拱桥专项施工方案.docx
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拱桥专项施工方案
竹鹅溪综合治理工程(南支)石拱桥施工方案
一、工程概况
竹鹅溪综合治理工程(南支)第四合同段0+729处设计有一座30m跨石拱桥,桥宽10.5m。
主拱圈为等截面悬链线,厚度为80cm,净矢跨比1/5,主拱圈矢高6m,腹拱圈为等截面圆弧,厚度35cm,净矢跨比为1/5,矢高70cm,腹拱墩拱圈为等截面圆弧,厚度30cm,净矢跨比为1/2,矢高60cm,桥梁下部为重力式U型砌石桥台,桥台基础放置在除去风化层的新鲜岩层上,并嵌入新鲜岩层60cm以上。
该桥设计荷载为车行道单向限载重10t,主拱圈、腹拱圈、腹拱墩拱圈材料为M10砂浆砌粗料石,桥台为M10砂浆砌块石(片石)、桥立面为M5砂浆砌块石(片石),石料标号不小于30MPa。
二、施工方案选择
(一)方案选择
本石拱桥支架采用扣件式支架,拱架采用型钢焊接支架,支架搭设完毕后进行了预压。
主拱圈砌筑分环砌筑,每环分六段,每段按水平均匀分割,水平长度为5m,先砌筑拱脚部位,再砌筑拱顶部位,最后砌筑1/4跨径处。
卸架同排同时进行,分三个循环卸落
二)工程工艺流程
(1)围堰
(2)基坑开挖(3)基础底板
(4)浆砌
桥台(5)拱架基础
(6)拱架搭设(7)搭架预压
(8)
拱圈砌筑第一环
(9)拱圈砌筑第二环
(10)拱上横墙
(11)卸载
(12)
卸架(13)腹拱圈砌筑
(14)
护拱
(15)拱上填料
(16)
拱上附属构筑物
三、施工准备
1、人员及设备准备
人员安排:
管理人员:
15名,各施工队施工人员
70名。
机械设备配置:
挖掘机:
1台;电焊机:
2台;8t吊车:
1台;10t
自卸汽车:
5台;20KW发电机:
2台;潜水泵:
3台;水准仪:
2台;全站仪:
1台;砂浆搅拌机:
2台;运输砂浆拖拉机:
2台;铁皮:
300平方。
2、施工技术组织根据设备需求及施工精度布设控制网点,补充施工需要的水准点、桥梁轴线、桥梁控制桩。
为保证施工测量放样作好准备。
作好原材料的检验和配合比的选定。
3、材料准备砂、石料、水泥、枕木、木材、沥青、脚手架、钢材等在柳州可以采购,质量能达到要求。
4、平面布置桥梁处在河道上,因采用满堂拱架施工,施工前,应将上游河水通过围堰栏截进拓污管道,再将河道淤泥清除,用片石挤淤,使基础满足搭设搭架基础承载力。
挤淤宽度为桥宽两侧加宽5m,5m作为外墙架及便道使用,并将现场场地进行平整,作为材料堆放和施工活动场地。
施工用水、电采用就近租用居民及厂矿的自来水。
电不能满足时采用发电机发电。
5、现场管理
(1)施工标志牌、围护进场后,在施工现场明显处设置施工标志牌及配合比牌,施工标志牌写明工程名称、施工部位、工地负责人姓名、现场施工员、开竣工日期等内容。
配合比牌写明工程名称、施工部位、砂浆标号、水泥用量、砂子用量、水用量及稠度等。
施工场地处在人员密集区或交通要道时,应采用封闭式管理,在车
辆及行人通过的场地,围护采用2.0米高的围护板围护。
(2)交通维护本工程施工前需将旧桥拆除,所以需在新建桥上游50m处填一便道
供周围村民及施工使用,便道宽5m,处在新建桥与河水截流围堰间,即可作为截流的防护围堰。
施工期间应安排人员进行维护,要保持施工区段交通顺畅。
在临边位置,用2米高围栏围护。
在两端安设明显的安全标识标志。
6、施工进度安排
桥台可提前安排在枯水季节,拱圈砌筑可安排在秋季。
拱桥的施工,应避开雨季。
计划从2007年9月1日开工,2007年
12月31日结束,共122天。
四、施工技术要点
(一)桥台砌筑
本工程桥台为重力式U型桥台,M10水泥砂浆砌筑块石(片石),桥台基础为M10水泥砂浆砌筑块石(片石)结构。
施工前用全站仪测设出基础边线,然后向外放出1m(50cm的工作面+50cm排水明沟),撒出灰线,根据现场土质情况及基坑开挖深度,定出边坡宽度,撒出基坑开挖外边线。
土方基坑放坡按1:
0.67,石方开挖按1:
0.5。
基坑采用挖掘机开挖,开挖达到设计标高后,然后人工修底,并会同监理工程师、设计单位、勘察单位联合对地基承载力检测,地基承载力应不小于600KPa,达到设计地基承载力后,进行下道工序施工。
若地基承载力达不到设计载基承载力,则会同监理工程师、设计单位等共同提出设计变更方案,对基底进行处理,直至达到设计的地基承载力。
开挖基坑的同时,在基坑周围作土石围堰,河道中间留5~10m的过水通道,以便于洪水时导流。
若开挖后出现地下水,需沿基坑四周挖排水沟,将在基坑中安放水泵进行基坑排水,保证基坑中无积水。
基坑开挖的位置、深度、基底尺寸符合图纸的要求。
清好底后,即可进行基础砌筑。
基础砌筑前,应对基底进行清洗干净。
第一层砌块时,需先座浆,然后逐层砌筑。
为保证台身砌筑坡度的精确,施工前先做好线架,挂线施工。
砌筑分段分层,两相邻工作段的砌筑高度不超过1.2m。
砌体中的石块以砂浆粘结,砌块间要有一定厚度的砌缝,不得互相直接接触。
上层石块在下层石块上铺满砂浆后砌筑。
竖缝在先砌好的砌块侧面挂上砂浆,所有砌缝要求砂浆饱满。
若用小块石填塞砌缝时,小块石四周都要有砂浆,为使砌块稳定,每外均选取尺寸形状较适宜的石块,且将较大的石块用于下层,并用宽面为底铺砌。
砌筑上层时,避免震动下层砌块。
砌筑工作中断后重新开始时,先将原砌层表面清扫干净,适当湿润再铺筑砂浆。
镶面石两顺一丁,错缝砌筑,错缝宽度不小于10cm,缝宽要一致,约为2cm,勾缝采用凹缝,缝深为5mm,缝宽16mm。
台身砌筑采用CKC支架,并加设连墙杆件。
砂浆采用砂浆搅拌机搅拌。
(二)拱圈放样
本工程拱圈计划先进行1:
1实地放样,以确定拱块形状和尺寸、拱圈分段位置、各项立杆的位置和尺寸。
拱圈放样地点计划在拱桥附近的单位砼地面上,拱圈大样按1:
1的比例,由于该桥拱圈左右对称,因此仅对1/2拱圈放样。
拱圈放样采用坐标法,以拱顶为原点,用全站仪放出相互垂直的X-X及Y-Y轴作为基线,然后按图纸提供的12等分坐标数据,以坐标基线及辅助线为基准,作全站仪配合放出各坐标点。
12等分半拱圈坐标见设计图。
各点放出来后,用平滑的曲线将各点连接。
曲线绘出后,检查曲线长度和控制点坐标的对角线长度,拱圈的水平长度误差及拱轴线偏差均不能大于计算跨径的1/2000,否则予以调整。
根据放出的拱圈曲线,即可设计拱架、确定拱块尺寸、确定空缝位置。
(三)扣件式钢管拱架的计算
1、支架或拱架与模板的选择
支架采用钢管扣件,钢管直径φ=48mm,壁厚t=3.8mm,立杆纵横间距拟采用0.6m,横杆上下间距拟采用0.6m,设水平及竖向剪力撑。
以最终验算确定。
拱架沿桥梁横向间隔0.6m布置,每片分六节制作,底部采用20槽钢与φ48×3.5立杆钢管焊接而成,立杆间距为60cm,上弦部分采用小横钢管与双10×6.3角钢相焊接而成,双角钢与弧形土加工成弓形木。
每片拱架直接采用大横杆、小横杆相连接,间距同支架,设斜向剪力撑。
拱架安装详见附图。
拱架先焊制好,支架搭设完毕后,放上卸载筒,然后将拱架吊装在砂筒上。
拱架与支架之间安设卸载筒,详见后面介绍,以作为卸架设备。
弓形木上直接铺设松木模板,厚度为3cm,宽30cm,以作为拱圈砌筑的模板。
模板铺设时,要在拱顶处预留一空档,以便于拱架的拆卸。
在预留空档处留置空洞,以便清洗落入空档内的砂浆。
模板铺好后,标出桥中心线、拱圈中线、拱圈边线等有关点。
2、荷载
(1)拱圈圬工重力:
拱圈总体积为268.3m3,比重按2.6t/m3计算,总重量为697.6t,拱圈的分二环砌筑,荷载按拱圈总重的70%计入,
G1=697.6×70%=488.3t=4785.34KN。
2
q1=4785.34KN/(10.5m×30m)=15.19KN/m2
(2)模板自重标准值:
q2=0.3KN/m2
(3)拱架自重:
13.7t(立杆)+13.5t(小横杆)+10.4t(大横杆)+13.8t(18工字钢)=51.4t
其中杆件对工字钢上每一点的集中荷载F1=37.6×1000×9.8/(19×
51)=380N
18工字钢自重为:
236.6N/m
2
(4)施工人员、机具:
q4=2KN/m2
(5)荷载组合底面模板及支架q1+q2+q4(验算承载力及刚度)=15.19×1.4+0.3+2
2
=23.57KN/m2
3、计算假定扣件式钢管拱架是一个空间框架结构,但节点处介于铰接与半刚性之间,其效果与操作者的工作质量有关。
钢管多次重复使用,存在微量弯曲,为简化计算,可作一些较切合实际的合理假定。
(1)只取单排立柱,按平面杆件体系计算;
(2)立杆自由长度取大横杆的间距,两端视为铰接;
(3)顶端小横杆按连续杆计算;
(4)只计作用在拱架上的竖直荷载,不考虑水平力和风力。
4、荷载计算
(1)模板验算
○1拱底模板强度验算
模板长1.8m,按三跨连续梁计算,按最不利荷载布置,见计算简图,由施工计算手册附表,可查得:
KM=-0.177,KW=0.99,E:
木材弹性模量为12×103N/mm2=12×109N/m2。
模板受力按纵向取1m宽计算带,受力如下图:
模板受力计算图
22
MMax=KMql2=-0.177×23.57×1×0.62=-1.502KN·m底模应力:
σ=MMax/WW=100×32/6=150cm3=150×103mm333
σ=1.502×1000×1000/150×103mm3=10N/mm2<15N/mm2(采用松木)故强度满足要求.
○2模板刚度验算
4
fMax=Kfql4/(100EI)
34-84
I=100×33/12=225cm4=225×10-8m4
fMax=0.99×23.57×1000×0.64/(100×10×109×225×10-8)=3024.125/2250000
=0.0013m=1.3mm(2)顶小横杆验算
顶小横杆自重为3.84kg/m,总重为:
51×10.5m×3.84kg/m=20.152KN按近似公式计算:
小横杆受力计算图
○1强度验算
σMax=PL/3.5W
P=(4785.34+20.152+2.3×30×10.5)×1.2(系数)/(51×19)=6.85KN(弓形木重量较小未考虑)
σMax=6.85×1000×0.6/(3.5×5.08×10-6)
=2.31×108N/m2=231N/mm2<235N/mm2则强度满足要求.
○2刚度验算
fMax=PL2/(55EI)=6.85×103×0.6/(55×12.19×10-8×2.1×1011)
=0.0029m=2.9mm<3mm
满足刚度要求.
(3)立杆验算
立杆为两端铰接的受压杆,计算长度为大横杆的间距L0,受压立杆的长细比λ=L0/r=60/1.58=38(r为立杆的回转半径),φ为纵向弯曲系数,φ值经查表得:
0.893,A为立杆截面积,[σ]为立杆钢材屈服点强度,为235N/mm2,立杆的轴向压力容许荷载值:
[N]=φA[σ]=0.893×4.89×102×235=102.6KN>6.85KN(小横杆最大支反力)
横杆跨距可调整至90cm,以减轻拱架自重。
(4)扣件验算
主要验算直角扣件,由小横杆传来的荷载,是通过扣件与立杆之间的摩擦力传递,并使扣件沿立杆向下滑动或相对于立杆转动外,扣件的承载力不应超过容许值,及扣件向下滑动的力不超过抗滑承载力的容许值:
Rmax≤RC
6.85KN≤8KN
Rmax:
顶端小横杆的最大支反力
RC:
直角扣件的容许承载力或抗滑力
经验算,扣件满足要求.
(6)拱架上工字钢验算
20b钢支承在卸载筒上,为简支结构,取弯距最大的中间跨计算,见计算简图,18工字钢自重为:
236.6N/m,F=6.85+0.38×1.2=7.306KN=7306N
18工字钢受力计算图
○1强度验算
MMax=ql2/8+6FL/8
=236.6×3.62/8+6×7306×3.6/8
2
=236.6×3.62/8+6×7306×3.6/8=383.3+19726.2
=20109.5N·m=20.1095×106N·mmσ=MMax/W
33
W=185×10mm
σ=20.1095×106N·mm/185×103mm3
22
=108.7N/mm2<215N/mm2则强度满足要求.
○2刚度验算
fMax=5qL4/(384EI)+(5×82-4)FL3/(384×8×EI)
I=1660cm4=1660×10-8m4
411-8
fMax=5×236.6×3.64/(384×2.1×1011×1660×10-8)+176×7306×3.63/(2304×2.1×1011×1660×10-8)
=0.148×10-3+7.47×10-3
-3
=7.62×10-3m=7.62mm<3600/400=9mm
满足刚度要求.
○3卸载支座反力
RA=RB=qL/2+5F/2=252.5×3.6/2+5×7306/2=18719.5N=18.7195KN
(7)拱架基础验算桥台砌筑至河道底标高后,即可开始拱架基础的同步处理,清至河床面下50cm,投入片石挖掘机进行挤淤,在片石上铺碎石20cm至河床面,作为拱架基底,也作为永久河床面,承载力应不小于110KPa。
在桥梁上游50m处设围堰将河水改至已施工好的排污管内流走,减少河水对支架的冲击。
在整个施工期间,应避免洪水冲击或漂浮物撞击,以保证拱架安全可靠。
支架基础铺设好后,用全站仪在基础上放出各立杆的位置,立杆下采用铁路用沥青枕木铺垫,宽20cm。
基底承载力验算:
作用在单榀拱架垫木上的力的总和F=51(立杆根数)×7306×1.4(安全系数)=521648N
承载面积S=30m(垫木长)×0.2m(枕木宽)=6m2
P=521648/6=87KPa<110KPa
(8)结论根据试定的脚手架、拱架及模板尺寸,进行拱架构件验算和地基验算,所取尺寸和参数满足要求,施工时可将横杆跨距调整为90cm。
该方
案可行。
5、拱架预压支架搭设完毕并铺好模板后,要对支架和拱架进行预压,已消除支架的非弹性变形及观测支架的弹性变形情况。
支架预压采用拱石及砂袋,下面排一层拱石,厚约30cm,上部采用编织袋装砂,预压总重为拱架承担拱圈荷载的1.3倍,考虑到拱圈的分环砌筑,总重量按整个拱圈重量考虑,除30cm拱石外,砂袋的码放高度1.1m。
预压砂袋的加载顺序按计划砌筑顺序分段加载:
首先加载拱脚部位,然后加载拱顶部位,最后加载1/4拱圈部位,加载前将拱脚、拱顶1/4处标高记录下来,在加载工程中定时观测各部位的沉降情况,加载完成后保持荷载24小时,观测支架的沉降情况。
沉降观测点在拱圈上、下游面,拱架模板顶面各设七个控制点(拱脚、1/8L处、1/4L处及拱顶),观测拱架变形。
拱架加荷前进行观测一次,加荷过程中,分别对
(1)、
(2)、(3)段进行观测三次,以后每2小时观测一次,直至24小时。
最后,写出拱架变形观测报告。
支架预压完毕后,调节支架顶部小横杆,使模板的各点达到方案预定的高程。
整个支架结构示意图见附图。
(四)施工预拱度拱架在拱桥施工过程中承受荷载后,会产生弹性或非弹性变形,另外,当拱圈砌筑完毕且强度达到要求而卸落后,在自重、温度等因素的影响下,拱圈也会产生弹性下沉。
为了使拱圈的拱轴线符合设计要求,必须在拱架上预设施工拱度,以抵消上述各种可能产生的竖向变形。
根据有关的经验数据,一般的砖、石拱桥预拱度为L/(400~800),当拱度较小时采用较大值,反之采用最小值。
本工程矢跨比为1/5,因此按中间值选择:
预拱度=L/600=30/600=0.05m。
考虑到支架已经过预压,支架的非弹性变形已基本被消除,因此预拱度选取2.5cm。
设置预拱度时,拱顶处按全部预拱度总值设置,拱脚处为零,其余各点按二次抛物线分配:
22
δx=δ(1-4X2/L2)
δx:
任意点(距离为X)的预加高度;
δ:
拱顶总预加高度;
L:
拱圈计算跨径;
X:
跨中至任意点的水平距离。
(五)拱圈砌筑
1、拱石制备
按设计技术交底要求,本工程拱圈采用粗料石砌筑,料石尺寸为四种:
1号拱石尺寸为:
40cm厚×40cm长×30cm宽;2号拱石尺寸为:
40cm厚×30cm长×30cm宽;3号拱石尺寸为:
50cm厚×40cm长×30cm宽;4号拱石尺寸为:
30cm厚×30cm长×30cm宽。
由于本工程跨度较大,拱石做成矩形。
本工程拱圈大样放出来后,在大样上确定拱石形状并进行编号,预定厂家进行加工。
拱石应立纹破料,加工时应达到拱石形状方正,边角整齐,表面平整。
加工出样品后,请监理工程师共同对样品进行验收,合格后方可订货,在拱石批量加工时,要时常对加工情况进行监控,使批量生产的料石规格及质量不低于样品。
粗料石按它在放样图上的位置,按“排——层——长度”的顺序进行编号,并用油漆标明。
拱石运到现场后,要分排分层堆放整齐、标记明确。
2、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,根据该拱圈的具体情况,拟进行分环分段砌筑。
本工程砌筑时分两环砌筑,下环、上环厚度掌握在40cm左右,两环之间以犬牙相接。
每一环均在全段拱圈内分为6段砌筑,先砌筑拱脚部位,然后砌筑拱顶部位,最后砌筑1/4部位。
砌筑时严格对称进行。
砌完一环合拢一环,下环合拢并养护7天左右砂浆强度达到70%时,再进行上环的砌筑。
3、拱圈砌筑的基本方法在拱圈砌筑前,先按拱圈放样图和拱曲线的实际长度,将各排拱石和辐射形砌缝位置用墨线画在模板上。
拱弧实际长度包括预置预拱度后拱弧的加长以及拱架施工中的误差。
拱弧的增加长度要平均摊入各砌缝中,但要保持两个半跨的对称和拱顶石的位置居中。
划线后将各排拱石的号数用油漆标明。
由于本工程拱圈使用的粗料石,砌缝宽度底部为1。
2cm,顶缝宽度为3cm。
拱圈砌筑要按编号的顺序取用石料,详见附图。
砌筑时砂浆饱满。
对于较平的砌缝,要先坐浆再放拱石挤砌,以利用石料的自重将砂浆压实。
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铸铁条,然后分层填塞砂浆并捣实,填塞完毕后再抽出铁条。
4、分段支撑由于拱段本方案考虑到分段砌筑,为了防止拱段向下滑动,必须在拱段下方临时设置分段支撑。
三角撑拆除时要在中间向两侧进行,拆一段砌一段,待新砌部分的砂浆达到一定的强度时,再继续拆除下一个三角撑并补砌此处料石。
拆除三角撑要稳妥,防止振动拱圈。
5、空缝的设置及填塞本工程拱圈砌过程中要在拱脚、拱顶石两侧、各分段点处留置空缝。
空缝的留置位置要正确,形状要规则,空缝宽度控制在3cm~4cm之间,在靠近拱圈底部和侧面处,缝宽与周围砌缝一致,沿空缝的拱石,其靠近空缝的一面要严格加工凿平。
空缝设置示意图如下:
为保证在砌筑拱圈过程中,空缝的宽度和形状保持不变,同时能将上侧拱段的压力传递给下侧拱段及桥台上去,必须在空缝中设置垫块,垫块拟定使用铁条制作。
铁条在工厂铸造,长75cm,宽2.5cm,下口厚1.5cm,上口厚4cm。
在拱圈砌筑过程中,空缝要保持清洁,不进杂物。
因设计无具体要求,因此在所有拱段及拱顶石砌完后进行空缝的填塞,由于本工程拟分环砌筑,空缝的填缝在整环拱石砌筑误差后进行,空缝填塞要在一天中较低温度时进行,特别是当填塞空缝砂浆使合拢时,更要注意时间的选择。
填塞空缝要在两半跨对称进行了,先填拱脚,次填拱顶,最后填塞
L/4附近。
6、拱圈合龙砌筑拱圈时,在拱顶预留一龙口,在各拱段砌筑完成后安砌拱顶石完成拱圈的合龙。
为防止拱圈因温度变化产生过大的附加应力,拱圈合龙时选择在一
天的最低温度时进行。
(六)拱上建筑的砌筑拱上建筑的砌筑,必须在拱圈合龙和空缝填塞完成,并经过数日养护砌筑砂浆强度达到70%后方可进行,养护时间不少于7天。
为避免主拱圈产生过大的不均匀变形,砌筑顺序由拱脚向拱顶对称、均衡的进行。
为防止腹拱圈受到主拱圈卸落支架的变形影响,在主拱圈砌筑完成后,先砌筑腹拱横墙,待卸落支架后,再砌筑腹拱拱圈。
腹拱上的侧墙,在腹拱拱顶及拱脚处设置变形缝。
(七)砌体养护
拱圈砌筑完成后立即用草袋图利覆盖,并在4小时后(砂浆初凝后)经常洒水,使砌体保持湿润。
持续时间不少于14天。
(八)拱架的卸落与拆除
1、卸落拱架的期限
拱圈必须在砌筑完成后砂浆强度达到设计强度的70%以后,并且在拱上小拱横墙砌筑完成、腹拱圈砌筑前卸落拱架,拱圈砌筑完时间大约20~30d,过早或过迟均对拱圈受力不利,如是需用提前卸落拱架,必须提高砂浆的强度。
2、卸架设备本工程采用砂筒卸架,因卸架顺序从拱顶开始,逐步同时向拱脚对称卸落,而实际存在的拱圈重力逐渐向拱脚转移,则卸载设备间距为拱跨中较宽,拱脚逐渐加密,每榀拱架布置15个,布置间距详见附图。
砂筒采用D150cm钢管切割焊制而成,砂筒结构示意图如下,内装砂子,砂筒上面的顶心用原木制作,砂筒与顶心之间的孔隙用沥青填塞,以免砂子受潮不易流出。
砂筒内的砂子要求干净、均匀,为保证砂子的干燥,砂子装入砂筒前要进行过筛并烘干。
卸载设备图如下:
5厚钢板
δ
圆木
顶心
沥青
5厚钢板
圆形砂筒的尺寸确定和应力力验算:
P:
卸载设备支座反力,18.7195KN;
d0:
砂筒顶心直径,取107mm;
d1:
砂筒内壁直径,取109mm;
d2:
泄砂孔直径,取12mm;
h0:
顶心放入砂筒的深度,取130mm;
H:
降落高度,90mm;
δ:
筒壁厚,3.5mm;
σ:
筒壁应力,MPa;
[σ]:
筒内砂子的容许承压应力,可采用10MPa,如将其预压,可达30MPa。
2
σ=(4P/πd02)d1H/(H+h0-d2)δ
=28.1MPa<[σ]=30MPa
故满足承载力要求.拱架的卸落量由砂筒砂子的流出量来控制,根据砂筒的断面面积,计算出砂子流出量与卸落量的关系,并经试验确