当拱桥的跨径不大、拱圈净高较小或孔数不多时,可以采用就地浇筑方法来进行拱圈施工。就地浇筑方法分为两种,即拱架浇筑法和悬臂浇筑法。本节主要介绍拱架浇筑法,即拱桥的有支架施工。
1.拱架
(1)拱架的结构类型。
拱架的种类很多,按使用材料,可分为木拱架、钢拱架、扣件式钢管拱架、斜拉式贝雷平梁拱架、竹拱架、竹木混合拱架、钢木组合拱架及土牛拱胎等;按结构形式,可分为排架式拱架、撑架式拱架、扇形式拱架、桁架式拱架、组合式拱架、叠桁式拱架、斜拉式拱架等。
(2)拱架的构造。
①木拱架。木拱架一般有排架式拱架、撑架式拱架、扇形式拱架、叠桁式拱架及木桁架式拱架等。拱架制作安装时,尺寸和形状要符合设计要求,立柱位置准确且保持直立。各杆件接头要连接紧密,支架基础要牢固,高拱架应特别注意横向稳定性。拱架全部安装完成后,应全面检查,确保结构牢固、可靠。
②钢拱架与钢木组合拱架。a.工字梁钢拱架。工字梁钢拱架可采用两种形式,一种是有中间木支架的钢木组合拱架,另一种是无中间木支架的活用钢拱架。b.钢桁架拱架。钢桁架拱架的结构类型通常有常备拼装式桁架型拱架、装配式公路钢桁架节段拼装式拱架、万能杆件拼装式拱架、装配式公路钢桁架或万能杆件桁架与木拱盔组合的钢木组合拱架。
③拱圈模板。a.板拱拱圈模板。板拱拱圈模板(底模)厚度,应根据弧形木或横梁间距的大小来确定。b.拱肋模板。拱肋模板的底模与混凝土或钢筋混凝土板拱拱圈的底模基本相同。拱肋之间及横撑间的空当也可不铺底模。
2.拱桥的有支架施工——现浇混凝土拱桥
(1)施工工序。
现浇混凝土拱桥施工工序一般分三个阶段:第一阶段,浇筑拱圈(或拱肋)及拱上立柱的底座;第二阶段,浇筑拱上立柱、联结系及横梁等;第三阶段,浇筑桥面系。
前一阶段的混凝土强度达到设计强度的70%以上才能浇筑后一阶段的混凝土。拱架则在第二阶段或第三阶段混凝土浇筑前拆除,但必须事先对拆除拱架后拱圈的稳定性进行验算。若设计文件对拆除拱架另有规定,应按设计文件执行。
双曲拱桥的拱波,应在拱肋强度或其间隔缝混凝土强度达到设计强度的75%后才能开始砌筑。
(2)拱圈或拱肋的浇筑。
①浇筑流程。a.满堂式拱架浇筑流程:支架设计→基础处理→拼设支架→安装模板→安装钢筋→浇筑混凝土→养护→拆模→拆除支架。满堂式拱架宜采用钢管脚手架、万能杆件拼设,模板可以采用组合钢模、木模等。b.拱式拱架浇筑流程:钢结构拱架设计→拼设拱架→安装模板→安装钢筋→浇筑混凝土→养护→拆模→拆除拱架。拱式拱架一般采用贝雷架等拼设。
②连续浇筑。跨径小于16 m的拱圈(或拱肋),应按拱圈宽度自两端拱脚向拱顶对称地连续浇筑,并在拱脚处混凝土初凝前全部完成;如预计不能在限定时间内完成,则需在拱脚处预留一个隔缝,最后浇筑隔缝混凝土。薄壳拱的壳体混凝土,一般从四周向中央进行浇筑。
③分段浇筑。大跨径拱桥的拱圈(或拱肋)(跨径不小于16 m),为避免拱架变形而产生裂缝,以及减少混凝土的收缩应力,应采用分段浇筑的施工方法。分段长度应以拱架受力对称、均匀和变形小为原则,一般为6~15 m。分段的节点,满堂式拱架宜设置在拱顶、1/4部位、拱脚及拱架节点等处;拱式拱架宜设置在拱架受力反弯点、拱架节点、拱顶及拱脚处。各段的接缝面应与拱轴线垂直。
分段浇筑程序应符合设计要求,且对称于拱顶进行,使拱架变形保持对称、均匀并尽可能地小。填充间隔缝混凝土,应由两拱脚向拱顶对称进行。拱顶及两拱脚间隔缝,应在最后封拱时浇筑,间隔缝与拱段的接触面应事先按施工缝进行处理。间隔缝的位置应避开横撑、隔板、吊杆及刚架节点等处。间隔缝的宽度以便于施工操作和钢筋连接为宜,一般为50~100 cm。间隔缝混凝土应在拱圈分段混凝土强度达到设计强度的75%后进行浇筑。为缩短拱圈合龙和拱架拆除的时间,间隔缝内的混凝土强度可采用比拱圈高一等级的半干硬性混凝土。封拱合龙时的温度应符合设计要求;如设计无规定,一般宜在接近当地的年平均温度或在5~15℃时进行。
④箱形截面拱圈(或拱肋)的浇筑。大跨径拱桥一般采用箱形截面的拱圈(或拱肋)。为减轻拱架负担,一般采取分环、分段的浇筑方法。分段的方法与上述相同。分环浇筑时一般是分成两环或三环。分两环时,先分段浇筑底板(第一环),然后分段浇筑肋墙隔墙与顶板(第二环);分三环时,先分段浇筑底板(第一环),然后分段浇筑肋墙、隔墙(第二环),最后分段浇筑顶板(第三环)。
分环、分段浇筑时,可采取分环填充间隔缝合龙和全拱完成后最后一次填充间隔缝合龙这两种不同的合龙方法。
(3)卸除拱架及注意事项。
采用就地浇筑施工的拱架,卸除拱架的工作相当关键。拱架必须在拱圈砌筑完成后20~30 d,待砂浆砌筑强度达到设计强度的75%后方可卸除。此外,还必须考虑拱上建筑拱背填料、连拱等因素对拱圈受力的影响,尽量选择对拱体产生最小应力的时候卸除拱架。
为了使拱架所支承的拱圈重力逐渐转给拱圈自身来承受,拱架不能突然卸除,而应按一定的程序进行。
3.拱桥的有支架施工——石(混凝土砌块)拱桥拱圈砌筑
(1)砌筑材料。
拱圈及拱上建筑可按设计要求采用粗料石、块石、片石(或乱石)、烧结普通砖或混凝土预制砌块等。一般可在砌筑时,选择较规则和平整的同类石料稍经加工后用于镶面;如对镶面有要求,应按规定加工镶面石。各种砌块和镶面石的强度要求,可参见《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)的有关规定。
拱圈砌缝可用砂浆或小石子混凝土砌筑、填塞。砌筑拱圈用的砂浆,一般宜为水泥砂浆。小桥涵拱圈可使用水泥石灰砂浆,砂浆强度等级应符合设计规定。小石子混凝土的配合比设计、材料规格和质量检验标准,应符合《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)的有关规定。小石子混凝土拌和料应具有良好的和易性和保水性。(www.daowen.com)
为改善小石子混凝土拌和料的和易性和保水性并节约水泥,可经试验验证合格后在拌和料中掺入一定数量的减水剂或粉煤灰等混合材料。
(2)拱圈基本砌筑方法。
①粗料石拱圈。拱圈砌筑应按编号顺序取用石料。砌筑时砌缝砂浆应铺填饱满。对于较平的砌缝,应先坐浆再放拱石挤砌,以利用石料自重将砂浆压实。侧面砌缝可填塞砂浆,用插刀捣实。当砌缝较陡时,可在拱石间先嵌入与砌缝同宽的木条或用撬棍拨垫,然后分层填塞砂浆并捣实,填塞完毕后再抽出木条或撬棍。
②块石拱圈。块石拱石的尺寸可不统一,排数可不固定,砌筑时应符合下列要求:a.应分排砌筑,每排中拱石内口宽度应尽量一致;b.竖缝应呈辐射形,相邻两排砌缝应互相错开;c.块石应平砌,每层石料高度应大致相等。
③浆砌片石拱圈。浆砌片石拱圈的砌筑应符合下列要求:a.石块宜竖向放置,小头向上,大面朝向拱轴,如石块厚度不小于拱圈厚度或石块较整齐、可错缝搭接时,也可横向放置;b.较大的石块应用于下层,砌筑时应选用形状及尺寸较为合适的石块,尖锐突出部分应敲除,竖缝较宽时,应在砂浆中塞小石块,但不得在片石下面用高于砂浆砌缝的小石块支垫;c.片石应分层砌筑,宜以2层或3层砌块组成一个工作层,每一个工作层的水平缝应大致找平,各个工作层的竖缝应互相错开,不得贯通;d.外圈定位行列和转角石,应选择形状较为方正且尺寸较大的片石砌筑,并长短相间地与里层砌块咬接,连成整体,特别是拱圈与拱上侧墙及护拱连接处、拱脚与墩台身连接处、拱圈上下层及垂直路线方向应“错缝咬马”,连成整体;e.片石拱圈靠拱腹一面,可用砂浆及大小适宜的石块填补缺口;f.拱石的空隙要用砂浆填实,较大的空隙应塞以坚硬石片,在多孔连续拱桥的施工中,当桥墩不是按施工单向受力墩设计时,应考虑相邻孔拱圈施工的对称、均衡问题,以避免桥墩承受过大的单向推力。
(3)砌筑程序。
砌筑拱圈时,为了保证在整个施工过程中拱架受力均匀、变形最小,使拱圈的砌筑质量符合设计要求,必须选择适当的砌筑方法和砌筑顺序。一般根据拱圈跨径大小、构造形式(矢高、拱圈厚度)、拱架种类等,分别采用不同的施工方法和顺序。砌筑时,必须随时注意观测拱架的变形情况。必要时,对砌筑顺序进行调整,以控制拱圈的变形。
①拱圈按顺序对称连续砌筑。跨径13 m以下的拱圈,当用满布式拱架砌筑时,可按拱圈的全宽和全厚,由两拱脚同时按顺序对称、均衡地向拱顶砌筑,最后砌拱顶石合龙。跨径10 m以下的拱圈,当采用拱式拱架时,应在砌筑拱脚的同时,预压拱顶及拱跨1/4部位。
②拱圈分段、分环、分阶段砌筑。a.分段砌筑:跨径13~25 m的拱圈采用满布式拱架砌筑、跨径10~25 m的拱圈采用拱式拱架砌筑时,可采取每半跨分成三段的分段对称砌筑方法,分段位置一般在跨径1/4点及拱顶(3/8点)附近,每段长度不宜超过6 m。b.分环砌筑:跨径较大的石拱桥(或混凝土预制砌块拱桥),当拱圈厚度较大、由3层以上拱石组成时,可将全部拱圈厚度分成几环砌筑,每一环可分成若干段对称、均衡地砌筑,砌一环合龙一环,当下一环砌筑完并养护数日,砌缝砂浆达到一定强度时,再砌筑上一环。c.分阶段砌筑:砌筑拱圈时,为争取时间和使拱架荷载均匀、对称,拱架变形正常,有时在砌筑完一段或一环拱圈后的养护期间砌筑工作不间歇,而是根据拱架荷载平衡的需要,紧接着砌筑一部分拱段或环层。此种各拱段和环层分阶段交叉进行砌筑的方法,称为分阶段砌筑法。
③拱圈合龙。a.拱顶石合龙:砌筑拱圈时,常在拱顶预留一个缺口,在各拱段砌筑完成后,安砌拱顶石,完成拱圈合龙。分段较多的拱圈及分环砌筑的拱圈,为使拱架受力对称、均匀,可在拱圈两半跨的1/4处或在几处同时完成拱圈合龙。b.刹尖封顶:对于小跨径拱圈,为提高拱圈应力和有利于拱架的卸落,可采用刹尖封顶完成拱圈合龙。此法是在砌筑拱顶石前,在拱顶缺口中打入若干组木楔,使拱圈挤紧、拱起,然后嵌入拱顶石合龙,刹尖木楔须用硬木制作,每组木楔由三块硬木组成,两侧木块宽约10 cm,中间木块宽15~30 cm。c.预施压力封顶:用千斤顶施加压力来调整拱圈应力,然后进行拱圈合龙,此法应严格按照设计规定进行。如设计文件中无此要求,不得采用预施压力封顶来完成拱圈合龙。
(4)砌体养护。
拱圈砌筑完成后,应立即用草帘或麻袋覆盖,并于4h后(砂浆初凝后)洒水,使砌体保持湿润。养护时每天洒水的次数及养护天数应视水泥品种和气温情况而定,一般为7~14次。最初三昼夜,应勤洒水。拱上建筑的浆砌砌体,可采用上述养护方法。
4.拱桥的有支架施工——拱上建筑浇筑
主拱圈拱背以上的结构物称为拱上建筑,主要包括横墙座、横墙、横墙帽或立柱座、立柱、盖梁、腹拱圈或梁(板)、侧墙、拱上结构伸缩缝及变形缝、护拱、拱上防水层、拱腔填料、泄水管、桥面铺装、栏杆系等。
(1)伸缩缝及变形缝的施工。
伸缩缝宽1.5~2 cm,要求笔直,两侧对应贯通。如为圬工砌体,缝壁要清凿到粗料石规格,外露照口要挂线砌筑;如为现浇混凝土侧墙,需预先安设塑料泡沫板,将侧墙与墩台分开,缝内采用锯末、沥青按1∶1(重量比)的配合比制成的填料填塞。
变形缝不留缝宽,设缝处可用油毛毡隔离或用低强度等级砂浆砌筑,以适应主拱圈的变形。当护拱、路缘石、人行道、栏杆和混凝土桥面跨越伸缩缝或变形缝时,要在相应位置设置贯通桥面的伸缩缝或变形缝(栏杆扶手一端做成活动的)。
(2)拱上防水设施。
①拱圈混凝土自防水。采用品质优良的粗集料、细集料、粉煤灰或硅灰制作高耐久性的混凝土,同时采用适宜的施工方法。
②拱背防水层。小跨径拱桥可采用石灰土防水层。对于具有腹拱的拱腔防水,可采用砂浆或小石子混凝土防水层。大型拱桥及冰冻地区的砖石拱桥,一般设沥青毡防水层,其做法常为三油两毡或两油一毡。当防水层经过拱上结构物伸缩缝或变形缝时,要做特殊处理。一般采用U形防腐白铁皮、U形防水土工布、橡胶止水带。泄水管处的防水层,要紧贴泄水管漏斗之下铺设,防止漏水。在拱腔填料填充前,要在防水层上填筑一层砂性细粒土,以保证防水层完好。
(3)拱圈排水处理。
拱桥的台后要设排水设施,将水集中于盲沟或暗沟后排出路基外。拱桥的桥面纵向、横向均设坡度,以利顺畅排水,桥面两侧与护轮带交接处隔15~20 m设泄水管。拱桥除桥面和台后应设排水设施外,对渗入拱腹内的水,应通过防水层汇积于预埋在拱腹内的泄水管排出。
泄水管可采用铸铁管、混凝土管或陶管。泄水管内径一般为6~10 cm,严寒地区须适当增大,但不宜大于15 cm。宜尽量避免采用长管和弯管。泄水管进口周围的防水层应设置积水坡度,并以大块碎石做倒滤层,以防堵塞。
(4)拱背填充。
拱背填充应采用透水性强和安息角较大的材料,一般可用天然砂砾、片石、碎石夹砂混合料及矿渣等材料。填充时应按拱上建筑的顺序和施工时间设计,对称而均匀地分层填充并碾压密实,但需防止损坏防水层、泄水管和变形缝。
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