拱形结构试验的滑动拱座施工技术研究

滕延锋

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 研究背景

拱形结构以其跨度大、承载力高和节省材料等优点在结构工程中得到了广泛应用。拱形结构在承受荷载后，拱座将产生较大的水平推力。在地上结构施工中，一般通过设置较大的承台和桩基来抵抗上述水平推力[1-3]。而在拱形地铁车站建设中，由于顶板结构采用了拱形结构，上述拱形结构所产生的水平推力将由地下连续墙承受（图1）。

图1 地铁车站的拱形顶板结构

地下连续墙属于一种相对柔性结构，尽管施工前在地下连续墙的外围采取了加固措施，地下连续墙在上述水平推力的作用下仍然容易发生较大的水平变形，上述水平变形将对拱形结构本身及其受力特性产生不利影响[4-5]，造成拱结构顶部发生开裂和较大的变形。为了讨论上述不利影响，需要进行使用滑动拱座的方式以定量研究上述水平位移对拱形结构的影响程度。

2 滑动拱座的组成

拱形结构试验如图2所示，足尺试验的结构包括拱形顶板、固定拱座、滑动拱座和拱座水平位移控制装置。

图2 足尺结构试验构成

滑动拱座是拱形结构的滑动端，在试验中，其水平滑动位移处于可控状态。在滑动拱座滑动过程中，不仅要求滑动拱座滑动面光滑，摩擦因数小，而且要求滑动面能够尽量保持水平状态，消除由于滑动面倾斜而产生的附加滑动阻力。同时，滑动拱座的平面尺寸要足够大，以消除拱脚弯矩对拱顶位移的影响。为满足上述条件，在足尺结构试验中，滑动拱座一方面平面尺寸较大，另一方面采用夹层式的滑动面结构（图3）。

图3 滑动拱座结构

在图3中，滑动拱座为块状混凝土结构，长宽高为6 000 mm 6 000 mm 3 000 mm，由固定部分、滑动面和滑动部分组成。滑动拱座的固定部分位于下部，其下部与锚桩刚接，由锚桩提供整个拱形结构的竖向支承。滑动拱座的滑动部分位于上部，承受拱结构传递的轴力和弯矩。在固定部分和滑动部分间为滑动面结构（图4）。滑动面结构由上预埋钢板、聚四氟乙烯板和下预埋钢板组成。上预埋钢板固定在滑动部分内，下预埋钢板固定在固定部分内，聚四氟乙烯板放置在上预埋钢板和下预埋钢板之间。

图4 滑动面结构

当需要模拟地下连续墙发生水平位移时，放松或收紧水平位移控制装置的锁紧油缸，滑动拱座的滑动部分可以沿着滑动面发生水平滑动。滑动面的水平度误差对滑动部分的滑动具有重要影响。

3 矩阵式多点水平度控制工艺

如前文所述，为了消除拱脚弯矩对拱顶位移的影响，滑动拱座的平面为6 000 mm 6 000 mm的大面积结构。在以往的施工中，一般采用预埋大钢板的方式，即在浇筑混凝土之前，首先进行大钢板定位，通过控制大钢板4个角点的标高，实现大钢板整体水平的目标，然后浇筑混凝土进行固定。上述方法应用在小面积结构中时，由于小平面的钢板整体水平度好，不易发生翘曲，控制施工水平度较为适宜；但在大面积结构中，由于钢板柔性大，仅控制4个角点的标高难以实现钢板中部的水平度，因此使用常规的安装方法将导致水平度超过设计值，滑动阻力增大，对滑动拱座的滑动特性产生不利影响。

为了控制大面积钢板的水平度，减少或者消除因滑动面水平度误差而导致的对滑动性能的影响，在滑动面施工时，采用矩阵式多点定位的方式进行大面积平面结构的水平度控制。矩阵式多点定位方式如图5所示。

图5 矩阵式多点定位控制装置

在图5中，矩阵式多点定位控制装置由预埋钢板、定位螺杆和双层螺母组成。预埋钢板内按照矩阵方式开有多个定位孔，定位孔和定位螺杆一一对应。定位螺杆一端锚固于滑动拱座固定部分内部，另一端伸出滑动面。

在控制预埋钢板的水平精度时，使用测量设备对每个定位孔处的标高进行测量，满足要求后使用定位螺杆上的双层螺母进行标高锁定。通过上述多点式标高控制方式，不仅实现了预埋钢板角点处的标高满足要求，同时对预埋钢板中心部位的标高也实现了有效控制，保证了预埋钢板的整体水平度要求。

4 滑动拱座的施工工艺

滑动拱座固定部分预埋钢板的水平状态对整个滑动面水平度的控制精度影响最大，因此，首先需要控制固定部分预埋钢板的水平状态。在固定部分的钢筋和模板布设完成后，为保证各个定位螺杆的定位精度，保证定位螺杆在浇筑混凝土过程中不致被冲倒或者冲斜，使用定位架将定位螺杆布置在钢筋内部并临时固定，如图6（a）所示。

定位螺杆完成固定后，保持定位架的位置不动，第1次浇筑固定部分的混凝土，当混凝土的液面距离预埋钢板标高约300 mm时，停止浇筑混凝土。当首次浇筑混凝土的强度达到5 MPa时，移走定位架。在测量仪器的辅助下，在定位螺杆上拧入下层定位螺母并保持所有的下层定位螺母在同一标高位置，然后在下层定位螺母的上方放置固定部分的预埋钢板，如图6（b）所示；逐点测量固定部分预埋钢板上部各个定位孔处的标高，达到设计值后迅速使用上层定位螺母拧紧并焊接。当仅靠上层定位螺母难以控制钢板标高时，使用长柄扳手调整下层定位螺母进行钢板标高调整。标高调整完成后的状态如图6（c）所示。

通过预埋钢板上的预留注浆孔向预埋钢板下部的空隙内注入自流平混凝土，并保持混凝土和预埋钢板密实紧贴，如图6（d）所示。当混凝土强度达到设计值时，切除上层定位螺母和定位螺杆超出预埋钢板部分并磨平，如图6（e）所示。至此，通过对每个定位孔处的标高进行控制和固定，大面积钢板的整体水平度满足设计要求。

以固定部分的预埋钢板为安装基面，依次安装聚四氟乙烯板和滑动部分预埋钢板。最后以滑动部分预埋钢板为底模，进行滑动部分的钢筋绑扎和混凝土浇筑工作，如图6（f）所示。

图6 滑动拱座的施工流程

5 滑动拱座的现场实施及滑动效果

滑动拱座的现场实施情况如图7所示。拱形足尺结构加载后，在水平位移装置的控制下，滑动拱座发生水平位移，如图8所示。

根据现场实测，在满载荷载作用下，理论计算水平推力值为4 200 kN，实测水平推力反力值为4 192 kN，滑动面不平顺产生的阻力仅为理论值的0.2%，远小于设计限值。

图7 滑动拱座现场实施

图8 滑动拱座发生水平位移

6 结语

本文通过分析现有滑动拱座滑动面水平度难以控制的原因，提出了能够适应大面积滑动面水平度控制工艺，并进行了现场实施和测试。新工艺通过在预埋钢板上设置多个定位孔和定位螺杆，通过定位螺杆和定位螺母的锁定作用调整预埋钢板在定位孔的标高，最后通过二次注浆保持混凝土和预埋钢板能够紧密接触，上述工艺不仅能实现大面积预埋钢板边缘部位的标高控制，同时可实现大面积预埋钢板在中部的标高控制，克服了现有安装方法不能调整钢板中部标高偏差的不足，取得了良好的实施效果。