第十二章拱式桥梁的施工.docx
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1、 第十二章 拱桥施工 Equation Chapter 12 Section 1 与梁桥施工方法相似,拱桥施工方法总体上也分为有支架施工和无支架施工两大类。 石拱桥、混凝土预制块拱桥和现浇钢筋混凝土拱桥,只能采用有支架施工方法修建。 钢筋混凝土拱桥施工方法较多,除了支架施工法外,还可以采用缆索吊装法、悬臂浇筑法、转体施工法和劲性骨架法施工;钢管混凝土拱桥、钢拱桥则多采用缆索吊装和转体施工法施工。劲性骨架法实际上是同时使用了缆索吊装和支架施工两种方法,即先用缆索吊装法架设拱形劲性骨架,然后围绕钢骨架浇筑拱箱(肋)混凝土,形成箱形拱圈(肋)。与有支架方法不同的是,劲性骨架法将劲性骨架埋入混凝土拱箱
2、中,作为拱圈的一部分不再回收,而有支架法在拱圈(肋)混凝土浇筑完后拱架撤除予以回收。 拱桥施工一直是制约拱桥发展的关键技术问题。同学们应该认真学习施工方法,勇于创新施工方法,为今后我国朝更大跨径拱桥建设做出贡献。 本章重点介绍有支架法和缆索吊装法,其它方法做简略介绍。 第一节 有支架施工 有支架施工的主要施工工序有材料准备、拱圈放样(包括石拱桥的拱石放样)、拱架制作与安装、拱圈及拱上建筑的砌筑等。 拱桥材料选择应满足设计和有关规范的要求。石拱桥石料准备(包括开采、加工和运输等)是决定施工进度的一个重要环节,也在很大程度上影响桥梁的造价和质量。特别是料石拱圈,拱石规格繁多,所费劳动力也很多。为了
3、加快桥梁建设速度,降低桥梁造价,减少劳动力消耗,可以用小石子混凝土取代砂浆砌筑拱石来修建拱桥。 拱圈或拱架的准确放样,是保证拱桥符合设计要求的基本条件之一。石拱桥的拱石,要按照拱圈的设计尺寸进行加工,为了保证尺寸准确,需要制作拱石样板,它是将拱圈按1:1比例放出大样,然后用木板或铁锌皮在样台上按分块大小制成样板,并注明拱石编号(图 12. 1),以利加工。样板必须保证在施工期间不发生过大变形,便于施工过程中对样板进行复查。对于左右对称的拱圈,可只放出半跨大样。常用的放样方法有直角坐标法、多圆心法等。拱弧分点越多,用这种方法放出的拱圈尺寸越精确。 图12. 1拱石编号 1 拱架是拱桥有支架施工过
4、程中的重要临时结构,在拱桥的整个施工期间,用以支承全部或部分拱圈和拱上建筑的重量,并保证拱圈的形状符合设计要求,因此,要求拱架具有足够的强度、刚度和稳定性。拱架又是一种施工临时结构,在设计和安装拱架时,要求构造简单,稳定可靠,受力清楚,装卸方便,以加快施工进度,减少施工费用。 一、 拱架构造及安装 (一)满布式木拱架 满布式木拱架的优点是施工可靠,技术简易,木材和铁件规格要求较低,缺点是木材用量多,木材和铁件的损耗率也较高,受洪水危险大,因此,木拱架多用于可设中间支架的桥孔和不通航的河流上。 满布式木拱架通常由拱架上部(拱盔)、卸架设备和拱架下部(支架)三部分组成。 1)立柱式拱架 立柱式拱架
5、(图12. 2),上部由斜梁、立柱、斜撑和拉杆组成拱形桁架(拱盔),下部由立柱及横向联系(斜夹木和水平夹木)组成支架,上下部之间放置卸架设备(木楔或砂筒等)。 1 桥 墩 (台) 4 3 678 图12. 2 立柱式木拱架 1-弓形木;2-立柱;3-斜撑;4-卸架设备;5-水平拉杆;6-斜夹木;7-水平夹木;8-桩木 为适应拱腹曲线形状,需要在斜梁上钉以弧形垫木,通常将斜梁和弧形垫木合称为弓(弧)形木。弓(弧)形木支承在立柱或斜撑上,长度一般为2m3m。在弓形木上设置横梁,间距一般为0.6m0.7m,上面再纵向铺设24cm厚的模板(图12. 3a),就可砌筑拱石或作为现浇混凝土拱的底模板。当拱
6、架横向间距较密时,也可不设横梁,直接在弓形木上横向铺设35cm厚的模板(图12. 3b)。 a) 横木 模板 b) 模板 弓形木 图12. 3 弓形木构造 弓形木 立柱间距按桥梁跨径及承受拱圈重量的不同,一般在1.55m之间,拱架横桥向间距一般在1.21.7m。为了增强横向稳定性,拱架之间应设置横向联系(水平及斜向夹木)。 2)撑架式拱架 2 撑架式拱架(图12. 4),是用少数框架式支架加斜撑来取代数量众多的立柱,材料用量较立柱式拱架少,构造也不复杂,而且能在桥孔下留出适当的空间,减少洪水及漂浮物的危险,在一定程序上满足通航或桥下通行的要求,因此,在实际中采用较多。 图12. 4 撑架式木拱
7、架 拱架的卸落设备,一般设置于拱架水平拉杆与支架帽木间上下立柱相对应之处;跨径较大时,可设于弓形木下支点处。 拱架各杆件的联结应紧密,可用铁夹板、硬木夹板或螺栓等铁件或硬木联结。一般拱架上应力较小部位的杆件可用圆钉、扒锯钉等简易铁件联结。 3)支架基础 支架基础必须稳固,承重后应能保持均匀沉降且沉降值不得超过预计范围。 基础为石质时,应挖去表土,将柱根处岩面凿低、凿平。 基础为密实土壤时,如在施工期间不致被流水冲刷,可采用枕木、石块铺砌或混凝土作基础,如施工期间可能被流水冲刷,或为松软土质时,须采用桩基或框架结构,或其他加固措施。 基础承重后的预计沉降值可按载重实验确定,应不大于在计算预拱度时
8、采用的基础下沉值。 4)拱架的制作及安装 拱架的弓形木及立柱等主要杆件,应采用材质较强、无损伤及湿度不大的木材。拱架制作及安装时,应以基础牢固、立柱正直、节点联结紧密为主要原则。高拱架应特别注意其横向稳定性。 拱架可就地拼装,或根据起吊设备能力,预拼成组件后再进行安装。满布式木拱架的制作及安装程序如下: 在平台上,按拱圈拱腹弧线加预拱度放出拱模弧线,并将拱模弧线分成段,定出弓形木接头位置和排架、斜撑、拉杆的中心线。 在样台上量出各杆件尺寸,制作各杆件大样。 在支架及卸落设备上操平,定出拉杆水平线。 安装拉杆、立柱、斜撑、夹木及弓形木等杆件。 在弓形木各节点操平(包括预拱度),准确的按拱模弧线(
9、减去模板、垫木和横梁的高度)控制弓形木高度。 由于木拱架需要耗用大量木材,而且损耗大,目前已经很少采用。如仍需满布式拱架时,可采用钢管或碗扣式钢管搭设。 (二)满布式钢管拱架 3 (三)工字梁活用钢拱架 工字梁活用钢拱架构造形式见图12. 5。这种钢拱架构造简单,拼装方便,可重复使用,适用于河流需保持畅通、墩台较高、河水较深和地质条件较差的桥孔。拱架由工字钢梁基本节(分成几种不同长度)、楔形插节(由同号工字钢截成)、拱顶铰、拱脚铰等基本构件组成。工字钢与工字钢或工字钢与楔形插节,可在侧面用角钢和螺栓联结,在上下面用拼装钢板联结。基本节一般用两个工字梁横向平行组成。用基本节和楔形插节连成拱圈全长
10、时即组成一片拱架。 图12. 5 工字梁活用钢拱架 用选配工字钢长度和楔形插节节数的方法,可使拱架适用于多种曲度和跨度的拱。横桥向拱架片数,应根据拱圈宽度和重量来确定。拱片间用角钢杆件联结成整体。卸拱时,可采用拱顶复式楔、拱脚砂筒或弓形木下的木楔等卸拱设备。 工字梁活用钢拱架安装方法简单,一般是将每片拱架先组成两个半拱片,然后安装就位。架设工作分片进行。在架设每个拱片时,应先同时将左、右半拱两段拱片吊至一定高度,并将拱片脚插入墩台缺口或预埋的工字梁支点上与拱座铰联结,然后安装拱顶卸顶设备进行合龙。 (四)钢桁架拱架 1)结构类型 常备拼装式桁架型拱架 此种拱架系由标准节、拱顶节、拱脚节及联结杆
11、等以钢销联结而成,再以纵横向联结系将两拱架联成一组,即可作为砌筑、浇筑或吊装一片拱肋的支架。用变换联结长度的方法来调整曲度和跨度,如图12. 6所示。 4 图12. 6 常备拼装式桁架型拱架 装配式公路钢桥桁节拼装拱架 在配装式公路钢桥桁节上弦接头处加上一个不同长度的钢铰接头,即可拼成用于多种曲度和跨度的拱架。拱架两端应另设拱脚节及支座,以构成两铰拱架,为使完工后卸架方便,应在弓形木下设置木楔。拱架的横向稳定则需依靠各片拱架间的抗风拉杆、撑杆以及风缆等设备,拱架构造如图12. 7所示。 图12. 7 公路装配式钢桥桁节拼装拱架 近年来,这种拱架形式在四川、贵州等地应用较多,非常适合于山区地形复
12、杂,又需要建造拱桥的地区。 万能杆件拱架 万能杆件经补充一部分带钢铰的联结短杆后也可拼装成拱架。拼装时,先拼成桁架节段,再用长度不同的联结短杆连成折弧形。 万能杆件桁架、装配式公路钢桥桁架与木拱盔或钢管脚手架组合拱架 图12. 8所示为山西丹河大桥(146m跨石拱桥)所采用的拱架形式,由万能杆件桁架(也可用装配式公路钢桥桁架)拼装成支架,上面布置帽木、立柱、斜撑、横梁及弧形木等构成拱架。图12. 9所示为一座60m拱桥的组合拱架示意,它是用钢管脚手架取代帽木、立 5 柱、斜撑、横梁及弧形木形成拱架。 图12. 8 丹河大桥拱架 图12. 9 60m跨组合拱架 斜拉贝雷平梁拱架 如图12. 10
13、所示,斜拉贝雷平梁拱架可用于一跨或几跨连续施工的情况,在距边墩一定位置设一临时墩,在中间墩墩顶各设一个塔柱,塔柱顶端伸出斜拉杆(索)拉住贝雷平梁,平梁设拱盔,形成几孔连续的斜拉式贝雷平梁拱架结构。 斜拉贝雷平梁拱架的平梁可采用浮吊船架设,也可采用悬臂扒杆节段拼装。 由于斜拉贝雷平梁拱架柔性较大,施工中应严格掌握和控制对称加载及塔柱、平梁的挠曲变形,控制平梁、斜拉杆(索)及塔柱的受力不超限。该拱架适用于山区河流、航道复杂地段或深谷间施工的钢架拱及其他拱桥的现浇施工。 6 图12. 10 斜拉贝雷平梁拱架 2)钢桁架拱架的安装 半拱旋转法 该架设方法与工字梁活用钢拱架相似,但起吊前拱脚先安在支座上
14、,然后用拉索使两半拱拱架向上旋转合龙。 竖立安装法 在桥跨立柱式和撑架式拱架计算图式 N=Gcosj (12.1) 7 T=Gsinj (12.2) T0=m1N=m1Gcosj (12.3) 式中:G拱块重量; m1拱块与模板间的摩阻系数,混凝土拱圈采用0.47,石砌拱圈采用0.36。 作用在拱架斜面上的拱块切向力,当TT0时,应采用T;当TT0时,应采用T0,(T-T0)部分将传给下一已成拱块,或由临时支承传给下一段斜梁。 2)满布式木拱架杆件拱架顶部节点受力图式 由于木拱架的节点构造一般不适于受拉,故斜梁、立柱和斜撑只能承受压力,并假定拱架正压力平均分配于斜梁两端节点,合力R只由其作用相
15、邻的两杆件承受,则当斜梁上的作用力N和T已知时,即可计算出斜梁、立柱和斜撑所受的压力。 斜梁除了承受轴向力外,还要承受由拱石正压力引起的弯矩,应按压弯构件计算。立柱和斜撑按压杆计算。模板按受弯构件计算,斜夹木和横夹木,作为增强稳定之用,按构造要求设计,不考虑受力,不做计算。 (三)拱式拱架的计算 计算三铰拱式拱架内力之前,应根据前述拱架受力分析方法,分别求得各节点所承受的竖直力和水平力,再按三铰拱求得拱架的支承反力Ra和Ha,如图12. 13所示。然后根据拱架构造用节点法或截面法分析各杆件内力。 8 Ha d 图12. 13 拱架受力图式 这种计算方法比较精确,但也费时。对此,可采取具有一定精
16、度、且偏于安全的简捷方法,即在计算拱架荷载时,不考虑拱块和模板间的摩阻力及拱块部分重量可由下一拱块逐次传至拱脚的有利作用,偏安全地假定拱块全部重量均由拱架承担,于是各节点仅有竖向力G,这样就大大简化了计算,并可利用影响线选择合理的砌筑(或浇筑)顺序。 对于钢桁拱架,由于拱架的上下弦隐蔽程度不同,温差颇大,要根据当地情况对温度作出估计,进行温度应力验算。 大跨度拱桥的拱圈(肋)自重很大,为了节省拱架材料,采用分层浇筑法或分环砌筑方法,并使先筑好的层次与拱架一起共同支承后筑的层次。理论计算和工程实践表明,先筑好的拱圈可以承担30%40%的自重。在计算拱圈底(环)与拱架共同工作时,由于两者的刚度相差
17、甚大,可假定拱架承受全部弯矩和剪力,拱圈底(环)则仅帮助拱架承受一部分轴向压力,如图12. 14所示。因此,拱架必须有足够的刚度,以免底板混凝土开裂。 cz 图12. 14 拱圈与拱架共同作用情况 三、施工预拱度计算与设置 拱架在拱桥施工中,会产生弹性和非弹性变形。另外,当拱圈砌筑(浇筑)完毕,强度达到要求而卸落拱架后,在自重、温度变化等因素影响下,拱圈也会产生弹性下沉。为使拱圈的拱轴线符合设计要求,必须在拱架上设置施工预拱度,以抵消各种可能发生的竖直变形。 (一) 拱圈施工时和卸(脱)架后产生的变形 拱圈自重产生的拱顶弹性挠度d1; 拱圈温度变化所产生的拱顶弹性挠度d2; 拱圈墩台、支座变形
18、、位移而产生的拱顶弹性挠度d3; 混凝土拱圈因混凝土硬化收缩所产生的挠度d4; 拱架和支架在设计荷载下的弹性及非弹性变形d5、d6及由于卸拱设备的非弹性压 缩所产生的非弹性下沉d7; 拱式拱架在设计荷载下的弹性挠度和非弹性下沉d8、d9; 支架基础在受载后的非弹性压缩d10; 9 无支架吊装时的裸拱变形d11,一般可预估为l0/1000,l0为拱圈的计算跨径; 斜拉平梁拱架由于不平衡加载引起的塔柱变形产生的挠度d12。 (二) 拱圈脱架后所产生的弹性挠度下沉值的估算 1)拱圈自重所产生的拱顶弹性挠度值d1 拱圈自重所产生的拱顶弹性变形可用以下两种方法计算,以资比较: Hl0f d1=G(hH+
19、0) (12.4) Eddl0 式中: HG 不计弹性压缩的拱圈横截面水平推力; l0 拱圈计算跨径; dd 拱顶厚度; E 拱圈材料弹性模量; f0 拱圈计算矢高; hH 水平推力影响线在跨径中点的坐标,可自无铰拱计算用表查得,悬链线拱按下式计算: hH=Kl0) (12.5) f0(1+m1) 式中: K=0.230.28,随拱轴系数大小而定; m1 计算系数,可参见有关设计手册。 按拱的平均压力计算: 2l02)+f02s(d1= (12.6) f0E 式中: l0,f0,E 意义同上; s拱圈横截面产生的平均压应力,可取s=HG,其中jm为半跨拱弦线与水平Acosjm 线夹角,HG意义
20、同上,A为拱圈平均截面积。 2)拱圈因温度变化所产生的拱顶弹性挠度值d2 2l02)+f02(a(t1-t2) (12.7) d2=f0 式中:l0,f0 意义同前; a 拱圈材料线膨胀系数; t1 年平均温度;t2合龙时的温度; 当(t1-t2)0时,拱顶上挠,反之,拱顶下挠。 3)墩台水平位移产生的拱顶弹性挠度值d3 d3=l0l0Dl (12.8) Dl 或 d3=Kf0(1+m1)4f0 10 式中:Dl拱脚相对水平位移总和。 4)混凝土拱圈由收缩徐变产生的拱顶下沉值d4 整体施工拱圈,可按降低温度15所产生的下沉值计算。分段施工的拱圈,可按降低515计算。计算公式见式(12.7)。
21、(三)满布式拱架在拱顶处产生的弹性及非弹性下沉 满布式拱架受载后,主拱圈拱顶产生的弹性及非弹性下沉,同样可按上述拱圈脱架后所产生的弹性挠度下沉值的估算。满布式拱架本身的下沉量按下列项目估算: 拱架和支架在受载后的弹性下沉d5 E 式中:s 拱架立柱受载后的压应力; H 立柱高度; E 立柱材料的弹性模量。 拱架和支架在受载后的非弹性变形d6 sd5=h (12.9) 此种变形是由于杆件结合不紧密(缝隙)所致,其值一般按经验估算。顺纹木料相接,每条接缝变形以2mm 计;横纹木料相接以3mm计;顺纹与横纹木料相接以2.5mm计;木料与金属或木料与圬工相接以2mm计。 d6=2K1+3K2+2.5K
22、3+2K4 (12.10) 式中:K1、K2、K3、K4各接头数目。 对于扣件式钢管拱架,扣件沿立柱滑动或相对转动可引起拱架非弹性变形,按经验估计。 砂筒的非弹性压缩d7 一般200kN压力砂筒为4mm,400kN压力砂筒为6mm,筒 (12.11) 5000f0 d9= (12.12) 式中:n 半跨拱架内接缝道数; D 每道缝的宽度,可估计为1mm2mm。 其他弹性及非弹性下沉 拱式拱架本身变形以外的卸拱设备的下沉,以及在有支架时支架的弹性及非弹性下沉等,可按前述方法估算。 (五)预拱度的设置 拱架在拱顶处的总预拱度,应根据上述各种下沉量,按可能产生的各项数值相加后得到。由于影响预拱度的因
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