城市多跨景觀橋拱圈快速施工技術(shù)

夏敦寧

南京市公共工程建設(shè)中心 江蘇 南京 210019

1 概述

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，建橋技術(shù)也不斷開發(fā)新方法，目前，橋梁跨越城市繁華地段河流時，需在滿足行洪條件下快速完成拱橋拱圈施工，同時又要符合經(jīng)濟、美觀、節(jié)能環(huán)保、綠色施工等城市橋梁建造要求，這就對當(dāng)前拱橋建造技術(shù)創(chuàng)新提出了新的挑戰(zhàn)和要求[1]。

在拱橋施工過程中，拱圈施工是整座橋梁施工的關(guān)鍵部位，其施工質(zhì)量的好壞將直接影響到橋梁的安全穩(wěn)定[2]，傳統(tǒng)的拱圈施工采用特制定型鋼拱架作為拱圈支撐，用定型鋼模板或?qū)⑿弯撎崆斑M(jìn)行壓彎處理作為拱圈底模背楞[3,4]，但此方法施工困難，需要提前預(yù)制成型圓弧大楞，且在本橋施工中每孔拱圈線型各不相同，造成放樣彎曲成型難度大、所需工期長、成品構(gòu)件運輸及吊裝成本投入大。此外，傳統(tǒng)拱圈澆筑為保證底板密實，一般采用分兩次澆筑，先澆筑底板和腹板，再澆筑頂板，這樣大大增加了施工工期。而拱圈同步對稱澆筑一次成型及預(yù)留合龍段、五孔拱圈同步合龍施工技術(shù)可很好的解決傳統(tǒng)方法的不足；不僅極大減輕了拱圈施工對基礎(chǔ)產(chǎn)生的不平衡力及有害結(jié)構(gòu)內(nèi)力問題，而且縮短了施工周期。同時，本橋通過采用分層組合式支架設(shè)計，既能滿足十年一遇河道行洪需求，又較好的適應(yīng)拱圈線型。拱圈上部填充采用輕質(zhì)泡沫混凝土創(chuàng)新應(yīng)用，充分滿足填充料的功能需求，保證了結(jié)構(gòu)輕盈、線形美觀，整體安全穩(wěn)定[5]。

浉河公園步行橋橋跨布置如圖1所示。橋梁設(shè)計荷載：4KN/㎡。橋跨布置：（30.56+3×34.8+30.62）m五孔連續(xù)拱橋結(jié)構(gòu)。下部采用端承樁，矩形承臺基礎(chǔ)，上部采用圓弧箱形拱，跨徑30.56m～34.8m，拱寬7m，拱軸線半徑18.944m～21.147m，拱圈梁高0.8m和1.0m，橋墩主拱圈拱腳正上方布置腹拱圈。腹拱圈有4個，均位于橋墩上主拱圈拱腳正上方，長度為7m，高度為4.13m，拱上側(cè)墻分布于整個橋跨方向的兩側(cè)，系梁是連接兩側(cè)拱上側(cè)墻的連接系，系梁長度與兩側(cè)側(cè)墻厚度之和長7m，寬為0.29m和0.5m兩種，高均為0.5m。拱上主要填料采用泡沫混凝土填充。

圖1 浉河公園步行橋跨布置示意圖（單位：m）

2 工藝原理

拱圈支架設(shè)計采用分層式組合支架，下層梁式支架+上層滿堂支架。下部結(jié)構(gòu)施工完成后，進(jìn)行支架搭設(shè)施工，分步對梁式支架和滿堂支架進(jìn)行預(yù)壓，調(diào)整拱圈預(yù)拱度，消除非彈性變形。拱圈模板通過改變背楞擺放方向，將大楞橫橋向擺放，小楞縱橋向擺放，使得能更好的形成圓弧面；拱圈由兩端向中間對稱進(jìn)行澆筑，通過在拱頂設(shè)置拱圈后澆合龍段消除拱圈混凝土收縮徐變應(yīng)力，五孔拱圈先澆段完成后一次性進(jìn)行全部合龍段混凝土澆筑。拱圈上部采用輕質(zhì)泡沫混凝土填充，減輕拱圈受結(jié)構(gòu)自重，填充完成后五孔拱圈同步對稱完成支架卸落拆除。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 組合式支架設(shè)計及施工技術(shù)

根據(jù)《信陽市浉河公園步行橋工程防洪評價報告》和浉河近年水文氣象資料可知，浉河汛期為5～9月，十年一遇區(qū)間洪水流量為252m3/s。根據(jù)《跨浉河步行橋工程地質(zhì)勘察報告》可知，橋址區(qū)上覆人工填土層1.5m，礫砂層4.9m，泥質(zhì)粉砂巖11m。

按照十年一遇流量的行洪和支架承載力要求，拱圈支架設(shè)計設(shè)防水位+71.5m，支架下部采用φ630×10mm鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計，入土深度不小于8m，貝雷梁作為縱梁，貝雷梁梁端與拱座之間均抄墊密實。支架上部采用碗扣式滿堂支架設(shè)計以適用拱圈線形，橫橋向每步設(shè)置φ48×3.5mm斜撐桿（非剪刀撐）抵抗拱圈澆筑產(chǎn)生的水平力，增強碗扣支架整體穩(wěn)定性。同時在拱圈1/4處設(shè)置抗水平抗推力加強橫桿（圖2）。拱腳位置由于支架無法搭設(shè)，采用楔形桁架結(jié)構(gòu)作為支撐體系。

圖2 組合式支架示意圖

3.2 組合式底模方木背楞快速施工技術(shù)

拱圈底模、內(nèi)模、側(cè)模、端模及扣壓模板均采用厚15mm竹膠板制作。原設(shè)計采用預(yù)制工12.6型鋼作為底模大楞，縱橋向布置，間距與支架步距相同；用5cm×10cm方木作為底模小楞，橫橋向均勻布置，間距為20cm（圖3）?？紤]到大楞制作彎曲難度大、運輸?shù)跹b困難、所需工期較長，經(jīng)過論證分析，將底模下方大楞采用10cm×10cm方木，間距與滿堂支架相同，橫橋向布置；小楞采用5cm×10cm雙層方木，間距為20cm，沿橋軸線縱橋向布置，方木間空隙用楔形木塊加固（圖4）。拱圈頂部扣壓模板背帶采用2φ48×3.5mm（采用蝴蝶扣和16鋼筋拉桿連接），水平方向按60cm一道布置；對拉桿縱、橫橋向間距均為60cm。

圖3 原設(shè)計底模背楞示意圖

圖4 改進(jìn)后底模背楞示意圖

3.3 兩側(cè)對稱澆筑一次成型施工技術(shù)

拱圈混凝土澆筑順序如下。首先安裝拱圈底、腹板鋼筋及預(yù)制的箱型內(nèi)模；然后安裝頂板鋼筋，設(shè)置扣壓模板；在拱圈頂部設(shè)置1m后澆合龍段，采用布置于施工棧橋上汽車泵進(jìn)行拱圈混凝土先澆段澆筑，總體澆筑順序為從邊跨向中跨對稱澆筑，單跨拱圈混凝土從拱腳向拱頂進(jìn)行底板、腹板、頂板澆筑；待全部先澆段拱圈混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，拆除側(cè)模與扣壓模板，對合龍口進(jìn)行鑿毛沖洗，綁扎合龍段橫向主筋、箍筋，安裝側(cè)模，五孔合龍段同步澆筑C50微膨脹混凝土完成拱圈合龍。

為保證澆筑質(zhì)量和澆筑速率，本施工通過將每個箱室分節(jié)段固定預(yù)留振搗斷縫，箱室之間用PVC管進(jìn)行連通，在頂?shù)装迳项A(yù)留振搗孔兼做觀察孔，保證了底板振搗密實，同時在澆筑時安排專人在底板模板外輔助敲擊底模板判斷底板是否振搗密實，保證了澆筑成型拱圈底板無蜂窩、麻面、露筋等質(zhì)量問題。

3.4 拱圈上部填充新型泡沫混凝土施工技術(shù)

步行橋最初設(shè)計拱圈上填料采用粉煤灰蒸養(yǎng)磚，雖然粉煤灰蒸養(yǎng)磚密度達(dá)14KN/m3，但全部填充材料重達(dá)4200t，自重大，抗?jié)B性差[6]，與拱圈線型適應(yīng)性差；經(jīng)調(diào)查研究后，本施工通過采用輕質(zhì)泡沫混凝土作為填料，泡沫混凝土材料具有密度小、質(zhì)量輕，低彈抗震的特點，對結(jié)構(gòu)具有很好的軟墊特性[7]，滿足原設(shè)計目的。且施工中該混凝土具有自流平、填充自密實的特性，無須振搗碾壓，施工便捷高效[8]。

待側(cè)墻、系梁、腹拱圈施工完成后，按30cm水平分層高度從拱腳到拱頂、從邊跨到中跨對稱澆筑泡沫混凝土。采用現(xiàn)場機械拌制，輸送泵輸送，在白天無雨情況下進(jìn)行現(xiàn)澆泡沫混凝土施工。泡沫混凝土澆筑時嚴(yán)禁振搗，澆筑過程中對泡沫混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)控，并合理采取降溫措施，防止溫度過高。泡沫混凝土澆筑結(jié)束后的12h內(nèi)對泡沫混凝土進(jìn)行覆蓋并做保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不得少于14d。保濕養(yǎng)護(hù)應(yīng)能保持泡沫混凝土處于濕潤狀態(tài)，早期養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)防止失水和過量水浸泡。

4 質(zhì)量控制措施

（1）支架按設(shè)計預(yù)拱度搭設(shè)完畢后按方案要求進(jìn)行預(yù)壓，以消除支架的非彈性變形，預(yù)壓前在拱圈的拱腳、1/8、1/4及拱頂各布設(shè)7個觀測點，確保支架受荷載后數(shù)據(jù)的對比分析。

（2）澆筑時安排專人觀察振搗密實情況，澆筑完成后對振搗口及時封閉，防止漏漿，底模安排專人敲擊觀察是否密實?；炷恋乃涠纫丝刂圃?00±20mm；拱腳位置在鋪設(shè)底模時需預(yù)留清理雜物的清理口，便于底板的沖洗與清理。

（3）兩側(cè)同步對稱澆筑前，檢查方木間楔形塊是否有遺漏、壓倉板模板加固是否牢靠，以防止在澆筑過程中發(fā)生脹模；鋼筋焊接及機械連接按照規(guī)范要求施工。

（4）泡沫混凝土施工中嚴(yán)格按照試驗室提供配合比進(jìn)行拌制，澆筑時嚴(yán)格控制澆筑厚度，防止?jié)仓^厚發(fā)生塌陷；在澆筑完成后未達(dá)到設(shè)計要求的強度之前嚴(yán)禁人員在混凝土面踩踏。

（5）下部支架基礎(chǔ)和支架布置嚴(yán)格按照設(shè)計要求施工，減少澆筑時因基礎(chǔ)不均勻沉降引起模板變形；同時在上部碗扣支架頂部、中間、底部均按設(shè)計要求布置水平剪刀撐，在拱圈1/4處設(shè)置水平加強桿，確保架體整體穩(wěn)定性。

5 經(jīng)濟效益對比

通過對單個拱圈（拱圈1）施工時方案改進(jìn)前后所產(chǎn)生的工期，人員、材料、機械費用進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計與計算分析得到如圖5所示結(jié)果，從圖中可以看出改進(jìn)后支架、模板、澆筑和拱圈填充階段施工工期均大幅減少，其中拱圈填充階段工期縮短最多，四個階段合計節(jié)省工期約33天。與此同時，成本投入也明顯下降，其中四個階段的加工及制作人工投入費從10.9萬元下降到3.32萬元，節(jié)約成本7.58萬元；生產(chǎn)施工投入機械費從9.76萬元下降到4.08萬元，節(jié)約成本5.68萬元；但材料租賃/購置費卻從26.54萬元增加到32.05萬元，增幅為5.52萬元，這主要是因為拱圈填充階段泡沫混凝土購置費高于粉煤灰蒸養(yǎng)磚購置費造成的。然而綜合來看，整體成本下降了7.74萬元，成本投入明顯下降?？紤]到整個橋梁施工節(jié)省工期約120天，那么成本投入節(jié)約達(dá)40.0萬元。從以上分析可以看出改進(jìn)后快速施工方案具有明顯的經(jīng)濟效益。

圖5 施工方案優(yōu)化數(shù)據(jù)分析對比圖（單個拱圈）

6 結(jié)論

本研究通過對拱圈施工相關(guān)工序及投入材料的優(yōu)化改進(jìn)；對與拱圈相關(guān)聯(lián)的實體材料替換，使得在整個拱圈施工中工期得到明顯節(jié)約，同時成本投入也大大減少。具體改進(jìn)為：

（1）分層組合式支架設(shè)計，既滿足十年一遇河道行洪需求，又縮短了施工工期；節(jié)省了材料投入，避免了材料浪費。

（2）組合方木背楞施工技術(shù)，搭設(shè)簡便，施工快捷、可在施工時依據(jù)不同跨徑、不同線型的拱圈進(jìn)行壓彎制作，為曲面模板快速安裝施工提供了新的施工參考和依據(jù)。

（3）兩側(cè)對稱澆筑一次成型施工，在保證拱圈受自身結(jié)構(gòu)內(nèi)力穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)了小箱室型拱圈無外觀質(zhì)量問題一次澆筑成型的突破。

（4）采用輕質(zhì)泡沫混凝土整體分層拱上填充施工，國內(nèi)采用此填充施工尚屬首例。該技術(shù)的成功運用，保證了安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成五孔拱圈上部填充施工。

通過以上改進(jìn)的施工方法，使得步行橋建設(shè)符合經(jīng)濟、美觀、節(jié)能、環(huán)保、綠色、快速施工的建造要求，也為同類型行洪條件下橋梁施工提供了施工依據(jù)，具有可推廣性。