明珠湾区灵山岛的七一路1号桥, 结构为上承式无铰拱桥, 桥跨径组合为9m+24m+9m, 主跨上部主梁采用肋板梁, 梁顶宽20m, 拱座宽16.4m, 拱圈采用等截面肋板拱, 全桥共有5个肋板, 拱肋宽2.4m, 净距1.1m, 板厚0.6m, 连拱线采用圆曲线, 半径为16.806m, 净跨22m, 矢高4.1m, 矢跨比1∶5.365, 边跨斜撑肋板宽2.4m, 净距1.1m, 板厚0.5m, 斜撑斜率为1∶1.5。

1) 原设计施工工序 满堂支架施工主拱圈及斜撑→施工拱顶合龙段→满堂支架施工上部主梁, 按设计要求, 主拱圈第1次混凝土浇筑完成后, 至少需14d才能进行上部结构主梁施工。

2) 满堂支架施工主拱圈 在斜撑放坡面上施工素混凝土垫层, 然后浇筑斜撑和墩顶主梁;搭设满堂支架, 支架搭设完成后进行预压, 消除非弹性变形和基础沉降, 然后进行拱圈施工;主拱圈顶预留2.0m长合龙段, 如图1所示。

3) 施工拱顶合龙段 待两侧主拱圈龄期>7d, 施工拱顶合龙段;合龙段施工宜选择夜间气温较稳定时进行;合龙段混凝土采用微膨胀混凝土。

4) 满堂支架施工上部主梁 待合龙段混凝土强度>90%, 搭设主梁满堂支架, 对支架进行预压, 消除非弹性变形和基础沉降;现浇主桥上部剩余的主梁结构, 预埋附属结构预埋件 (见图2) 。

七一路1号桥拱圈跨径24m, 其中净跨22m, 主拱圈一次性浇筑完成, 拱顶不设合龙段, 浇筑过程中拱脚等位置亦不设置间隔槽, 主拱圈模板采用定型钢模板, 拱肋部位模板上预留混凝土振捣、排气可封闭天窗, 混凝土浇筑采用对称分层浇筑法, 于夜晚温度较稳定时间段进行。因场地条件限制, 仅能配备1台混凝土泵车进行混凝土浇筑, 浇筑时间控制在10h内。优化后工艺流程为:满堂支架施工主拱圈及斜撑→满堂支架施工上部主梁。施工工艺优化后, 拱圈浇筑完成后混凝土强度>90%后即可进行上部主梁施工。

1) 满堂支架施工主拱圈 在斜撑放坡面上施工素混凝土垫层, 然后浇筑斜撑和墩顶主梁:搭设满堂支架, 支架搭设完成后进行预压, 消除非弹性变形和基础沉降, 然后进行拱圈施工, 拱圈一次性浇筑完成, 不预留合龙段 (见图3) 。

2) 满堂支架施工上部主梁 待拱圈混凝土强度>90%后, 搭设满堂支架, 对支架进行预压, 消除非弹性变形和基础沉降;现浇主桥上部剩余主梁结构, 预埋附属结构预埋件。

该桥施工过程中, 因跨径较小, 满堂支架施工完成后已进行过堆载预压, 支架及地基弹性变形已基本消除, 采用定型钢模板, 最大程度地避免了先浇混凝土因拱架下沉而开裂, 因而该桥拱圈浇筑过程中可不设间隔槽, 同时可有效确保拱轴线施工质量。

因现场条件限制, 混凝土浇筑时间偏长, 初步计划为10h, 拱顶混凝土浇筑温度高于拱脚浇筑温度, 预计温差7℃, 预计合龙温度为22℃。混凝土温度应力、混凝土收缩及徐变作用对拱桥后期拱圈质量有至关重要的影响。因此需针对温度作用、后期混凝土收缩及徐变作用对拱圈的影响进行验算。

据1971—2000年广州基本气候情况统计, 项目所在地区2月极端最低气温为1.5℃, 极端最高温度为28.6℃, 平均温度为14.5℃, 2月平均最低温度为11.8℃, 平均最高温度为18.6℃;统计期极端最低温度为0.0℃, 极端最高温度为38.1℃。七一路1号桥合龙段温度预计为20℃, 原设计合龙段温度15℃。

当大气温度比合龙温度高时, 拱体膨胀;比合龙温度低时, 拱体收缩, 2种情况都会对拱体产生附加应力, 以广州地区极端最高气温38.1℃及极端最低气温0.0℃进行相关验算。

式中:α, δ'₂₂为与拱轴线方程及混凝土材料相关的常数。

式中:y_s为弹性中心, 与拱轴线方程有关的常数, y_s<l。

由此, 温度升高时, 拱顶弯矩为负, 拱脚弯矩为正, 与其截面控制弯矩正好相反, 有利于拱圈受力。

综上, 温度升高时, 按原设计或采用优化方案, 均有利于拱圈受力;温度降低时, 拱顶弯矩为正, 拱脚弯矩为负, 与其截面控制弯矩正好相同, 不利于拱圈受力。

利用MIDAS进行降温模拟, 原设计按整体降温15℃, 优化后按计划浇筑温度每单元降温进行模拟计算, 如图4所示。

原设计因降温影响产生的下沉值为3.782mm, 优化后因降温影响产生的下沉值为4.403mm, 其规范限值l/600=2 400/600=4cm, 优化后较原设计下沉值多Δ=4.403-3.782=0.621mm, 占规范限值比例为0.621mm/40mm×100%=1.55%, 对拱圈拱轴线影响微小, 同时考虑主梁对拱圈的约束作用, 共同作用下对拱圈拱轴线几乎无影响。

综合升、降温对拱圈的影响, 经验算, 优化后工艺较原设计对拱圈后期使用质量基本无影响。

原设计预留合龙段施工, 第1次拱肋及拱顶主梁浇筑完成后, 需经7d方能进行合龙段施工, 之后拱圈成型, 合龙段参与受力前满堂支架承受来自拱圈的较大水平推力, 同时预留合龙段支架上部少约束, 长期作用不利于支架的稳定性, 容易引起支架拱起变形, 进而影响拱圈拱轴线质量, 存在一定的安全风险。

优化后不预留合龙段, 一次性将拱肋、拱顶及拱顶主梁浇筑完成, 采用大块定型钢模, 模板刚度较高, 浇筑完成后即能拟合拱圈拱轴线, 满堂支架受力均匀, 各向均有约束, 支架变形小, 整体稳定性及安全性较高。

七一路1号桥采用优化后施工工序进行浇筑, 各项质量指标均符合设计及规范要求。市政小跨径无铰拱桥拱圈施工经验算合格, 且经各方同意后, 可不预设合龙段后期合龙, 一次性对称分段浇筑, 分段不设合龙段及间隔槽, 浇筑温度需与设计温度较接近并在温度稳定的夜间施工;优化后可缩短拱桥上部结构建设工期7d, 提高满堂支架稳定性与安全性, 提高拱圈质量, 确保成桥后受力符合设计及规范要求。