大跨度钢筋砼拱桥复合支架现浇施工技术研究

吴志华，王锦云，刘建镳，陈世九

（1.福建船政交通职业学院道路工程系；2.福建省第二公路工程有限公司，福州 350007）

大跨度钢筋砼拱桥复合支架现浇施工技术研究

吴志华1，王锦云2，刘建镳2，陈世九1

（1.福建船政交通职业学院道路工程系；2.福建省第二公路工程有限公司，福州 350007）

以福建三明碧口大桥主桥净跨径133m的钢筋混凝土拱肋在深水上方现浇施工为例，采用理论研究与现场施工实践相结合的研究方法，取得了在深水（沙溪河）中采用钢筋混凝土灌注桩基础、墩柱和盖梁为支架下部结构、万能杆件桁架为上部结构、方木作为拱盔的复合支架的设计与施工，以及在复合支架上方进行砼拱肋分段、分环现浇施工的最优浇筑程序确定方法、砼现浇施工方法、拱架卸落技术等成功经验，说明复合支架能够在大跨度拱桥现浇施工中得到成功应用，希望能为以后同类型的桥梁施工积累经验和提供参考。

大跨径；钢筋砼拱桥；复合支架；设计与施工；现浇施工技术

0 引言

钢筋混凝土拱桥是一种能充分发挥钢筋混凝土材料抗压性能、外型美观、维修管理费用少的传统桥型［1］，因此在我国得到广泛采用，也取得了很高的技术成就。然而，近年来，钢筋砼拱桥与其他桥型相比，应用与研究相对滞后，施工方法和施工能力的欠缺在一定程度上制约了该类拱桥的发展，尤其在一些施工技术力量相对薄弱、施工设备较落后的地区。有支架施工对施工技术能力和设备的要求相对较低，但一般用于中小跨度的拱桥施工，而在我国大跨度的拱桥施工中应用较少，尤其是跨径100m以上的钢筋砼拱桥，应用案例屈指可数，如北京丰沙线永定河七号桥、河南义马许沟大桥、福建三明碧口大桥等。其中北京永定河七号桥是主跨150m的中承装配式钢筋混凝土铁路肋拱桥，全桥由227块预制构件拼成，在拱架上拼装［2］。2001年建成的220m的河南义马许沟大桥，是目前我国采用支架法施工的跨度最大的拱桥，该桥为上承式钢筋砼箱型拱桥，采用六五式军用墩、六四式军用梁、万能杆件组拼成220m主拱箱梁支架，辅以碗扣式脚手架形成拱盔，主拱箱梁在支架上分段、分环、跳块现浇施工［3］。福建省三明碧口大桥是跨度133m的中承式钢筋混凝土双肋拱桥，其主拱肋结构与北京丰沙线永定河七号桥类似，不过后者采用拱架上拼装施工方法，而碧口大桥是在深水上方，采用钢筋砼—钢结构—木结构复合支架法现浇施工。因此，在我国大力发展基础设施建设的今天，开展大跨度钢筋混凝土拱桥的有支架施工技术方面的研究，对促进我国拱桥的应用与发展具有现实意义。

本研究以福建三明碧口大桥为例，采用理论研究与现场施工实践相结合的方法，通过理论研究成果指导现场施工，然后再以现场施工成果进一步验证和确认理论研究成果的成效。

1 工程概况

福建三明碧口大桥位于三明市东面出口碧口村，南岸与205国道交接，从三明农药厂跨越沙溪河到三明劳教所。碧口大桥主桥为中承式钢筋混凝土箱型双肋拱桥，净跨径133m，为福建省跨径最大的现浇钢筋混凝土拱桥。南岸引桥上部构造采用四孔13m简支空心板，下部构造采用柱式墩，重力式U型台。全桥长195.88m，桥面行车道宽9m，人行道宽2×1.5m。

碧口大桥两条主拱肋拱轴线均为悬链线，两轴线中心间距为10.6m，拱轴系数M＝1.347，净矢跨比为2.3∶1，起拱线标高为126.00m，拱顶中心标高为149.40m。拱肋采用箱形变截面，其中两端拱脚段（各长14.89m）既变宽又变厚，从拱脚起拱点截面313cm×260cm变到294cm×160cm，拱肋顶段宽度不变，厚度从294cm变到拱顶245cm，截面系数N＝0.65。每条拱肋纵向分为28个箱，箱间设横隔板，混凝土数量约为285m3，两条肋共约570m3。

2 主拱肋复合支架设计

因碧口大桥主桥跨越沙溪，采用复合支架现浇施工，需在沙溪深水（常水位水深最大处约12m）中及水上架设拱肋支架，支架基础及下部需承受水流的水平冲击力，尤其可能面临洪水的冲击威胁。经多种设计方案比较，决定两端拱脚段（各6.5m，位于岸上）采用满堂式木拱架，跨中120m拱肋采用复合支架施工。复合支架由钢结构及钢筋混凝土支墩、下导梁及门式桁架、卸架设备及木拱盔等组成，其中下导梁及门式桁架采用西乙型万能杆件拼装，分为5跨，每跨24m。支架两端1＃、6＃支墩采用贝雷桁架片及型钢搭设，中间4个浇注钢筋混凝土灌注桩基础、钢筋混凝土墩柱及墩帽作为支墩，卸架设备采用螺栓组合木楔，拱盔部分采用方木，主要由立柱、拉梁，水平夹木、剪刀撑、弓形木、上横梁等构件组成。拱架的具体构造参见图1现浇主拱肋复合支架立面图。

2.1 支墩

2.1.1 两端1＃、6＃贝雷支墩

为了减少主桥头拱脚段的抛石回填工作量，同时根据拱肋底板标高，将1＃、6＃贝雷支墩设在距拱脚起拱点6.5m处，下方填筑乱毛石及河卵石至标高124.20m，平整加固后在上、下游距拱脚起拱点6.5m处浇筑C15片石砼作为支墩底座，用24片贝雷片组拼成1＃、6＃支墩，每个支墩12片。每个支墩的贝雷片上方架设2根Ⅰ25工字钢作为横梁，Ⅰ字钢横梁顶标高设计为126.50m。

图1 现浇主拱肋复合支架立面图

2.1.2 跨中2＃～5＃支墩

沙溪河中设4个跨中支墩，分别为2＃～5＃墩。根据该桥的施工图设计的勘探资料表明，沙溪河河床沿拱轴方向表面为砂砾石覆盖层，厚约60～70cm，下层为粉砂岩。经拱架荷载计算分析后确定，每个支墩基础采用2根Ф120cm的C25钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩基础嵌入岩层2.5m，2根桩中心的距离为10.6m，每根桩位于双拱肋拱轴线的正下方。由于沙溪河下游斑竹水电站已蓄水发电，沙溪河常水位约在124.10m左右，水深约11～13m，灌注桩水下长度长达14～16m左右，故在2根桩之间的水面上方用2［a36槽钢焊接在灌注桩护筒上，作为横系梁，连接2根桩体，中间加焊角钢予以加固，既加强了桩的横向稳定性，也可作为浇筑墩帽的模板支架基础。每根桩桩顶接Ф100cm C30钢筋混凝土圆柱，柱顶浇注C30钢筋砼墩帽（尺寸为1.2m× 1.0m×13m）。圆柱及墩帽的尺寸及配筋参照其他桥梁设计，并经过受力验算，满足承载要求。

2.2 万能杆件下导梁及门式型桁架

主桥跨中120m，采用西乙型万能杆件组拼成上下游2道下导梁，宽高各为2m，导梁中心线位于拱肋中心线正下方，并与墩帽中预埋钢板固定，在纵向起到连接各支墩的作用，增强了整个拱架基础的稳定性。两岸边跨各24m段落内的导梁，根据拱肋拱脚段底板高程、拱脚段围堰稳定性及受力荷载的要求等因素，拼装成1～3层结构形式。对应正下方灌注桩位置，在导梁上用万能杆件组拼截面2m× 2m立柱，高度尽可能接近拱腹下弧线，以减少木拱盔数量。各柱顶用万能杆件拼装成连续门型钢桁架，上下游两排桁架之间用万能杆件及特制角钢构件拼接成横梁，将上下游桁架连成整体，以增加桁架的横向稳定性。下导梁及门型桁架的万能杆件种类及数量除按万能杆件拼装基本要求配置外，另按全部拱肋自重及模板、木拱盔、人群荷载、万能杆件自重等全部加载时万能杆件的受力情况，根据线性静力计算程序“QCS”进行计算后确定。另在桁架各转角处，布设斜向连接杆件，以增加桁架的稳定性，减小桁架跨中挠度。

2.3 木拱盔及模板

在万能杆件下导梁及门式桁架组成的支架顶面各节点（对应万能杆件竖向弦杆，每2m1个）上设置一个拱架卸落设备（30cm×30cm×16cm螺栓组合硬木楔），各块木楔在顺桥向用400cm×12cm× 16cm（中间三跨用12cm×14cm）方木作为拉梁连接，并通过拉梁用Ф14钢拉条加螺栓将木楔及拉梁固定在万能杆件桁架上。木楔上方采用方木作为拱盔立柱，每条拱肋横向设3排立柱，南北岸拱脚段各6.5m及第一跨立柱采用16cm×16cm×390cm方木，中间三跨采用14cm×14cm×390cm方木，纵桥向每两根立柱之间采用2根与立柱同等截面的方木作为斜撑。立柱与立柱及斜撑之间用8cm×10cm方木作为水平夹木及剪刀撑，并采用Ф14螺栓与立柱连接。立柱与斜撑顶部为16cm×14cm弓形木，每2m1根，以便与立柱及下端钢支架节点对应，并尽量与拱腹线吻合。弓形木上方用14cm×14cm方木作为横梁，间距30cm，横梁上方铺设1.2cm厚的底模板。立柱、弓形木、斜撑及拉梁等之间采用双面角铁加Ф14螺栓或马钉连接。木拱盔结构参见图1，现浇主拱肋复合支架立面图如图1，图2为Ⅰ－Ⅰ断面图，图3为Ⅱ－Ⅱ断面图。

为了美观考虑，主拱肋拱箱底模板采用厚1.2cm的胶合板，侧模板采用后1.2cm的胶合板。拱箱内模板采用一般的模板制作，内外模板采用拉条及横木等加固。

图2 Ⅰ－Ⅰ断面图

图2 Ⅱ－Ⅱ断面图

2.4 复合支架搭设

为了方便支架施工，加快支架施工进度，在桥梁两岸之间架设一组最大吊重18t的工作索，索跨160m，索塔高36m，主索采用2组Φ47.5钢丝绳。南岸塔架搭设在引桥3＃墩空心板上方，北岸塔架架设在劳教所右侧地面平台上。工作索配置快速卷扬机，主要用来吊装万能杆件桁架、木拱盔及运送混凝土，也可用来拱肋浇筑后安装主桥桥面系的纵横梁及微弯板等。在支架施工时，先进行桥头片石抛填、平整，搭拼支架两端1＃及6＃贝雷片支墩，同时采用方舟组拼水上钻机工作平台，进行水中2＃～5＃支墩的钻孔灌注桩施工，然后进行上方的钢筋混凝土接柱及墩帽等施工。上下游万能杆件下导梁、立柱及门架在岸边按设计图分片拼装，每拼成2节后，采用工作索吊至相应拼装位置拼接成型。在拱架基础及下部构造施工的同时，在水平地上按1∶1比例测放出半条拱肋底腹线及木拱盔各杆件大样，再根据大样进行制作。拱肋底腹线标高为设计标高与施工预拱度之和。木拱盔安装时，先在南岸引桥上按顺序预拼成组件后利用工作索吊运至钢支架上方对应位置拼装，大大加快了施工速度。整个复合支架采用流水施工法，上下游同时进行，从南岸一直往北岸延伸，直至完成。

3 钢筋混凝土主拱肋现浇施工

3.1 主拱肋混凝土现浇施工

因拱肋净跨达133m，每条肋混凝土量约285m3，为减少混凝土的收缩应力和拱架变形带来的影响，主拱肋采取分环、分段对称浇注、分环合拢的方法。3.1.1 确定主拱肋分段长度

主拱肋浇筑分段长度主要依据以下2个方面来确定：

（1）首先要考虑到施工单位的施工能力，根据施工单位砼的生产能力，每段主拱圈浇筑时间控制在15～20h内，在砼初凝前，本段砼浇筑必须结束。只有这样才能保证浇筑过程中引起的支架变形对砼不产生裂缝。

（2）充分考虑施工支架的结构特点及在浇筑砼过程中的受力状态与变形情况，以及变形对已浇筑成型拱段应力的影响。

根据上述2个原则，碧口大桥沿拱轴方向将每条主拱肋划分为7段，中间设间隔槽，间隔槽设在两道横隔板（吊杆处）之间，每道间隔槽宽为100cm。具体分段情况见图4。

3.1.2 确定主拱肋混凝土浇筑顺序

大跨度钢筋混凝土拱桥有支架施工，不仅要保证施工支架的强度和刚度，而且要保证支架的整体稳定性，因此，在确定主拱肋混凝土浇筑顺序时，要充分考虑主拱肋混凝土浇筑与支架变形之间的相互影响关系，防止支架异常变形，破坏主拱轴线，甚至产生混凝土裂缝，同时遵循“分环、分段对称浇注、分环合拢”的浇筑方案，确定主拱肋混凝土浇筑程序，以支架在混凝土浇筑过程中受力和发生的变形幅度最小为原则。

根据主拱肋分环分段情况，结合本桥施工支架构造特点，按照均衡对称加载和保证支架的整体稳定性原则，通过对拱肋的各种浇注顺序进行模拟加载，采用“QCS”软件进行支架受力分析比较，在不同的砼浇筑顺序下，各杆件和节点的应力相差很小，但按图4的顺序浇筑混凝土过程中各结点所产生的挠度值最小，故确定出主拱肋每环砼最优浇筑顺序为：拱脚1号和1′号段→拱顶4号段→中间3号和3′号段→中间2号和2′号段。详见图4主拱肋分段及砼最优浇筑顺序示意图。

图4 主拱肋分段及砼最优浇筑顺序示意图

3.1.3 钢筋砼主拱肋现浇施工

主拱肋混凝土浇筑时，先分段浇筑拱肋底板混凝土至下倒角上，然后分段浇筑拱肋腹板砼至上倒角上，横隔板砼与腹板砼整体浇筑，最后一环浇筑顶板砼。在拱腹板砼浇筑完成后将底板先行合拢，在顶板砼浇筑完成后，浇筑腹板各分段点砼，将腹板合拢。混凝土浇筑时拱肋两端对称进行，浇筑程序见图4。拱肋顶板模板安装时，在每两道横隔板之间应预留一个50cm×100cm孔洞，以便内模拆除，最后用吊模封洞。为保证拱架的横向稳定性和施工安全，上下游两条拱肋的混凝土浇筑应交叉进行，如上游拱肋底板→下游拱肋底板→上游拱肋腹板→下游拱肋腹板→上游拱肋顶板→下游拱肋顶板。

三角箱梁和X横撑的砼浇筑工作应在两拱肋浇筑合拢后，拱架卸落前搭设支架、安装模板、钢筋后进行混凝土浇筑。

3.2 拱架卸落及拆除

拱架卸落及拆除是主拱肋现浇施工的最后一道关键工序，在主拱肋混凝土全部浇筑完成并养护达到设计强度要求后，便可按照预定程序进行拱架卸落作业。

碧口大桥拱架卸落装置采用螺栓组合硬木楔，用以调整标高和落架。上下游两条拱肋中间120m拱架部分有螺栓组合木楔61×3×2＝366个，加上拱脚段的组合木楔，全桥共有木楔400多个，因此拱架卸落点也多达400多个。由于卸落点多，难以达到多点同步均匀地进行卸落。经计算分析，确定拱架卸落的原则如下：拱架在横桥向必须同时均匀卸落，在纵桥向从拱顶向拱脚逐排卸落，并保持上下游两条拱肋的拱架卸落同步对称进行。

3.2.1 各卸落点卸落总量的确定

根据碧口大桥拱架设计时的施工预拱度计算可知，拱架各卸落点的卸落量h由两部分组成，即主拱圈脱架后所产生的弹性变形量Δ1和拱架的弹性变形量Δ2之和。经计算可得，拱顶最大卸落量达9cm。

3.2.2 拱架卸落程序

为使拱体逐渐均匀降落和受力，各点卸落量分3次循环进行，每个阶段的降落量为Δh＝h／3（h为总降落高度），各次和各循环之间应有一定的间歇。卸架的时间宜在白天气温较高时进行，这样能够便于卸落拱架。拱架卸落程序如下：

第一步：卸落拱架第3号支墩至第4号支墩范围内的拱顶段拱架，卸落量为3cm；卸落拱架第2号支墩至第3号支墩及第4号支墩至第5号支墩范围内的拱架，卸落量为2cm；卸落拱架第1号支墩至第2号支墩及第5号支墩至第6号支墩范围内的拱架，卸落量为1cm。

第二步：重复第一步中拱架卸落顺序及卸落量。

第三步：再次重复第一步中拱架卸落顺序及卸落量，使拱肋底模板与主拱圈完全脱离。

根据落架过程中的测量结果可知，理论分析值与实测值比较接近，说明落架方案是可行的。

3.2.3 拱架拆除

拱架卸落时从拱顶分别对称进行，拆除工作根据后安装先拆原则分层进行，并利用工作索吊运，加快拆除速度。在木拱盔、万能杆件下导梁及门型桁架全部拆除后，利用墩帽及桩柱中预留孔洞，炸除灌注桩基础及墩帽等，拆除两岸贝雷支墩及抛石围堰体等，清理河道。

4 结语

本文结合福建省三明碧口大桥工程施工的实际情况，探讨了大跨度钢筋砼拱桥主拱肋复合支架的设计与施工技术、主拱肋混凝土现浇施工程序及施工技术、支架卸落技术等，研究得出以下结论：

（1）碧口大桥采用钢筋混凝土钻孔灌注桩、墩柱、盖梁作为支架的基础及下部结构，上方采用万能杆件拼装导梁及门式桁架作为支架的上部结构，既满足了支架的承载力、稳定性及沙溪河的通航要求，同时增加了支架下部的净空面积，有效地减少了水流对支架的水平冲力，也大大降低了洪水期的施工风险。

（2）碧口大桥上下游两条拱肋同时进行施工，既满足了设计及施工质量要求，也加快了工程施工进度。同时，上下游拱肋支架基础及下部、万能杆件桁架横向联接在一起，构成一个整体，大大提高了支架的横向稳定性，从而也提高了施工安全性。

（3）碧口大桥交工验收前的静动载试验结论表明，拱肋各测试断面按其最不利情况布载所测出的应力值均小于设计理论，拱肋及桥面板在各工况荷载作用下的挠度均小于设计理论值，动力刚度大于理论设计值，说明碧口大桥整体性好，拱肋强度及整体刚度满足设计要求，具备设计的汽－20、挂－100的通行能力。

（4）碧口大桥采用施工单位现有的贝雷桁架片、万能杆件、缆索等设备作为复合支架施工的主要构件，采用山区盛产的木材（方木）作为拱盔，有效地节省了支架的施工费用，体现了一定的经济性。

综上所述，复合支架现浇施工技术在碧口大桥的应用是成功的，碧口大桥的顺利完工，创造了复合支架现浇施工技术在国内大跨度（净跨133m）中承式钢筋混凝土拱桥中的成功应用先例。说明有支架施工法不但可用于中小跨度拱桥施工，也同样可较方便地用于大跨度钢筋砼拱桥的施工。

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The study on casting－in－place technique of composite trestle in long－span R.C.arch bridge

WU Zhi－hua，etc.
（Department of Highway Engineering，Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou350007，China）

This thesis takes the casting－in－place construction in deep－water of R.C.arch ribs with 133mspan of the main bridge in Bikou Bridge in Sanming city Fujian province as the example，achieves some composite trestle's design and construction techniques such as R.C.bored files in deep－water（Shaxi river）as foundation，piers and bent caps as substructure，universal rod truss as superstructure，and wooden helmet as arch square，with the combined method of theoretical study and practical constructions.Some successful experience of making arch rib segments on the top of composite trestle，the determining method of optimal placement program in ring－situ construction，cast－in－place concrete construction method，and arch unloaded off technology are also achieved.It proves that the composite trestle can be successfully used in the casting－in－place construction of long－span arch bridges，and hopes it can provide an experience and reference for constructing similar bridges.

long－span；R.C.arch bridge；composite trestle；design and construction；casting－in－place technique

U445.4

A

：1009－8984（2014）01－0018－06

10.3969／j.issn.1009－8984.2014.01.005

2013－10－11

福建省教育厅B类科技研究项目（JB12366）

吴志华（1971－），男（汉），福建莆田，副教授，高级工程师主要研究道路桥梁工程施工。