先浇盖板法在钢筋混凝土拱桥施工中的应用

罗检萍

(中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙 410004)

1 工程概况

1.1 设计概况

木河中桥位于西安至成都客运专线上。桥梁中心里程为DGK126＋294，桥梁形式为1－52 m实腹式钢筋混凝土拱桥，全长67.96 m。木河中桥结构形式为无铰拱，外部为三次超静定结构。拱轴线采用二次抛物线，拱轴线方程为:y＝x－x2/52，中心跨度52 m，矢高13 m，矢跨比1/4。拱圈采用C50钢筋混凝土等截面矩形板拱，拱圈截面宽9 m，高2.5 m。采用碗扣式满堂支架作为拱圈施工时的支撑体系[1－3]。

1.2 施工顺序

由于拱圈断面较大，拱圈混凝土采用分层分段浇筑。先期浇筑拱脚部位全断面及其余部位1.2 m高拱肋混凝土，此为第一层拱圈，共分为9个节段浇筑。再以第一层拱圈作为第二层拱圈的受荷层，待第一层拱圈强度达到100%后浇筑第二层拱圈，共分为9个节段浇筑完成。浇筑分段方式及顺序见图1。

图1 木河中桥拱圈浇筑分段及顺序(单位:mm)

2 先浇盖板设计及应用

2.1 “先浇盖板法”原理

“先浇盖板法”采用“角钢分配梁＋密目钢板拉伸网＋收口网”作为先浇盖板的免拆式复合底模，浇筑小体积混凝土盖板以形成钢筋混凝土模板，再浇筑块段剩余部分，其最终同先浇盖板一起构成块段整体。块段浇筑时的混凝土侧压力和成型后的下滑力通过先浇盖板传递至拱圈主筋或附加抗滑支撑，最终传递至下一个块段或者拱座基础[4－6]。

2.2 盖板设计计算

计算假定如下:在混凝土浇筑至块段成型的全过程中均不考虑模板与块段之间的摩擦力，其原因为:

(1)浇筑过程中混凝土无法承受剪应力；

(2)块段成型后，由于支架设计时未考虑模板切向荷载，为避免模板产生不可预计的线形变化，故不能让块段与模板间产生相对滑动趋势。

因新浇筑混凝土和终凝后混凝土对盖板的压力不同，为简化计算，可分析各块段在均为新浇筑混凝土(未初凝块段)和全为终凝混凝土(全终凝块段)两种情况下对盖板的压力，然后取最不利组合对盖板进行结构设计[7－9]。

2.2.1 全终凝块段下滑力计算

计算模型借鉴边坡工程中的“不平衡推力传递系数法”，利用有限单元法计算。因各块段位于曲线上，块段中各点下滑力并非按线性变化，将各块段分解成若干个有限单元，每个块段可近似认为位于一直线斜面上，单独计算每个块段在该斜面上的下滑力，将各个块段的下滑力向下一个块段斜面上进行分解累加，最后求得某一个块段底端的最终下滑力。块段单元受力模型如图2所示[10－11]。

图2 块段单元受力模型

图2中，边界坐标以拱轴线向内偏移0.65 m与1号块1单元下端交点作为原点。除1号块1单元外，其余块段单元边界点均位于拱轴线向内偏移0.65 m的轴线上。

根据以上单元属性分析及图2可得到每个单元i的受力模型如下(混凝土容重取26 kN/m3):

式(1)为块段下滑力递推公式，在给定边界值后即可求出块段底端累计下滑力。1至3号块段单元的几何参数如表1所示。

表1 各块段单元几何参数

2.2.2 新浇筑块段混凝土侧压力计算

混凝土侧压力采用《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666—2011)中A.0.4项推荐公式计算:

当采用插入式振捣器且浇筑速度不大于10 m/h、混凝土坍落度不大于180 mm时，侧压力需分别按式(2)两个公式计算并取小值；当浇筑速度大于10 m/h或混凝土坍落度大于180 mm时，侧压力直接采用式(2)中第二个公式计算。

2.2.3 工况组合

1、2号块底端支撑按施工顺序，主要可分为以下三种工况:

工况①:用于1号块底端盖板设计，仅考虑1号块作用。荷载主要考虑以下两种情况:

工况①-1∶1号块为全终凝块；

工况①-2:1号块为未初凝块。

工况②:用于2号块底端盖板设计、支撑钢筋抗压稳定验算及支撑设计，仅考虑2号块作用。荷载主要考虑以下两种情况:

工况②-1:2号块为全终凝块；

工况②-2:2号块为未初凝块。

工况③:用于验算1号块支撑钢筋抗压稳定验算及支撑设计，同时考虑1、2、3号块作用。荷载主要考虑以下三种情况:

工况③-1:2号块为未初凝块，1号块为全终凝块；

工况③-2:2号块为全终凝块，3号块为未初凝块，1号块为全终凝块；

工况③-3:2号块为全终凝块，3号块为全终凝块、1号块为全终凝块。

以上工况，利用式(1)或式(2)计算，可计算出最不利工况下的荷载标准值。以此作为盖板各阶段构件设计验算的标准值。计算结果见表2。

表2 各工况下计算的荷载标准值

2.2.4 受压钢筋稳定性分析

在全桥合龙前，相邻块段之间仅由拱圈主筋在未浇筑的情况下承受各块段传递的下滑力，因此有必要对既有拱圈主筋的抗压强度及稳定性进行验算以确定是否需要加设附加抗滑支撑。受压钢筋考虑为柱模型，先浇盖板为无梁楼盖模型。结构求解采用PKPM2010软件SATWE模块进行内力计算及配筋[12]。

各工况下各类钢筋受压稳定性计算结果统计如表3所示。

表3 各工况下钢筋受压稳定性统计

由表3可知，各工况均有受压钢筋超临界失稳情况，故对于工况2和工况3均需增加附加支撑。

2.2.5 盖板及其支撑设计

盖板拟定厚度500 mm，采用C50钢筋混凝土结构，共用一部分拱圈钢筋用作盖板配筋；1号块支撑拟采用 20a型钢支撑，柱网布置1 700(横向)×1 000 mm(竖向)；1号块与基础之间支撑柱取1 500 mm。布设方式见图3。

图3 1号盖板支撑布置平面及剖面(单位:mm)

2号块支撑拟采用 10型钢支撑，柱网布置1 700(横向)×810 mm(竖向)；1号块与2号块之间支撑柱取1 000 mm。布设方式见图4。

图4 2号盖板支撑布置平面及剖面(单位:mm)

1、2号盖板荷载分别取表2中①-2、②-2荷载，支撑柱设计取③-2荷载。PKPM计算结果为:1、2号盖板均采用双向14＠120 mm作为受力主筋，顶底部各布设一层可满足承载力要求；20a及 10型钢支撑能分别满足1、2号盖板支撑承载力及稳定性要求。各工字钢支撑轴力如图5所示，盖板施工效果如图6所示。

图5 各盖板支撑柱轴力(单位:kN)

图6 盖板施工效果

2.3 盖板免拆复合底模

先浇盖板采用“角钢分配梁＋密目钢板拉伸网＋收口网”作为盖板免拆式复合底模。复合底模主要用来承受盖板浇筑时的荷载，其承载力验算较为简单，在此不再赘述。免拆式复合底模的结构及安装顺序见图7。

图7 复合式免拆模板结构及安装顺序示意

因为快易收口网及其背覆的钢板拉伸网作为永久性模板固定，当在模板后面浇筑混凝土时，网眼上的余角片将嵌在混凝土里，形成一个与邻近浇筑块相连的机械楔。在后浇带浇筑时，该套模板体系将被浇筑至后浇带中，其粘接及剪切方面的强度可与经过良好处理的粗琢缝合相媲美。因此在二次浇筑时可免去凿毛等工序，缩短施工周期，同时增加了浇筑体的强度。

3 “先浇盖板法”的特点及使用范围

“先浇盖板法”在拱圈块段施工中有如下特点:

(1)充分利用了混凝土的承载力，减少了一次性搭设模板、支撑过程中的隐患，增加了模板支撑体系的安全性。

(2)由于免除了在密集钢筋环境下模板拆卸、凿毛及清渣工序，缩短了施工时间，提高了工效。

(3)免拆式复合模板的使用使得在密集钢筋的施工环境下混凝土结合面的啮合强度要优于人工凿毛，确保了工程质量。

拱圈分块段浇筑是钢筋混凝土拱圈施工的常用方法，因此“先浇盖板法”适用于各类有分层分段浇筑需要的拱桥结构。

4 结论

“先浇盖板法”在钢筋混凝土拱桥拱圈施工中尚属首次尝试，该方法是一种“先弱后强”的间接处理方法，旨在确保拱圈节段施工质量的同时提高工效，其充分发挥了钢筋混凝土结构承载力较常规模板大、耐久性好的特点，可为今后同类工程提供参考和经验。