CN111172878B - 拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于拱桥施工技术领域，具体是一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法。解决拱桥拱圈模板及支架传统预压方法传在成本高、摸拟拱圈荷载精确度低的问题，包括蓄水池、支架、水箱及支撑框架、安装于蓄水池中的大泵、与水泵相连的水管路、控制器、连接于控制器上的声光报警器I和声光报警器II以及与控制器相连的控制电脑，支架支撑在拱圈底模板下侧，蓄水池通过水管路与水箱及支撑框架连接，控制器控制水管路开闭，水箱及支撑框架均匀布设置于拱圈底模板上。本发明水箱蓄水过程中随时保持水箱不平衡度在预设值范围内，能随时保持拱圈两侧荷载差值在预设范围内，一旦两侧差值增大将自动进行调整，智能化程度高。

Description

拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法

技术领域

本发明属于拱桥施工技术领域，具体是一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法。

背景技术

近年来，随着国家公路、铁路的大力度投资建设，桥梁建设越来越多，而拱桥因美观、充分利用建筑材料抗压强度高等特点而广泛采用，在拱圈施工前，必须对拱圈底模板及下部支架进行预压，以消除地基沉降、支架非弹性变形及为合理设置预拱度提供参考。

目前现有拱桥预压有堆码固体（砂袋、水泥块、砂筒等）、水箱、水袋3种，这3种方式能较好的消除地基沉降、支架非弹性变形及得出较为合理的预拱度值，但也存在以下缺点：

1.堆码固体（砂袋、水泥块、沙筒等）工程量大，堆码时间长，将固体（砂袋、水泥块等）运至拱圈底模板上，需用塔吊、吊车等大型机械或者使用人力作业，成本较高，能源消耗大；

2.采用水箱预压，在拱圈模板上设若干水箱，预压加载步骤根据混凝土浇筑顺序往水箱里蓄水，该法蓄水主要依靠人工控制，只能大体上根据混凝土浇筑顺序往水箱蓄水，无法做到精确摸拟拱圈施工荷载。在起拱度较大的拱腿位置，水箱蓄水过高易失稳，蓄水过程中振幅大，振动时间长，蓄水量不容易控制。

3.水袋预压需在拱圈模板上预先搭设平台，预压后过平台需要拆除，工程量大。

4.以上3种传统预压方法仅能在预压重量上进行控制，即预压总重量为施工荷载的100%或者120%，只能对施工拱圈施工加载过程（拱圈施工分环分段分层顺序）进行粗略摸拟，不能精确摸拟，不能为拱圈施工提供良好的借鉴。

因此，研究一种可摸拟拱圈施工荷载加载顺序并为拱圈施工提供借鉴的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法是必要的。

发明内容

本发明为了解决拱桥拱圈模板及支架传统预压方法传在成本高、摸拟拱圈荷载精确度低的问题，提供一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及施工方法。

本发明采取以下技术方案：一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，包括蓄水池、支架、水箱及支撑框架、安装于蓄水池中的水泵、与水泵相连的水管路、控制器、连接于控制器上的声光报警器I和声光报警器II以及与控制器相连的控制电脑，支架支撑在拱圈底模板下侧，蓄水池通过水管路与水箱及支撑框架连接，控制器控制水管路开闭，水箱及支撑框架均匀布设置于拱圈底模板上。

水箱及支撑框架分为拱脚处水箱及支撑框架I与拱顶处水箱及支撑框架II，拱脚处水箱及支撑框架I包括底板I、底板防滑齿、支撑框架I、水箱撑杆I、压力传感器I和水箱I，底板I倾斜设置，底板I下侧设置底板防滑齿，底板I上侧设置支撑框架I，支撑框架I上设置两根水平设置的水箱撑杆I，水箱I放置于水箱撑杆I上，水箱撑杆I与支撑框架I的纵杆的4个交点位置安装压力传感器I；拱顶处水箱及支撑框架II包括水平设置的底板II、支撑框架II、水箱撑杆II、压力传感器II和水箱II，底板II水平设置，底板II上安装支撑框架II，支撑框架II上设置两根水平设置的水箱撑杆II，水箱II放置于水箱撑杆II上，水箱撑杆II与支撑框架II的纵杆的4个交点位置安装压力传感器II。

进一步的，拱脚处水箱及支撑框架I中，底板I与支撑框架I之间设置有阻尼杆，水箱I上设置有倒U型管I，倒U型管I与水管路相连，倒U型管I出口处设置低压电控水阀I。

进一步的，拱顶处水箱及支撑框架II中，水箱II上设置有倒U型管II，倒U型管II与水管路相连，倒U型管II出口处设置低压电控水阀II。

进一步的，所有水箱及支撑框架的低压电控水阀I、低压电控水阀II、压力传感器I及压力传感器II均与弱电线路相连，压力传感器的数据通过弱电线路传至控制器，控制器通过弱电线路控制低压电控水阀，控制器与控制电脑相连。

进一步的，蓄水池设置在地基内，地基内蓄水池需与外面水源相连。

一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统的施工方法，包括以下步骤。

S100～对水箱及支撑框架进行编号，根据设计要求，先拱脚、后拱腰，最后拱顶，橫桥向先中间后两边分3层加载。

S200～中拱圈加载三分之一；控制中拱脚上的水箱蓄水至三分之一，控制中拱腰上的水箱蓄水至三分之一，控制中拱顶上的水箱蓄水至三分之一。

S300～边拱圈加载三分之一；控制边拱脚上的水箱蓄水至三分之一，控制边拱腰上的水箱蓄水至三分之一，控制边拱顶上的水箱蓄水至三分之一。

S400～中拱圈加载三分之二；控制中拱脚上的水箱蓄水至三分之二，控制中拱腰上的水箱蓄水至三分之二，控制中拱顶上的水箱蓄水至三分之二。

S500～边拱圈加载三分之二；控制边拱脚上的水箱蓄水至三分之二，控制边拱腰上的水箱蓄水至三分之二，控制边拱顶上的水箱蓄水至三分之二。

S600～中拱圈完全加载；控制中拱脚上的水箱蓄水至最高界限，控制中拱腰上的水箱蓄水至最高界限，控制中拱顶上的水箱蓄水至最高界限。

S700～边拱圈完全加载；控制边拱脚上的水箱蓄水至最高界限，控制边拱腰上的水箱蓄水至最高界限，控制边拱顶上的水箱蓄水至最高界限。

S800～卸荷；预压达到规定时间后，通过控制电脑控制各个水箱及支撑框架上的低压电控水阀I和低压电控水阀II，通过倒虹吸原理，使水箱I和水箱II中的水排入蓄水池中；卸荷过程与预压加载过程相反，即先边拱顶，再边拱腰，然后边拱脚，再中拱顶，再中拱腰，最后中拱脚。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.水箱蓄水过程中随时保持水箱不平衡度在预设值范围内，一旦水箱不平衡将报警并停止蓄水；能随时保持拱圈两侧荷载差值在预设范围内，一旦两侧差值增大将自动进行调整，智能化程度高。

2.能精确摸拟拱圈施工加载顺序，为拱圈施工设置预拱度提供了数据参考。

3.只需吊装空桶上支架顶，不需大吨位吊车，吊装成本低。

4.不需拱设支架，水箱及支撑框架10为模块化设计，效率高。

附图说明

图1为拱桥摸拟施工荷载智能预压系统总体结构图；

图2为拱脚处水箱及支撑框架结构图；

图3为拱顶处水箱及支撑框架结构图；

图4为水箱及支撑框架俯视图；

图5为水箱及支撑框架编号图；

图中 1-地基、2-蓄水池、3-桥墩、4-支架、 5-拱圈底模板、6-水泵、7-水管路、8-控制器、9-弱电线路、10-水箱及支撑框架、11-底板、12-底板防滑齿、13-支撑框架、14-水箱撑杆、15-压力传感器、16-水箱、17-阻尼杆、18-倒U型管、19-低压电控水阀、20-声光报警器I、21-声光报警器II、22-控制电脑。

具体实施方式

如附图1-附图3所示,拱桥摸拟施工荷载智能预压系统由设置于地基1里的蓄水池2、支架4、放置于拱圈底模板5上的水箱及支撑框架10、安装于蓄水池2中的大泵6、与水泵6相连的水管路7、安装于桥墩3上的控制器8，与控制器8相连的弱电线路9、连接于控制器8上的声光报警器I20和声光报警器II21、与控制器8相连的控制电脑22组成。

进一步的，如图2～图3所示，水箱及支撑框架10分为拱脚处水箱及支撑框架I与拱顶处水箱及支撑框架II，拱脚处水箱及支撑框架I由底板11、底板防滑齿12、支撑框架13、水箱撑杆14、压力传感器15、水箱16、阻尼杆17、倒U型管18、低压电控水阀19组成；拱顶处水箱及支撑框架II由底板11、支撑框架13、水箱撑杆14、压力传感器15、水箱16、倒U型管18、低压电控水阀19组成。

进一步的，如图1～图4所示,拱脚处水箱及支撑框架I的底板11为倾斜设置，以便契合拱圈底模板5的倾斜度，并在拱圈上对称设置，拱脚处水箱及支撑框架I的底板11下设底板防滑齿12，水箱16放置于2根水箱撑杆14上，2根水箱撑杆14搭设于2根支撑框架13上，压力传感器15安装于水箱撑杆14与支撑框架13的纵杆的4个交点间，每组水箱及支撑框架10设4个压力传感器15。

进一步的，拱顶处水箱及支撑框架II的底板11为平置，且不设防滑齿与阻尼杆。

进一步的，水箱及支撑框架10的数量及排列根据设计图设置，设置为3～7环、11～21列，图1所示为4环、13列；所有水箱及支撑框架10的倒U型管18均与水管路7相连，倒U型管18由低压电控水阀19进行控制。

进一步的，如图2所示，拱脚处水箱及支撑框架I的支腿与底板间焊接连接，2根长支腿与底板11间加设2根阻尼杆17，阻尼杆17可为液压，也可为气压。

进一步的，所有水箱及支撑框架10的低压电控水阀19及压力传感器15均与弱电线路9相连，压力传感器15的数据通过弱电线路9传至控制器中8中，控制器中8通过弱电线路9控制低压电控水阀19,控制电脑22与控制器8相连，通过内置软件控制水泵6及各个水箱及支撑框架10的低压电控水阀19。

当单组水箱及支撑框架10中的4个压力传感器15中任意2个压力差超过设定值时，控制器8控制声光报警器I20报警，当拱圈两侧压力传感器15压力差超过设计值时，控制器8控制声光报警器II21报警，压力差的设定根据桥型、桥跨而定，水箱及支撑框架10中的4个压力传感器15中任意2个压力差可以设定为10KN～30KN，拱圈两侧压力传感器15压力差可以设定为30KN～100KN。

地基1内蓄水池2需与外面水源相连。

拱桥摸拟施工荷载智能预压系统运行原理如下：

拱脚处水箱及支撑框架I的底板11为倾斜设置，以便契合拱圈底模板5的倾斜度，水箱为水平设置，以便模拟拱圈施工时拱圈钢筋、混凝土荷载；底板11下部设防滑齿12，拱脚处水箱及支撑框架I的支腿与底板间焊接连接，2根长支腿与底板11间加设2根阻尼杆17，以便更快消除水箱16蓄水时带给支撑框架的振动，拱脚处水箱及支撑框架I在拱圈上对称设置，摸拟施工时拱圈对称加载。

所有水箱及支撑框架10的低压电控水阀19及压力传感器15均与弱电线路9相连，压力传感器15的数据通过弱电线路9传至控制器中8中，控制器中8通过弱电线路9控制低压电控水阀19，控制电脑22与控制器8相连，通过内置软件控制水泵6及各个水箱及支撑框架10的低压电控水阀19。

预压开始时，通过控制电脑22内置软件控制水泵6供水，同时控制所有水箱及支撑框架10的低压电控水阀19，按设计的施工加荷顺序给水箱16蓄水，水箱16蓄水过程中产生的振动通过阻尼杆17减弱并快速消除，同时水箱下16的4个压力传感器15传送压力数据给控制器8，并将数据反应至控制电脑22上，当4个压力传感器压力差超过预设值时，说明水箱及支撑框架10不平衡，控制器8控制声光报警器I20报警，同时控制所有水箱及支撑框架10的低压电控水阀19关闭，并控制水泵停止供水，待检查消除不平衡后重新开始给水箱16蓄水。

水箱及支撑框架10在拱圈上对称布置，在按设计的施工加荷顺序给水箱16蓄水过程中，拱圈两侧压力差超过预设值时，说明拱圈两边加载不平衡，拱圈承受了不平衡荷，此时，声光报警器I21报警，控制电脑22控制压力值大的水箱停止蓄水，只给压力值小的水箱供水，直至拱圈两侧压力差小于预设值时再恢复拱圈两边同时供水。

本系统通过控制电脑22控制各个水箱16蓄水可摸拟施工时拱圈分环、分列、分层顺序增加荷载过程。

预压达到规定时间后，通过控制电脑22控制各个水箱及支撑框架10上的低压电控水阀19，通过倒虹吸原理，使水箱16中的水排入蓄水池6中，水箱16中的水排入蓄水池6的顺序按蓄水相反的顺序进行。

结合工程实例，拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及及施工方法是按以下步骤实现加载预压及卸荷的。

1.蓄水预压

为使预压过程清晰明了，对水箱及支撑框架10进行编号，编号如图5所示，本桥共设拱圈4环，拱圈每环分5段，每段分3层施工，水箱及支撑框架10摸拟施工荷载编号如下：

拱圈共设4环，第一环对应编号：101A-102A-103A-104A-105A-106A-107A-108A-109A-110A-111A-112A-113A。

第二环对应编号：101B-102B-103B-104B-105B-106B-107B-108B-109B-110B-111B-112B-113B。

第三环对应编号：101C-102C-103C-104C-105C-106C-107C-108C-109C-110C-111C-112C-113C。

第四环对应编号：101D-102D-103D-104D-105D-106D-107D-108D-109D-110D-111D-112D-113D。

拱圈每环分5段,拱脚2段，拱腰2段，拱顶1段，均为对称设置，左拱脚对应101、102、103，右拱脚对应113、112、111，拱腰2段，左拱腰对应104、105，右拱腰对应110、109，拱顶对应106、107、108。

根据设计要求，先拱脚、后拱腰，最后拱顶，橫桥向先中间后两边分3层加载。

预压控制顺序如下：

1.中拱圈加载三分之一：

1.1 中拱脚加载三分之一：控制101B\101C\102B\102C\103B\103C及113B\113C\112B\112C\111B\111C号水箱蓄水至三分之一。

1.2中拱腰加载三分之一：控制104B\104C\105B\105C及110B\110C\109B\109C号水箱蓄水至三分之一。

1.3中拱顶加载三分之一：控制106B\106C\107B\107C\108B\108C号水箱蓄水至三分之一。

2.边拱圈加载三分之一：

1.1 边拱脚加载三分之一：控制101A\101D\102A\102D\103A\103D及113A\113D\112A\112D\111A\111D号水箱蓄水至三分之一。

1.2边拱腰加载三分之一：控制104A\104D\105A\105D及110A\110D\109A\109D号水箱蓄水至三分之一。

1.3边拱顶加载三分之一：控制106A\106D\107A\107D\108A\108D号水箱蓄水至三分之一。

3.中拱圈加载三分之二：

1.1 中拱脚加载三分之二：控制101B\101C\102B\102C\103B\103C及113B\113C\112B\112C\111B\111C号水箱蓄水至三分之一。

1.2中拱腰加载三分之二：控制104B\104C\105B\105C及110B\110C\109B\109C号水箱蓄水至三分之二。

1.3中拱顶加载三分之二：控制106B\106C\107B\107C\108B\108C号水箱蓄水至三分之一。

4.边拱圈加载三分之二：

1.1 边拱脚加载三分之二：控制101A\101D\102A\102D\103A\103D及113A\113D\112A\112D\111A\111D号水箱蓄水至三分之二。

1.2边拱腰加载三分之二：控制104A\104D\105A\105D及110A\110D\109A\109D号水箱蓄水至三分之二。

1.3边拱顶加载三分之二：控制106A\106D\107A\107D\108A\108D号水箱蓄水至三分之二。

5.中拱圈完全加载：

1.1 中拱脚完全加载：控制101B\101C\102B\102C\103B\103C及113B\113C\112B\112C\111B\111C号水箱蓄水至最高界限。

1.2中拱腰完全加载：控制104B\104C\105B\105C及110B\110C\109B\109C号水箱蓄水至最高界限。

1.3中拱顶完全加载：控制106B\106C\107B\107C\108B\108C号水箱蓄水至最高界限。

4.边拱圈完全加载：

1.1 边拱脚完全加载：控制101A\101D\102A\102D\103A\103D及113A\113D\112A\112D\111A\111D号水箱蓄水至最高界限。

1.2边拱腰完全加载：控制104A\104D\105A\105D及110A\110D\109A\109D号水箱蓄水至最高界限。

1.3边拱顶完全加载：控制106A\106D\107A\107D\108A\108D号水箱蓄水至最高界限。

2. 卸荷

预压达到规定时间后，通过控制电脑22控制各个水箱及支撑框架10上的低压电控水阀19，通过倒虹吸原理，使水箱16中的水排入蓄水池6中。

卸荷过程与预压加载过程相反，即先边拱顶，再边拱腰，然后边拱脚，再中拱顶，再中拱腰，最后中拱脚。

拱桥摸拟施工荷载智能预压系统及及施工方法应用实例：

桩基智能灌注设备应用于重庆某连续拱桥，拱桥拱圈设计为4环，5段，分3层施工，该桥采用支架法施工，采用摸拟施工荷载的知能预压系统共分18次加载，18次卸载，与拱圈施工加载顺序一致。

Claims (6)

1.一种拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，其特征在于：包括蓄水池（2）、支架（4）、水箱及支撑框架（10）、安装于蓄水池（2）中的水泵（6）、与水泵（6）相连的水管路（7）、控制器（8）、连接于控制器（8）上的声光报警器I（20）和声光报警器II（21）以及与控制器（8）相连的控制电脑（22），支架（4）支撑在拱圈底模板（5）下侧，蓄水池（2）通过水管路（7）与水箱及支撑框架（10）连接，控制器（8）控制水管路（7）开闭，水箱及支撑框架（10）均匀布设置于拱圈底模板（5）上；

所述的水箱及支撑框架（10）分为拱脚处水箱及支撑框架I与拱顶处水箱及支撑框架II，

拱脚处水箱及支撑框架I包括底板I、底板防滑齿（12）、支撑框架I、水箱撑杆I、压力传感器I和水箱I，底板I倾斜设置，底板I下侧设置底板防滑齿（12），底板I上侧设置支撑框架I，支撑框架I上设置两根水平设置的水箱撑杆I，水箱I放置于水箱撑杆I上，水箱撑杆I与支撑框架I的纵杆的4个交点位置安装压力传感器I；

拱顶处水箱及支撑框架II包括水平设置的底板II、支撑框架II、水箱撑杆II、压力传感器II和水箱II，底板II水平设置，底板II上安装支撑框架II，支撑框架II上设置两根水平设置的水箱撑杆II，水箱II放置于水箱撑杆II上，水箱撑杆II与支撑框架II的纵杆的4个交点位置安装压力传感器II。

2.根据权利要求1所述的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，其特征在于：所述的拱脚处水箱及支撑框架I中，底板I与支撑框架I之间设置有阻尼杆（17），水箱I上设置有倒U型管I，倒U型管I与水管路（7）相连，倒U型管I出口处设置低压电控水阀I。

3.根据权利要求2所述的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，其特征在于：所述的拱顶处水箱及支撑框架II中，水箱II上设置有倒U型管II，倒U型管II与水管路（7）相连，倒U型管II出口处设置低压电控水阀II。

4.根据权利要求3所述的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，其特征在于：所有水箱及支撑框架（10）的低压电控水阀I、低压电控水阀II、压力传感器I及压力传感器II均与弱电线路（9）相连，压力传感器（15）的数据通过弱电线路（9）传至控制器（8），控制器（8）通过弱电线路（9）控制低压电控水阀（19），控制器（8）与控制电脑（22）相连。

5.根据权利要求4所述的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统，其特征在于：所述的蓄水池（2）设置在地基（1）内，地基（1）内蓄水池（1）与外面水源相连。

6.一种如权利要求5所述的拱桥摸拟施工荷载智能预压系统的施工方法，其特征在于：

S100～对水箱及支撑框架（10）进行编号，根据设计要求，先拱脚、后拱腰，最后拱顶，橫桥向先中间后两边分3层加载；

S200～中拱圈加载三分之一；控制中拱脚上的水箱蓄水至三分之一，控制中拱腰上的水箱蓄水至三分之一，控制中拱顶上的水箱蓄水至三分之一；

S300～边拱圈加载三分之一；控制边拱脚上的水箱蓄水至三分之一，控制边拱腰上的水箱蓄水至三分之一，控制边拱顶上的水箱蓄水至三分之一；

S400～中拱圈加载三分之二；控制中拱脚上的水箱蓄水至三分之二，控制中拱腰上的水箱蓄水至三分之二，控制中拱顶上的水箱蓄水至三分之二；

S500～边拱圈加载三分之二；控制边拱脚上的水箱蓄水至三分之二，控制边拱腰上的水箱蓄水至三分之二，控制边拱顶上的水箱蓄水至三分之二；

S600～中拱圈完全加载；控制中拱脚上的水箱蓄水至最高界限，控制中拱腰上的水箱蓄水至最高界限，控制中拱顶上的水箱蓄水至最高界限；

S700～边拱圈完全加载；控制边拱脚上的水箱蓄水至最高界限，控制边拱腰上的水箱蓄水至最高界限，控制边拱顶上的水箱蓄水至最高界限；

S800～卸荷；预压达到规定时间后，通过控制电脑（22）控制各个水箱及支撑框架（10）上的低压电控水阀I和低压电控水阀II，通过倒虹吸原理，使水箱I和水箱II中的水排入蓄水池（6）中；卸荷过程与预压加载过程相反，即先边拱顶，再边拱腰，然后边拱脚，再中拱顶，再中拱腰，最后中拱脚。

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