鎮(zhèn)雄三孔景觀橋拱架水袋預(yù)壓施工技術(shù)

許海林 他林波 祝紅偉 陳 韜

云南建投第五建設(shè)有限公司 云南 昆明 650106

拱架現(xiàn)澆法目前在現(xiàn)澆鋼筋混凝土拱橋的施工中得到廣泛應(yīng)用，該方法能有效地解決山區(qū)峽谷鋼筋混凝土拱橋施工中場地限制的問題。在拱架懸拼完成后，主拱圈現(xiàn)澆施工前，還需對拱架進行預(yù)壓荷載試驗，以檢驗拱架力學(xué)性能以及收集主拱圈預(yù)拱度設(shè)置的相關(guān)參數(shù)。目前，業(yè)內(nèi)普遍采用碎石袋或砂袋堆載預(yù)壓的方法進行現(xiàn)澆支架的預(yù)壓荷載試驗，但該種方法需消耗大量的人工及機械臺班，預(yù)壓施工周期較長，且對預(yù)壓荷載無法精準(zhǔn)計量，施工效率較低[1-3]。鎮(zhèn)雄三孔景觀橋項目在拱架預(yù)壓施工階段，采用水袋法進行加載預(yù)壓，順利完成了預(yù)壓荷載試驗，完成了相關(guān)數(shù)據(jù)收集，并為主拱圈施工提供了安全保障。

1 工程概況

云南鎮(zhèn)雄縣南部新區(qū)新型城鎮(zhèn)化綜合建設(shè)項目三孔景觀橋總長179.62 m，主拱圈軸線為懸鏈線，設(shè)計跨徑115 m，設(shè)計矢高為23 m，矢跨比1/5，懸鏈線拱軸系數(shù)為2.24（圖1）。

圖1 主橋橋型立面布置示意

拱圈拱頂設(shè)計預(yù)拱度為143.8 mm，其余位置預(yù)拱度按二次拋物線分配。拱圈采用C50混凝土，截面高度為2.6 m，單幅拱圈寬度為14.6 m，單幅拱圈為單箱5室截面。腹板厚25 cm，頂、底板厚度為25 cm，橫隔板厚為30 cm。拱圈設(shè)計預(yù)拱度為143.8 mm。

2 拱架預(yù)壓施工工藝技術(shù)

2.1 主拱圈施工工藝簡介

拱圈混凝土采用專用拱架現(xiàn)澆方法施工，拱圈混凝土分4環(huán)澆筑：底板及下馬蹄為第1環(huán)，腹板及橫隔板為第2環(huán)，頂板、上馬蹄及部分立柱底座為第3環(huán)，剩余立柱底座、實腹段隔墻和側(cè)墻為第4環(huán)。單幅拱圈前3環(huán)混凝土的總量見表1。

表1 拱圈混凝土分環(huán)澆筑數(shù)量

拱圈底板、腹板和頂板混凝土均分7段澆筑，分段位置如圖2所示。

圖2 主拱圈每環(huán)混凝土澆筑分段示意（半幅）

為有效檢驗拱架在主拱圈施工過程中的受力和變形狀態(tài)，在整個拱架預(yù)壓施工過程中，需要對混凝土荷載進行模擬。因此，預(yù)壓荷載需要嚴(yán)格按照表1中混凝土荷載進行計算，加載順序必須嚴(yán)格按照圖2所示的混凝土澆筑順序逐級、對稱進行加載。

2.2 拱架預(yù)壓施工方案

2.2.1 拱架預(yù)壓的方法

本橋是為跨越現(xiàn)狀溝谷而設(shè)，橋位下方為南廣大溝，溝谷寬約200 m，橋面距溝底約64 m，溝谷上游水源充沛，補給主要為大氣降水，溝內(nèi)常年地表徑流不間斷。本項目預(yù)壓總荷載量較大，若采用傳統(tǒng)的堆載預(yù)壓方法，需提前儲備大量砂石料，但因項目地處溝谷地帶，場地狹窄，無備料所需的場地，結(jié)合本項目地質(zhì)、水文條件綜合考量，決定采用水袋的方式進行預(yù)壓。本橋拱架預(yù)壓方法是在拱架上用鋼管搭設(shè)平臺，加載方式采用鋼筋結(jié)合水袋分段預(yù)壓，其中拱圈拱腳弧長5.825 m實心段采用鋼筋預(yù)壓模擬，其余普通段采用水袋預(yù)壓模擬，整個鋼拱架預(yù)壓平臺分為21個平臺（圖3）。

圖3 拱架荷載試驗立面布置示意

2.2.2 預(yù)壓平臺搭設(shè)

水袋預(yù)壓支架用鋼管腳手架在拱架上搭設(shè)，底板鋪設(shè)方木及竹膠板，方木尺寸為10 cm×10 cm，竹膠板厚度為15 mm。單個水袋預(yù)壓支架平臺平面尺寸15 m×5.5 m，水袋底板鋼管0#平臺支架橫橋向間距為50 cm，縱橋向間距為40 cm，其他平臺支架縱橋向間距為90～100 cm，橫橋向間距為60～90 cm，立桿步距為100 cm（圖4、圖5）。

圖4 預(yù)壓平臺支架橫向布置示意

圖5 預(yù)壓平臺支架縱向布置示意

2.2.3 拱架預(yù)壓加載程序

1）預(yù)壓荷載取值。拱架結(jié)構(gòu)自重4 700 kN，拱架上的模板及其支撐系統(tǒng)自重3 000 kN，施工荷載500 kN，拱圈澆筑第1環(huán)混凝土質(zhì)量為18 620 kN。

拱架驗算時工況為：拱架自重＋模板系統(tǒng)＋施工荷載＋1.2倍混凝土底板質(zhì)量。荷載總質(zhì)量＝（模板、支架及施工荷載）＋（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）×1.2＝2 584 t。

第1期混凝土（底板及下馬蹄）澆筑后，當(dāng)混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的85%以上時，底板混凝土即形成板拱，和拱架同時受力，結(jié)構(gòu)自身可以承載第2期鋼筋混凝土荷載。第2期混凝土（肋板、橫隔板）澆筑完成后，強度達(dá)到設(shè)計強度的85%以上時，結(jié)構(gòu)自身可以承載第3期鋼筋混凝土荷載。通過有限元軟件結(jié)構(gòu)分析計算，拱架荷載試驗時的最大應(yīng)力（142 MPa）與拱圈腹板混凝土澆筑完畢時的最大應(yīng)力（144 MPa）基本相當(dāng)，開口箱混凝土達(dá)到強度后，結(jié)構(gòu)已經(jīng)不存在整體破壞的可能，拱架預(yù)壓試驗時，所有荷載完全由拱架承受，其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定承載力比腹板澆筑完畢時更差，因此應(yīng)嚴(yán)格控制拱架預(yù)壓試驗過程。

2）加載程序。為了確保安全，掌握拱架的彈性變形和應(yīng)力，真實模擬主拱圈混凝土澆筑順序，按主拱圈混凝土澆筑順序進行預(yù)壓，兩岸對稱分段加載，以克服拱架的過度變形，直至加載完成。預(yù)壓時加載要勻速、對稱、平衡進行。荷載試驗的加載程序考慮盡量與拱圈混凝土（底板）的實際施工程序一致，分4級加載：施工平臺模板系統(tǒng)等附屬設(shè)施→20%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→60%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→100%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）→120%（底板和下馬蹄鋼筋混凝土總重）。

每一級荷載在縱橋向按照拱圈混凝土澆筑順序依次、對稱進行加載。

2.2.4 預(yù)壓加載方法

1）水袋布置及編號。拱架加載方式：0#、0'#平臺采用鋼筋堆載方式加載，其余平臺采用水袋注水加載的方式。拱圈跨徑為115 m，共計布置21個加載平臺，0#、0'#加載平臺寬度為4.37 m，其他平臺寬度為5.5 m，水袋共計19個，水袋規(guī)格為15 m×5 m×2 m，近似橢圓形，每個極限容納180 t，實際容納約150 t左右，除拱腳段外，滿足拱架預(yù)壓荷載要求，拱腳段采用鋼筋堆載配重。

2）加載方式。0#、0'#平臺采用鋼筋預(yù)壓，用鋼筋原材和直線形的半成品打捆，每捆質(zhì)量不超過3 t，長度9 m。然后用塔吊直接吊運到平臺上。質(zhì)量控制：原材按標(biāo)簽質(zhì)量，半成品按理論重。專人負(fù)責(zé)鋼筋計重，事先準(zhǔn)備好，堆于橋臺附近，每岸292 t。在平臺上按每條線兩捆橫放，兩岸對稱進行，以免偏壓。

1#～10#平臺水袋依靠流量計控制加水量，每立方米按1 t計，嚴(yán)格按照加載順序注水，并由專人負(fù)責(zé)注水量的控制（圖6）。

圖6 加載用水袋及流量計

3）持荷時間及注意事項見表2。

表2 加載持荷時間

2.2.5 拱架預(yù)壓卸載

拱架預(yù)壓卸載與加壓卸載順序相反，按120%→100%→60%→20%→0的順序卸載，卸載過程要對稱進行。

2.2.6 預(yù)壓用水后處理

預(yù)壓所采用的水為橋位下方溝谷內(nèi)的自然徑流地表水，預(yù)壓開始前先在橋臺兩端設(shè)置儲水池，預(yù)壓開始時，先用高壓水泵將溪水提升至儲水池中，再同步采用水泵向預(yù)壓水袋中注水。

預(yù)壓處理結(jié)束后，打開水袋閘閥，使水在自然壓力作用下經(jīng)注水管道流回儲水池中回收。依據(jù)南廣大溝內(nèi)所取地表水樣的水質(zhì)分析，該水對混凝土結(jié)構(gòu)沒有腐蝕性，因此，回收回儲水池中的水可以用于本工程預(yù)制梁板、墩柱等構(gòu)件的養(yǎng)護用水。另一方面，對于多余的水，可聯(lián)系城管部門，將水用于城市園林綠化養(yǎng)護、市政道路灑水降塵等方面，充分體現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化工程施工的綠色施工、節(jié)能環(huán)保理念。

2.3 應(yīng)力監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集分析

為了準(zhǔn)確了解拱架預(yù)壓的彈性形變、應(yīng)力變化，項目經(jīng)理部設(shè)置測量組、監(jiān)測組（第三方監(jiān)控單位）。

2.3.1 監(jiān)測點布置

1）撓度監(jiān)測斷面縱向布置7個，分別為拱架跨度的1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面、5/8截面、3/4截面、7/8截面。橫向布置在拱架兩側(cè)位置，共2條測線。因此，全橋共布置14個測點。

2）應(yīng)力監(jiān)測斷面縱向布置7個，分別為拱架跨度的1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面、5/8截面、3/4截面、7/8截面。橫向布置在拱架兩側(cè)及中線位置，共3條測線。因此，全橋共布置21個測點。

試驗預(yù)壓監(jiān)測點布置如圖7、圖8所示。

圖7 撓度觀測點布置示意

圖8 應(yīng)力觀測點布置示意

2.3.2 數(shù)據(jù)計算分析整理

加載前的初始讀數(shù)－滿載穩(wěn)定后最終讀數(shù)＝總變形量，加載前的初始讀數(shù)－空載穩(wěn)定后的終讀數(shù)＝非彈性變形量，總變形量－非彈性變形量＝彈性變形量。

2.3.3 監(jiān)測過程控制

應(yīng)力、撓度、軸線偏位、溫度等監(jiān)控由監(jiān)控單位負(fù)責(zé)，監(jiān)控單位根據(jù)提供的數(shù)據(jù)現(xiàn)場布點，利用監(jiān)測工具采集應(yīng)力值、軸線偏位值、溫度變化值、撓度變化值。利用相應(yīng)軟件進行分析總結(jié)，以便指導(dǎo)現(xiàn)場加載。

第1階段加載完成后進行監(jiān)測，監(jiān)測根據(jù)拱圈混凝土澆筑計算書提供的數(shù)據(jù)進行控制，觀測全橋拱架標(biāo)高控制點與中軸線偏位情況，同時監(jiān)控組對全橋應(yīng)力控制點進行應(yīng)力采集和應(yīng)力分析，根據(jù)結(jié)論再確定下一階段加載是否進行。按同樣的方法進行下一階段的試壓，直到預(yù)壓結(jié)束。觀測數(shù)據(jù)一次并對數(shù)據(jù)進行分析，看數(shù)據(jù)是否和理論計算吻合。

當(dāng)120%荷載加載完成后，觀測組立即采集各控制點三維坐標(biāo)，監(jiān)控組也采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。加載完成，持荷6 h拱架無異常變化，即可開始卸載，卸載步驟按加載步驟的反向順序進行，監(jiān)測組同時做好各步驟下拱架的應(yīng)力、應(yīng)變、觀測記錄。

卸載完成后，測量組立即采集各截面控制點的三維坐標(biāo)，以便計算彈性形變值。計算程序如下：Σ彈＝H卸后（拱架卸載后各截面控制點高程）－H卸前（120%荷載加載后各截面控制點高程）。

監(jiān)測組在拱架加載過程中，要連續(xù)監(jiān)測拱架應(yīng)力，以便知曉是否繼續(xù)加載，拱架受力后是否處于安全狀態(tài)。測量組則采集各控制截面的三維坐標(biāo)，以取得彈性形變值，以便指導(dǎo)以后拱圈混凝土施工。

2.4 拱架預(yù)壓施工注意事項

預(yù)壓試驗之前，必須對試驗鋼拱架進行全面檢查，并保證鋼拱架各連接構(gòu)件可靠，檢查合格后，方可進行預(yù)壓試驗；加載時對稱進行，嚴(yán)禁偏壓加載造成失穩(wěn)，預(yù)壓時荷載堆放部位要基本與梁體實際荷載分布相似；在加載過程中，要求詳細(xì)記錄加載時間、加載量及位置，要及時通知測量組進行現(xiàn)場跟蹤觀測，未經(jīng)觀測不能加載下一級工況荷載。每完成一級加載工況應(yīng)暫停一段時間，進行觀測，并對鋼拱架進行檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時停止加載，及時分析，采取相應(yīng)措施；各操作人員必須服從指揮，配合一致，準(zhǔn)確觀測流量計注水量，調(diào)節(jié)水流閥門，確保正確注水，拱架上搭設(shè)的人工操作平臺要穩(wěn)固可靠，注水人員要系好安全帶，精力要集中；預(yù)壓過程中必須安排專人經(jīng)常檢查支架及拱架、鋼管支架、模板拉桿等關(guān)鍵受力桿件的狀態(tài)（圖9）。

圖9 鎮(zhèn)雄三孔景觀橋拱架預(yù)壓實景

3 結(jié)語

鎮(zhèn)雄縣三孔景觀橋拱架水袋預(yù)壓施工方法，相比傳統(tǒng)的碎石、砂袋等堆載預(yù)壓方法，可大大縮減預(yù)壓工作消耗的人工及機械臺班費用，縮短預(yù)壓施工周期，有效節(jié)約施工成本。

同時，水袋預(yù)壓法采用流量計對預(yù)壓荷載進行精準(zhǔn)計量，切實模擬拱圈混凝土澆筑過程，有效檢驗鋼拱架拼裝質(zhì)量及承載能力，確保施工過程中鋼拱架的安全性，消除拱架的非彈性形變、獲取拱架彈性形變值，確保混凝土箱拱成形后的線形與質(zhì)量。

最后，預(yù)壓所采用的水為地表徑流水，就地取材，預(yù)壓完成后可回收用于混凝土養(yǎng)護、市政園林綠化養(yǎng)護及道路灑水降塵，充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、綠色施工的理念。

綜上所述，水袋預(yù)壓施工技術(shù)作為一種橋梁工程施工新技術(shù)和新方法，在交通建設(shè)領(lǐng)域的梁式橋、拱式橋的現(xiàn)澆支架預(yù)壓工作中具有較大的推廣價值。