大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法.docx
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大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法
大跨度钢筋混凝土拱桥施工工法
1、前言
随着我国公路事业的高速发展，箱形拱桥工量少、自重轻、截面合理，近年来在大跨度钢筋砼拱桥中被广泛应用。
我公司先后承建了陕西省境内的包（头）—茂（名）高速公路毛坝至陕川界MC4合同段，渝（重庆）—昆（明）高速公路云南省境内的水富至麻柳湾23合同段等工程项目，均包括大跨度钢筋混凝土拱桥结构。
其中水富至麻柳湾23合同段在施工中大力开展科技攻关，不断完善施工工艺，成功的解决了主拱圈下部原地面基础处理和下沉；扣件钢管拼装满堂式拱架的搭设方法和要求；支撑主拱圈底模的1-80米弧形杆件的材料选择与制作；主拱圈加载程序和下部支撑卸载程序；主拱圈间隔槽的预留位置；合拢温度的选择；混凝土分段和浇注顺序；拱上运输系统的布置；消除拱架形、控制主拱圈变形等关键技术难题，本工法是在总结上述成功经验的基础上形成的。
2、工法特点
公路工程大跨度钢筋混凝土拱桥，近年来的桥跨已经发展到140m现代桥梁 ,它是集桥梁结构学、结构力学、地质结构学与材料科学等技术为一体，具有很高的技术含量和远景发展。
大跨度钢筋混凝土拱桥具有以下特点：
2.1对原地面进行处理后采用满堂支架系统克服了传统的土牛胎易产生不均匀沉降导致支架下沉引起主拱圈变形开裂及填筑挖出土牛胎增加工程量的弊端，有效防止了拱架下沉拱圈变形，保证了施工质量。
2.2支撑体系和模板系统位于稳固的地基上，安全系数高，不易下沉，结构受力合理，支架、模板安装拆卸方便，操作简单，支架和模板适用范围广，可再利用。
2.3.拱圈采用钢筋砼分段现浇，整体性强，结构轻盈，自重小，线性美观，减少了砼用量，节约了投资。
2.4.施工工艺完善、简便，可操作性强，降低劳动强度，便于推广。
2.5.施工速度、施工质量容易得到保证。
3、适用范围
本工法适用于公路大跨度钢筋混凝土箱形拱桥采用现浇的主拱圈，适合拱圈下部为水流不大的山谷、沟壑、坑洼、平地、河流，跨度50～140m的钢筋混凝土拱桥施工。
4.工艺原理
大跨度钢筋混凝土拱桥设计理念先进，施工技术成熟，具有广阔的市场前景。
通过混凝土原材料把关、配合比选定、埋设循环水管、混凝土搅拌、运输、浇注过程的控制，以及后期通过混凝土养护、控制水温以降低混凝土内外温差，防止大体积混凝土出现裂缝，保证大体积混凝土施工质量。
5、施工工艺
5.1拱架地基处理
将跨径范围左右共宽13m投影面下的沟槽表层植被、浮土与挖基倾倒土全部清除后，纵横方向挖成错台，横向靠近两桥台处尤其近1号台处的自然坡度大，依土质和风化岩石层的具体情况分别处理为不同宽度及外坡的错台，清除错台废方。
顺桥向左侧拱架支承面的外缘，施作一浆砌片石挡土墙,砂浆标号M7.5.基础处理深度依地质情况而定，但不宜小于0.5m。
挡墙顶宽0.8m，外坡直立，内侧背坡依挡墙高度定为1:
0.3。
挡墙高度在2～4m。
横向也依此作成阶梯形挡墙。
墙背回填用无有机质的天然土，分层用振动冲击夯夯实，每层松铺厚度控制在15cm，填筑至墙顶。
压实度不低于90%以上。
每台阶宽度为立杆横向间距0.75米的倍数。
靠近两桥台斜坡地段立杆的底端,用浆砌片石小挡墙作基础，基础顶面浇注5～8cm厚的C20砼垫层，上面铺方木，之上立架。
跨中已填平的纵向30多米长范围采用1.0m×1.2m孔径的C15片石砼桩基础，共13根桩，桩底挖至原地面以下1.5m即可，桩身长度不等根据覆盖层厚度在3～7米深范围内，桩顶以上预埋Ф12螺纹钢并满铺φ8钢筋网，网格间距12cm，然后采用20cm厚、C20砼满铺，作为找平和持力层，横向在每排钢管下铺设15cm×15cm方木，以增大承压面，减小压强，增大基础刚度，减小地基沉降。
其余高度相对较小的立杆基础可以用砼独立条形基础。
5.2拱架搭设
设计采用拱架现浇进行主拱圈施工，拱下横坡很陡，近1：
1，跨中前后纵向30多米长范围经回填夯实后，拱顶处拱腹至沟心高差为29米。
5.2.1拱架方案选择
桥位前后区域山坡陡峭，无平坦地形，施工场地仅能沿路线作带状布置，为保持道路通行，难以设置吊装系统，难采用拱式钢拱架进行拱圈施工。
近年来，公路桥梁施工中，成功地将房建施工用的钢管脚手架移植过来，已有不少先例，有资料表明，以此修建的桥跨已经发展到110m，拱架高度30m，不仅在陆地上，在水深7m左右的河流中也可使用扣件式钢管脚手架。
这些先例表明，采用建筑脚手架扣件钢管作桥梁拱架与传统拱架比较有不少技术经济上的优势。
与木拱架比较，其刚度好、形小并能节约大量木材。
因此本桥选定用扣件钢管拼装满堂式拱架的施工方案。
5.2.2拱架布置
设计采用在拱架上组装并现浇箱形截面拱圈的工艺施工，这是一种预制与现浇相结合的施工方法，拱架只需承担部分拱圈的重量与施工荷载，待预制件组拼与现浇部分拱圈结合成拱以后，拱架仅承担后续工序拱圈施工的部分重量；已施工的部分拱圈可以起到部分拱架的作用，因而可以减轻拱架荷载，有利于拱架受力和控制。
拱架由立杆、纵杆（顺桥水平方向），横杆（横桥水平面），拱顶小横杆，纵向斜杆，横向斜杆，主拱圈弧形杆等几种类型的杆件由扣件联结并辅助点焊及绑扎，共同组成空间框架结构。
拱架立杆承受主拱圈第一施工阶段的荷载包括预制与现浇部分的砼和钢筋重量、施工临时荷载，纵横向水平杆与斜向剪力杆起稳定立杆的作用。
施工期间拱架需承受的总重（计算过程略）：
预制部分+现浇部分+施工荷载=562.6t，在满足拱架整体稳定性的前提下经计算确定：
立杆间距：
纵向0.9m,横向0.75m；根据经验，并查阅有关资料，每层纵横杆之间的垂直间距取用1.3m。
5.2.3拱架搭设和拱盔形成
拱架搭设之前,首先对原地面布设点进行操平，作为地面标高初始值，并做好记录，待拱架搭设完毕后，用水准仪测出地面在承受拱架荷载下的相应标高，二者之差便是原地面下沉值，并以此分析判断地面下沉的原因，制定出相应的对策，以便进行处理。
然后测量放线确定拱架位置，在预先处理好的全跨基础顶面测设出线路中线，每排纵横向立杆的具体里程和位置横向立杆间距为0.75m，纵向立杆间距0.9米，每排横向立杆下面铺设厚15cm×15cm的方木，在方木上按照设计好的间距定出每根立杆的位置，每根立杆底部在方木上支垫5mm厚的对契子，之后搭设满堂脚手架。
钢管直径为47cm，壁厚3mm。
6m长/根，各个方向的钢管接长后均在同一轴线上，钢管接头必须采用配套的专用标准扣件。
搭架顺序为：
横向立杆—横向横杆—纵向立杆—纵向横杆—立杆、横杆—接长—形成空间框架结构。
每根立杆的顶部标高（加上预拱度和沉降值:
本桥考虑主拱圈挠度形、拱架压缩形和地基沉降三个因素，预留变形量按14cm考虑）采用预先计算好的高程值用水准仪操平控制（计入预拱度的拱腹高程即：
正拱高程换算成斜置高程＝同一垂直方向的立杆顶部高程＋弧形管高＋钢模高；注：
弧形钢管高和钢模高不是水平放置，而是该处坐标按设计拱腹线斜置后的高，坐标中间点内插），横向同一排每根横向立杆的顶部标高值相同每根立杆顶部按计算高程用气割烧割成凹弧形，凹槽弧度和纵向钢管外弧相同），纵向每一排立杆顶部便形成了标准的且和主拱圈弧度相一致的弧形。
在每排纵向立杆顶部凹弧内采用和满堂架相同的钢管点焊制作纵向拱盔弧形杆，全桥共需弧形杆14排，每排80多米长，弧形杆采用每根6m长的钢管相连接，接头内插2根12＃和1根16＃螺纹钢形成的钢筋束，钢管接头预留2～3mm缝隙，将接头全部焊接，安装时尽量将接头放置于立杆顶部凹槽内，所有凹槽内的弧形杆和立杆均须点焊牢固。
至此，纵向弧形杆在拱架上纵向立杆顶部可现场弯制成型，弯制弧形杆之前，首先要对拱圈放大样，按设计80米长拱跨等比例放样，选择一块平整宽敞的砼场地，按照设计给出的主拱圈纵横坐标加上预拱度值将水平和斜置拱轴线及拱弧线精确放出，实际量取弧长、弦长等数值与理论值进行比较，确保正确后再在拱架上实际放样制作弧形杆，斜置拱轴线等分48份后，两桥台拱脚连线上各等分点在铅垂方向至立杆顶部凹槽底的高度可实际量取；立杆顶部凹槽底至拱盔钢模板顶部在铅垂方向的高度也可实际量取，弧形杆上部的所有荷载直接传递到每根立杆顶部并通过整体框架均匀传递到原地面。
拱盔钢管弧形杆顶部直接铺设1.5m长×0.3m宽的标准钢模板，钢模板横向安放，横向每排模板为7块，10.5m宽，模板下部用U形卡连接成几块整体，为消除钢模板因温差而变形，在拱顶1/4和3/4处横向采用共3排木模板，为防止钢模板微动和受力凸起，在钢模板下部用铁丝间隔将钢模板和顶部弧形杆绑扎牢固。
钢管弧形杆上满铺的所有钢模板就是主拱圈底模。
所有底模可以无缝结合，利用9m宽拱圈底模外左右两侧各1.5m宽作为人行道，人行道路面采用旧钢模或木板均可，人行道外边缘采用和满堂架相同的材料搭设栏杆，以保证施工人员安全。
之后进行主拱架右侧两个支撑架的搭设、布置和固定四道揽风绳。
5.2.4拱架浪风布置
浪风是保证拱架稳定的重要设施，本桥所处位置，风力较大，满堂式拱架阻风面积较大，浪风的作用尤显重要。
设置两组浪风缆索，每组各2根，分别系于3/8与5/8L处。
2根缆索平面呈八字形布置，用φ28钢丝绳。
缆索系于靠近拱顶处，用大包围方式与拱架全宽连接，各局部用滑车紧系后卡死，右侧的4个死头分别系于地锚上。
施工中根据风力与缆索张力变化、拱架横向稳定情况可适时调整风缆的松紧程度。
为保证拱架因风力作用而向右侧倾覆的稳定性，采用横系框架式劲性支撑，与拱架连接，水平或斜向布置，其平面与桥轴垂直，位置同样在3/8与5/8L处。
如地形制需要斜置时，框架的轴线与水平方向的夹角不宜超过30度。
框架截面为1.5m×1.5m，用钢管与扣件拼装，左侧与拱架连接，右侧支撑于圬工基础上，中部设垂直支撑架承受自身重量。
横系框架式劲性支撑用来支撑拱架防止向右侧倾斜，揽风绳则拉住拱架防止拱架向左侧倾斜，二者共同作用可有效的防止拱架在风力作用下左右倾斜。
5.2.5拱架预压
拱架搭设完成，经过预压，可消除部分变形，再进行箱拱现浇部分施工（预压前在拱架顶部钢模板上布设沉降观测点，并进行初始值观测，预压完成后再行观测，卸荷后再次观测）。
预压采用已经预制好的横隔板及腹板另加沙袋，按加荷程序在放好样的拱盔上依次顺序就位，可按拱上设计荷载同时预压两个拱箱，预压两天后继续预压另外两个拱箱，直至6个拱箱全部压完。
预压后拱架已经消除了部分变形，基本稳定。
预压完的拱箱底模上用C40砼垫块对横隔板和腹板垫隔，然后在拱架上进行组装，先将腹板、横隔板伸出的钢筋与底板钢筋焊接固定，待全部预制件组装完后，绑扎组装接头钢筋，立组装接头模板，再浇筑组装接头与拱箱底板砼。
然后立边箱模板，浇注边箱。
合拢成拱并达到设计强度70%以后，可以形成部分拱架作用。
再施作主拱圈其余部分。
5.3主拱圈施工：
（主拱圈施工工艺流程图附后）
5.3.1底模上放样：
在底模上放出线路中线，将底板每道纵向钢筋位置和1/8、2/8、┉7/8跨度横向法线位置弹上墨线，以此线作为底板纵向钢筋、横向钢筋、纵向腹板，每排横隔板位置定位的基准。
5.3.2钢筋绑扎：
底板纵向钢筋和横向钢筋上架按设计位置绑扎固定就位，并在全桥预留4个间隔缝，间隔缝位置留在和中箱现浇腹板调节段相同的地方，拱顶左侧两条、右侧两条，从拱脚向拱顶方向，6块预制腹板一条间隔缝；间隔缝全桥横向贯通只对底板、顶板而言，间隔缝宽20cm左右。
5.3.3预制件组装：
采用在两个桥台顶部预先安装好的简易索塔水平天线运输系统将预制好的腹板横隔板水平运输上架就位，用C40细石砼垫块对腹板和横隔板进行支垫，调整好预制件位置和间距，对腹板和横隔板分单元进行临时支撑和稳固，将调整好的预制件底部预留出的钢筋和底板钢筋焊接固定。
预压步骤：
拱顶—拱脚段—1/4段，预制件的加载顺序为先中间后两侧，左右对称。
逐箱进行组装固定直至所有预制件组装完毕；绑扎拱脚加强段的钢筋，点焊或绑扎组装接头钢筋。
5.3.4拱脚加强段、现浇腹板和组装接头施工：
立拱脚加强段模板、现浇腹板模板和组装接头模板；之后开始浇注立好模板部位的砼，浇注顺序按规范规定的加载原则进行，即：
每列从拱脚向跨中方向进行，每列左右对称，至拱顶合拢，形成拱片，然后绑扎边腹板钢筋，立好边腹板模板，待组装接头砼强度达到50％设计强度后进行底板和边腹板砼浇注。
5.3.5按加载程序浇注拱圈底板砼：
根据检算结论，浇注顺序纵向应从拱脚向拱顶对称进行，横向应先中间后两侧左右对称，连续浇注（注意预留间隔缝）。
底板砼强度达到5Mp时浇注边腹板。
5.3.6间隔缝砼施工：
底板砼浇注完后及时进行养生，待底板砼（除间隔缝部分）强度达到设计强度的50％时，浇注底板间隔缝砼，其灌筑顺序应先灌筑靠近拱脚处的两侧间隔缝，次为靠近拱顶的两条间隔缝，全跨要对称浇注间隔缝，灌注温度按设计合拢温度。
本桥主拱圈合拢温度采用当地年平均气温15～22℃，合拢时间温度在6月中旬晚间为宜，至此全拱合拢。
5.3.7纵缝砼施工：
待间隔缝底板砼强度达到75％时进行拱箱纵缝砼浇注，纵缝上部预留20cm高，以后和顶板砼同时浇注，以增加整体连接性，浇注纵缝时上部要预埋横墙底梁U形钢筋。
同时做好养生工作。
5.3.8拱圈顶板施工：
按拱脚、拱顶分段立顶板底模，绑扎顶板钢筋，分段按和底板相同的分段方式和浇注顺序浇注顶板砼（在砼中加入适量早强剂以提前达到设计强度），分段拆模，分段支模，分段浇注。
合拢处的顶板底模（木模）是无法取出的，留在拱箱中不取。
5.3.9拱架拆除顺序：
现场技术人员负责对大桥在拆除拱架期间的位移和沉降进行观测，配备两台水平仪，一台经纬仪，对每天的观测要详细认真记录，当场签字，得出结论及时提供给主管技术人员和现场结构监理工程师。
拆前测一次，拱架永久脱离拱圈后测一次，拆架期间每天观测不少于3次，根据检算结果，主拱圈拱顶最大计算下挠度为2.7cm。
从底部跨中位置同时横向全宽向两拱脚沿纵向方向间隔一排切割一排进行切割，跨中位置切割1cm高度，向两拱脚按线形比例计算的高度切割，之后再从跨中向两拱脚方向按上述高度对称割除剩余的一半。
切割前必须提前在每排钢管下部用粉笔划线标出每排钢管需割除的高度，以便操作人员准确控制割除的高度。
完成第一循环后经过3～5小时的稳固期，然后进行第二循环，顺序以及割除高度和第一循环完全相同，完成第二循环后根据观测结果如拱圈还在下沉再重复第一循环，如未下沉就将拱架完全拆除。
主拱圈满堂架拆除速度慢将对主拱圈受力不利，为此要求施工队至少达到4个切割枪，四名以上切割人员同时展开，以提高拱架拆除速度。
6、机具设备（见表1）
表1机具设备
序号
项目
机具设备名称
规格
单位
数量
1
混凝土作业
强制式搅拌机
500L
台
2
2
插入式振动器
HZ6X-50
台
8
3
钢筋作业
钢筋切断机
CQ40
台
1
4
钢筋调直机
TQ4/4
台
1
5
钢筋弯曲机
CW40
台
1
6
电焊机
BX3-500
台
8
7
缆索
简易索塔
槽钢拼装
个
2
8
电动卷扬机
30KN、20KN
台
4
9
天线滑车
自制
个
1
10
钢丝绳（牵引、升降索）
φ14mm
m
400
11
钢丝绳（承重索）
φ22mm
m
250
12
钢丝绳卡子
Y7-22
个
20
13
钢丝绳卡子
Y4-12
个
20
14
量测仪器
全站仪
拓普康
套
1
15
水准仪
蔡司010B
台
1
16
塔尺
个
2
17
支架安装
倒链
100KN
个
4
7、质量控制标准
本桥通过对主拱圈挠度形、拱架压缩形和地基沉降的控制，达到主拱圈轴线与设计悬链线最大程度的吻合。
具体控制标准见表3：
表2现浇拱圈的质量检测标准表
拱肋间距
5
检查项目
规定值或允许偏差（mm）
混凝土强度（Mpa）
在合格标准内
轴线偏位（板拱）
10
内弧线偏离设计弧线
+L/1500
断面尺寸
高度
+5
顶底腹板厚
+10.0
控制原地面下沉是关键，因此在处理原地面时必须确保整个支撑体系位于牢固的地基上面，地基加固针对不同的地质情况可采用压路机压实、增加挖孔灌注桩、浇筑钢筋砼面板等方法。
8、安全措施
除严格遵守国家相关安全技术规程外，本项目还根据本工程特点制定各项安全措施，包括雨季防汛安全措施，桥梁施工高空作业安全措施，交通安全措施及《施工现场安全管理办法》、《安全操作规程》、《治安、保卫、消防措施》；建立安全检查落实制度，经常定时召开安全例会，会前布置，会后检查落实，做到超前控制，定期和不定期开展安全评比工作，查违章、查隐患、查措施、抓落实、树立典型，使安全工作长抓不懈。
9.环保措施
采用该成果施工对地形破坏程度小，防止了水土流失，有利于当地环境保护，具有较好的社会效益。
10、效益分析
该主拱圈由我单位独立施工，由于在材料、工艺、技术、程序上都得到了有效的保证，主拱圈无论在几何尺寸、结构强度和外观质量上都一次成优，受到业主的好评，取得了良好的社会效益。
11.资源节约
采用建筑脚手架扣件钢管作桥梁拱架与传统拱架比较有不少技术经济上的优势。
节约大量木材，且部分附属配套设施可以循环利用。
12、工程实例
位于四川省泸定县境内的国道318线甘孜境段公路改造工程Ａ合同段滴水岩大桥为1-80m悬链线钢筋混凝土箱形拱桥，起讫里程为K2769+327.4～K2769+437.4，净跨80m，全长110m，拱圈厚度1.4m，宽8.96m，矢跨比1/6。
拱上结构为空腹式，全跨共设了8孔腹拱，腹拱圈为等截面圆弧拱，净跨5.5m，横墙厚度0.8m。
1#桥台为重力式Ｕ形桥台，基础为明挖扩大基础。
0#桥台下部为明挖扩大基础，拱座以上台身为引桥式桥台,引桥为1-13m预应力空心板桥，设计荷载：
汽车－20级，挂车－100。
2002年8月22日开始处理脚手架基础，到2003年8月18日主拱圈合拢。
采用本工法施工，施工质量评定为优良，受到业主及监理单位的好评，积累了大跨度钢筋混凝土拱桥施工经验，对类似工程的施工有一定的指导作用。
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