桥梁上部结构预拱度施工设置技术

中建三局第二建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430074

1 工程概况

文章的案例桥梁为湖北省咸宁大洲湖环湖北路1号桥，环湖北路起于桂乡大道，自西往东下穿官埠大桥后，终点与在建的官埠大道平面交叉，设计范围内道路全长为3.115km，桩号范围为K5+669.931—K8+785。在K7+140处新建环湖路1号桥，桥长65m。环湖北路1号桥采用上承式飞鸟拱，共有3跨，跨径分别为20m、25m、20m。

在该工程施工过程中，由于碗扣式满堂支架节点可靠性好，因此可结合扣件式支架使用，更利于构造该桥所需的曲线线性。基于此，施工单位选用碗扣式满堂支架来对全桥拱圈同步进行支架的搭设、模板的安装和钢筋的绑扎与混凝土的浇筑等工作。

2 设置预拱度的重要性

2.1 桥梁的下挠变形

桥梁一般分为上部结构与下部结构两部分。其中，桥梁的上部结构在受到以下因素的影响时，会产生下挠变形：（1）当脚手架在承担施工荷载时，所引起的弹性变形；（2）部分超静定结构桥梁在组成结构的混凝土产生收缩和徐变时产生的下挠度；（3）杆件接头的挤压、卸落设备时的压缩等产生的塑性变形；（4）脚手架基础、支架基础在承受荷载后发生的沉降；（5）桥梁内部的预应力钢筋在张拉后，备份的预应力会有不同程度的流失，预应力的改变也会对桥梁的下挠程度产生不利影响[1]。

2.2 实际通车后会产生变化

在实际通车后，交通流量增大、部分车辆在驶上桥面时超载、桥的主体结构逐渐老化等原因，都会造成桥梁上部结构的下挠程度进一步扩大。为此，施工单位需在桥梁的施工过程中提前考虑上述因素并合理地设置预拱度，从而使桥梁线性符合要求，以保证全桥运行的安全性。

2.3 混凝土弹性模量的实际与理论存在差异

在桥梁施工过程中，由于混凝土的实际弹性模量与理论弹性模量存在一定的差异，如理论重量与实际重量不同、收缩徐变理论值与实际值存在差别等，因此往往会导致在完成桥梁浇筑后，其结构的线性和特性也随之发生改变。

3 预拱度设置

3.1 预拱度的分类

（1）施工预拱度。设置施工预拱度主要是为了消除在施工过程中材料的理论性能与实际性能存在差异以及混凝土在养护过程中的徐变收缩等因素对全桥线性所造成的影响。在设置此类型预拱度时应结合材料性能测试报告，充分考虑施工阶段桥面所承受的荷载以及张拉钢筋时的预应力，从而设置合理的施工预拱度。

（2）成桥预拱度。设置成桥预拱度是为了消除后期运营阶段预应力损失和车辆超重等对桥梁下挠度产生的不利影响。应结合当地实际交通情况和桥梁实际设计通车流量，严格按照规范计算全桥活荷载和恒荷载，并考虑各种不利工况，以此确定所要施加的成桥预拱度。

3.2 预拱度设置时存在的问题

（1）计算误差。在设置桥面的预拱度时，需先对应该施加的预拱度进行计算分析。在计算过程中，工况考虑不周或气候条件考虑得不全面都可能会导致计算预拱度时出现纰漏，使预拱度设计不准。另外，由于在设置预拱度时各项安全系数、组合系数取值较大，因此会容易使预拱度设置过大，使成桥出现反拱，这同样也不能满足成桥的线型要求[2]。

（2）材料性能误差。通常情况下，桥梁施工的材料性质是无法完全保持一致的。这是因为，对于进场材料的实际性能，以及预拱度设置时，所考虑的理论性能往往会存在一定的差异，该差异主要体现为弹性模量的误差、抗压强度的误差、重量的误差、收缩徐变的误差以及温度场变化的误差等。上述误差一定程度上导致了桥梁预拱度设置的不合理。

3.3 预拱度影响因素

（1）拆除临时支撑的先后顺序。在该桥梁的施工过程中，临时支撑共有先拆除和后拆除两种工况。①临时支撑先行拆除工况。施工时桥面粱先在临时支撑上进行拼装，在拼装完成后拆除临时支撑。②临时支撑后拆除工况。这种工况对临时支撑的拆除时机进行了调整，首先对正弯矩区桥面板进行混凝土浇筑，随后拆除临时支撑，最后对负弯矩区桥面板进行混凝土浇筑。当临时支撑后拆除时，梁的跨中恒载挠度相较于临时支撑先拆工况有所减小。

（2）混凝土收缩徐变。混凝土的收缩徐变在一般情况下会在桥梁中跨的跨中引起结构下挠，会使全桥的边跨产生一定程度的上拱变形。根据实际桥梁构造形式的不同，收缩徐变产生的挠度方向也可能存在一定的差异，因此在考虑收缩徐变时应选用正确的受力模型，对于位于竖曲线上的桥梁，要预测理论收缩徐变的大小，视情况增减预拱度值，使竣工后的桥梁整体线型与竖曲线接近一致。

（3）地基沉降。该桥梁的跨度较大，桥梁自重恒载占全桥所受荷载的比重较大，因此在施工过程中同样考虑到了地基沉降量对桥梁预拱度的影响。对此，在箱梁的支架和模板搭设完成后，应重新调节模板标高。若不考虑地基沉降值，会导致模板所在的桥面标高出现问题，最终成桥线型无法满足设计的整体线型要求[3]。

3.4 预拱度的设计方法

目前常用的桥梁预拱度设计方法有两种：经验曲线分配法和公式计算法。其中，公式计算法较为简便，但理论计算值可能与实际工程不符，后续还需不断进行调整，因此该桥梁在设置预拱度时选取经验曲线分配法进行设计计算。

有关实践经验和研究表明，上承式拱桥的最大预拱度通常取L/2000～L/1000，其中L表示桥梁跨径。在确定最大预拱度之后，应对不同跨径上的预拱度进行分配。当采用二次抛物线对预拱度进行分配时，分配结果通常与简支梁较为近似，对于文章论述的桥梁，计算结果存在一定偏差。因此，文章案例桥梁应考虑采用余弦曲线对全桥进行预拱度设置。预拱度余弦曲线方程如下：

式中：y为预拱度余弦曲线；L为中跨跨径，m；fcs为中跨预拱度，cm；x为预应力上拱度，cm。

在现阶段施工条件下，一般在中跨合龙前使用梁体压重或者顶推等方法，使桥墩墩顶在合龙前对边跨有一定的预设值偏移量。因此在采用经验曲线分配法时，可按式（1）进行预拱度的设置，并结合实际施工时的经验进行合理调整。

3.5 预拱度施工设置控制要点

（1）混凝土施工质量控制。①选用正规供应商提供的原料，在原材料进场时要加以检验测试，确保各项材料都能达到指定的性能要求。②通过试验的方式确定合适的水灰比、骨料用量等，在有条件的情况下应通过多种试验确定最为合适的配合比参数。③施工人员所用设备和施工人员自身的工作都应满足精度要求，施工前对机械设备做好检修维保工作，做好对施工人员的安全意识管理，以既定的施工方案为指导完成作业。

（2）确定施工标高。该桥梁施工控制的主要任务之一就是线型控制，而要想控制好桥梁线型，在计算出预拱度的值之后，应确定好施工标高。受施工荷载、温差及地质情况等因素的影响，通常应结合实际情况对式（2）进行多次调整，从而确定最佳高程。

式中：Hi实际为定位高程，cm；Hi为i点的设计标高，cm；β为挠度结果，一般取0.5～0.6；fi预测高为预拱度，cm；Δfi为挠度调整值，mm。

（3）预拱度的动态设置。在预拱度的动态设置过程中，重要的控制要点是对支架进行预压。在进行支架预压工作前，需采用有限元分析的方法对桥梁施工过程中的扰度值进行模拟分析，该扰度值包括浇筑时的理论扰度值、拆模时的理论扰度值、二期恒载及收缩徐变的理论扰度值。若桥梁中含有预应力钢筋，还需计算张拉扰度值。

在此基础上结合式（1），对整个施工过程中的支架和模板进行调整。支架的预压试验工序能较为准确地获得支架及模板的弹性变形数据，并通过适当调整来消除非弹性变形的影响，还能通过试验获得的变形规律来指导施工工作的顺利进行。

（4）确保模板工程质量。在该桥梁施工过程中，底模采用光面竹胶板，胶板与横向方木间用铁钉钉牢，胶板间接缝粘贴密封条用于防止接缝漏浆。底模铺好后，应分别精确测量中线、边线和标高，标注出各分段点和实心段位置，作为其他模板安装的依据。侧模选用18mm厚竹胶板，包裹于底模上，后背方木，方木后背竖向钢管，在侧模的上下侧分别设置拉杆并扣于钢管上，从而保持侧模的稳定。该桥梁的拱圈下半段走势偏陡，为防止拱圈混凝土浇筑时下滑，还应在该段拱圈上表面外封模板，外封模板的横桥向每间隔1.5m布置一道空隙用于振捣，当混凝土浇筑至此部位时，应先做好模板封堵和加固，之后再进行下一阶段的浇筑。

4 结束语

综上所述，在设置预拱度时，需要考虑的因素较多，设置过程中也可能会发生偏差，因此，需要综合分析，有必要时应及时调整预拱度。此外，还应注重对施工质量的控制，结合理论与工程实践经验，共同确保桥梁线型满足精度要求。