非对称外倾式曲线混凝土拱肋施工技术

2020-10-10万宗江

铁道建筑技术 2020年7期

万宗江

(中铁二局集团有限公司四川成都 610031)

1 引言

近年来，我国大跨径混凝土拱桥建设在数量、跨径上均位于世界第一，日本紧随其后，我国混凝土拱桥在跨越能力上位于世界前列，最具优势和特色的方面就是施工技术[1]。混凝土拱桥施工根据其受力和成拱原理将施工方法分为转体法、悬臂法、支架法、劲性骨架法。

以往对混凝土拱肋的施工已有大量研究，粟学平等[2]在主桥拱肋施工中采用卧拼吊塔竖向转体施工方法；李光辉[3]在主桥拱肋施工中采用悬臂浇筑施工方法；张亚杰等[4]在主桥拱肋施工中采用原位拼装支架施工方法，以上学者对转体法、悬臂法、支架法均已进行了全面论述。

本文在以往研究的基础上，针对府河大桥拱脚段设计为混凝土实心截面，外倾曲线结构，上端与钢箱拱肋连接，下端与承台连接，其结构具有外倾和曲线渐变的鲜明特点，对外倾曲线结构施工稳定性、模型设计加工和精确定位，劲性骨架设计施工，大体积混凝土施工控制等进行专项研究。

2 工程概况

府河大桥位于成都新会展中心以东，毗邻会展段规划江滩公园，跨越府河。采用主跨150 m 的曲线梁非对称外倾肋拱桥，全长249 m。主跨位于圆曲线上，左右两侧各自向外倾斜的拱肋，均位于独自的倾斜平面上，两个拱肋在主梁下方交叉，在拱顶遥遥相望，采用空间倾斜的吊索与主梁连接[5]。上部混凝土结构由向外倾斜的混凝土拱肋段、桥墩、拱脚外侧楔形块以及系杆锚块等所组成的一个空间结构体系。混凝土拱肋采用C50 高强耐久性混凝土，为等宽变高的实心截面，拱箱高度按2.5 次抛物线变化。府河大桥主跨立面布置见图1。

图1 府河大桥主跨立面布置(单位:cm)

3 结构设计

混凝土拱肋段布置于承台顶面上。南侧拱肋拱平面与水平面的夹角为72°，北侧拱肋拱平面与水平面的夹角为60°。拱肋拱轴线由R＝17.257 m的圆曲线和直线组成。混凝土拱肋采用变高等宽实心形截面，拱肋宽度4.2 m，拱肋高度从顶端至承台顶面由5.2 m 逐渐变化至6.495 m(南拱)、6.804 m(北拱)[6]，拱箱高度按照2.5 次抛物线变化。为了与钢拱段协调，混凝土拱肋四角也采用切角设计，切角尺寸为65. 9 cm×65.9 cm，混凝土拱肋结构三维示意见图2。

图2 承台拱肋三维示意

4 施工特点

(1)结构构造复杂，施工技术难度大

混凝土拱肋为空间曲线构造，对钢筋预应力加工成型、安装精度控制要求较高；同时混凝土模型为异形渐变结构，结构加工施工技术难度大。

(2)结构整体呈倾斜状态，施工安全风险高

混凝土拱肋为非对称外倾曲线结构，南拱混凝土拱肋倾斜72°，北拱混凝土拱肋倾斜60°，钢筋、预应力安装及混凝土浇筑过程中结构整体稳定性差，必须设计专项的劲性骨架进行支撑固定，施工安全风险高。

(3)结构尺寸较大，水化热控制技术要求高

混凝土拱肋为实心截面，最小截面在连接钢箱拱肋位置，断面尺寸为4.2 m ×5.2 m，梁下桥墩与拱肋一体浇筑，截面面积在梁上拱肋截面基础上还会增加，产生水化热较大，同时采高标号C50 混凝土，也增加了水化热产生量。施工采用分节段浇筑，体内设置冷却水管进行水化热控制，水化热控制技术要求高。

5 施工技术方案

5.1 拱肋节段划分

混凝土拱肋施工采用分段的方法进行。为满足拱肋预应力体系的分段锚固和接长，拱肋共分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ六个大段和五个工作面，每个工作面均和拱轴线相垂直。在施工工程中，混凝土拱肋在Ⅰ段、Ⅱ段和桥墩、拱肋外侧楔形块对应位置同步装模、浇筑施工，桥墩、外侧楔形块的工作面位于水平面上，和拱肋工作面、施工缝较高点高程平齐。拱肋在Ⅲ段和系杆锚块同时进行装模、浇筑施工[7]。拱肋施节段分段见图3。

图3 拱肋节段划分(单位:m)

5.2 拱肋劲性骨架设计

拱肋劲性骨架采用双层结构。南拱主弦杆采用∠100 ×10 的等边角钢，北拱主弦杆Ⅰ段和Ⅱ段采用∠100 ×10 的等边角钢，Ⅲ段和Ⅵ段采用∠125×10 的等边角钢；内外两层角钢之间采用∠50 ×5的等边角钢作为联接杆；劲性骨架腹杆采用∠75 ×8的等边角钢作为横向联接系。拱肋劲性骨架设计见图4。

图4 拱肋劲性骨架(单位:cm)

6 施工整体稳定性分析

6.1 有限元模型建立

采用软件对混凝土拱肋施工过程进行了数字仿真分析，模型实体部分全部采用六面体单元，钢束采用1D 钢筋单元，骨架采用梁单元模拟，骨架与实体之间采用共节点方式处理。模型共计8 870个梁单元，预应力钢束6 844 个单元，三维实体单元个数为49 914 个，整个模型共有66 128 个节点。拱肋实体模型见图5。

6.2 模拟施工阶段

图5 拱肋实体模型示意

根据现场施工实际情况，模型共分成14 个施工阶段进行分析，除设计第1 阶段为10 d 外，其他每个施工阶段周期均为7 d。模型计算考虑的施工阶段见表1。

表1 模型计算考虑的施工阶段

续表1

6.3 计算结果

根据各施工阶段的实际状态进行模拟分析，各阶段混凝土和劲性骨架计算结果如表2 所示。

表2 各施工阶段计算结果

根据以上14 个施工阶段模拟分析结果与设计文件计算结果进行比对，拱肋轴向压应力分布范围大致相同，在拱肋与三角块接触位置应力集中处极值点应力略小于设计值，拱肋上主拉、主压应力基本与设计文件相同；在拱肋与桥墩接触处，设计最大主拉应力出现在侧边，而本计算出现在顶面，经分析应是由于考虑拱肋骨架应力扩散作用所致；承台上除去本计算中边界条件模拟处，其他部位结果基本一致。劲性骨架北拱外侧主撑上最大压应力达到-171 MPa，最大拉应力为125 MPa，应力偏大，施工中采取适当增大杆件截面进行加强。

7 关键施工技术

7.1 外倾式曲线混凝土拱肋模板安装控制技术

(1)劲性骨架施工

拱肋劲性骨架在承台最后一层混凝土浇筑施工前进行承台内劲性骨架角钢的埋设施工，接长拱肋劲性骨架施工在承台最后一层混凝土施工完成后进行，劲性骨架安装时主要根据拱肋分段分6 次进行接长施工[8]。

由于拱肋劲性骨架结构尺寸较大，先在加工场分6 段将劲性骨架放样、下料焊接运至工地后，在施工现场采用吊车对其安装并焊接为整体。因劲性骨架在全部拼装完成后高度较大，又是空间倾斜结构，所以在施工劲性骨架时根据拱肋预应力安装顺序进行分次拼装，同时拱肋劲性骨架悬臂端与拱肋外支架连接进行支撑，连接件设为可调支撑可对劲性骨架进行调整定位，同时增加劲性骨架的承载力。

安装劲性骨架时，为了保证劲性骨架空间位置的精度，须按照设计预拱度对其进行全程测量跟踪定位。劲性骨架主接长采用先利用拼接角钢进行栓接，经测量定位后进行焊接的施工顺序进行施工安装。

(2)模板施工

拱肋模板采用2.1 cm 厚的胶合板，竖肋采用20 cm 高的木工字梁结构，横肋采用双拼14 号槽钢结构，模板宽度、高度设计根据节段划分情况单独进行设计。为了减少模板的周转和倒用，拱肋顶板、底板、内外侧腹板四个面均只加工一块模板，模板尺寸按照拱肋节段划分时6 个节段中最大的截面尺寸进行加工。拱肋上下顶底板是由平面逐渐变为曲面的空间结构，因顶底板水平投影等宽，顶底板在各节段施工时线形各异，在周转和倒用时需对面板线形进行调整，通过在槽钢背楞上加垫弧形造形木进行面板预弯线形调整可实现模板多次周转倒用，造形木按每节段弧度加工。

拱肋拱脚段因结构形状较为特殊，在安装时先用C30 砂浆找平后，再在承台顶面安装第一节模板。安装时利用塔吊进行吊运安装，利用模板外可调支撑进行模板的定位固定。模板安装时，由拱肋劲性骨架对其支撑定位。为了保证混凝土保护层厚度，在劲性骨架上每隔1 m 设置塑料垫块。利用拱肋内的钢管脚手架和拱肋外支架作为操作平台来进行安装模板施工。为了保证拱肋施工线形满足设计要求，安装模板时由专业测量工程师全程定位跟踪安装[9]。

当混凝土强度符合设计要求后，方可拆除模板及其支架。当混凝土达到一定强度，且可以保证混凝土表面、棱角不会由于拆模而发生损坏后，方可拆除侧模。在混凝土强度符合设计要求后，在已拆除模板的结构上方可承受全部使用荷载；如施工荷载比使用荷载大，必须通过计算，采取加设临时支撑等可靠措施后方可进行。严禁随意抛掷模板和其相关配件，均采用人工或机械传递模板，并及时整理拆下来的模板[10]。

7.2 大体积混凝土施工质量控制技术

(1)配合比设计

采用级配良好的碎石，选用水化热较低的水泥，最大粒径不得大于钢筋间距的1/4，严格控制针状、片状和石粉的含量；采用优质中砂，细度模量控制在2.6 左右，含泥量不得超过1%；为延长混凝土初凝时间，在满足混凝土设计强度的前提下，掺用高效减水剂，延迟水泥水化热峰值出现的时间，使水化热的峰值控制在不大于50 ℃；混凝土坍落度控制在14 ～16 cm，和易性好，不泌水，便于泵送[11]。

(2)混凝土施工技术控制

混凝土的入模温度应维持在12 ～30 ℃之间，并控制混凝土的出料温度，浇筑时要控制分层厚度，加快混凝土水化热的散失；采用冷却水管循环对混凝土进行冷却，在充分进行热交换后，由冷却水管循环水将水化热产生的热量从混凝土体内带出，使得混凝土体内的温度降低，缩小了混凝土的内外温差，使混凝土的内外温差不大于25 ℃。为了调整循环水流量，采取控制水阀，调节进出口温差不大于10 ℃，保证循环水温与混凝土内部温差不大于20 ℃，并安排专人记录好进出口水温；采取水平分层、斜向分段的原则浇筑混凝土，可以确保混凝土部分热量充分扩散于空气中；在混凝土中提前埋设热敏电阻元件，以测定混凝土内部的温度，也可以实时掌握混凝土结构内外温差变化情况，根据观察结果调整冷却水管通水、蓄热养护时间[12]。