大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法
阅读说明：本技术 大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法 (Large-span cast-in-place concrete arch bridge support-free construction method ) 是由 高超然 田海燕 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法,属于桥梁工程领域,目的是保障施工的安全性和经济性。将混凝土梁片沿拱桥纵向拼装成左半副拱架单元和右半副拱架单元,相邻两片预制混凝土梁片的顶部铰接；在桥台上安装液压伸缩臂,在液压伸缩臂的外端吊装滚筒；将左半副拱架单元和右半副拱架单元反向卷在对应滚筒外周,并将左右半副拱架单元的首段混凝土梁片插接于拱座上的插接孔内；液压伸缩臂纵向卷推缓升左右半幅拱架单元至中间合拢成整副拱架单元；进行预应力张拉；最后施工拱圈。本发明,全程无需支架,消除了不均匀沉降、支架坍塌等安全风险,大大提高了施工的安全性；节约了支架相关费用,缩减了施工费用及施工周期；结构更优化。(The invention discloses a support-free construction method for a large-span cast-in-place concrete arch bridge, belongs to the field of bridge engineering, and aims to ensure the safety and the economy of construction. Assembling concrete beam pieces into a left half auxiliary arch frame unit and a right half auxiliary arch frame unit along the longitudinal direction of the arch bridge, and hinging the tops of two adjacent precast concrete beam pieces; a hydraulic telescopic arm is arranged on the bridge abutment, and a roller is hoisted at the outer end of the hydraulic telescopic arm; reversely rolling the left half auxiliary arch frame unit and the right half auxiliary arch frame unit on the periphery of the corresponding roller, and inserting the first section of concrete beam piece of the left half auxiliary arch frame unit and the right half auxiliary arch frame unit into the inserting hole on the arch support; the hydraulic telescopic arm longitudinally rolls, pushes, slowly rises the left and right half arch units to the middle to be folded into a whole pair of arch units; carrying out prestress tension; and finally constructing the arch ring. According to the invention, no support is needed in the whole process, so that the safety risks of uneven settlement, support collapse and the like are eliminated, and the construction safety is greatly improved; the related cost of the bracket is saved, and the construction cost and the construction period are reduced; the structure is more optimized.)
技术领域
本发明属于桥梁工程领域，具体的是大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法。
背景技术
拱桥拱圈是以承受压力为主的结构，钢筋混凝土拱桥旳一个重要优点是能够充分发挥混凝土材料的抗压强度，从而使其承载能力大于一般钢筋混凝土梁式桥梁结构，并且钢筋混凝土拱桥具有耐久性优良、养护费用较低及构造简单等诸多优点。除此之外，现代桥梁设计越来越重视桥梁美学，自然界没有标准的直线，钢筋混凝土拱桥以其外形美观和易于装饰等特点受到亲睐，特别是在风景区造型富于韵律感的钢筋混凝土拱桥常能收到与自然环境协调的美学效果。因此，近代的桥梁建造也越来越重视拱桥这一古老的桥型。然而城镇道路、峡谷景区修建的钢筋混凝土拱桥通常以单孔跨径大于等于40m的大跨径、现浇施工为主。目前这类桥梁通常采用落地支架法进行施工，但是此类方法存在以下弊端：
其一、需要提前搭设落地支架，延长施工周期，影响施工效率，且增加落地支架相关费用；
其二、落地支架存在不均匀沉降、坍塌等不安全因素，会导致现浇拱圈线形发生变化，甚至导致更严重的安全事故。
发明内容
本发明的目的是为了解决现浇钢筋混凝土拱桥施工的费用高、工期长、安全性低等问题，提供一种大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法，保障施工的安全性和经济性。
本发明采用的技术方案是：大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法，包括以下步骤：
拱座施工：
开挖拱座基坑，并在拱座基坑内浇筑拱座，所述拱座上预留有插接孔和预应力张拉室，所述插接孔沿拱桥纵向贯通拱座两端，所述预应力张拉室设置于插接孔的底部；
拱架单元制作：
将预制的混凝土梁片沿拱桥纵向拼装形成独立的左半副拱架单元和右半副拱架单元，相邻两片混凝土梁片的顶部铰接；
拱架单元安装：
沿拱桥纵向，在拱桥两端的桥台上分别安装有液压伸缩臂，在液压伸缩臂的外端吊装滚筒；将左半副拱架单元和右半副拱架单元反向卷在对应侧液压伸缩臂的滚筒外周，并将左半副拱架单元和右半副拱架单元的首段混凝土梁片插接于对应侧的插接孔内；液压伸缩臂沿拱桥纵向伸长带动滚筒转动将左半副拱架单元和右半副拱架单元自然从滚筒上卸落，由拱脚向拱顶对称缓升成形，至中间合拢，并在中间将左半副拱架单元和右半副拱架单元连接成整副拱架单元；
待所有拱架单元安装完毕进行进行预应力张拉，并注浆封锚、回填张拉室，形成拱架；最后，施工拱圈。
进一步的，相邻两片混凝土梁片之间经过圆钢铆铰接；
各片混凝土梁片上沿拱桥纵向设置有两端贯通的纵向预应力孔，各片混凝土梁片的纵向预应力孔顺次拼接形成拱形的纵向预应力通道；
各拱架单元上沿拱桥横向设置有两端贯通的横向预应力孔，各拱架单元的横向预应力孔顺次拼接形成横向预应力通道。
进一步的，所述混凝土梁片为空心箱体结构，包括顶壁、底壁和两侧的侧壁，由顶壁、底壁和两侧的侧壁包围形成两端贯通的空腔，在空腔内设置有加强筋。
进一步的，在混凝土梁片的顶壁预制有咬合筋。
进一步的，所述滚筒为橡胶滚筒。
进一步的，预应力张拉的具体操作为：先对各副拱架单元进行纵向张拉，再对所有拱架单元进行横向张拉，并用混凝土回填预应力张拉室；
纵向张拉时，钢绞线穿过纵向预应力通道进行预应力张拉，并向纵向预应力通道内注浆，待注入浆液达到设计强度后封锚；
横向张拉时，钢绞线穿过横向预应力通道进行横向预应力张拉，并向横向预应力通道内注浆，待注入浆液达到设计强度后封锚。
进一步的，预应力张拉后，拱圈施工前，对拱架进行预压；预压的载荷为拱圈恒载的1.5倍。
进一步的拱圈施工步骤为：
首先、安装模板；接着，沿拱桥径向，将所述拱圈分成多环拱圈单元由内之外依次进行浇筑；各环拱圈单元沿径向分成位于拱顶的拱顶段、位于拱脚的拱脚段和位于拱顶段与拱脚段之间的拱腰段进行浇筑；浇筑时，先浇筑两侧的拱脚段，再浇筑拱顶段，最后浇筑边拱腰段；并在拱脚段与拱顶段之间预留有间隔槽；最后，浇筑间隔槽形成后浇带。
进一步的，沿拱桥横向，在拱架的两侧设置拱托，在拱托上铺设底模板，由底模板和拱架顶面构成底模，并安装侧模板和顶模板，由底模、侧模板和顶模板包围形成拱圈浇筑腔；并绑扎拱圈钢筋，将拱圈钢筋与预埋的咬合筋进行焊接。
进一步的，按照拱圈设计图纸建立拱架的有限元模型，并模拟拱桥的施工过程计算拱架有限元模型的应力及位移，根据模拟计算结构调节拱架的有限元模型，获得各混凝土梁片的模型；最后，根据混凝土梁片的模型制作出混凝土梁片。
本发明的有益效果是：本发明公开的大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法，采用拱架单元的首段混凝土梁片插接于对应侧的插接孔内，由拱座支撑，由液压伸缩臂伸长带动左半副拱架单元和右半副拱架单元自然铺设，实现了拱架的无支架施工，与传统的支架施工相比，具有以下优势：
首先，全施工过程无需支架进行支撑，消除了不均匀沉降、支架坍塌等安全风险，大大提高了施工的安全性；
其二、避免了支架施工，从而节约了支架相关费用，以及支架施工的周期，从而大大缩减了施工费用及施工周期；
其三、拱架由混凝土梁片组装而成，混凝土梁片可提前预制，利于进一步缩短工期，而且，可根据拱架各处的受力对应生产各个混凝土梁片，结构更优化；
其四、拱架安装时，通过液压伸缩臂与拱座配合完成，机械设备投入更少，施工更安全、成本更低廉、操作更简单。
附图说明
图1为本发明拱架和拱圈施工后的示意图；
图2为拱架的俯视图；
图3为拱架与拱座装配示意图；
图4为混凝土梁片结构示意图；
图5为拱架单元安装示意图；
图6为拱圈浇筑示意图；
图7为拱圈浇筑模板搭设示意图。
图中，拱座1、插接孔1A、预应力张拉室1B、拱架2、拱架单元2A、左半副拱架单元2A1、右半副拱架单元2A2、混凝土梁片2B、顶壁2B1、底壁2B2、侧壁2B3、加强筋2B4、咬合筋2B5、纵向预应力孔2B6、横向预应力孔2B7、圆钢铆2C、桥台3、液压伸缩臂4、滚筒5、拱圈6、拱圈单元6A、拱顶段6A1、拱脚段6A2、拱腰段6A3、间隔槽6A4、拱托7、底模板8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：
大跨度现浇混凝土拱桥无支架施工方法，包括以下步骤：
拱座1施工：
开挖拱座基坑，并在拱座基坑内浇筑拱座1，所述拱座1上预留有插接孔1A和预应力张拉室1B，所述插接孔1A沿拱桥纵向贯通拱座1两端，所述预应力张拉室1B设置于插接孔1A的底部；
拱架单元2A制作：
将预制的混凝土梁片2B沿拱桥纵向拼装形成独立的左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2，相邻两片混凝土梁片2B的顶部铰接；
拱架单元2A安装：
沿拱桥纵向，在拱桥两端的桥台3上分别安装有液压伸缩臂4，在液压伸缩臂4的外端吊装滚筒5；将左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2反向卷在对应侧液压伸缩臂4的滚筒5外周，并将左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2的首段混凝土梁片2B插接于对应侧的插接孔1A内；液压伸缩臂4沿拱桥纵向伸长带动滚筒5转动将左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2自然从滚筒5上卸落，由拱脚向拱顶对称缓升成形，至中间合拢，并在中间将左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2连接成整副拱架单元2A；
待所有拱架单元2A安装完毕进行进行预应力张拉，并注浆封锚、回填张拉室，形成拱架2；最后，施工拱圈6。
本发明，拱座1施工时，拱座基坑开挖后，支模并预留出插接孔1A和预应力张拉室1B，拱座1钢筋绑扎后分层浇筑混凝土，待混凝土强度达到2.5MPa以上时，方可拆模并洒水养护。其中，插接孔1A用于拱架2的拱脚插入，使拱座1与拱架2嵌固在一起，对拱架2形成良好的支撑。预应力张拉室1B则为预应力张拉千斤顶提供操作空间。
通过混凝土梁片2B沿拱桥纵向拼装形成左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2具有以下优势：其一，混凝土梁片2B预制更容易，且可根据受力薄弱部位以及安全部位实际情况进行各个混凝土梁片2B的制作，适应性更好，结构更优化，保证受力性能的同时，能有效节约材料，并减轻拱架2整体重量。其二、左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2独立进行吊装，吊装更容易，对吊装设备的要求更低，利于4节约吊装成本。相邻两片混凝土梁片2B的顶部铰接，即当混凝土梁片2B拼装成拱形后，铰接点更靠近混凝土梁片2B的外周，如此，使得混凝土梁片2B拼装形成的拱架单元可以反向转动成卷，即使混凝土梁片2B的顶壁2B1在内侧、底壁2B2在外侧卷起来；当正向转动时，相邻混凝土梁片2B的侧壁2B3紧靠在一起，相互限位，形成拱形。
左半副拱架单元2A1反卷在左侧液压伸缩臂4的滚筒5上。反卷是指由左半副拱架单元2A1的末段混凝土梁片2B开始卷制，且沿滚筒5径向，混凝土梁片2B的顶壁2B1在内侧，底壁2B2在外侧。卷制完成后，左半副拱架单元2A1的首段混凝土梁片2B作为牵拉端，插入左侧拱座1的插接孔1A内。此过程，液压伸缩臂4处于回缩状态。当左半副拱架单元2A1的首段混凝土梁片2B定位好后，液压伸缩臂4沿拱桥纵向缓慢向拱桥中部伸长，带动滚筒5转动，左半副拱架单元2A1自然从滚筒5上卸落，绕其铰接点转动成拱。右半副拱架单元2A2的安装亦然。直至左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2中间合拢，利用液压伸缩臂4从左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2的下弦面托举左半副拱架单元2A1和右半副拱架单元2A2使两者准确接入铆为，插入活动钢铆等连接件实现整体的合拢。
为了实现混凝土梁片2B之间的拼接，如图1和图3所示，相邻两片混凝土梁片2B之间经过圆钢铆2C铰接；即圆钢铆2C穿过混凝土梁片2B制作时预留在上部的连接孔将两片混凝土梁片2B连接，形成类似合页的结构，混凝土梁片2B可绕圆钢铆2C转动。
各片混凝土梁片2B上沿拱桥纵向设置有两端贯通的纵向预应力孔2B6，各片混凝土梁片2B的纵向预应力孔2B6顺次拼接形成拱形的纵向预应力通道；
各拱架单元2A上沿拱桥横向设置有两端贯通的横向预应力孔2B7，各拱架单元2A的横向预应力孔2B7顺次拼接形成横向预应力通道。
为了使拱桥的结构更轻盈、自重小，优选的，如图4所示，所述混凝土梁片2B为空心箱体结构，包括顶壁2B1、底壁2B2和两侧的侧壁2B3，由顶壁2B1、底壁2B2和两侧的侧壁2B3包围形成两端贯通的空腔，在空腔内设置有加强筋2B4。
为了利于与拱圈6的钢筋进行焊接，使拱架2与拱圈6形成整体嵌固，在混凝土梁片2B的顶壁2B1预制有咬合筋2B5。
滚筒5可以为钢制滚筒，但是，其与混凝土梁片2B碰撞易导致混凝土梁片2B破损，为了避免该问题，最优的，所述滚筒5为橡胶滚筒。
为了检验拱架2应力及其结构的稳定性，减少非弹性变形，以确保现浇拱圈6施工的安全性，并调整预拱度，在预应力张拉后，拱圈6施工前，对拱架2进行预压；预压的载荷为拱圈6恒载的1.5倍。采用水袋进行预压，预压期不小于10天且连续两天沉降观测不大于1mm时，开始卸载。
优选的，拱圈6施工步骤为：
首先、安装模板；接着，沿拱桥径向，将所述拱圈6分成多环拱圈单元6A由内之外依次进行浇筑；各环拱圈单元6A沿径向分成位于拱顶的拱顶段6A1、位于拱脚的拱脚段6A2和位于拱顶段6A1与拱脚段6A2之间的拱腰段6A3进行浇筑；浇筑时，先浇筑两侧的拱脚段6A2，再浇筑拱顶段6A1，最后浇筑边拱腰段6A3；并在拱脚段6A2与拱顶段6A1之间预留有间隔槽6A4；最后，浇筑间隔槽6A4形成后浇带。本发明公开的拱圈6分层分段浇筑方式降低了拱圈6浇筑过程中，拱架2受压过大而产生的坍塌风险，符合拱架薄弱点保护原则。
为了满足桥宽要求，沿拱桥横向，如图7所示，在拱架2的两侧设置拱托7，在拱托7上铺设底模板8，由底模板8和拱架2顶面构成底模。拱架2作为底模的一部分，通过拱托7加宽至设计桥宽，使得底模的刚度好，且底模安装工期短。底模板8与拱架2之间的缝隙用加工后的木条填塞，再用止水胶带贴缝，防止漏浆。底模安装好后，测设中线、边线、高程、标出各分段点及横隔板的位置后，安装拱圈侧模和顶模、并绑扎拱圈钢筋，将拱圈钢筋与预埋的咬合筋2B5进行焊接，由底模、侧模和顶模包围形成拱圈浇筑腔。拱圈6浇筑采用的模板均为木模板，重量轻、成本低。
为了获取更合理的拱架2，拱架2的混凝土梁片2B通过建模验算获取，具体操作如下：按照拱圈6设计图纸建立拱架2的有限元模型。建模时，结构计算模型、材料、计算截面、边界条件等的选择均与工程实际相符合。结构计算简图应能反应各工况下的承载力状况，及结构形成过程。在模拟计算时主要考虑自重荷载、浇筑拱圈的模板、钢筋和混凝土的荷载，混凝土荷载即拱圈恒载。对于结构的自重通过模型中赋予材料的特性(容重)，结合结构体积自动进行计算；拱圈恒载在模型中通过施加均布的梁单元荷载来考虑；对于施工过程中出现的其他施工荷载，根据实际情况进行相应的考虑。通过对拱圈施工过程建模计算分析，得出模型拱架的应力分布图及，位移分布图，能准确得知拱架的安全部位、过渡部位和薄弱部位，对于薄弱部位可通过设预拱度或者增大受力面积来调节，获得各混凝土梁片2B的模型；最后，根据混凝土梁片2B的模型制作出混凝土梁片2B。
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