现浇小跨径箱形拱桥优化方案1 - 图文

现浇小跨径箱形刚构拱桥优化方案

摘 要 ：小跨径公路刚构拱桥施工中，一般采用支架现浇施工．支架施工工序相对较多，效率低下．为了缩短工期，降低施工成本，经过多方面论证，通过对土模施工方案的优化设计，采用制作土牛拱胎并在胎顶制作混凝土钢筋网的施工办法．经过工程实践证明，该方案成功的解决了软土地基上采用土模支架的疑难。从而对以后类似工程提供相关参考经验。 关键词； 箱形拱桥 土牛拱胎 现浇

1 引言

公路现浇小跨径钢构拱桥施工中，一般采用撘设满堂脚手架的施工方案。脚手架的搭设工序中包括对不良地基进行处理、搭设脚手架，制作拱形模板，拱度调整，等载预压等施工工序，并且拱架和模板，可能无法重复使用。该法施工费料费工费时 ,成本投入大 ,施工工期长 ,施工效率低。本文根据工程现场实际情况，结合小跨径刚构拱桥的特点，经过多方面的论证。采用土牛拱胎[1]的施工办法，通过工程实践的证明，该方案成功解决了在软土地基上采用土模支架的施工疑难，降低了施工成本，缩短了施工工期。

2 工程概况

某工程桥梁采用单跨上承式普通钢筋混凝土刚构箱形拱桥[2]，沿线路里程线方向跨径为28.5m；计算跨径为22m，计算矢高为3.11m，桥梁平曲线半径为300m，桥宽20m。 桥位处地质情况从上到下依次为素填土、淤泥质粘土、粉质粘土等，工程性质较差。两桥的承台均为双桩承台，即双排1.5m桩径的钻(冲)孔桩。桥梁上部结构梁高从0.8m变到3.9m左右，梁底曲线按照椭圆变化，椭圆的长短轴分别为22m、6.22m，横断面为单箱六室直腹板箱形结构，边腹板的厚度为42.5cm～52.5cm，中腹板的厚度为35～55cm，腹板仅在靠近轴线侧逐渐加厚；底板的厚度为20cm，顶板等厚20cm。

1#承台承台

图1 拱桥结构形式示意图

3 土模施工方案可行性论证

土模施工的关键技术在于对土体沉降量和土体变形的控制，以及土模预拱度的设置。为了使拱桥浇筑后的拱轴线更接近设计拱轴线必须对土牛拱胎的沉降量和预拱度进行严格的控制。因该处地基土层力学性质相对较差，在桥梁施工前已经在该桥位进行了水泥深层搅拌桩处理过，搅拌桩平面布置呈三角性布置，间距1.0m。本方案在施工前经过详细的计算分析，从而为以后改进施工工序和制定详细的施工方案起到了指导作用。

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3.1 按土力学中的弹性理论计算土体沉降量和设置预拱度

土体的变形或沉降主要由以下三方面引起[3]：(1)固体颗粒自身的压缩变形；(2) 土中孔隙水的压缩：(3)土中孔隙体积的减小。

在荷载作用下，土体的沉降量由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分组成。施工过程中地基沉降主要是瞬时沉降。根据常用弹性理论公式估算地基瞬时沉降，当基础面积为矩形且基底压力假定为均匀分布时，计算公式为：

1??2 S??bp0 （1）

E0式中 ：

p0—基底均布压力； b—基底宽度；E0—土的变形模量；

μ—土的泊松比，坚硬状态下的粉质粘土、粘土取μ=0．35：

?—无量纲沉降影响系数（?可通过查过土力学中的相关表格可知）

p0：

p0?(?1A1??2A2)/b （2）

在拱顶取单位长度计算均布压力

其中，

?1，?2—主拱圈砼比重和填土的比重

A1,A2—主拱圈和拱顶中心实测填土横截面面积

沉降量S的精确度，主要取决于弹性参数E0和μ的选取。E0可以表示为：

E0 =βEs （3）

其中，Es—压缩模量，通过查地质勘测报告或根据压缩试验e—p曲线求得： β—土性参数，坚硬状态下的粉质粘土、粘土取β=0.83。 将式(2)和(3)带入(1)式，得拱顶沉降量S：

(?1A1??2A2)(1??2)S???ES （4）

为了拱圈成形后更接近设计拱轴线，将沉降量按预拱度的计算对预拱度进行修正。根据

预拱度设置公式（5）：

4x2???x???x??x?S(1?2)l （5）

其中，

?x—原设计预拱度； ??x—预拱度增量；S—拱顶沉降量；

x—距拱脚下缘距离； l—净跨径

3.2 采用有限元方法计算土体沉降量和设置预拱度

考虑到拱桥的曲线布置以及土模受力曲线形变化采用一般常规的杠系结构计算方法难

以得到较为精确的解答。土模施工设计时采用采用了大型有限元软件ANSYS软件对土模进行数值模拟分析。采用该软件的优势在于该软件可以对土模土体进行弹性、塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变等分析能力[4]。从而为确保土模施工时对土体沉降量的控制和预拱度的设置提供重要的参考依据，对改进土模施工工艺，优化土模施工方案起了重要指导作用。

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下图是根据改进的土模施工方案经过软件计算得到的土体在竖直方向的位移等值线云图。从计算结果提出的分析图片可知土模土体在Y方向最大位移量为约为16mm，符合公路桥涵施工技术规范。

图2 土模土体Y方向位移等值线云图

3.3 土模施工时对桥梁桩基础的影响论证

拱桥的承台均为双桩承台，即双排1.5m桩径的钻(冲)孔桩，土模施工时候考虑可能会对桥梁桩基础的不利影响。方案在实施前采用大型通用有限元软件（ANSYS）对土模施工情况对桥梁桩基础的影响进行模拟分析,经过软件的计算发现桥梁桩基础会在X方向发生约为2-3cm的水平位移。根据该分析指导土模施工时必须在桥台背后填土，填土的高度以和土模高度相同为宜，从而减少土模施工时对桥梁桩基础和承台的不利影响。

图3 桩和承台X方向位移变化

4 土模施工工艺

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根据土模可行性论证的相关指导意见，结合公路桥涵施工规范的相关规定，对该土模施工方案进行改进和优化，具体土模施工工艺如下：

首先对土模起拱处进行处理，因在承台施工时在承台前方施工了钢板桩支护，施工时应该先拔除钢板桩，对承台和钢板桩之间的间隙填石粉压实。对钢板桩之前的倾斜段土层，因为该处为淤泥质土须在该处施打两排木桩，木桩的水平间距约为0.5米。并且要在木桩的顶部堆填2层沙袋进行压实。在起拱处的地方向外侧砌砖，砌砖的水平距离约为60cm。砌砖体的高度为h以正好达到起拱处的高度为宜。并且在砌砖的顶部预插φ20钢筋，以便和拱桥的钢筋连接，使其形成一个整体，预插钢筋的水平间距约40cm，长度约为50—60cm。

然后采用粘土进行回填，分层填筑施工；每层控制在30cm以内，压实度达到95%以上。回填的过程中考虑到桥梁上部混凝土浇筑对土模压力的以及土体的整体稳定性，在回填土时回填土的断面长度要比桥梁面左右各宽3米。

回填完成后，即进行土模修整，修整时每2m设计一个控制断面，土模标高修整到比设计梁体底标高低20cm左右；然后在铺设双层Φ12，20cm×20cm钢筋网片；浇筑20cm左右的C35混凝土，混凝土表面采用高标号砂浆进行修整拱形，再铺设1mm厚的钢板作为底模。底模需设向上预拱度。该桥预拱度的设置根据方案可行性论证的结论，并参考公路桥涵施工技术规范[5]的相关规定，该桥在跨中拱顶处设置预拱度为3.6cm，4/10跨度时设置的预拱度为2.8cm，3/10跨度时设置的预拱度为2.2cm，2/10跨度时设置的预拱度为1.6cm，1/10跨度时设置的预拱度为1cm。土模施工大样图示见下图所示：

填粘性土砌砖拱桥起拱线处填沙袋预插φ12钢筋填粘性土预插φ12钢筋砌砖拱桥起拱线处原状土层原状土层填沙袋承台填石粉压实施打木桩淤泥底层线（承台底下30）施打木桩淤泥底层线（承台底下30）填承台石粉压实钢板桩拔除钢板桩拔除图4 土模施工大样图示

5、结语

本工程竣工后，土模拱形成形完好，后经测量对拱形标高的复核，与设计相差不到1cm，完全符合桥梁施工规范要求。通过该工程实践证明了在软土地基上采用土模支架的施工方案是可以实施的，土模法施工方便，机械化作业程度高，施工成本低，工期短，适应性强，可广泛的应用到中小跨径钢构拱桥。但对于压缩性比较大的土层应该谨慎，使用时应该特别注意对土体压缩量和变形量的控制，以及预拱度的设置，本工程结合现场实际情况对土牛拱胎法施工工艺做相应的改进，对以后类似的工程起到了很好的借鉴意义。

参考文献：

[1] 铁道部第三工程局. 铁路工程施工技术手册—桥涵 (下册)[M]. 北京:中国铁道出版社 ,1992.

[2] 李自林.桥梁工程 [M].武汉：华中科技大学出版社，2007.

[3] 赵成刚 ,白冰 ,王运算. 土力学原理[M]. 北京:清华大学出版社,2004. [4] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京:人民交通出版社 ,2007.

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[5] 路桥集团第一公路工程局.公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）[M].北京:人民交通出版社 ,2000.

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