大跨径双拱无拉杆钢波纹板拱桥关键技术研究

大跨径双拱无拉杆钢波纹板拱桥关键技术研究

高志刚

身份证号码：622825198905090317

摘要：我国公路建设发展迅速，大量的桥涵建设不仅建设费用高昂，而且由于其施工工期长、耗费大量人力、物力及砂、石等自然资源，并受天气、气候影响严重，往往是影响建设工期、工程质量和效益的关键因素，特别是对地质不良路段和地震高发区域，问题更为严重。我国交通运输部对金属钢波纹钢管涵、通道的研究及应用给予了充分的重视和肯定，本文以兰永临高速公路项目暗埋式钢混组合拱桥施工为依托，提出大跨径双拱无拉杆钢波纹板拱桥施工技术原理及关键技术，对今后类似工程的施工可提供借鉴。

关键词：钢波纹板拱桥；暗埋式钢混组合拱桥；大跨径；双拱 

1 引言

钢波纹板结构作为一种典型的空间结构，具备钢结构所特有良好的延性，抗拉、抗压、抗剪强度较高，构件结构断面小、自重轻、施工速度快。由于波纹的存在，增大了钢板的抗弯惯性矩，使之具有较高的承载能力和稳定性。钢波纹板结构在兰永临高速公路项目LYL6合同段两座暗埋式钢混组合拱桥中的应用，从满堂支架优化、支架底托安装可移动的万向轮、拱圈混凝土双掺、波纹板采用龙门整环吊装、拱圈浇筑跳仓组织等关键技术研究，可提供大跨度结构施工，同时其所具有良好的柔性和高强度，使得这种新型结构应用领域逐年增加，尤其在防灾、救灾、应急、抢险等方面更是具有不可替代的作用，通过本项目应用取得了良好的社会效益和经济效益。

2 大跨径双拱无拉杆钢波纹板拱桥关键技术

本项目主线暗埋式钢混组合拱桥共2座，单拱长分别为16.0m及15.8m，结构形式均为双拱暗埋式波纹板钢混组合拱桥，暗桥上部结构采用波纹板钢混组合等截面圆形无铰拱，台身采用钢筋混凝土实体式台身，基础采用钢筋混凝土分离式扩大基础，基础之间采用支撑梁进行连接，支撑梁顶面浇筑20cm厚混凝土铺砌。

双拱拱圈采用半径4m及5m的半圆拱，拱圈采用壁厚65cm钢筋混凝土。内衬波纹板采用CSPS型，壁厚10mmQ355-B热轧钢板成型，波距381mm，波深140mm，表面热镀锌处理；最大净空6.5m及7.5m，拱脚采用钢筋混凝土直墙结构，直墙宽1.4m，两拱圈间为钢筋混凝土中墙，墙宽2.2m，边墙、中墙高2.5m，墙底设0.5*0.5m倒角；拱圈混凝土与内衬钢波纹板之间采用剪力件连接，钢波纹板与边、中墙之间通过预埋L200*20角钢与地脚螺栓连接。

结合项目实际情况拱圈采用支架法施工，考虑两座拱桥跨度不同，拱圈钢筋，模板材料吊装以拱脚C15砼回填作为轨道基础采用液压伸缩式5T龙门整环吊装，满堂支架优化、支架底托安装可移动的万向轮、拱圈混凝土双掺、波纹板采用龙门整环吊装、拱圈浇筑跳仓组织等关键技术研究，实现大跨径双拱无拉杆钢波纹板拱桥施工。

图1洞身断面图

图2钢波纹板大样图

3 预埋角钢施工

角钢预埋关系到波纹板安装精度，直接影响拱桥结构净高净宽的验收。角钢预埋是波纹板安装精度控制中关键控制指标，波纹钢板与拱桥侧墙及中墙采用L200*20角钢通过M24地脚螺栓进行铰接，密封胶密封，外部喷涂沥青涂料；为便于现场操作，保证角钢运输过程中不易变形，将预埋角钢按照长度划分为标准段和非标准段，标准段角钢每节长度11791mm，重量为708.6kg；上游非标准段角钢长度为7219mm，重量为433.9kg；下游非标准段角钢长度6164.6mm，重量为370.5kg。

角钢节段划分考虑现场加工误差及安装精度，相邻节段角钢现场预埋期间预留20mm的断缝，与侧边墙与中墙沉降缝交错布置，避免角钢断缝与拱桥直墙沉降缝位于同一断面位置。

图3  L200*20角钢节段划分示意图

表1 L200*20角钢节段划分表

钢波纹板与L200*20角钢连接同一断面开孔数量为2孔，螺栓孔直径为M24螺栓连接孔，相邻孔之间中心距离为381mm，为波纹板波距距离；边墙及中墙预埋地脚螺栓与角钢连接同一断面开孔数量为1孔，螺栓孔直径为M24螺栓连接孔，相邻孔之间中心距离为381mm。

图4 角钢预埋侧视图                      图5 角钢预埋正视图

图6 地脚螺栓图详图                            

图7 角钢截面图

角钢定位采用“U”型定位钢筋控制，每节标准段角钢设置3个“U”型定位筋，通过定位线控制“U”型筋顶面高程，通过水平尺控制“U”型筋顶面平整度，“U”型筋安装完成后复测其顶面高程和平面位置，偏差超过10mm及时调整。

角钢平面定位完成后焊接固定筋，以防平面偏位。一是角钢与“U”型筋点焊连接，并适当增设竖向限位钢筋与拱座主筋焊接连接；二是横桥向角钢断缝处焊接限位钢筋固定。

图8  U型定位筋安装图

4 波纹板拼装、吊装施工

拱桥波纹板吊装按管节形式吊装分为环向单片吊装及整环吊装两种，为保证施工人员安全、降低拼装误差，通过工艺优化采用5吨伸缩式龙门整环吊装。纵桥向波纹板采用3片波纹板搭接而成，纵向错缝搭接，场地内拼装由下向上拼装，轴向搭接宽度304mm，搭接部分上板覆盖下板。横桥向波纹板采用4倍的波距宽度1.524m搭接，连接孔对正后，用涂上润滑剂的螺栓套上垫圈由外向内插入孔位，遇波谷用凸垫圈，遇波峰时用凹垫圈。相邻波纹板采用定距电动扳手通过M24高强螺栓紧固，密封胶密封，外部喷涂沥青涂料，实现密闭防水。

为使钢混结构更好的连接，钢波纹板与拱圈混凝土连接采用剪力钉，剪力钉采用Q355低合金高强度20*400mm结构钢，采用自锚固U型垫片+平垫片通过高强度螺母与螺杆紧固自锁连接。为贴合紧密，与波纹结合处放置密封条，外部喷涂沥青涂料。拼装全部完成后用公称拧紧扭矩700—900N·m的定扭电动扳手依次序紧固所有螺栓，不得遗漏，保证波纹的重叠部分紧密地嵌套在一起。

表2 钢波纹板纵桥向节段划分统计表

图9钢波纹板纵桥向节段划分示意图

表3 钢波纹板起吊尺寸重量统计表

图10钢波纹板纵桥向整环吊装示意图

图11剪力钉示意图

图12波纹板横桥向纵桥向连接示意图

5 满堂支架施工

5.1 满堂支架优化

原设计满堂支架顶托顶面采用φ152钢管内嵌至波纹板波峰进行贴合，纵向间距3个波距设置一道（约1.14m），钢管与支架焊接连接。

表4 支架优化前支架配置表

考虑到φ152钢管现场实施难度较大且费用较高，经予优化，取消波峰处直φ152钢管，盘扣支架顶托直接顶在波纹板波谷处，顶托与波纹板衔贴合处采用楔形块处理，保证贴合密实。

表5 支架优化后支架配置表

优化后两座拱桥节省ф152×8mm钢管共8191.49米=3.14*10*166.59/1.14+3.14*8*163.51/1.14，约232.7吨=(152-8)*8*0.02466*8191.49；立杆最大弯曲应力从优化之前的211MPa变成233MPa，满足<300MPa的要求，立杆的最大挠度从优化之前的1.43mm变成1.899mm，满足<刚度的要求。

图13 支架优化前设计图                      图14 支架优化后设计图

5.2 满堂支架配置数量优化

满堂支架搭设前完成20cm砼铺砌施工，满足地基承载力要求。为考虑拱桥拱圈混凝土达到设计强度前波纹板不参与受力，拱圈浇筑前波纹板底部搭设满堂支架法。待拱圈混凝土达到设计强度的85%，拆除支架。通过将拱圈以标准段6m为单元，共划分为27个单元，通过配置2套、3套、4套盘扣支架进行功效分析，实现拱圈跳仓浇筑组织。拱圈浇筑完成后采用油压千斤顶顶升支架，立杆底部安装万向轮，万向轮丝杆插入立杆底部不小于150mm，保证每单元支架循环利用。

通过支架优化，既保证了拱圈混凝土未达到设计前波纹板不参与受力的情况，同时又减少了支架投入数量，具体功效分析如下表。

表6支架优化功效对比分析表

图15四套支架施工组织流程图

图16拱圈浇筑盘扣支架安装图17拱圈浇筑盘扣支架万向轮安装

6 拱圈施工

6.1 混凝土双掺优化

拱圈C40混凝土掺合料“单掺”变“双掺”，采用双掺（粉煤灰、矿粉）代替部分水泥，通过优化保证实体质量，提高和易性和耐久性前提下，降低水泥用量，降低成本。经配合比优化每方混凝土节省经济费用22.85元，拱圈C40混凝土共6464方，共节约费用147702.4元。

表7 C40配合比优化分析表

混凝土双掺不仅保证了混凝土良好的流动性，而且具有较低的泌水率，同时坍落度的损失率也不大，40min平均损失率仅为29.1%，切实改善混凝土的性能指标。

6.2 钢筋施工

拱圈单拱纵桥向钢筋为主要受力钢筋，环向采用直螺纹套筒连接。拱圈主筋预埋伸入拱座外直墙与中直墙50cm，钢筋预埋期间外直墙与中直墙同一拱圈同一根主筋位置偏差小于等于5mm，以免钢筋安装出现错位，影响拱圈浇筑后结构受力。拱圈相邻主筋连接部位应交错布置，考虑预埋钢筋搭接长度为35d，且不小于50cm，则预埋钢筋下料长度为1m及1.5m。内外层钢筋设环向限位钢筋，以确保内外层钢筋层距。

6.3 拱圈模板配置

考虑到拱圈为弧形双联拱，拱圈模板采用小节段组拼定型双联拱钢模板，外部安装附着式振动器，每3m预留一处浇筑孔，浇筑孔交错布置。每块模板长度0.3m，宽度1m，模板之间采用双面胶条密封，相邻模板采用高强度螺母进行固定，环向板缝增加背楞，横向每3m增加一道横撑。每次浇筑横桥向模板安装宽度为6米，模板端头设置拉杆孔对拉拉杆固定，外部斜撑每2米设置一道，采用φ89的钢管固定。

6.4 拱圈浇筑及砼养护

通过将拱圈以标准段6m为单元，共划分为27个单元，配置2套，3套、4套盘扣支架，待拱圈混凝土达到设计强度的85%后，采用顶升盘扣支架，底部安装万向轮牵引至下一浇筑单元，通过配置2套以上盘扣支架，实现拱圈跳槽浇筑组织，确保工期。

养护期间暗桥进出口洞口采用棉帘封闭，拱圈混凝土采取覆盖棉被、拌热带，下方无烟煤炉升温养护措施，降低混凝土水分流失，提高水化反应速度，提高功效。

7 沉降观测控制

7.1观测方法

暗埋式拱桥钢波纹板安装后，研究钢波纹板在受到外部荷载作用下的收敛变形值，在沿拱圈纵向设置五个观测点，每5m一个断面，侧墙和直墙以上0.5m各布置一点，2.5m各布设1个点，拱顶布设1个点，主要观测时间段为拱圈浇筑前、浇筑过程中、浇筑后、单元节段支架移除后、上部路基填筑期。

表8 监控量测项目及方法一览表

图18监控量测测点布置图

7.2观测数据分析及超偏差结果处理

将沉降观测点的每次测量数据进行记录，将第一次沉降观测点的测量数据作为观测点的基础数据，同时对观测数据进行分析，进而明确每期观测数据的准确性及合规性，随后进行数据计算与分析，这个环节主要是针对测量过程中的所有沉降量进行计算与分析，具体计算方式为此次观测点测量的高程结果与前一次观测点测量的高程结果之间的差值，随后对沉降量的计算方式进行累计，主要是将上次沉降量与此次测量的沉降量进行整合；绘制沉降量速率曲线，曲线绘制主要是针对测量结果与沉降量之间的对应关系的曲线进行绘制，以致于能够直观了解沉降变化的情况，从而及时发现问题、解决问题。

针对沉降量速率曲线分析如存在超偏差结果，如在拱圈混凝土浇筑前或浇筑后，应查明基础是否沉降，采取地基加固措施，如在拱圈混凝土浇筑过程中及上部路基填筑期，则改变浇筑及填筑碾压工艺，避免不对称浇筑、振动碾压导致偏压收敛变形。

8 验收

验收主要侧重钢波纹板产品规格验收、外观质量及拱圈结构物验收。主要钢波纹管材进场时，应在检查产品质量证明书的基础上，对其质量进行组批抽样检验。组批时，同一牌号、同一规格、同一制造工艺的产品，应以100个块件为一批，数量不足时也应为一批；抽样时，应将规格和用量最大的块件作为抽取对象，从每批产品中随机抽取一个块件进行检验。

表9 钢波纹板规格参数

表10 钢波纹板外观质量要求

表11  暗埋式钢混组合拱桥质量验收标准

9 技术研究的社会经济环保效益

钢波纹板桥结构具有强度高、 耐久性好、受力性能好、抗变形能力强、施工简便、 工期短、美观、建成后无需养护等工程特点，而且在对环境保护，改善软土、膨胀土、 湿陷性黄土等特殊地基结构物处的不均匀沉降， 减少桥头跳车、 涵顶跳车现象，以及降低工程造价等方面具有明显优势。

10技术研究的适用范围

暗埋式钢混组合拱桥因其特有的钢混增强结构，可增大环向刚度和抗弯强度，其结构自重轻，施工速度快，适用于大跨径、高填方、偏压大的沟道施工。

11 结语

本项目两座10m及8m跨径的波纹钢板钢混组合拱桥已竣工通车且运营一年多时间，根据定期监测结果显示无沉降变形、无冻胀破坏、无锈蚀腐蚀、结构处于安全稳定工作状态，未发生缺陷修补或维修维护。由于其具有明显的诸多优势和显著特点，特别适用于高寒地区公路中小桥、通道等工程的推广应用。

参考文献

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