上承式钢筋混凝土拱肋连续梁桥线形控制

摘要： 以山西省高校新区中医学院南门桥工程为例，针对上承式钢筋混凝土拱肋连续梁桥混凝土预制小构件拼装施工时遇到的难题，经方案比选，提出并最终采用原位支架法立体分段预制拼接，最终合拢成桥的施工方法，根据工程实际情况，优化施工措施方案，制定实施措施，并通过工程实施。总结了混凝土预制小构件拼装桥梁施工的关键施工工艺及控制措施。

Abstract： Taking the bridge engineering of the south gate of traditional Chinese medicine institute in the new district of universities in Shanxi Province， aimed at the difficulties in the assembly construction of the small precast concrete components in the arch rib continuous beam of the reinforced concrete deck， the prespliced joint block of in-situ stents and folding into bridge are put forward and finally adopted by the scheme selected and. According to the actual circumstance of the engineering， the construction measures and scheme are optimized， the implementation measures are formulated， and they are implemented by the project. The key construction technology and control measures of the small precast concrete components in the assembly bridge construction are summed up.

关键词： 连续梁;混凝土预制构件;拱肋;肋腋板;技术

Key words： continuous beam;precast concrete component;arch rib;frame bracket;technology

1 工程实例

山西省高校新区中医学院南门桥，该桥位于校区主轴线上，是校区建筑的重要组成部分，也是校园景观的重要内容。桥设计桥宽36m，长79.73m，桥梁结构形式采用三孔上承式连续肋拱梁桥，拱圈厚72cm，拱跨21m，矢高3.5m，矢跨比1/6。

上部结构设计为镂空肋拱结构。全桥共由1416块钢筋混凝土预制件并接而成。其中全桥42个拱圈，由每个拱圈由三段组装成拱，拱圈之间有横隔板连接成整体。

桥面由弦杆、横隔板、肋腋板、悬臂板、饰面板及桥面层构成。全桥预制件共计1416件。

下部结构采用钻孔灌注桩基础，钢筋混凝土承台。

2 工程特点

拱桥由于其重量轻、造型优美而著称，在我国有较长发展历史，而肋拱桥作为拱桥的一种，与自然环境相结合，其造型轻盈，空明灵动，是自然景观与建筑景观的完美结合的体现。

以山西省高校新区中医学院南门桥，上承式钢筋混凝土预制组装肋拱桥为依托，通过研究各种控制手段，与现场实际操作相结合，满足产品线形要求，同时低成本，方便实施。本桥为景观桥，设计为钢筋混凝土预制件拼装式拱桥，预制件达1416块之多，钢筋间距不足3cm密度大，预制构件的预制质量、构件之间的钢筋连接直接对桥梁拼装线性控制，外观质量等均起到决定性要求，是本工程控制的重点。

3 主要控制措施

本桥设计为二次抛物线肋拱式拱桥，全桥由3×21m，每孔由14道肋拱，4排立柱、拱柱，每排14根，弦杆10道，悬壁板4道，上部铺设肋腋板并桥面铺装成桥。肋拱与肋拱、弦杆与弦杆之间都由横隔板及接头钢筋连接为整体。

本肋拱桥由拱腿段、实腹段、现浇砼接头、拱柱、弦杆及横隔板组成，结构见图1、图2。

根据本桥特点及布置形式，为保证肋拱的线形，采取原位支架法钢筋整体绑扎，分段连接分次浇筑混凝土，最后合拢成拱。在支架组装过程中兼顾立柱、拱柱形式，依次搭设成体系。混凝土分次分批浇筑。施工过程中根据拱桥受力形式，采取三跨同时加载，确保支架、桥墩的受力平衡。

弦杆采取支架法，原位绑扎钢筋逐次浇筑混凝土成形。弦杆混凝土强度达到设计强度75%以上后开始铺设肋腋板，桥面施工，当弦杆，拱肋强度均达到设计强度后三孔同时落架，拆除模板，从上至下拆除支架。

4 线性控制的技术措施

4.1 基础沉降变形控制

根据地质资料可知，本工程范围内的地表土质基本为粘土，地基承载力在90～110kPa间。为保证基础稳定，地基采用压路机碾压密实并浇筑15cm厚混凝土，防止雨水对基础浸泡，出现下沉。再在钢管排架立杆下垫100×100×10mm钢板及10×15cm的枕木。

支架基础承载验算：

单根支架钢管底部承受的最大压力Nmax=14.65kN，钢管下垫10cm×10cm×1.0cm钢板，钢板下为2.5m×0.1m×0.15m通长枕木，枕木下为10cm厚的C20混凝土。

①混凝土基础冲切计算

在支撑杆集中荷载作用下的150mm厚C20混凝土板的冲切计算：

KQC≤0.75RlSH0

K：冲切强度安全系数，取2.2：

QC：集中荷载14.65kN;

Rl：混凝土抗拉强度设计值，取1.5：

S：冲切面周长（150+100+150）×4=1600mm;

H0：混凝土厚度150mm。

2.2×14650≤0.75×1.5×1600×150

32230≤270000N（满足）

②地基承载力计算

根据地质资料可知，本工程范围内的地表土质基本为粘土层。地基碾压密实处理并铺垫混凝土前，地基承载力在110kPa之间。出于安全考虑，处理后仍按110kPa设计计算。

A=（0.15+0.15+0.15）2=0.2025m2

p=N/A=20.6/0.2025=101.7kPa<[fa]=110kPa（满足）

4.2 施工支架的弹性和非弹性变形控制

4.2.1 为保证拱轴线型在允许范围内，对施工方案进行了可行性分析，根据现场情况经反复比选和研究并进行详细的结构验算，确定施工方案为支架施工。支架用碗扣式杆件，选WDJ碗扣成套配套产品。该碗扣式杆件脚手架支撑装卸方便，能装成曲线形状，可适用于本肋拱桥及上部结构支架施工。

立杆间距（本桥为直线桥，支架立杆间距以外侧为控制间距）：拱柱处 @60×75cm，肋拱 @90×75cm，实腹段段 @90×75cm实际布置形式见支架布置示意图（图3、图4）。

横杆布置：≤90cm，扫地杆≤20cm。纵横向交叉剪刀撑采用Φ48×3.5mm钢管，扣件式连接。

在每四排横向立杆和每三排纵向立杆各设置一道剪刀撑。水平剪刀撑每2.4m设置一道，墩底横向剪刀撑每排必设。肋拱支架最大高度6m。

支架检算：

钢筋混凝土密度ρ=2600kg/m3;

拱腿段单位长度体积=0.276m2，重7.1765kN/m2;

实腹段单位长度最大体积=0.365m2，重9.49kN/m2;

1#拱柱体积=0.14m3，重3.64kN/m2;

2#拱柱体积=0.06m3，重1.56kN/m2;

弦杆单位长度体积=0.084m2，重2.184kN/m2;

1#横隔板单位长度体积=0.105m2，重2.73kN/m2;

2#横隔板单位长度体积=0.036m2，重0.936kN/m2;

模板全部采用木模自重0.5kN/m2;

脚手板自重取0.35kN/m2;

振捣混凝土时产生的载荷取2.0kN/m2;

施工人员及机具载荷取4.5kN/m2。

4.2.1.1 拱肋拱柱部位

拱肋拱腿段立杆间距布置为0.75×0.6m。

①荷载

1）竹胶板底模板自重：q板=0.012×9.5=0.114kN/m2;

2）新浇筑肋拱钢筋混凝土自重（拱腿拱柱段为验算位置，系数取1.2）：S=0.416m2，q砼=1.2×0.416×26=12.98kN/m2;

3）混凝土冲击力：2.0kN/m2;

4）振捣混凝土时产生的荷载：2.0kN/m2;

5）施工荷载：2.5kN/m2。

荷载合计：每根支架立杆所承受的钢筋砼和模板施工荷载：（0.114+12.98+2+2+2.5）×0.75×0.6=8.817kN;

②强度检算

1）立杆反力8.8174kN;

2）立杆及其横梁自重2.5kN;

合计N=7.844+2.5=11.317kN。

立杆容许承重力（横杆步距1.2m时），根据查《建筑施工计算手册》P467得[N]=30kN，N<[N]满足要求。

③立杆稳定性检算

立杆毛截面：Am=4.24cm2;

惯性矩Ix=107800mm4，Wx=4493mm3;

回转半径：r=1.595cm;

长细比λ=120/1.595=75.2，查表得折减系数Ф=0.676;

立柱稳定承载能力N=[σ]×1.25×Am=50.2kN（>11.317kN）满足要求。

4.2.1.2 实腹段部位

实腹段部位立杆间距布置为0.9×0.75m。

①荷载

1）竹胶板底模板自重：q板=0.012×9.5=0.114kN/m2;

2）新浇筑钢筋混凝土自重：q砼=1.2×9.49=11.388kN/m2;

3）混凝土冲击力：2.0kN/m2;

4）振捣混凝土时产生的荷载：2.0kN/m2;

5）施工荷载：2.5kN/m2。

荷载合计：每根支架立杆所承受的钢筋砼和模板施工荷载：（0.114+11.388+2+2+2.5）×0.9×0.75=12.15kN;

②强度检算

1）立杆反力12.15kN;

2）立杆及其横梁自重2.5kN;

合计N=12.15+2.5=14.65kN。

立杆容许承重力（横杆步距1.2m时），根据查《建筑施工计算手册》P467得[N]=30kN，N<[N]满足要求。

③立杆稳定性检算

立杆毛截面：Am=4.24cm2;

惯性矩Ix=107800mm4，Wx=4493mm3;

回转半径：r=1.595cm。

长细比λ=120/1.595=75.2，查表得折减系数Ф=0.676;

立柱稳定承载能力N=[σ]×1.25×Am=50.2kN（>14.65kN）满足要求。

4.2.2 监测网布置

通过应力监测网对杆件内力变化情况实时观测，以采取措施消除支架弹性变形，提高支护结构的稳固性。通过施工监测数据得知，由于支架结构设计科学合理，杆件具有足够的刚度和强度，承压性能良好，架体稳固，符合施工标准。

4.2.3 预压措施

先对支架进行预压再装设模板。预压支架是为了检验架体是否稳固，消除地基非弹性变形及支架非弹性变形的因素，为桥面线形的控制提供可靠依据。沉降观测可与支架预压同步进行。待沉降情况基本稳定后卸载，对各控制点标高再次施测，以确保支架及地基的弹性变形参数真实可靠，用总沉降量（即支架持荷后稳定沉降量）减去弹性变形量为支架和地基的非弹性变形（即塑性变形）量。

底模弹性变形量=预压后高程-预压中高程底模非弹性变形量=预压前底板高程-预压后高程，即支架持荷后稳定沉降量减去弹性变形量。由于地基处理较好，所以地基变形很小，观测值小于2mm，预留压缩量确定为1cm。

施作肋拱时，先对拱顶1排至24排立杆，左右对称12排支架开展预压实验，对临时结构的稳固性进行检验。若发现临时结构存在非弹性构造变形情况，须及时采取措施予以调整。检验时，可施加仿真荷载，据此获知施工阶段钢筋砼临时结构的弹性变形情况，为拱圈立模阶段预设上拱度控制主拱线形提供参考依据。

4.3 混凝土收缩徐变对线形的影响

徐变是混凝土的特性，其不仅能使混凝土筑件产生形变问题，还可能使预应力混凝土产生预应力损失。并且，它能使超静定结构内力发生变化，致使应力重分布。在结构设计和施工控制方面，要准确描述混凝土徐变情况非常不易，却也十分重要。

混凝土徐变的影响因素：①温度影响混凝土徐变。②应力水平和应力历史影响混凝土的徐变。③加载的龄期影响混凝土的徐变量。④影响混凝土徐变过程的因素众多，比如混凝土的组成成分、骨料的弹性模量等等。一般来讲，骨料弹性模量越高，振捣越密实，徐变量越小。水中养护的混凝土筑件徐变量小。

根据徐变分析理论应力-应变线性关系的“线性徐变理论”和线性叠加原理。计算混凝土收缩与其配筋率之间存在一定的关联性。配筋率为1%的钢筋混凝土结构，其收缩徐变是自由收缩徐变的80%。配筋率在2%～3%之间的钢筋混凝土结构，其收缩徐变是自由收缩徐变的50%～ 60%。配筋率为5%的钢筋混凝土结构，其收缩徐变是自由收缩徐变的40%。配筋率大于8%的钢筋混凝土结构，混凝土一般会产生拉应力，而拉应力通常不作为重要因素来考虑，因此可认定为混凝土失效退出工作，应力作用全部由钢筋承担。配筋对混凝土的弹性应变影响很小，配筋可以很大程度减小混凝土的自由收缩徐变。在配筋率逐渐增大的条件下分析钢筋混凝土的弹性模量可知，混凝土应力无明显变化，但是最终应力却呈现大幅度的变动。根据本工程肋拱的配筋率达到9.2%，混凝土收缩徐变影响很小，可以忽略，仅考虑钢筋在应力情况下的变形。

4.4 预拱度的设置

从预压实验和现场搜集的各种监测数据来看，须尽快调整并合理设计拱轴线及预拱度。设计预拱度时，须考虑结构变形量以及碗扣立杆的弹性、非弹性变形值，并且要按水平推力影响线的分配合理设计预拱度，计入施工预拱度后参考图5设计标高。

上述技术措施对支架变形缺陷进行了有效的控制，使主拱圈线形达到了设计要求。

5 线形控制的操作工艺及过程监控

5.1 线形控制工艺流程

每一浇注段线形控制施工流程详见图6。

5.2 线形的粗调

拼装碗扣式支架时，在支架每个台阶处，使用全站仪测设控制点定第一根下方木正确位置（即下方木中心里程），其余下方木以中心间距控制在60cm～90cm之间。计算施工预拱度后标高，对各排下方木的实际标高进行实地观测，据此计算各立杆的高度。基于预留可调、可卸架的施工要求拼装碗扣式立杆，如表1。

5.3 线形的精整

铺设底模时，先在肋拱的拱脚方木上定出中线，以中线左右各铺设一道肋，铺好一段底模后用墨线划出边线，设定每排立杆的中心位置，借助水准仪调整标高。

建议使用一次性调整到位法调整线形。先用全站仪定出拱两边拱肋拱脚中心位置，同时测出标高，计算出调整值，采用钢丝挂线并根据立杆间距设标志。测绘人员可借助钢丝线吊线调整，然后按设计要求对标高、方位进行微调，根据两边拱统一挂横向线，由此一排一排逐步推进。调整标高后观察各接触点，确保下方木与立杆底座、托撑与上方木、斜角方木与模板间是密贴的。若发现其贴合度达不到要求，可用1～5mm的铁垫板填塞缝隙，确保底模轴线在±5mm以内，各排立杆中心处内弧标高控制在±10mm以内，以免因质量不达标而拖延施工进度。

6 浇筑程序对线形控制的影响

调整控制底模标高后，开始绑扎钢筋，立模，浇注砼。为消除拱圈浇注程序对拱肋线形的影响，在各浇注段设置监测点。预压支架前，根据设计要求的预拱度对拱轴线形进行调整，观测支架预压后的线形值，及时修正不合理之处。

7 结语

对于拱桥施工，控制拱轴线型在设计和规范允许范围内，以确保结构受力状态满足设计要求，是拱桥施工成败的关键。对于景观桥，线条的平顺，各拱肋保证在同一空间平面内是施工控制的难点。在大学城新校区中医学院南门桥施工中，采用原位支架法钢筋整体绑扎，分段连接分次浇筑混凝土合拢成的方法，成功地控制了3×21m肋拱桥，每孔14道钢筋混凝土拱肋桥全部拱圈的线形，经成型后加载试验的测量观测，线形符合设计要求;且拱肋外形美观，线条平顺，工程质量优良，取得了较好的经济效益和社会效益。

通过山西省高校新区中医学院南门桥施工的实践表明：上承式钢筋混凝土预制组装肋拱桥，采用原位支架法钢筋整体绑扎，分段连接分次浇筑混凝土合拢成拱，只要建立反映工程实际受力情况的结构模型，认真分析，精心设计，科学组织施工，加强线形监测，及时收集各拱肋施工过程中的受力变形数据，合理调整浇注程序，采取有力措施消除支架弹性和非弹性变形，就能保证拱肋线形控制符合设计和规范要求。

参考文献：

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