关于上承实腹式拱桥施工几点问题的研究

2018-08-23柳传飞

建材与装饰 2018年37期

柳传飞陈洁

工程概况：拱圈采用等厚度拱板结构，拱轴线采用圆弧线，除主拱圈厚度为0.4m以外，其他跨拱圈厚度为0.35m，拱圈宽17.05m，拱圈计算跨径分别为 11m、12m、13m、12m、11m，计算失高分别为 5.5m、6m、6.5m、6m、5.5m，矢跨比均为1/2，拱圈为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C40，拱脚设C30护拱。

1 拱架理论验算及其搭设过程中存在的技术、管理问题

拱架的核心任务是保证现浇结构的安全并与施工总体进度相匹配，现浇施工桥梁的支架根据桥下通航或通车情况可分为：满堂支架、立柱——托梁支架，而根据支架的组成构件可将支架分为：钢管扣接脚手架、门式脚手架、贝雷桁架、万能杆件以及特殊加固支架。根据现场实际情况（后期因湿地生态公园水系综合调整为水上桥）本工程采用当前使用较为普遍的碗扣式支架作为拱圈的主受力构件——现浇拱架（圆曲线或二次抛物线型），由于拱圈底模、支架上各点压应力均斜指向圆心的受力特点，根据力学原理各斜向力均可分解为竖向及水平分压力，因此除普通立杆外斜杆设置尤为重要，稍有疏忽必将导致拱圈底模板局部变形，尤其两侧1/4拱跨处常出现凹凸圆弧型，经验证明除了对受力较为复杂的斜杆进行验算、主次梁设置到位外、斜杆及其扫地杆必须全部落地并与立杆扣接，在加强拱架整体性的同时更有利于改善拱圈侧面的实际受力状况，方能保证圆弧拱圈拆模后顺滑的外观线型。笔者认为：从提高拱架安全稳定保证系数的角度出发，应遵从结构实际受力状态而建模，通过应用软件建立三维空间立体图形，将实际材检参数逐项带入而得出具体的支架搭设方式。同时作为设计单位也应从工程安全性角度考虑对模板支架系统进行初步设计和稳定性验算后给出相对较为简单且便于实操的建设性意见。这里首推东南大学建筑系自主研发的《结构力学求解器》，在精确计算结构内力方面具有较高的准确度和优越性。近年来频发的现浇支架倒塌事故固然和支架验算有一定的关联，但其本身的材质、实际是否按方案进行搭设（即管理问题）以及现行行规的不合理等也是不容忽视的原则性问题。一方面，支架钢管验算均按照外径48mm，壁厚3.5mm进行的，而钢管在经过多次反复周转使用后壁厚2.8～3.0mm，这种钢管截面惯性矩损失在7～13%左右，如果锈蚀严重，其验算取值将更小，无疑增加其安全隐患。因此，对于进场的每一批管材都应按照规范要求进行外检，以检测其壁厚及相关技术参数从而确定实际单杆承载力。另一方面，现行的行业规范《建筑施工脚手架安全技术统一标准》（GB51210-2016）虽经多次修改，但部分规定仍然缺少合理性和现实的可操作性，诸如：支架底部扫地杆离地距离，支架顶部悬挑长度，纵、横水平剪刀撑在横梁加密区的搭设间距等。部分条文的不切实际必将造成从业者疑惑、抵触心态，更是给施工、社会第三方及行业监管方造成有行规却基本无法实施的矛盾尴尬局面，关于此问题呼吁行业主管部门根据当前市场的实际状况，尽快研究制定新的规范标准，使部分数据理性回归、让行业规范回归行业本源，实现真正意义上的“理论指导实践”。

2 拱脚钢筋密集不易捣实，拱顶混凝土塑性沉降而变形开裂

因本项目桥梁属普通的上承式钢筋混凝土实腹式板拱桥（超静定结构），为了抵抗拱脚处承受的较大水平推力，设计通常在拱脚处采用钢筋加密的方式，诸多类型钢筋密布而纵横交错，为了保证混凝土振捣达到预期效果，通常做法根据振捣棒的作用半径将钢筋和模板预留操作孔，然而局部区域连50振捣棒都无法正常伸入，为了施工操作方便，一般按照100cm间距进行设置，同时可通过外加剂改变混凝土拌合物流动性兼具自密性（坍落度值一般控制在140～180mm），自拱脚至拱顶对称平衡浇筑，严格按照浇筑一段振捣一段封闭一段的方式循环推进。由于拱顶后浇带混凝土浇筑后初凝前骨料的塑性沉降变形，致使拱顶表面出现横向收缩裂纹。对于该问题笔者认为应从以下几个方面进行改进：①在B节段混凝土接近初凝前即进行C节段的混凝土浇筑；②C节段应采用UEA微膨胀混凝土；③C节段浇筑至初凝后再进行二次复振，然后快速人工压面；④拱顶混凝土浇筑完成后须进行拉毛并及时进行成品保护；⑤、C节段合拢混凝土浇筑应在一天中温度较低的时间段内完成。

图1

3 拱圈纵向受力主筋保护层厚度两侧、上下不对称

拱圈纵向主筋保护层厚度工前合格率约为95%，而工后成品检测合格率仅为55%左右，分析总体数据呈现圆弧两侧不对称趋势（即一侧偏大，另一侧必偏小），前、后较大数值差异的主要原因分析如下：①钢筋主材为弹性线性体，混凝土不能保持对称浇筑，一侧或底部受压后另一侧或上部将发生弹性形变（保护层偏大）；②目前市场普遍采用的钢筋保护层垫块为高强砂浆垫块，但由于绑扎安装不到位及砂浆垫块自身的质量问题，常常在较高的混凝土布料冲击力下造成垫块滑移、个别倒伏甚至是压碎剥落（保护层偏小）；③钢筋连接过程中由于温度的不均匀极易造成焊接过程中局部翘曲形变（保护层偏大）。诸多影响因素致使拱圈钢筋保护层厚度很难控制到理想状态。笔者根据本项目质量管控经验总结如下几点方法：①背面模板设置钢筋或垫块支撑；②钢筋连接宜优先采用机械或CO2气体保护焊连接方式；③采用钢筋马镫、高强砂浆垫块混合保护层；④混凝土浇筑前采用型钢梁进行压模反扣；⑤严格保持混凝土对称平衡浇筑工艺。

4 拱圈底部（接近拱脚）容易出现纵向裂纹

由于拱桥自身受力特点，在理想状态下拱脚处承受竖向、水平反作用力，然而由于承台等基础的不均匀沉降在拱脚处产生的位移或转角、因恒载作用、混凝土收缩徐变以及拱圈混凝土产生弹性压缩使拱轴线缩短等各种原因衍生的次生内力极易在拱脚处形成应力集中区域，当内应力的合力超过混凝土极限抗拉强度时便在拱脚部位出现环状裂缝，直到结构内部应力处于平衡状态后这种裂缝才能趋于停止。另外，对于拱式实腹板环向混凝土结构均承受压应力，垂直方向上的单向板承受较大的混凝土收缩徐变拉应力影响，通过以上诸多原因分析得出主承重拱圈底部出现纵向裂缝将在所难免，据不完全统计在地质情况不良地区，95%以上的拱桥均存在类似的质量通病问题。然而笔者认为：在设计或施工工艺上的优化与完善，对限制裂缝的分部状态与发展趋势将大有裨益，尽管《混凝土结构设计规范》中根据结构物及所处环境等级对裂缝宽度有严格要求（三类环境及结构最低≤0.2mm），本桥拱圈宽度达到17.05m，根据《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）的要求，理论上对于无铰拱超静定宽幅拱桥应按照4～6m沿拱轴线方向至少应设置2道沉降缝；同时考虑上承式拱桥桥面通车的连续性，应在主拱圈上部设置盖缝板（混凝土材料+有机合成材料）。在原设计的基础上可考虑增设水平防裂构造钢筋，加密区域自拱脚向上单侧范围为1/4拱跨，这些措施将大大减少拱圈底部纵向裂缝分部的密度和深度。

5 桥台台后防护块侧墙工后沉降大

因拱脚的受力特性，设计通常的做法是在拱脚桥台后设置防滑快以平衡拱脚的水平推力，由于防滑块采用片石混凝土或素混凝土等扩大浅基础、拱脚采用钻孔灌注桩深基础，两者的设计目的及其受力结构体系存在本质性的差异，工后沉降速率自然有差异。由于6号拱桥为五跨连续拱且地质条件较差，0#桥台台后防滑块较拱上侧墙近6m，台后回填后产生23cm沉降值，通过防滑块及其台后路基的等载预压、防滑块顶部二次加高等方式予以解决。为了避免该质量问题的再次发生，笔者认为解决和预防该问题的方式应包括以下两个方面：若拱脚及其台后基础结构形式相异，则待防滑块侧墙分段施工至最后一段后应暂停施工，将台内及其台后全部回填（长度为8～10m）即可进行超载预压，待沉降稳定后再进行防滑块两侧上部最后一段侧墙的施工作业；若拱脚及其台后基础结构形式相同，预压工序应根据工程桩深基础的实际形式予以确定。从经济、合理化角度出发，对于预防高填方工后沉降的方式仍应从回填材料及施工工艺两方面进行优化改进。