一种劲性骨架混凝土拱桥的施工方法

摘要

本发明公开了一种劲性骨架混凝土拱桥的施工方法，包括以下几个步骤：步骤a、架设拱桥的劲性骨架；步骤b、在劲性骨架的两端对称设置至少一组斜拉扣索，所述斜拉扣索的一端设置有张拉千斤顶，所述斜拉扣索的另一端斜向拱桥轴线上方对劲性骨架施加索力；步骤c、从两拱脚向拱顶对称、连续浇筑混凝土，并在浇筑混凝土的过程中调节斜拉扣索的索力；步骤d、待混凝土终凝前，松开斜拉扣索。采用上述方法，通过斜拉扣索斜向张拉劲性骨架的方式，来调整劲性骨架在对称连续浇注混凝土过程中产生的瞬时应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内，提高混凝土施工质量，加快了混凝土浇筑速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拱桥的施工方法，尤其适用于劲性骨架混凝土拱桥的施工方法。

背景技术

拱桥指的是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁，其具有造型美观、超载潜力大、耐久、造价较低、养护方便的优点，在我国公路桥梁中广泛采用。与此同时，拱桥又是一个失败率比较高的桥型，对于无支架施工拱桥，极易因施工过程中应力和变型未有效控制而发生事故，事故多发生在拱肋劲性骨架悬拼合拢阶段、以及在合拢后的拱肋劲性骨架上浇注混凝土形成拱圈或拱肋阶段。

现有的劲性混凝土拱桥施工过程中，调整浇注混凝土阶段的应力和变型的方法主要为多点均衡施工法、水箱加载法、地锚加载法三种方法：

多点均衡施工法要点是：把合拢的拱骨架分成若干偶数段，各段同时施工，通常是两套设备，为了实现均衡施工，把各段分成若干小段、由两套设备从两拱脚开始对称在各段间循环，每次只浇注一小段混凝土直至全部浇完拱圈或拱肋混凝土。虽然多点均衡施工法具有较好的调载效果，然而其不足之处在于：混凝土的施工缝多，工期长，且随着桥的跨径越大，这个问题越突出。

水箱加载法，是在浇注混凝土前在拱顶附近安放了若干个水箱，当混凝土从两拱脚向拱顶浇注时，不断向水箱中加水，起到压顶的作用，当混凝土浇注了一定长度后逐步放水；

地锚加载法，主要是在劲性骨架合拢后，在劲性骨架上施加向心的拉力或者悬挂重物调载，实现混凝土从两拱脚向拱顶连续浇注。

水箱加载法和地锚加载法虽然都可以调整浇注混凝土阶段的应力和变形，然而这两种方法的不足之处在于：增加了劲性骨架的荷载，对浇注混凝土阶段稳定不利，水箱加载法只对拱顶调载有效，对拱脚几乎无效，地锚加载法调载设施要侵入桥下、甚至河床，多数桥梁不允许采用。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述不足之处，提供一种在连续浇注混凝土的情况下能很好的控制应力和变形的劲性骨架混凝土拱桥的施工方法，用以调整劲性骨架在对称连续浇注混凝土过程中产生的应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内，尤其体现在调整过程不增加劲性骨架的荷载、有利于拱桥的稳定性，并且，斜拉扣索全套系统及机具全都是钢管骨架悬拼时使用的器具，调载成本只有少量设备租金和少量人工工资，具有调载方便、灵活、快捷，成本低，运用环境不受限制。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种劲性骨架混凝土拱桥的施工方法，包括以下几个步骤：

步骤a、架设拱桥的劲性骨架；步骤b、在劲性骨架的两端对称设置至少一组斜拉扣索，所述斜拉扣索的一端设置有张拉千斤顶和索力测试装置，所述斜拉扣索的另一端通过挤压锚与劲性骨架节点连接，并沿倾斜向上于拱桥轴线的方向对劲性骨架施加索力；步骤c、从两拱脚对称连续浇筑混凝土直到拱顶，并在浇筑混凝土的过程中调节斜拉扣索的索力；步骤d、混凝土终凝前，松开斜拉扣索。采用上述方法，通过斜拉扣索斜向张拉劲性骨架的方式，来调整劲性骨 架在对称连续浇注混凝土过程中产生的应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内，连续浇注混凝土过程中没有反复变形或者反复次数尽可能少，能较大幅度地减少劲性骨架用钢量，降低劲性骨架混凝土拱桥造价，提高混凝土施工质量，加快了混凝土浇筑速度。

最优选的，本实施例的步骤a具体包括如下步骤：

a1、按缆吊能力将劲性骨架划分成若干吊段，通常以15-35米为宜。

a2、吊段在工厂或现场制作，为保证精度，采用耦合制作。

a3、为方便调整，首段宜以拱座临时铰接，在斜拉扣挂多段后固结，直至骨架合拢成拱，拆除斜拉索，劲性骨架架设完成。

a4、如劲性骨架是钢管混凝土，劲性骨架架设完成后在管内灌注混凝土。

采用这样的方法，河道中无需架设支架，不影响通航。

最优选的，在步骤c浇筑混凝土之前，首先进行有限元结构分析计算，并在浇筑过程中进行应力和变形监测，根据有限元结构分析计算结果和监测结果进行对比调控，具体调控的方法为利用千斤顶通过斜拉扣索向拱圈施力。

优选的，所述步骤c中，在浇筑混凝土时，作出拱桥的拱脚、L/8、L/4、3L/8、拱顶及截面尺寸突变处的应力过程线及拱顶挠度过程线；从上述应力过程线中找出应力超过预设值的截面；从上述应力过程线中找出应力超过预设值的截面，并将斜拉扣索的前端设置于能高效地降低那些截面应力的骨架节点上，斜拉索施力的时机及施力大小根据所连接的劲性骨架节点的承载能力进行调整。

优选的，所述步骤c中，所述斜拉扣索的前端设置于劲性骨架区段的节点上，所述劲性骨架区段通过应力影响线找出，其原则是对超值截面应力改善大，对其它截面不利影响小。

需要说明的是，本发明中通过应力影响线定位斜拉扣索的具体方法为：首 先作出控制截面的应力影响线，并将需要调整应力的截面的应力影响线峰值附近位置选定为设置斜拉扣索的位置；

优选的，所述劲性骨架区段位于超值截面应力影响线的峰值附近，所述斜拉扣索与劲性骨架区段的扣点连接。

优选的，所述步骤c中，所述应力超过预设值的截面为K截面，调节斜拉扣索施加的索力，并将上述斜拉扣索对K截面的应力与K截面的应力过程线相互叠加，直至K截面的应力及拱顶上挠控制在预设值以内，所述斜拉扣索对K截面的应力表达式为：其中，编号为i的一对斜拉扣索施加的索力为F_i，Δσ_K表示斜拉扣索在K截面产生的应力；σ_Ki表示编号为i的一对斜拉扣索的索力为1时，在K截面产生的应力，所述σ_Ki通过计算得出、或是在K截面贴应力元件的方式测得。采用这样的方式，能够精确计算出斜拉扣索调节所需的索力大小，使应力全部控制在预定值内，并且能够根据需求调整斜拉扣索至不同的位置、并确定各位置处索力大小。

优选的，所述步骤c中，当斜拉扣索的数量为两组或两组以上时，将各组斜拉扣索对K截面的应力之和与K截面的应力过程线相互叠加，直至K截面、以及其他截面的应力均控制在预设值以内。采用这样的结构，当仅设置一组斜拉扣索不能满足应力调节需要时，通过再设置一组或多组斜拉扣索的方式，将各组斜拉扣索产生的影响应力相互叠加，能够满足更高的施工需求。

最优选的，当拱桥的跨径小于等于300m，所述斜拉扣索的数量为1-2组；当拱桥的跨径大于300m时，斜拉扣索的数量为2-3组。

需要说明的是，此处的斜拉扣索的数量和位置，首先根据结构力学分析预估，再通过应力影响线和有限元结构分析的方式进行确定。

优选的，所述步骤c中，采用连续浇筑混凝土的方法为分环法浇筑，浇筑 顺序为从拱桥的两拱脚向拱顶连续浇筑。采用这样的方法，具有操作效率高、稳定性强的有益效果。

优选的，所述劲性骨架的拱肋混凝土分四环浇注，其中，第一环为底板，第二环为下侧板，第三环为上侧板，第四环为顶板，两个劲性骨架的拱肋交替进行进度相差一环。采用这样的方法，具有操作效率高、稳定性强的有益效果。

优选的，所述拱桥由两条劲性骨架、采用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法施工而成。采用这样的结构，通过把斜拉扣索设置在劲性拱骨架悬拼时相同的位置，在浇注混凝土时，只需将现有的斜拉扣索重复使用一次，无须增添任何设备、经济且实用性强。

最优选的，本步骤中在劲性拱骨架悬拼时的前锚处或劲性骨架节点上设置斜拉索扣前锚，通过把斜拉扣索设置在劲性拱骨架悬拼时相同的位置，在浇注混凝土时，只需将现有的斜拉扣索重复使用一次，无须增添任何设备、经济且实用性强。

优选的，所述劲性骨架的各分段在地面制作，所述劲性骨架由φ402mm×12mm的无缝钢管弦杆及160mm×100mm×10mm的双角钢腹杆组成，当劲性骨架合拢后，安装临时横联，在弦杆内泵送60#混凝土，形成钢管混凝土为弦杆的拱骨架，依靠拱骨架安装模板，浇注拱肋外包混凝土。采用这样的结构，具有强度高、施工效率高的有益效果。

优选的，所述斜拉扣索包括钢绞线，所述钢绞线的后端是张拉端，斜拉扣索前端通过挤压锚与劲性骨架节点连接，所述斜拉扣索连接有用于改变其方向的扣搭架，所述钢绞线连接有后锚系统，所述后锚系统包括锚碇、工作锚、液压千斤顶、可读压力的油泵。

优选的，所述斜拉扣索的数量为三组，所述各拱肋均布有35个截面，其中 1#截面设置于拱脚，35#截面设置于拱顶；所述第一组斜拉扣索固定在拱肋的4#截面上弦，所述第二组斜拉扣索固定在拱肋的5#截面上弦，所述第三组斜拉扣索固定在拱肋的14#截面上弦；浇筑混凝土时，从拱脚至拱顶，依次按照底板、下侧板、上侧板、顶板的顺序连续浇注，采用这样的结构，具有调载安全、可靠的有益效果。并且能在劲性拱骨架上方便地实现混凝土分环连续浇筑，因此能较大幅度地减少劲性拱骨架用钢量，降低劲性骨架混凝土拱桥造价，提高混凝土施工质量，加快了混凝土浇筑速度。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过斜拉扣索斜向张拉劲性骨架的方式，来调整劲性骨架在对称连续浇注混凝土过程中产生的瞬时应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内，在连续浇注混凝土过程中没有反复变形或者反复次数尽可能少，能较大幅度地减少劲性骨架用钢量，降低劲性骨架混凝土拱桥造价，提高混凝土施工质量，加快了混凝土浇筑速度。

附图说明

图1为本发明斜拉扣索调力的示意图；

图2为本发明中斜拉扣索前锚结构示意图；

图3为本发明中拱肋计算节点划分图；

图4为本发明中分环浇筑的顺序示意图；

图5为本发明中拱肋浇筑顺序示意图；

图6为拱脚截面上弦管上缘管内混凝土应力过程线示意图；

图7为拱顶截面下弦管下缘管内混凝土应力过程线；

图8为L/4截面上弦管上缘管内混凝土应力过程线；

图9为浇筑底板混凝土过程中拱顶挠度变化过程线；

图10为浇筑底板混凝土过程中，第一组斜拉扣索的索力变化图；

图11为浇筑底板混凝土过程中，第二组斜拉扣索的索力变化图；

图12为浇筑底板混凝土过程中，第三组斜拉扣索的索力变化图；

图13为浇筑下侧板之前，第三组斜拉扣索的索力变化图；

图14为设置斜拉扣索与不设置斜拉扣索时、拱顶挠度值的对比表；

图15为浇筑下侧板、上侧板、顶板混凝土过程中拱顶挠度值变化表。

图中标记：拱桥—1；劲性骨架—2；斜拉扣索—3；第一组斜拉扣索—3a；第二组斜拉扣索—3b；第三组斜拉扣索—3c；钢绞线—3d；前锚系统—3e；底板—4；下侧板—5；上侧板—6；顶板—7。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1至图9所示，本实施例劲性骨架混凝土拱桥的施工方法，包括以下几个步骤：

步骤a、架设拱桥1的劲性骨架2；

步骤b、在劲性骨架2的两端对称设置至少一组斜拉扣索3，斜拉扣索3的一端设置有张拉千斤顶和索力测试装置，斜拉扣索3的另一端通过挤压锚与劲性骨架节点连接，并沿倾斜向上于拱桥1轴线的方向对劲性骨架2施加索力；

步骤c、从两拱脚对称连续浇筑混凝土直到拱顶，并在浇筑混凝土的过程中 调节斜拉扣索3的索力；

步骤d、混凝土终凝前，松开斜拉扣索3。

采用上述方法，通过斜拉扣索3斜向张拉劲性骨架2的方式，来调整劲性骨架2在对称连续浇注混凝土过程中产生的应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内，并能极大地降低拱的永存应力，解决了多段拱助或拱骨架悬拼合拢的问题，在连续浇注混凝土过程中没有反复变形或者反复次数尽可能少，几乎达到了悬拼段数与施工难度无关的程度，能较大幅度地减少劲性骨架2用钢量，降低劲性骨架2混凝土拱桥1造价，提高混凝土施工质量，加快了混凝土浇筑速度。

在本实施例的步骤c中，在浇筑混凝土时，作出拱桥1的拱脚、L/8、L/4、3L/8、拱顶及截面尺寸突变处的应力过程线及拱顶挠度过程线；从上述应力过程线中找出应力超过预设值的截面，再通过力矩分配法作出上述应力超过预设值的截面的影响线；斜拉扣索3设置于上述影响线的峰值所在的截面处。采用这样的方法，通过依次绘制应力过程线、力矩影响线的方式确定出对该应力超标截面、以及对该截面应力影响大的斜拉扣索3，更有利于将应力控制于预设范围内。

在本实施例的步骤c中，斜拉扣索3的前端设置于劲性骨架区段的节点上，所述劲性骨架区段通过应力影响线以及应力过程线定位找出，劲性骨架区段位于影响线的峰值处，所述斜拉扣索2与劲性骨架区段的扣点连接。

在本实施例的步骤c中，应力超过预设值的截面为K截面，调节斜拉扣索3施加的索力，并将上述斜拉扣索3对K截面的应力与K截面的应力过程线相互叠加，直至K截面的应力及拱顶上挠控制在预设值以内，斜拉扣索3对K截面 的应力表达式为：其中，编号为i的一对斜拉扣索3施加的索力为F_i，Δσ_K表示斜拉扣索3在K截面产生的应力；σ_Ki表示编号为i的一对斜拉扣索3的索力为1时，在K截面产生的应力，σ_Ki通过计算得出、或是在K截面贴应力元件的方式测得。采用这样的方式，能够精确计算出斜拉扣索3调节所需的索力大小，使应力全部控制在预定值内，并且能够根据需求调整斜拉扣索3至不同的位置、并确定各位置处索力大小。

本实施例中，当斜拉扣索3的数量为两组或两组以上时，将各组斜拉扣索3对K截面的应力之和与K截面的应力过程线相互叠加，直至K截面、以及其他截面的应力均的应力控制在预设值以内，采用这样的结构，当仅设置一组斜拉扣索3不能满足应力调节需要时，通过再设置一组或多组斜拉扣索3的方式，将各组斜拉扣索3产生的影响应力相互叠加，能够满足更高的施工需求。

本实施例中，拱桥1由两条劲性骨架2、采用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法施工而成，本实施例中，通过把斜拉扣索3设置在劲性拱骨架悬拼时相同的位置，在劲性拱骨架悬拼时，只需将现有的斜拉扣索3重复使用一次，无须增添任何设备、经济且实用性强，并且可以按需增加前锚固设施的方式进行实施，具有操作方便的有益效果。

具体的，在本实施例中，斜拉扣索3包括钢绞线3d，钢绞线3d的后端是张拉端，斜拉扣索3前端通过挤压锚与劲性骨架节点连接，钢绞线3d与劲性骨架2之间设置有前锚系统3e，其中前锚系统3e的结构如图2所示，斜拉扣索3连接有用于改变其方向的扣搭架，钢绞线3d连接有后锚系统，后锚系统包括锚碇、工作锚、液压千斤顶、可读压力的油泵。

本实施例的劲性骨架2截面结构如图4所示，劲性骨架2的各分段在地面制作，劲性骨架2由φ402mm×12mm的无缝钢管弦杆及160mm×100mm× 10mm的双角钢腹杆组成，当劲性骨架2合拢后，安装临时横联，在弦杆内泵送60#混凝土，形成钢管混凝土为弦杆的拱骨架，依靠拱骨架安装模板，浇注拱肋外包混凝土。采用这样的结构，具有强度高、施工效率高的有益效果。

具体的，如图3所示，本实施例中，斜拉扣索3的数量为三组，各拱肋均布有35个截面，其中1#截面设置于拱脚，35#截面设置于拱顶；第一组斜拉扣索3a固定在拱肋的4#截面上弦，第二组斜拉扣索3b固定在拱肋的5#截面上弦，第三组斜拉扣索3c固定在拱肋的14#截面上弦；浇筑混凝土时，从拱脚至拱顶，依次按照底板4、下侧板5、上侧板6、顶板7的顺序连续浇注。

本实施例中，如图4所示，劲性骨架2的拱肋混凝土分四环浇注，其中，第一环为底板4，第二环为下侧板5，第三环为上侧板6，第四环为顶板7，两个劲性骨架2的拱肋交替进行进度相差一环。采用这样的方法，具有操作效率高、稳定性强的有益效果。

优选的，步骤c中，采用连续浇筑混凝土的方法为分环法浇筑，其中，图3为拱肋浇筑顺序示意图浇筑，具体浇筑可参阅图3，顺序为从拱桥1的两拱脚向拱顶连续浇筑。采用这样的方法，具有操作效率高、稳定性强的有益效果。当拱桥1的跨径小于等于300m，斜拉扣索3的数量为1-2组；当拱桥1的跨径大于300m时，斜拉扣索3的数量为3组。

本实施例中，具体拱肋混凝土浇筑顺序请参阅图5，其中，图示的五条拱形线之间的区域、由下至上依次是：底板4、下侧板5、上侧板6和顶板7，其间的数字为浇筑的顺序，依次按照序号1、2、3、4-1、4-2的顺序进行浇筑。

在本实施例中，在浇筑底板4混凝土过程中，斜拉扣索3的索力变化图如图10-图12所示：

在浇筑第二环(即下侧板5)混凝土时，第一组斜拉扣索3a的索力由300kN拉到400kN，第二组斜拉扣索3b的索力由800kN拉到1100kN，在浇注第二环混凝土过程中，维持不变，第三组斜拉扣索3c的索力变化情况如图13所示：

在浇注第三环(即上侧板6)的混凝土过程中，斜拉扣索3的索力的变化如下：第一组斜拉扣索3a、第二组斜拉扣索3b、第三组斜拉扣索的索力分别维持在400kN、1100kN、750kN不变。

在浇注第四环(即顶板7)混凝土过程中，斜拉扣索的索力的变化如下：第一组斜拉扣索、第二组斜拉扣索的索力分别维持400kN、1100kN，而第三组斜拉扣索保存的750kN拉力，两条拱肋顶板7混凝土浇注完成，混凝土达到设计强度后放松1#、2#索斜拉扣索，至此，各斜拉扣索调载结束。

采用上述方法，分四环浇注混凝土过程中的钢管应力、上下弦钢材应力、极值应力以及劲性骨架2挠度值汇总如以下表所示：

表5为浇注混凝土过程中的钢管应力值(表中拉应力为负，压应力为正)

表6为浇注混凝土过程中上下弦钢材应力值

表7为浇筑混凝土过程中的极值应力表(单位：Mpa，分子是应力，分母是截面号)

表8为浇筑过程中劲性骨架挠度值(挠度单位cm，负值下挠，正值上挠)

对比例

参见图14和图15，以下为上述实施例中，设置斜拉扣索与不设置斜拉扣索时、在浇筑底板4混凝土过程中拱顶挠度值的对比图；

由上可见，采用本实施例的方法，通过斜拉扣索3斜向张拉劲性骨架2的方式，能够有效调整劲性骨架2在对称连续浇注混凝土过程中产生的应力和变形，使其应力和变形控制在规定的目标内。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。