免拆苯板在葵花拱桥腹拱拱圈施工中的应用探析

闫旭，王言磊，迟作强，鹿石磊，杜丽文

（1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250000；2.济南铁路局，山东 济南 250001）

葵花拱桥桥型新颖，造型灵动。将常规拱桥中腹拱立墙改为拱上拱，形成大拱与小拱交错叠放的样式，增加桥梁层次感，其外形酷似向日葵花瓣，因此起名为葵花拱桥。但葵花拱桥建设过程中的受力与原始拱桥受力差别较大，葵花拱桥将腹拱立墙上的满布荷载变为拱顶上方及腹拱拱脚处单个集中线性荷载，拱上镂空率显著提升，葵花拱桥的受力形式及受力位置均发生巨大改变。在设计过程中，使拱圈局部应力降低从而延长拱圈使用寿命，葵花拱桥应注意腹拱拱圈的轻质化，腹拱圈设计成空心式，挖空率达50%以上。使用常规钢、木材料制作芯模模板，后期取模存在困难，留置于空心腔体内则对葵花拱桥腹拱圈形变产生影响，反而会降低拱桥寿命。为减轻腹拱拱圈重量，减少拱脚负弯矩，保障腹拱圈空心形状，免拆苯板的使用使施工难度降低，施工的便易性增加。

1 工艺原理及工艺特点

1.1 工艺原理

本施工工艺采用苯板作为低高度箱型空心截面的内膜，应用于葵花拱桥（见图1）施工过程中，施工完成后内膜免拆除，减少后期开槽取模等工序，节省了工期。与充气芯模相比，保证空心腔体结构完整性，减少因内部空心结构变形而引发的内力重新分部，减少桥梁内部应力，增加了桥梁施工整体性，延长了桥梁寿命。

图1 葵花拱桥桥型布置图

葵花腹拱施工步骤具体如下：

①选择苯板；

②苯板加工，根据空心内腔形状及尺寸，将苯板芯模进行切割加工，切割过程中应注意芯模外边的角磨圆处理（见图2）；

图2 加工后的苯板芯模

③为方便工人将苯板芯模定位安装，人工将苯板芯模切割为小块，方便单人挪动定位；

④将苯板进行试拼并进行编号；

⑤拱桥腹拱支架模板搭设及预压；

⑥腹拱底板钢筋绑扎；

⑦拱圈侧壁钢筋安装；

⑧苯板芯模定位安装并进行压杠固定；

图3 苯板芯模安装图片

⑨腹拱顶板钢筋绑扎；

⑩混凝土浇筑；

⑪结构养护；

⑫拱圈底拆模。

1.2 工艺特点

苯板作为施工建材已屡见不鲜，但苯板作为免拆芯模却不常见。采用免拆苯板作为芯模材料有如下几个特点。

①苯板具有加工方便、易造型、易搬运等特点。苯板加工便利，能够根据工程需求快速切割成型。同时，苯板易于搬运安装，能快速在钢筋骨架内固定。利用苯板内模整块安装的优势，能够快速对葵花拱桥拱肋中低高度箱型内腔进行支护。

②保证了内模施工的质量、速率及安全性。苯板芯模直接成型，施工过程中植入腔内即可，施工方便且质量有保证，能够大量节约施工工期。施工完成养护期过后，芯模仍在腔内保留，节省取模、封腔等工艺。若箱室内部采用传统木模板施工，一旦发生变形或胀模，处理过程耗时耗力，进而会影响混凝土浇筑质量。同时，免拆除苯板内模不需现场加工，避免了工人进入低高度截面箱内部施工带来的危险，大大提高了施工的安全性。

③拱桥受力过程中，苯板芯模与外周钢筋混凝土协调一致变形，大大降低拱圈自重，使用内模后的单跨腹拱圈重量增加约0.81t，仅为腹拱圈自重397.8t的1/500，均布后可以忽略其对拱圈受力的不利影响。使拱脚截面与拱顶线型保持一致，使葵花拱桥线型更加流畅、纤细。

④免拆苯板能使混凝土热量留存，降低混凝土的散热速度。在低温环境下，对混凝土强度增长有利，使低高度截面箱尽早承荷。

2 材料要求及力学分析

2.1 材料要求

免拆苯板作为芯模应保证拱圈的形状完整性，利用单轴压缩试验及三轴压缩试验进行试验模拟，单轴试件尺寸为φ50mm×20mm，对试件进行有侧限压缩和无侧限压缩试验。三轴压缩试验的试件尺寸为φ38 mm×80mm，在GDS静三轴固结仪上进行快剪试验。

单轴压缩试验在有侧限压缩和无侧限压缩将二者试验结果进行对比，试验结果见图4、图5。

图4 应力-应变关系曲线（有侧限）

图5 应力-应变关系曲线（无侧限）

图6 在不同围压下的应力与应变间的关系及体积应变与轴向应变间的关系

可以看出，随着荷载不断增加，苯板泡沫先后经历弹性变形、屈服变形阶段和塑性变形等阶段，累计变形增大。相同形变下，应力值与材料密度呈正相关。侧限的介入对苯板泡沫受力发生形变的规律影响极小，抗压强度明显低于无侧限状态下的抗压强度。在三轴压缩试验中，三轴压缩试验所产生的变形与单轴压缩试验所产生的变形类似；当围压很小时，对屈服强度的影响很小。试验中还发现，材料的体积应变接近于轴向应变，苯板泊松比很小。

根据江西某新建葵花拱桥的单跨腹拱圈设计尺寸，低截面拱圈截面厚度为0.5m，则苯板应承受12250Pa的强度（钢筋混凝土比重为2500kg/m3），保证0.2倍的冗余量。对苯板材料进行受荷状态下体积变形测定，观察苯板的受重压缩情况。试验结果如表1。

苯板材料受荷状态下体积变形 表1

经过论证，应选择样品4作为内膜材料，苯板压缩强度应大于30kPa、表观密度在17.0～20.0kg/m³的苯板，可以保证拱圈内空腔外形变化在要求范围内。

2.2 数据结果

以拱圈的拱顶为分界线，半拱范围内进行弯矩与轴力的监测。在拱脚处（X=0m）到拱顶（x=7.5m），设置6个监测点，分别为X=1.2、X=2.2、X=3.75、X=5、X=6.2、X=7等6个监测点，对拱内弯矩及拱内轴力进行数值监测。结果见表2～表5。

温度整体升温 表2

温度整体降温 表3

结构自重下 表4

2.3 力学分析

由图7可以看出，在温度升高和降低过程中，由温度变化引起的腹拱处弯矩变化方向相反，但趋势相似。整体温度升高结构发生膨胀，拱脚处受到两侧桥台给予的内向力增大，使拱顶由上表面受压变为上表面受拉，拱顶弯矩达到-2670kN·m。温度下降则材料收缩，拱脚处两水平向力向外，拱顶弯矩为3725kN·m。温度升高降低引发的拱圈内弯矩为零的位置重合。温度变化引发的腹拱轴力对称于X=0轴。由此可知，苯板留于拱腔内不会因材料质地发生改变而另外产生拐点，苯板在拱腔内能和拱体本身变化一致。从图8中可以看出，在节点距离为1m处发生拐点正好与此处截面材质由实心变成空心相吻合，从轴力变化的趋势看，截面由实心变为空心使轴力变化速率增大，在拱脚实心处受力则变化不明显。由此说明，采用低高度箱型空心截面作为拱圈结构形式可以有效降低拱脚应力变化，对拱脚寿命增加起有益作用。苯板芯模的采用使拱内轴力骤减，对降低轴力效果明显，大大提升拱圈寿命。

图7 免拆苯板芯模作用中拱内弯矩图

图8 免拆苯板芯模作用中拱内轴力图

3 工程造价及效益分析

以江西某新建葵花拱桥的单跨腹拱圈为例，施工过程中将常规施工工艺与免拆苯板内模施工支出进行对比。

3.1 免拆苯板内模施工支出

根据市场询价

①单跨材料费：苯板内模费用为150元/m³×45m³=6750元。

②单跨人工费用：300元/人×6人×1天=1800元（每跨投入人工6人，用时1天）。

③单跨运输机械费用：200元/趟。

合计：8750元。

3.2 常规施工工艺造价

常规拱桥施工采用支架木模板为内模，费用清单如下。

①单跨材料费用：钢管支架、方木靠背及木模板单跨约6.3万元。

②单跨人工费用：每跨投入人工12人，用时5天，人工费按300元/人，每跨人工费约1.8万元。

单跨机械运输费用：200元/趟

拆模及填补孔洞：人工3人，用时4天，人工费为3600元；材料费100元。

合计：84900元

3.3 对比及分析

该桥全桥共12跨，腹拱圈共节省材料费及人工费约91.38万元，工期节约96天。从以上对比可以看出，使用免拆苯板内模比使用传统支架木模板法节省大量材料和劳动力，节省了部分工序，施工简便，质量易于保证。

3.4 工艺效果跟踪

该工艺应用于江西某拱桥和湖北宜昌某拱桥工程，以上两工程现已建成通车，目前运营情况良好，腹拱拱脚与拱圈结合处尚未发生任何结构裂纹。

4 结论

采用苯板作为芯模，大大降低了桥梁自重，使拱脚截面大小与拱顶截面大小保持一致的前提下减少了拱脚处弯矩，将拱脚寿命大大增长，同时使葵花拱桥服役寿命大大延长。苯板留置于拱圈腔内，比起常规使用钢木作为芯模模板，减少了后期开槽取模等工序，节省了工期，增加了桥梁施工整体性，减少桥梁内部应力，延长了桥梁寿命。针对葵花拱桥等低高度箱型空心截面现浇混凝土梁、板结构，免拆苯板作为低高度箱型空心截面芯模的施工工艺值得推荐。