CN104499413B - 模块化钢模‐混凝土组合拱桥及其悬索吊挂施工方法 - Google Patents

Abstract

一种桥梁建设技术领域的模块化钢模‐混凝土组合拱桥及其悬索吊挂施工方法，包括：带有现浇混凝土的组合拱圈以及设置于其上的垂直立柱、桥面梁和桥面板，该模块化组合拱圈为一道或多道拼装式钢拱构成，每道拼装式钢拱包括若干个在弧长方向上固定连接的模块化的钢模单元。所述钢模单元可以在工厂进行模块化生产，制作成本低廉且方便运输。本发明整体性能良好，钢模单元免去传统混凝土浇筑时大量的模板使用，也不需要在完工后拆除造成人工的耗费，可以满足跨度较大、施工刚度要求较高的组合拱圈，能够应对不同的跨度和刚度以及施工稳定性的要求。

Description

模块化钢模‐混凝土组合拱桥及其悬索吊挂施工方法

技术领域

本发明涉及的是一种桥梁建筑技术领域的方法，具体是一种模块化钢模‐混凝土组合拱桥及其悬索吊挂施工方法。

背景技术

中国的西南、西北的一些偏远地区，群山环绕，深谷陡峭，交通极为不便，严重地制约了当地经济的发展。限于条件,在此类偏远地区解决出行问题的方法，往往只能在深谷湍流之上悬挂钢滑索,并将之固定在崇山峻岭之间以作为交通工具。如2012年4月11日中国中央电视台《聚焦三农》节目报道的《被峡谷阻断的山庄》一文，介绍了在贵州省水城县营盘乡深达上百米的悬洞子大峡谷，将该乡红德村的两座大山切开，峡谷面壁陡峭近乎垂直，当地村民长期以来一直依赖一条简陋而危险的索道与外界交通，学生出村上学也只能通过悬索吊挂滑行。虽然载人滑索建造简单成本低廉,但载重有限,交通效率低下,更主要的是滑索载人极为不安全，一旦稍有不慎，便会造成人员伤亡。在这些地区，尽快架设桥梁已经成为当地居民生活、出行和工作的迫切问题。但由于地理条件过于恶劣，大型施工机械难以进入，建筑大构件运输也极为不便，如要在深达百米的深谷之上搭设脚手架和模板更是困难重重，常规的桥梁施工难度较大。解决偏远山区的出行问题，必须要考虑一种采用新的结构形式和施工技术的桥梁体系，能够满足以下条件：不必要采用大型施工设备和大型桥梁构件，建筑材料能够以小块分散的形式以方便山区运输、成桥成本低廉、结构耐久性好。

在诸多的桥梁结构体系中,拱桥具有独特的受力特性,其在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件,桥体自身的所受的弯矩较小,拱圈又可以固定在山谷的岩石上,是深谷地区一种比较经济合理的桥梁结构形式。

经对现有专利文献的检索发现，中国专利公开号CN101054791，公开日2007年10月17日，公开了一种桁式索拱桥结构及施工方法，该技术的下弦主拱圈是由多根内注砼的拱形钢管或钢箱组成砼桁式主拱圈，钢管砼立柱垂直紧固在下弦主拱圈的下结点上，钢管砼立柱上端紧固在上弦行车道梁的上结点上，装有可调锚夹的斜拉索的两端分别锚固在上结点和与其相邻的钢管砼立柱的下结点上。其施工方法是先从两岸桥台利用带可调锚夹的斜拉索吊装第一单元的砼桁式主拱圈、钢管立柱和行车道梁，把它们组装成一体；再吊装第二单元，依此类推，直到拱桥合拢后再从下端向每根拱形钢管或钢箱桁架中灌注混凝土；成桥后，调节各结点的斜拉索，力求使全拱受力均匀。该发明能综合发挥高强度钢索、钢材和砼等多种材料协同组合、优势互补的特点，适于山区V型山谷大跨径建桥。但该技术的主拱圈和钢管砼立柱构件单体自重较大，尚需要大型的施工机械进行吊装，在交通运输不便的地方，构件和施工机械的运输难度较大。

中国专利文献号CN103422423A公开(公告)日:2013.12.04，公开了一种节段式模块化快速组拼桥,其包含跳板桥节和标准桥节,其中跳板桥节,包括顶板、腹板、底板、承压互锁端板及阴阳头连接耳板；标准桥节，包括顶板、腹板、底板、承压互锁端板及阴阳头连接耳板；跳板桥节和标准桥节由承压互锁端板、阴阳头连接耳板与承压互锁端板、阴阳头连接耳板固定连接；标准桥节之间由承压互锁端板和阴阳头连接耳板固定连接；每两幅组拼桥之间通过横向连接臂固定连接。但该只能作为战时的临时桥梁使用，不适于永久性桥梁结构；且只适用于平原地区的河流之上架设，不适于应用于深山峡谷区域架设。

发明内容

本发明针对现有山区深谷桥梁施工技术中存在的不足和缺陷，提出一种模块化钢模‐混凝土组合拱桥及其悬索吊挂施工方法，模块化钢模单元可以在工厂进行模块化生产，制作成本低廉且方便运输。本发明整体性能良好，钢模单元免去传统混凝土浇筑时大量的模板使用，也不需要在完工后拆除造成人工的耗费，可以满足跨度较大、施工刚度要求较高的组合拱圈，能够应对不同的跨度和刚度以及施工稳定性的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于拱桥的模块化组合拱圈，具体为一道或多道拼装式钢拱构成，每道拼装式钢拱包括若干个在弧长方向上固定连接的模块化的钢模单元。

所述的钢模单元包括：底板、底板两侧的侧板和多道与拱轴线垂直相交的竖向横隔板。

所述的钢模单元之间沿拱轴线方向通过上下两片连接板实现连接，该连接板的在沿宽度方向的剖面形状与钢模单元边缘轮廓相同；其中，上连接板在钢模单元的拼缝位置还设有一道竖向横隔板，该横隔板与上连接板焊接或铆钉连接，以增强连接后钢拱在拼缝位置的刚度；上下连接板及与之相连的钢模单元的底板和侧板的对应位置上均设有连接螺栓孔，并通过螺栓连接。

本发明涉及一种模块化钢模‐混凝土组合拱桥，包括：带有现浇混凝土的组合拱圈以及设置于其上的垂直立柱、桥面梁和桥面板。

根据设计要求，拱圈内可以配置沿拱轴方向连续钢筋和垂直拱轴方向水平钢筋。

本发明涉及上述模块化钢模‐混凝土组合拱桥的悬索吊挂施工方法，包括如下步骤：

1)在施工现场，将钢模单元逐个沿拱轴线在拼缝处用连接板和螺栓连接形成拼装式钢拱；

2)利用深谷上部架设的悬索将拼装式钢拱运送至拱桥架设位置并定位，再将悬索与拼装式钢拱上多点通过钢索悬挂固定。

3)在钢拱上布置增强钢筋。

4)通过悬索运输现浇混凝土，并在拼装式钢拱的上部分层浇筑混凝土，形成一道组合拱圈；

5)按照步骤2‐3在第一道组合拱圈的两侧加装弧形钢梁和由钢模单元组装形成新的钢拱，通过预埋在已经浇筑混凝土的组合拱圈侧板上的螺栓与拱梁腹板及钢拱侧板连接形成一体，然后在两侧钢拱上分层浇筑混凝土。根据拱桥设计宽度确定的拱圈道数，逐道依此方法拼装钢梁和钢拱并浇筑混凝土，直至拱圈宽度达到拱桥设计宽度。

6)在拱圈上部架设垂直立柱和桥面梁、板，形成拱桥。

本发明涉及一种模块化钢模‐混凝土组合拱桥的悬索吊挂施工方法，包括如下步骤：

1)在施工现场，将钢模单元逐个沿拱轴线在拼缝处用连接板和螺栓连接形成拼装式钢拱；

2)利用深谷上部架设的悬索将拼装式钢拱运送至拱桥架设位置并定位，再将悬索与拼装式钢拱上多点通过钢索悬挂固定；

3)在钢拱上布置增强钢筋；

4)通过悬索运输现浇混凝土，并在拼装式钢拱的上部分层浇筑混凝土，形成一道组合拱圈；

5)按照步骤2‐3在第一道组合拱圈的两侧加装弧形钢梁和由钢模单元组装形成新的钢拱，通过预埋在已经浇筑混凝土的组合拱圈侧板上的螺栓与拱梁腹板及钢拱侧板连接形成一体，然后在两侧钢拱上分层浇筑混凝土；根据拱桥设计宽度确定的拱圈道数，逐道依此方法拼装钢梁和钢拱并浇筑混凝土，直至拱圈宽度达到拱桥设计宽度；

6)在拱圈上部架设垂直立柱和桥面梁、板，形成拱桥；

所述的底板的长度方向的剖面为弧面，该剖面的中心线，即拱轴线为圆弧、悬链线或抛物线；底板的宽度方向的剖面为凹凸、波纹或平直线结构；

所述的侧板和底板为一体化结构，通过机械冲压或弯折成型。

所述的竖向横隔板为等间距设置；横隔板上设有一道或多道用于预埋在混凝土中的螺栓或铆钉，用于增加钢模单元与混凝土的连接，使组合拱的整体性加强。

所述的钢模单元之间沿拱轴线方向通过两片连接板实现连接，该连接板的宽度方向的剖面形状与钢模单元相同，其中：上连接板在钢模单元的拼缝位置设有一道横隔板，横隔板与上连接板焊接或铆钉连接，以增强连接后钢拱在拼缝位置的刚度，连接板及与之相连的底板和侧板的对应位置上均设有连接螺栓孔，并通过螺栓连接。

所述的钢模单元的长度在0.5m～50m，宽度在0.5m～3m，钢模单元剖面形状为压型钢板，底板有一定的弧度，其弧度曲线为圆弧线、抛物线或悬链线。

所述的钢模单元，垂直其轴线方向设有多道竖向横隔板，横隔板采用0.5～5mm钢板，横隔板间距为0.5m～3m，横隔板与钢模单元的侧板、底板或底板的上槽面钢板焊接或铆钉连接，横隔板上布置一排或多排螺栓，以增加横隔板与混凝土的粘结。

每道钢拱之间设有用于刚度的弧形钢拱梁，该钢拱梁的截面形状采用工字型截面，钢拱梁的腹板与两侧钢模单元的侧板通过螺栓连接。

所述的垂直立柱、桥面梁和桥面板采用现浇施工或采用预制构件在现场安装。

所述的现浇混凝土是指：根据施工条件，采用每道钢拱各自独立分道浇筑新鲜混凝土，每道钢拱分层浇筑，其中：分道和分层浇筑钢拱上混凝土可以使悬索承受较小的混凝土自重和施工荷载。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)钢模单元可以在工厂进行模块化生产，钢模单元形状完全可以按照设计的拱桥拱圈轴线要求制作，单元的几何尺寸精准，减少了现场施工误差。模块化生产钢模单元，使制作钢模单元的模具可以多次重复利用，一座拱桥可以做到只采用一种规格的钢模单元，其制作成本低廉。

2)钢模单元采用薄壁钢板制作，质量轻巧，方便采用悬索吊装；每个钢模单元的长度可以根据运输条件决定，方便于从工厂运输到山区工地；

3)钢模单元底板横断面可以为凹凸型、波纹型或水平直线型，两侧设有侧板，之间布置多道竖向横隔板，长短方向的刚度均较大，整体性能良好，在运输和安装过程不易产生变形；

4)在浇筑混凝土时，钢模单元起到混凝土施工模板的作用；而一旦混凝土凝固后，则作为受力的增强材料而提高承载力。钢模单元的一物两用，免去了传统混凝土浇筑时大量的模板使用，在完工后也不需要拆除避免了造成人工和材料的浪费；

5)钢模单元之间依次沿拱轴线方向在拼缝处采用连接板和螺栓连接，形成大跨度的拼装式钢拱，连接性能较好，也免除了焊接工艺，方便山区施工；

6)多道拼装式的钢拱，在侧板上连接，形成符合设计宽度要求的拱桥，施工简单而且均为模块化，可以根据拱宽要求选择钢拱数量。

7)相邻两道拼装式的钢拱在钢模侧板之间可优选地增设钢梁，钢梁腹板与两侧的钢模侧板通过螺栓连接，可以满足跨度较大、施工刚度要求较高的组合拱圈，能够应对不同的跨度和刚度以及施工稳定性的要求。

8)拼装式的钢拱由上部的悬索吊挂安装就位，不需要设置脚手架，解决了深谷地区脚手架安装的困难，免除了脚手架成本，经济性明显。

9)采用悬索运输现浇混凝土，可以做到少批量连续运送混凝土的要求，避免了大跨度桥梁施工运送混凝土需要设置的塔架和泵送设备，比较符合山区施工。由于悬索安装比较方便，甚至可以采用当地已有的滑索改造为施工用，可以大大降低施工成本。

10)由于钢模单元在拱圈内长期存在，混凝土浇筑可以分层分批进行，可以等下层混凝土形成拱后与钢模共同作为上层新鲜混凝土的承重体系，这样使悬索不需要承受较大的施工荷载，可以采用较小直径的悬索就满足施工较大跨度拱桥的要求。

11)采用悬索吊挂施工的模块化钢模‐混凝土组合拱桥及施工技术，能够应对崇山深谷地区交通不便、设备和材料运输困难，而需要建设大跨度和永久性桥梁的矛盾，为偏远地区的快速交通建设提供了一种技术和方法。与传统的桥梁结构和施工方法比较，由于采用了轻型的模块化的钢模单元，该方法不需要大量的脚手架和施工模板，施工简易且施工速度较快，结构整体性较好，经济性明显。

附图说明

图1为模块化钢模‐混凝土组合拱桥结构示意图；

图2为拱桥悬索吊挂施工示意图；

图3为钢模单元示意图；

图4为未增强的组合拱圈横截面示意图；

图5为弧形钢拱梁增强的组合拱圈横截面示意图；

图6为钢模单元连接示意图；

图7为钢模单元的凹凸形横截面示意图；

图8为钢模单元的波纹形横截面示意图；

图9为钢模单元的水平直线形横截面示意图；

图中：1组合拱圈、2桥面梁及桥面板、3柱、4悬索、5钢模单元、6吊索、7拼装式钢拱、8钢模单元侧板，9横隔板、10钢模单元底板、11螺栓孔、12吊耳、13吊索、14分层现浇混凝土、15螺栓、16弧形钢拱梁、17内连接板、18外连接板、19底板连接螺栓/铆钉，20侧板连接螺栓。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例应用环境为一山区人行小桥，净跨30m，矢高为5m。设计荷载为人行荷载3.5kPa。本实施例组合拱桥包括：带有现浇混凝土14的模块化组合拱圈1以及设置于其上的垂直立柱3、桥面梁和桥面板2。

所述的模块化组合拱圈1，具体为五道拼装式钢拱7构成，每道拼装式钢拱7包括七个在弧长方向上固定连接的模块化的钢模单元5。

所述的钢模单元5经机械冲压、弯折和焊(铆)接加工形成，包括：底板10、底板两侧的侧板8和多道与拱轴线垂直相交的竖向横隔板9。

所述的底板10的沿长度方向的剖面为弧面，该剖面的中心线(即拱轴线)可以为圆弧、悬链线或抛物线；底板10的沿宽度方向的剖面为凹凸、波纹或平直线结构。

所述的侧板8和底板10也可以是一体化结构，通过机械冲压或弯折成型。

所述的竖向横隔板9为等间距设置，以保证钢模单元5在运输和安装过程中有足够的整体刚度，不易产生变形；在浇筑混凝土时，又能在施工时起到防止新鲜混凝土沿着拱轴线弧形自高向下滑落的作用。

所述的横隔板9上设有一道或多道用于预埋在混凝土中的螺栓15或铆钉，用于增加钢模单元5与混凝土的连接，使组合拱的整体性加强。

所述的横隔板9与钢模单元5的底板10和侧板8采用焊接连接或铆钉连接。

所述的钢模单元5之间沿拱轴线方向通过上下两片连接板16实现连接，该连接板16的在沿宽度方向的剖面形状与钢模单元5边缘轮廓相同；其中，上连接板16在钢模单元5的拼缝位置还设有一道竖向横隔板9，该横隔板9与上连接板16焊接或铆钉连接，以增强连接后钢拱7在拼缝位置的刚度；上下连接板16及与之相连的钢模单元5的底板10和侧板8的对应位置上均设有连接螺栓15孔11，并通过螺栓15连接。

所述的底板10上可采用焊接销钉以增强钢模单元5与混凝土的连接。

每道钢拱7之间可地嵌固有用于增强施工时刚度的弧形钢梁，该钢梁的截面形状可采用工字型截面，钢拱7梁的腹板与两侧钢模单元5的侧板8通过螺栓15连接。

所述的垂直立柱3、桥面梁和桥面板2可以采用现浇施工，也可以采用预制构件在现场安装。

所述的现浇混凝土14是指：根据施工条件，采用每道钢拱7各自独立分道浇筑新鲜混凝土，每道钢拱7可以分层浇筑，其中：分道和分层浇筑钢拱7上混凝土可以使悬索4承受较小的混凝土自重和施工荷载。

由于钢模单元5根据施工条件采用较薄钢板制成且有螺栓15节点，在施工时强度和稳定性较低，可地采用分层浇筑混凝土的方法，当下层混凝土凝结后与钢模形成组合拱，能够承受上部混凝土施工荷载后再浇筑上层混凝土。

分道浇筑混凝土，可以使先浇筑的前道组合拱为后浇筑的组合拱提供水平和竖向支承作用，使施工安全性得到提高。

根据设计要求，拱圈内可以配置沿拱轴方向连续钢筋和垂直拱轴方向水平钢筋。

本实施例涉及上述模块化钢模‐混凝土组合拱桥的悬索4吊挂施工方法，包括如下步骤：

1)在施工现场，将钢模单元5逐个沿拱轴线在拼缝处用连接板16和螺栓15连接形成拼装式钢拱7；

2)利用深谷上部架设的悬索4将拼装式钢拱7运送至拱桥架设位置并定位，再将悬索4与拼装式钢拱7上多点通过钢索悬挂固定。

3)在钢拱7上布置增强钢筋。

4)通过悬索4运输现浇混凝土14，并在拼装式钢拱7的上部分层浇筑混凝土，形成一道组合拱圈1；

5)按照步骤2‐3在第一道组合拱圈1的两侧加装弧形钢梁和由钢模单元5组装形成新的钢拱7，通过预埋在已经浇筑混凝土的组合拱圈1侧板8上的螺栓15与拱梁腹板及钢拱7侧板8连接形成一体，然后在两侧钢拱7上分层浇筑混凝土。根据拱桥设计宽度确定的拱圈道数，逐道依此方法拼装钢梁和钢拱7并浇筑混凝土，直至拱圈宽度达到拱桥设计宽度。

6)在拱圈上部架设垂直立柱3和桥面梁、板，形成拱桥。

本实施例施工后的桥面宽度5m，主拱圈为等截面抛物线无铰拱，拱圈厚0.4m。采用钢模‐混凝土组合拱形式，混凝土强度为C30。主拱圈共5道，每道宽1m，每道钢拱由7个钢模单元通过螺栓拼接组成，该工程共计采用了35个钢模单元。

实施例2

本实施例应用环境为一山区公路中型拱桥，净跨50m，矢跨比1/6。设计荷载为公路‐II级。采用与实施例1相似方式，本实施例施工后的桥面全宽12m，主拱圈为等截面悬链线无铰拱，拱圈厚0.8m，采用钢模‐混凝土组合拱形式。主拱圈共8道，每道宽15m，每道拱圈由15个钢模单元组成。

实施例3

本实施例应用环境为一山区公路大型拱桥，净跨112m，矢跨比1/5.3。设计荷载为公路‐II级。采用与实施例1相似方式，本实施例施工后的桥面全宽20m，主拱圈为变截面悬链线无铰拱，拱顶截面厚度为0.8m，拱脚截面厚度为1.5m。采用钢模‐混凝土组合拱形式。主拱圈共10道，每道宽2m，每道拱圈由30个钢模单元组成。

Claims (8)

1.一种模块化钢模-混凝土组合拱桥的悬索吊挂施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在施工现场，将钢模单元逐个沿拱轴线在拼缝处用连接板和螺栓连接形成拼装式钢拱；

2)利用深谷上部架设的悬索将拼装式钢拱运送至拱桥架设位置并定位，再将悬索与拼装式钢拱上多点通过钢索悬挂固定；

3)在钢拱上布置增强钢筋；

4)通过悬索运输现浇混凝土，并在拼装式钢拱的上部分层浇筑混凝土，形成一道组合拱圈；

5)按照步骤2-3在第一道组合拱圈的两侧加装弧形钢梁和由钢模单元组装形成新的钢拱，通过预埋在已经浇筑混凝土的组合拱圈侧板上的螺栓与拱梁腹板及钢拱侧板连接形成一体，然后在两侧钢拱上分层浇筑混凝土；根据拱桥设计宽度确定的拱圈道数，逐道依此方法拼装钢梁和钢拱并浇筑混凝土，直至拱圈宽度达到拱桥设计宽度；

6)在拱圈上部架设垂直立柱和桥面梁、板，形成拱桥；

所述的模块化钢模-混凝土组合拱桥包括：带有现浇混凝土的组合拱圈以及设置于其上的垂直立柱、桥面梁和桥面板，该组合拱圈具体为一道或多道拼装式钢拱构成，每道拼装式钢拱包括若干个在弧长方向上固定连接的模块化的钢模单元；

所述的钢模单元包括：底板、底板两侧的侧板和多道垂直拱轴线的竖向横隔板。

2.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的底板的长度方向的剖面为弧面，该剖面的中心线，即拱轴线为圆弧、悬链线或抛物线；底板的宽度方向的剖面为凹凸或平直线结构；

所述的侧板和底板为一体化结构，通过机械冲压或弯折成型。

3.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的竖向横隔板为等间距设置；横隔板上设有一道或多道用于预埋在混凝土中的螺栓或铆钉，用于增加钢模单元与混凝土的连接，使组合拱的整体性加强。

4.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的钢模单元之间沿拱轴线方向通过两片连接板实现连接，该连接板的宽度方向的剖面形状与钢模单元相同，其中：上连接板在钢模单元的拼缝位置设有一道横隔板，横隔板与上连接板焊接或铆钉连接，以增强连接后钢拱在拼缝位置的刚度，连接板及与之相连的底板和侧板的对应位置上均设有连接螺栓孔，并通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的钢模单元，垂直其轴线方向设有多道竖向横隔板，横隔板采用0.5~5mm钢板，横隔板间距为0.5m~3m，横隔板与钢模单元的侧板、底板或底板的上槽面钢板焊接或铆钉连接，横隔板上布置一排或多排螺栓，以增加横隔板与混凝土的粘结。

6.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，每道钢拱之间设有用于刚度的弧形钢拱梁，该钢拱梁的截面形状采用工字型截面，钢拱梁的腹板与两侧钢模单元的侧板通过螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的垂直立柱、桥面梁和桥面板采用现浇施工或采用预制构件在现场安装。

8.根据权利要求1所述的悬索吊挂施工方法，其特征是，所述的现浇混凝土是指：根据施工条件，采用每道钢拱各自独立分道浇筑新鲜混凝土，每道钢拱分层浇筑，其中：分道和分层浇筑钢拱上混凝土可以使悬索承受较小的混凝土自重和施工荷载。