桥侧模系统

为了降低工程造价,同时考虑到拱桥侧模线形控制难度较大和工期紧张的特点,拱桥的侧模选用复合模板,即采用以竹胶板作为面板,用钢桁架加固[8]。为了保证拱桥的外观漂亮自然,将模板接缝设置于垂直于拱轴线方向,且使每块侧模与底模纵向方木相对应。其形式如图13所示。

图13 拱桥侧模示意

5.1 侧模加固桁架的制作

为了克服拱桥腹板模板精度难以控制的困难,同时提高模板的稳定性和刚度,节约时间[7],特制作钢桁架。以保证拱肋线形并对侧模板进行加固。

钢桁架在工厂加工后运至施工现场。钢桁架大样如图14所示。

图14 钢桁架示意

5.2 侧模面板(竹胶板)尺寸计算(图15)

由于拱箱截面在拱轴线以上部分为直坡,在拱轴线以下部分设置成1∶4的变坡,面板制作时以拱轴线为界分为上下两块。由于侧模接缝设置在垂直于拱轴线方向,致使侧模面板成为一块上下不等宽、左右不等高的不规则四边形。

对于拱轴线以上部分:面板的左右高度为其对应拱箱截面高度的一半(1点、3点之间的距离和2点、4点之间的距离),面板的上下长度为其对应拱箱截面之间的拱上缘线和拱轴线的长度(1点、2点之间的距离和3点、4点之间的距离)。

图15 竹胶板尺寸计算示意

在实际操作中,先用墨线弹出L1(L1＞L2)×H1(H1＞H2)的矩形区域ABCD(图16);然后以D点为起点,沿DC方向量取长度a=H1-H2,弹墨线AE;再分别以B点、C点为起点,沿BC方向和CB方向量取长度b= (L1-L2)/2,弹墨线AF、DG;沿墨线裁下竹胶板。

图16 竹胶板切角示意

6 结语

混凝土结构的模板工程,是混凝土结构构件施工的重要工具,对混凝土结构施工的质量、安全有十分重要的影响。模板及其支架具有足够的承载力、稳定性好、刚度大,制作出梁体的几何尺寸准确性高[8,9]。采用先进适用的模板技术,对提高工程质量、加快施工进度、提高劳动生产率、降低工程成本和实现文明施工都具有十分重要的意义[10]。特别对于大跨度桥梁,模板的制作更显得尤为重要。

跨沪杭高速公路特大桥是沪杭客运专线上的一个控制性工程,主桥采用自锚上承式拱桥形式,构造复杂,施工环节多,工艺要求高。通过该课题的研究与应用,确保了主桥在施工过程中结构安全可靠,成桥后的线形符合设计要求。确保了在施工条件复杂、工期紧张的情况下,安全、快速、优质地完成了该桥的建设,取得了良好的经济效益及社会效益。

[1] 东南大学,等.混凝土结构(下册)—混凝土桥梁设计[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2] 黄征宇.土木工程材料[M].北京:高等教育出版社,2008.

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[7] 李镜深,肖华增,曹杨.浅谈建筑施工中模板工程的施工技术[J].科技与生活,2010(17).

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U238;U448.22

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