CN105926444B - 一种混凝土拱桥成拱方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土拱桥成拱方法，能够适用于大体量混凝土铁路大跨拱桥，在不增加主拱圈断面尺寸的情况下有效降低主拱圈先期浇筑部位外包混凝土的压应力，使拱圈受力更为均匀，满足相关规范的要求。混凝土拱桥包括钢管混凝土劲性骨架和外包拱圈混凝土结构，所述外包拱圈混凝土结构的边箱底板浇筑完成后，选定拱脚一定范围首先形成全断面外包拱圈混凝土结构，由此造成的对主拱圈的不平衡加载通过张拉一定数量的拱脚全断面外包节段扣索，拱脚全断面外包节段背索进行调整，并在外包拱圈混凝土结构的边箱混凝土断面全部形成后进行拆除。

Description

一种混凝土拱桥成拱方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种混凝土拱桥成拱方法。

背景技术

随着我国近些年高速铁路的飞速发展，跨越山区峡谷地形的高速铁路大跨度桥梁必然大量涌现，而混凝土拱桥作为一种常用的桥型，不但具有较大的跨越能力，而且整体刚度大、温度变形小，能很好的与峡谷地形相结合，成为了高速铁路跨越峡谷地形的主要桥型。在建的沪昆客专北盘江特大桥(主跨445m)、云桂铁路南盘江特大桥(主跨416m)、渝黔铁路夜郎河特大桥(主跨370m)均为混凝土拱桥。

目前，修建大跨度混凝土拱桥的常用方法为钢管混凝土劲性骨架法，该方法为先期形成钢管混凝土拱，再依托先期形成的钢管混凝土拱，分部浇筑断面混凝土逐步形成主拱圈。我国1997年建成的万县长江大桥，为主跨420米混凝土拱桥，即采用了钢管混凝土劲性骨架法成拱，并保持世界第一跨纪录达20年。该桥的建成也使得劲性骨架法成拱技术跨上了一个新的台阶。

但是，本申请的发明人发现，万县长江大桥所采用的传统的成拱方法依然存在着不足，由于在外包混凝土浇筑过程中缺乏对拱圈混凝土应力及时调整的有效手段。特别是在修建体量更大的大跨度混凝土铁路拱桥时，混凝土浇筑体量将成倍增加(如建成的主跨420m万县公路长江桥其主拱混凝土方量为：11000方，在建的主跨445m沪昆客专北盘江特大桥其主拱圈方量为：28000方)，拱脚先期浇筑的底板应力峰值太大，拱脚段外包混凝土应力控制就显得尤为重要。

因此，需找到一种有效的成拱方法，对拱圈外包混凝土的应力峰值进行调整和控制。

发明内容

本发明将提供一种混凝土拱桥成拱方法，能够适用于大体量混凝土铁路大跨拱桥，在不增加主拱圈断面尺寸的情况下有效降低主拱圈先期浇筑部位外包混凝土的压应力，使拱圈受力更为均匀，满足相关规范的要求。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的一种混凝土拱桥成拱方法，混凝土拱桥包括钢管混凝土劲性骨架和外包拱圈混凝土结构，其特征是：所述外包拱圈混凝土结构的边箱底板浇筑完成后，选定拱脚一定范围首先形成全断面外包拱圈混凝土结构，由此造成的对主拱圈的不平衡加载通过张拉一定数量的拱脚全断面外包节段扣索、拱脚全断面外包节段背索进行调整，并在外包拱圈混凝土结构的边箱混凝土断面全部形成后进行拆除；所述外包拱圈混凝土结构在断面上由边箱底板、中箱底板、腹板、边箱顶板、中箱顶板构成，分环分节段成拱；依次包括下述步骤：

①利用劲性骨架架设扣索和背索、钢结构扣塔，自拱脚至拱顶逐段悬臂拼装拱圈劲性骨架节段直至合龙，形成钢管劲性骨架；

②拆除劲性骨架架设扣索和背索、交界墩顶钢扣塔，向钢管劲性骨架内压注管内混凝土，形成钢管混凝土劲性骨架；

③依托钢管混凝土劲性骨架，立模分多个工作面对称同步浇筑主拱圈边箱底板各节段混凝土直至合龙，并将拱脚需先期形成的全断面浇筑节段的中箱底板混凝土与相应的边箱底板一起浇筑；

④依托钢管混凝土劲性骨架和先期浇筑的混凝土，由拱脚对称同步逐节段外包拱脚全断面段的腹板，边箱顶板、中箱顶板混凝土，每个节段浇筑完成强度、弹模达到要求时，张拉相应拱脚全断面外包节段扣索、拱脚全断面外包节段背索；

⑤依托钢管混凝土劲性骨和先期浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称浇筑拱圈剩余节段腹板混凝土直至合龙；

⑥依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶剩余节段边箱顶板混凝土直至合龙；

⑦从拱顶至拱脚依次拆除拱脚全断面外包节段扣索、拱脚全断面外包节段背索；

⑧依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称同步浇筑拱圈拱顶剩余节段中箱底板混凝土直至合龙；

⑨依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶段中箱顶板混凝土直至合龙，主拱圈施工完成。

本发明的有益效果是，在修建大跨度混凝土拱桥时，在主拱圈混凝土应力峰值段首先形成拱圈全断面，增加其先期受力的混凝土的断面面积，并采用斜拉扣索来平衡主拱受力，从而在不增加拱圈断面尺寸及圬工方量的基础上，有效降低拱脚段外包混凝土的应力峰值，使拱圈受力更为均匀，并节省圬工、降低造价；主拱圈拱脚全断面混凝土外包段的斜拉扣索以主拱两侧交界墩作为扣塔，其孔道及锚固齿块可与劲性骨架安装阶段的扣索锚固统一考虑，操作简单，既方便施工又节省材料、降低造价；在主拱先期形成全断面后，其顶面可以搭建钢结构平台，并作为拱圈作业临时的存料、倒料平台，加快拱圈的材料的倒运，提高缆索吊机的使用效率，加快拱圈的施工，节省拱圈施工时间，节省工费。

附图说明

本说明书包括如下八幅附图：

图1是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈劲性骨架架设的结构立面图；

图2是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈劲性骨架架设的结构俯视图；

图3是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈劲性骨断面结构示意图

图4是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈断面分环形成的流程步骤示意图

图5是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈边箱底板浇筑的拱圈立面结构示意图

图6是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈拱脚全断面浇筑的拱圈立面结构示意图

图7是本发明一种混凝土拱桥成拱方法中拱圈剩余腹板和边箱顶板浇筑的拱圈立面结构示意图

图8是本发明一种劲性骨架混凝土拱桥成拱方法中拱圈剩余腹板和边箱顶板浇筑拱圈立面结构示意图

图中示出构件名称和相应的标记：劲性骨架钢管1，劲性骨架架设扣索和背索2，交界墩3，钢结构扣塔31，钢管劲性骨架4，边箱底板5，中箱底板6，腹板7，边箱顶板8，中箱顶板9，拱脚全断面外包节段扣索10，拱脚全断面外包节段背索11，工作面一A1，工作面二A2，工作面A3。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

参照图1至图8，本发明的一种混凝土拱桥成拱方法，混凝土拱桥包括钢管混凝土劲性骨架和外包拱圈混凝土结构。所述外包拱圈混凝土结构的边箱底板5浇筑完成后，选定拱脚一定范围首先形成全断面外包拱圈混凝土结构，由此造成的对主拱圈的不平衡加载通过张拉一定数量的拱脚全断面外包节段扣索10、拱脚全断面外包节段背索11进行调整，并在外包拱圈混凝土结构的边箱混凝土断面全部形成后进行拆除。在外包拱圈混凝土结构应力峰值段首先形成拱圈全断面，增加其先期受力的混凝土的断面面积，并采用斜拉扣索来平衡主拱受力，从而在不增加拱圈断面尺寸及圬工方量的基础上，有效降低拱圈外包混凝土的应力峰值，节省圬工、降低造价。

在本说明书的附图中，外包拱圈混凝土结构断面为单箱三室，其断面共分为边箱底板5、中箱底板6、腹板7、边箱顶板8、中箱顶板9五部分构成，分环分节段成拱。但本发明的一种混凝土拱桥成拱方法并不仅局限于上述的拱圈断面形式及分环、分段方式，凡采用在拱圈应力峰值范围先期形成全断面结构，并采用拱脚全断面外包节段扣索10，拱脚全断面外包节段背索11辅助主拱平衡受力，并在后续拱圈施工的某个阶段将扣索进行拆除的成拱方法均应涵盖在本发明专利权利要求范围当中。

本发明的一种混凝土拱桥成拱方法，依次包括下述步骤：

①参照图1、图2，利用劲性骨架架设扣索和背索2、钢结构扣塔31，自拱脚至拱顶逐段悬臂拼装拱圈劲性骨架节段直至合龙，形成钢管劲性骨架4。参照图3，拱圈劲性骨架节段为钢管桁架节段。参照图1，在拱圈两侧的交界墩3墩顶搭设钢结构扣塔31，吊装拱圈劲性骨架节段的同时张拉相应的劲性骨架架设扣索和背索2。

②拆除劲性骨架架设扣索和背索2、交界墩顶钢扣塔31，向钢管劲性骨架4内压注管内混凝土，形成钢管混凝土劲性骨架。

③依托钢管混凝土劲性骨架，立模分多个工作面对称同步浇筑主拱圈边箱底板5各节段混凝土直至合龙，并将拱脚需先期形成的全断面浇筑节段的中箱底板6混凝土与相应的边箱底板5一起浇筑。该步骤拱圈立面示意见图4所示，拱圈断面见图4中Ⅰ断面示意。

④依托钢管混凝土劲性骨架和先期浇筑的混凝土，由拱脚对称同步逐节段外包拱脚全断面段的腹板7，边箱顶板8、中箱顶板9混凝土，每个节段浇筑完成强度、弹模达到要求时，张拉相应拱脚全断面外包节段扣索10、拱脚全断面外包节段背索11。该步骤拱圈立面示意见图4所示，拱圈断面见图4中Ⅱ断面示意。

⑤依托钢管混凝土劲性骨和先期浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称浇筑拱圈剩余节段腹板7混凝土直至合龙。该步骤拱圈断面见图4中Ⅲ断面示意。

⑥依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶剩余节段边箱顶板8混凝土直至合龙。该步骤拱圈立面示意见图7所示，拱圈断面见图4中Ⅳ断面示意。

⑦从拱顶至拱脚依次拆除拱脚全断面外包节段扣索10、拱脚全断面外包节段背索11。该步骤拱圈断面见图4中Ⅴ断面示意。

⑧依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称同步浇筑拱圈拱顶剩余节段中箱底板6混凝土直至合龙。该步骤拱圈立面示意见图8所示。

⑨依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶段中箱顶板9混凝土直至合龙，主拱圈施工完成。该步骤拱圈断面见图4中Ⅵ断面示意。

劲性骨架钢结构杆件在工厂内加工，以散件运输至拼装场，在拼装场进行节段组拼和节段预拼装。拱圈劲性骨架节段采用缆索空中运输，斜拉扣挂悬臂拼装进行架设。拱圈劲性骨架节段长度12m左右，每个节段分为上、下游拱肋和横向联接系三部分3次吊装成型。为加速劲性骨架合龙，可将部分横向联接系在主拱肋合龙后，进行安装，缩短主拱肋悬臂状态的时间，降低施工风险；也可在管内混凝土顶升完成后进行安装，可有效降低骨架钢管的安装应力，对劲性骨架受力有利。

本发明的一种混凝土拱桥成拱方法最显著的特点是，在边箱底板5浇筑完成后，选定拱脚一定范围首先形成拱圈全断面，由此造成的对主拱圈的不平衡加载通过张拉一定数量的拱脚全断面外包节段扣索10，拱脚全断面外包节段背索11进行调整，并在拱圈边箱混凝土断面全部形成后(步骤⑦)进行拆除，也可根据主拱圈受力情况，在步骤⑧或步骤⑨完成后进行拆除。此方法显著的效果是在主拱圈混凝土应力峰值段首先形成拱圈全断面，增加其先期受力的混凝土的断面面积，并采用斜拉扣索来平衡主拱受力，从而在不增加拱圈断面尺寸及圬工方量的基础上，有效降低拱圈外包混凝土的应力峰值，节省圬工、降低造价。

在本说明书及其附图中，拱圈断面为单箱三室，其断面共分为：边箱底板5，中箱底板6，腹板7，边箱顶板8，中箱顶板9五部分，分环分节段成拱。但本发明的一种混凝土拱桥成拱方法并不仅局限于上述的拱圈断面形式及分环、分段方式，凡采用在拱圈应力峰值范围先期形成全断面结构，并采用拱脚全断面外包节段扣索10，拱脚全断面外包节段背索11辅助主拱平衡受力，并在后续拱圈施工的某个阶段将扣索进行拆除的成拱方法均应涵盖在本发明专利权利要求范围当中。

浇筑工作面的划分，应根据理论计算并综合考虑现场的施工设备和混凝土供应能力进行确定，常采用6个工作面和8个工作面，且各工作面浇筑节段数相同。各节段的浇筑时间要求为，上个节段浇筑完成并达到设计强度80％，弹性模量达到设计值的95％时，方可进行下个节段的浇筑。每个工作面的浇筑节段数由拱圈混凝土的浇筑体量和理论计算得到，浇筑的节段数越多，拱圈受力相对均匀，但工期更长。因此节段数的划分，需结合拱圈混凝土受力、施工工期、现场的混凝土供应能力等因素综合进行考虑。

在步骤④中，拱脚全断面浇筑段的长度由理论计算进行选定，根据理论计算的结果选定拱脚混凝土应力峰值及需调整的范围，并与步骤③中的中箱底板6先期浇筑的长度相同。拱脚全断面外包节段扣索10，拱脚全断面外包节段背索11锚固端位于已浇筑的全断面混凝土节段的底板底部，张拉端位于交界墩内。其束数、张拉力，根据所浇筑混凝土的体量，以主拱圈平衡受力为原则，由理论计算确定。拱脚全断面外包节段扣索10采用交界墩3作为扣塔，既方便又节省材料、降低造价。

步骤⑤中，所述拱圈剩余节段腹板7可根据主拱圈的受力情况，拆分为下腹板和上腹板，分两环分别进行合龙。如此，增加了主拱圈断面的分环次数，使主拱圈受力更为均匀，但会增加主拱圈总的施工的时间。

以沪昆客专北盘江特大桥为例，该桥为主跨445m的上承式混凝土拱桥，建成后为世界第一大跨混凝土拱桥，设计时速为350km/h。主桥拱圈拱轴线采用悬链线，跨度445m，矢高100m，矢跨比1/4.45，拱轴系数采用1.6；拱圈为单箱三室、等高、变宽箱型截面，拱圈高度9.0m，拱圈中间315m范围为18m等宽，拱脚65m范围为28～18m线性变宽，主拱圈外包混凝土采用C60混凝土，圬工方量为约28000方。如采用现有的成拱技术，则拱脚底板混凝土峰值区域在主力作用下最大压应力达21.3Mpa，超过规范的允许应力值20Mpa,不满足规范的要求。在现有的成拱技术上，可以采用调整主拱圈的高度或者板厚的方法来降低压应力。如增加拱圈高度，则劲性骨架的桁架高度也需相应增加，混凝土圬工、钢筋、模板用量均需相应增加，同时主拱圈加高将严重影响桥梁的美观，使拱桥变得笨拙。经测算，主拱高度增加0.8m左右，主拱应力能够满足受力要求，则主拱圬工增加1280方左右。由于主拱圈的自重作用下应力占总应力的70％左右，如采用增加板厚的方法，将使得主拱进入恶性循环，为削减拱脚应力峰值，将需在整体增加主拱的板厚，不可取，且板厚已达110cm，如再增加板厚将对外包模板和支撑系统刚度要求更高，大大增加混凝土浇筑的成本，造成成本的成倍增加。如采用本发明提供的成拱技术，则只需在拱脚段45m的范围先期形成全断面，并设置9对扣索平衡主拱受力，扣塔采用交界墩，背索锚定可利用骨架吊装阶段的锚定。每对扣索横向设置4排，总索力为56728kN。采用本发明的成拱方法，可使拱脚段底板混凝土的最大压应力由21.3Mpa降至18.6Mpa，受力改善显著，且满足规范的允许应力值20Mpa，主拱受力均满足相关要求。由此可见，本发明的方法能够在不增加拱圈断面尺寸及圬工方量的基础上，有效降低拱脚段外包混凝土的应力峰值，使拱圈受力更为均匀，并节省圬工、降低造价。

以上所述只是用图解说明本发明而并非限制本发明，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的权利要求范围中。

Claims (2)

1.一种混凝土拱桥成拱方法，混凝土拱桥包括钢管混凝土劲性骨架和外包拱圈混凝土结构，其特征是：所述外包拱圈混凝土结构的边箱底板(5)浇筑完成后，选定拱脚一定范围首先形成全断面外包拱圈混凝土结构，由此造成的对主拱圈的不平衡加载通过张拉一定数量的拱脚全断面外包节段扣索(10)、拱脚全断面外包节段背索(11)进行调整，并在外包拱圈混凝土结构的边箱混凝土断面全部形成后进行拆除；所述外包拱圈混凝土结构在断面上由边箱底板(5)、中箱底板(6)、腹板(7)、边箱顶板(8)、中箱顶板(9)五部分构成，分环分节段成拱；依次包括下述步骤：

①利用劲性骨架架设扣索和背索(2)、钢结构扣塔(31)，自拱脚至拱顶逐段悬臂拼装拱圈劲性骨架节段直至合龙，形成钢管劲性骨架(4)；

②拆除劲性骨架架设扣索和背索(2)、交界墩顶钢扣塔(31)，向钢管劲性骨架(4)内压注管内混凝土，形成钢管混凝土劲性骨架；

③依托钢管混凝土劲性骨架，立模分多个工作面对称同步浇筑主拱圈边箱底板(5)各节段混凝土直至合龙，并将拱脚需先期形成的全断面浇筑节段的中箱底板(6)混凝土与相应的边箱底板(5)一起浇筑；

④依托钢管混凝土劲性骨架和先期浇筑的混凝土，由拱脚对称同步逐节段外包拱脚全断面段的腹板(7)，边箱顶板(8)、中箱顶板(9)混凝土，每个节段浇筑完成强度、弹模达到要求时，张拉相应拱脚全断面外包节段扣索(10)、拱脚全断面外包节段背索(11)；

⑤依托钢管混凝土劲性骨架 和先期浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称浇筑拱圈剩余节段腹板(7)混凝土直至合龙；

⑥依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶剩余节段边箱顶板(8)混凝土直至合龙；

⑦从拱顶至拱脚依次拆除拱脚全断面外包节段扣索(10)、拱脚全断面外包节段背索(11)；

⑧依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面对称同步浇筑拱圈拱顶剩余节段中箱底板(6)混凝土直至合龙；

⑨依托钢管混凝土劲性骨架和已浇筑的混凝土，立模分多个工作面浇筑拱圈拱顶段中箱顶板(9)混凝土直至合龙，主拱圈施工完成。

2.如权利要求1所述的一种混凝土拱桥成拱方法，其特征是：所述步骤①中拱圈劲性骨架节段为钢管桁架节段，在拱圈两侧的交界墩(3)墩顶搭设钢结构扣塔(31)，吊装拱圈劲性骨架节段的同时张拉相应的劲性骨架架设扣索和背索(2)。