滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋自錨上承式拱橋現(xiàn)澆拱肋模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡福海

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司,西安 710021)

滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋自錨上承式拱橋現(xiàn)澆拱肋模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡福海

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司,西安 710021)

混凝土結(jié)構(gòu)的模板工程,是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工的重要工具。采用先進(jìn)適用的模板技術(shù),對(duì)提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低工程成本和實(shí)現(xiàn)文明施工都具有十分重要的意義?？鐪几咚俟诽卮髽蛑鳂?yàn)?聯(lián)(88.8+160+88.8)m自錨上承式拱橋,采用“支架現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體就位”的施工工藝。拱肋軸線采用二次拋物線,拱肋截面采用單箱單室箱形混凝土截面,截面特性按照立特規(guī)律變化。通過對(duì)跨滬杭高速公路特大橋自錨式拱橋拱肋線形及截面形式的分析,探討了現(xiàn)澆拱肋模板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和制作工藝,以及通過模板設(shè)計(jì)控制拱肋線形的方法,供同類型橋梁施工提供一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

鐵路橋;上承式拱橋;拱肋;模板系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1 概述

滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路特大橋位于上海市金山區(qū)和浙江省嘉興市境內(nèi),沿途穿越上海市金山區(qū),浙江省嘉興市嘉善縣,橋位處地形平坦。滬杭高速鐵路線路于嘉善縣內(nèi)由滬杭高速公路南側(cè)跨到北側(cè),在里程DK059+075.555～DK059+413.555處采用1聯(lián)(88.8+ 160+88.8)m自錨上承式拱橋,主橋設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、拱、梁固結(jié)體系,采用“支架現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體就位”的施工方案。

線路設(shè)計(jì)為雙線,線間距5.0m,本橋位于直線上,設(shè)計(jì)速度350km/h。本橋立面布置如圖1所示。

圖1 自錨上承式拱橋示意(單位:cm)

拱肋采用拋物線線形,矢跨比為1/6,中跨拱肋拱頂截面高為4m,拱腳截面高為6m,拱肋橫向?qū)挾?.5m,采用單箱單室截面。

2 拱橋線形截面形式的研究分析

2.1 拱軸線形式的選擇與分析

拱軸線的形狀直接影響主拱截面內(nèi)力的分布與大小[1]。選擇拱軸線的原則,也就是盡可能降低由于荷載產(chǎn)生的彎矩值,充分利用材料強(qiáng)度和圬工材料的良好抗壓性能[2]。因而施工過程中的線形控制對(duì)成拱后拱橋的良好受力起到至關(guān)重要的作用[3,4]。在本橋設(shè)計(jì)中,選用接近于拱橋壓力線的拋物線作為拱軸線方程,有效跨徑設(shè)計(jì)為153m,矢高為25.5m。

以拋物線頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以向下為y軸正方向(圖2),則拱軸線方程可表示為

圖2 以拋物線頂點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系

為方便施工過程中的控制,將坐標(biāo)原點(diǎn)平移到拱座中心(圖3)。

圖3 以拱座中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系

則拱軸線方程可表示為

2.2 拱箱截面變化形式的分析

為了充分發(fā)揮拱的每個(gè)截面的材料強(qiáng)度,拱圈截面沿拱軸線設(shè)計(jì)為變截面形式。其截面慣性矩自拱頂向拱腳變化方式主要有2種:等厚度變寬方式和等寬度變厚方式[5]。在本大跨度拱橋設(shè)計(jì)中,為了抵抗向拱腳逐漸增大的軸向力而采用第2種變化規(guī)律。為了有效提高拱的橫向穩(wěn)定性,且使拱的自重不大幅增加,本橋設(shè)計(jì)采用箱形截面(圖4)。

截面慣性矩變化規(guī)律從拱頂向拱腳逐漸變大,解析函數(shù)采用立特公式

式中 I——拱任意截面的慣性矩;

Id——拱頂截面的慣性矩;

φ——拱任意截面的拱軸水平傾角;

n——拱高變化系數(shù);

圖4 拱箱截面(單位:cm)

2.2.1 截面慣性矩的確定

對(duì)于實(shí)體矩形截面而言,其截面慣性矩 I= bh3/12,對(duì)于箱形截面而言,其截面慣性矩 I=(1-αβ3)bh3/12。

根據(jù)等慣性矩轉(zhuǎn)換原則,該箱形截面可等效轉(zhuǎn)換為寬度為7m的實(shí)體矩形截面。依此可求得,拱頂截面的慣性矩 Id=37.333m3,拱腳截面的慣性矩 Ij= 126.000m3。

2.2.2 φ值的確定

由“二次拋物線切線方程的斜率為二次拋物線的一階導(dǎo)數(shù)”知

則

2.2.3 n值的確定

在拱腳處,tanφ=2×(80-3.5)/(9×25.5)=2/3,則cosφ=0.832,利用拱腳處ε=1的邊界條件求得

2.2.4 任意截面拱高h(yuǎn)的確定

3 拱橋線形控制坐標(biāo)計(jì)算

為方便施工控制,以拱座中心為坐標(biāo)原點(diǎn),施工中線方向?yàn)閤坐標(biāo)軸,豎向?yàn)閥坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系(與放樣時(shí)的里程和高程相對(duì)應(yīng))。

3.1 拱下緣坐標(biāo)計(jì)算(圖5)

圖5 拱下緣坐標(biāo)計(jì)算示意

3.2 拱上緣坐標(biāo)計(jì)算(圖6)

圖6 拱上緣坐標(biāo)計(jì)算示意

3.3 拱梁結(jié)合段梁頂坐標(biāo)計(jì)算(拱橋位于直線平坡上)(圖7)

梁頂面高程為+29.464m,拱座中心高程為+1.964m,則

3.4 拱梁結(jié)合段腹板與翼緣板交接處坐標(biāo)計(jì)算(即自梁頂以下58.3cm)

圖7 梁頂坐標(biāo)計(jì)算示意

4 拱橋底模系統(tǒng)

底模系統(tǒng)選用木模,由橫向方木、縱向方木、竹膠板3部分組成[6]。

橫向方木放置于碗扣支架頂托頂部(碗扣支架縱向間距30cm)。為優(yōu)化橫向方木的受力及底模的抗傾覆穩(wěn)定性,特將橫向方木做切角處理(15cm×20cm方木做切角處理之后的凈尺寸大于15cm×15cm),如圖8所示,相鄰橫向方木之間用扒釘連接牢靠。

圖8 底模系統(tǒng)示意

縱向方木(10cm×10cm)搭置于橫向方木之上,為避免縱向方木接頭懸空而影響底模受力性能,須將縱向方木的搭接頭位置設(shè)置于橫向方木之上,即縱向方木在水平面上的投影長(zhǎng)度為30cm的整數(shù)倍。為保證縱向方木與橫向方木的整體受力性能,防止縱向方木滑移,將縱向方木與橫向方木之間用扒釘連接牢靠。

竹膠板(1.8cm厚)釘連于縱向方木之上。

4.1 底模加工制作

4.1.1 底模矢高計(jì)算

假設(shè)取縱向方木長(zhǎng)2.4m,則可近似地取縱向方木中心與同其對(duì)應(yīng)的拱下緣點(diǎn)之間的高度作為理論底模矢高(圖9)。

圖9 底模矢高計(jì)算示意

1點(diǎn)、2點(diǎn)表示長(zhǎng)為2.4m的縱向方木與拱下緣線的交點(diǎn),4點(diǎn)表示縱向方木中心點(diǎn),3點(diǎn)表示與相對(duì)應(yīng)的拱下緣點(diǎn)。

底模矢高

經(jīng)計(jì)算,底模矢高最大值Δmax=4mm,滿足施工控制要求。

4.1.2 縱向方木長(zhǎng)度計(jì)算

為避免縱向方木接頭不能搭到橫向方木之上而影響底模剛度,則應(yīng)使縱向方木在水平面上的投影長(zhǎng)度為30cm的整數(shù)倍(圖10)。

1點(diǎn)、2點(diǎn)表示縱向方木與拱下緣線的交點(diǎn),1′點(diǎn)、2′點(diǎn)表示與1點(diǎn)、2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拱上緣線,則有

縱向方木長(zhǎng)度

4.1.3 橫向方木切角計(jì)算

根據(jù)縱向方木的布置,可知其起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)(圖11)

為保證底模矢高滿足施工要求,選擇n值時(shí)應(yīng)滿足L≤2.4m的條件。同時(shí),為了保證腹板表面舒適美觀,要求模板接縫整齊有序,須使與拱下緣對(duì)應(yīng)的拱上緣長(zhǎng)度小于2.44m(竹膠板長(zhǎng)度),即

圖11 縱向方木與橫向方木布置示意(單位:cm)

則縱向方木的傾角可表示為

橫向方木切角高度可表示為

4.2 底模高程控制

在底模的制作鋪設(shè)過程中,采取控制橫向方木頂面中心處高程、控制與橫向方木頂面中心處對(duì)應(yīng)的縱向方木頂高程和控制竹膠板頂面高程的“三控措施”。其中,橫向方木頂面中心處高程為主控項(xiàng)目,與橫向方木頂面中心處對(duì)應(yīng)的縱向方木頂高程和竹膠板頂面高程為檢查復(fù)核項(xiàng)目。

4.2.1 橫向方木頂面高程計(jì)算(中心處)

根據(jù)縱向方木布置,可知與縱向方木起端A和終端B所對(duì)應(yīng)的拱下緣點(diǎn)的坐標(biāo),則與縱向方木起端A對(duì)應(yīng)的橫向方木頂?shù)母叱虨榕c其對(duì)應(yīng)的拱下緣高程減去縱向方木、竹膠板的豎向高度(圖12),再加上地基沉降、碗扣支架變形、預(yù)拱度等修正項(xiàng)。

縱向方木和竹膠板對(duì)應(yīng)的豎向高度可表示為: 11.8/cosγ(cm)。

與縱向方木起端A對(duì)應(yīng)的橫向方木頂?shù)母叱炭杀硎緸?1.964(坐標(biāo)原點(diǎn)拱座中心平面的高程)+yA下-11.8cosγ/100+修正項(xiàng)。

同理,可求得與縱向方木終端B對(duì)應(yīng)的橫向方木頂?shù)母叱獭?/p>

位于A、B之間的橫向方木頂高程可用內(nèi)插法求得。

圖12 橫向方木頂面高程計(jì)算示意

4.2.2 縱向方木頂面高程計(jì)算

縱向方木頂面高程為橫向方木頂面高程加縱向方木的豎向高度(或拱下緣高程減去竹膠板的豎向高度)。

4.2.3 竹膠板頂面高程計(jì)算

竹膠板頂面高程計(jì)算方法同縱向方木頂面高程計(jì)算。

5 拱橋側(cè)模系統(tǒng)

為了降低工程造價(jià),同時(shí)考慮到拱橋側(cè)模線形控制難度較大和工期緊張的特點(diǎn),拱橋的側(cè)模選用復(fù)合模板,即采用以竹膠板作為面板,用鋼桁架加固[8]。為了保證拱橋的外觀漂亮自然,將模板接縫設(shè)置于垂直于拱軸線方向,且使每塊側(cè)模與底?？v向方木相對(duì)應(yīng)。其形式如圖13所示。

圖13 拱橋側(cè)模示意

5.1 側(cè)模加固桁架的制作

為了克服拱橋腹板模板精度難以控制的困難,同時(shí)提高模板的穩(wěn)定性和剛度,節(jié)約時(shí)間[7],特制作鋼桁架。以保證拱肋線形并對(duì)側(cè)模板進(jìn)行加固。

鋼桁架在工廠加工后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。鋼桁架大樣如圖14所示。

圖14 鋼桁架示意

5.2 側(cè)模面板(竹膠板)尺寸計(jì)算(圖15)

由于拱箱截面在拱軸線以上部分為直坡,在拱軸線以下部分設(shè)置成1∶4的變坡,面板制作時(shí)以拱軸線為界分為上下兩塊。由于側(cè)模接縫設(shè)置在垂直于拱軸線方向,致使側(cè)模面板成為一塊上下不等寬、左右不等高的不規(guī)則四邊形。

對(duì)于拱軸線以上部分:面板的左右高度為其對(duì)應(yīng)拱箱截面高度的一半(1點(diǎn)、3點(diǎn)之間的距離和2點(diǎn)、4點(diǎn)之間的距離),面板的上下長(zhǎng)度為其對(duì)應(yīng)拱箱截面之間的拱上緣線和拱軸線的長(zhǎng)度(1點(diǎn)、2點(diǎn)之間的距離和3點(diǎn)、4點(diǎn)之間的距離)。

圖15 竹膠板尺寸計(jì)算示意

在實(shí)際操作中,先用墨線彈出L1(L1＞L2)×H1(H1＞H2)的矩形區(qū)域ABCD(圖16);然后以D點(diǎn)為起點(diǎn),沿DC方向量取長(zhǎng)度a=H1-H2,彈墨線AE;再分別以B點(diǎn)、C點(diǎn)為起點(diǎn),沿BC方向和CB方向量取長(zhǎng)度b= (L1-L2)/2,彈墨線AF、DG;沿墨線裁下竹膠板。

圖16 竹膠板切角示意

6 結(jié)語(yǔ)

混凝土結(jié)構(gòu)的模板工程,是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工的重要工具,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量、安全有十分重要的影響。模板及其支架具有足夠的承載力、穩(wěn)定性好、剛度大,制作出梁體的幾何尺寸準(zhǔn)確性高[8,9]。采用先進(jìn)適用的模板技術(shù),對(duì)提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低工程成本和實(shí)現(xiàn)文明施工都具有十分重要的意義[10]。特別對(duì)于大跨度橋梁,模板的制作更顯得尤為重要。

跨滬杭高速公路特大橋是滬杭客運(yùn)專線上的一個(gè)控制性工程,主橋采用自錨上承式拱橋形式,構(gòu)造復(fù)雜,施工環(huán)節(jié)多,工藝要求高。通過該課題的研究與應(yīng)用,確保了主橋在施工過程中結(jié)構(gòu)安全可靠,成橋后的線形符合設(shè)計(jì)要求。確保了在施工條件復(fù)雜、工期緊張的情況下,安全、快速、優(yōu)質(zhì)地完成了該橋的建設(shè),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

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U238;U448.22

B

1004 -2954(2011)06 -0090 -04

2011-01-26;

2011 -03 28

蔡福海(1987—),男,助理工程師,2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:cfhsff@163.com。