閆旭，王言磊，遲作強，鹿石磊，杜麗文

（1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250000；2.濟南鐵路局，山東 濟南 250001）

葵花拱橋橋型新穎，造型靈動。將常規(guī)拱橋中腹拱立墻改為拱上拱，形成大拱與小拱交錯疊放的樣式，增加橋梁層次感，其外形酷似向日葵花瓣，因此起名為葵花拱橋。但葵花拱橋建設(shè)過程中的受力與原始拱橋受力差別較大，葵花拱橋?qū)⒏构傲ι系臐M布荷載變?yōu)楣绊斏戏郊案构肮澳_處單個集中線性荷載，拱上鏤空率顯著提升，葵花拱橋的受力形式及受力位置均發(fā)生巨大改變。在設(shè)計過程中，使拱圈局部應(yīng)力降低從而延長拱圈使用壽命，葵花拱橋應(yīng)注意腹拱拱圈的輕質(zhì)化，腹拱圈設(shè)計成空心式，挖空率達50%以上。使用常規(guī)鋼、木材料制作芯模模板，后期取模存在困難，留置于空心腔體內(nèi)則對葵花拱橋腹拱圈形變產(chǎn)生影響，反而會降低拱橋壽命。為減輕腹拱拱圈重量，減少拱腳負彎矩，保障腹拱圈空心形狀，免拆苯板的使用使施工難度降低，施工的便易性增加。

1 工藝原理及工藝特點

1.1 工藝原理

本施工工藝采用苯板作為低高度箱型空心截面的內(nèi)膜，應(yīng)用于葵花拱橋（見圖1）施工過程中，施工完成后內(nèi)膜免拆除，減少后期開槽取模等工序，節(jié)省了工期。與充氣芯模相比，保證空心腔體結(jié)構(gòu)完整性，減少因內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)變形而引發(fā)的內(nèi)力重新分部，減少橋梁內(nèi)部應(yīng)力，增加了橋梁施工整體性，延長了橋梁壽命。

圖1 葵花拱橋橋型布置圖

葵花腹拱施工步驟具體如下：

①選擇苯板；

②苯板加工，根據(jù)空心內(nèi)腔形狀及尺寸，將苯板芯模進行切割加工，切割過程中應(yīng)注意芯模外邊的角磨圓處理（見圖2）；

圖2 加工后的苯板芯模

③為方便工人將苯板芯模定位安裝，人工將苯板芯模切割為小塊，方便單人挪動定位；

④將苯板進行試拼并進行編號；

⑤拱橋腹拱支架模板搭設(shè)及預(yù)壓；

⑥腹拱底板鋼筋綁扎；

⑦拱圈側(cè)壁鋼筋安裝；

⑧苯板芯模定位安裝并進行壓杠固定；

圖3 苯板芯模安裝圖片

⑨腹拱頂板鋼筋綁扎；

⑩混凝土澆筑；

?結(jié)構(gòu)養(yǎng)護；

?拱圈底拆模。

1.2 工藝特點

苯板作為施工建材已屢見不鮮，但苯板作為免拆芯模卻不常見。采用免拆苯板作為芯模材料有如下幾個特點。

①苯板具有加工方便、易造型、易搬運等特點。苯板加工便利，能夠根據(jù)工程需求快速切割成型。同時，苯板易于搬運安裝，能快速在鋼筋骨架內(nèi)固定。利用苯板內(nèi)模整塊安裝的優(yōu)勢，能夠快速對葵花拱橋拱肋中低高度箱型內(nèi)腔進行支護。

②保證了內(nèi)模施工的質(zhì)量、速率及安全性。苯板芯模直接成型，施工過程中植入腔內(nèi)即可，施工方便且質(zhì)量有保證，能夠大量節(jié)約施工工期。施工完成養(yǎng)護期過后，芯模仍在腔內(nèi)保留，節(jié)省取模、封腔等工藝。若箱室內(nèi)部采用傳統(tǒng)木模板施工，一旦發(fā)生變形或脹模，處理過程耗時耗力，進而會影響混凝土澆筑質(zhì)量。同時，免拆除苯板內(nèi)模不需現(xiàn)場加工，避免了工人進入低高度截面箱內(nèi)部施工帶來的危險，大大提高了施工的安全性。

③拱橋受力過程中，苯板芯模與外周鋼筋混凝土協(xié)調(diào)一致變形，大大降低拱圈自重，使用內(nèi)模后的單跨腹拱圈重量增加約0.81t，僅為腹拱圈自重397.8t的1/500，均布后可以忽略其對拱圈受力的不利影響。使拱腳截面與拱頂線型保持一致，使葵花拱橋線型更加流暢、纖細。

④免拆苯板能使混凝土熱量留存，降低混凝土的散熱速度。在低溫環(huán)境下，對混凝土強度增長有利，使低高度截面箱盡早承荷。

2 材料要求及力學分析

2.1 材料要求

免拆苯板作為芯模應(yīng)保證拱圈的形狀完整性，利用單軸壓縮試驗及三軸壓縮試驗進行試驗?zāi)M，單軸試件尺寸為φ50mm×20mm，對試件進行有側(cè)限壓縮和無側(cè)限壓縮試驗。三軸壓縮試驗的試件尺寸為φ38 mm×80mm，在GDS靜三軸固結(jié)儀上進行快剪試驗。

單軸壓縮試驗在有側(cè)限壓縮和無側(cè)限壓縮將二者試驗結(jié)果進行對比，試驗結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（有側(cè)限）

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（無側(cè)限）

圖6 在不同圍壓下的應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系及體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系

可以看出，隨著荷載不斷增加，苯板泡沫先后經(jīng)歷彈性變形、屈服變形階段和塑性變形等階段，累計變形增大。相同形變下，應(yīng)力值與材料密度呈正相關(guān)。側(cè)限的介入對苯板泡沫受力發(fā)生形變的規(guī)律影響極小，抗壓強度明顯低于無側(cè)限狀態(tài)下的抗壓強度。在三軸壓縮試驗中，三軸壓縮試驗所產(chǎn)生的變形與單軸壓縮試驗所產(chǎn)生的變形類似；當圍壓很小時，對屈服強度的影響很小。試驗中還發(fā)現(xiàn)，材料的體積應(yīng)變接近于軸向應(yīng)變，苯板泊松比很小。

根據(jù)江西某新建葵花拱橋的單跨腹拱圈設(shè)計尺寸，低截面拱圈截面厚度為0.5m，則苯板應(yīng)承受12250Pa的強度（鋼筋混凝土比重為2500kg/m3），保證0.2倍的冗余量。對苯板材料進行受荷狀態(tài)下體積變形測定，觀察苯板的受重壓縮情況。試驗結(jié)果如表1。

苯板材料受荷狀態(tài)下體積變形 表1

經(jīng)過論證，應(yīng)選擇樣品4作為內(nèi)膜材料，苯板壓縮強度應(yīng)大于30kPa、表觀密度在17.0～20.0kg/m3的苯板，可以保證拱圈內(nèi)空腔外形變化在要求范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

以拱圈的拱頂為分界線，半拱范圍內(nèi)進行彎矩與軸力的監(jiān)測。在拱腳處（X=0m）到拱頂（x=7.5m），設(shè)置6個監(jiān)測點，分別為X=1.2、X=2.2、X=3.75、X=5、X=6.2、X=7等6個監(jiān)測點，對拱內(nèi)彎矩及拱內(nèi)軸力進行數(shù)值監(jiān)測。結(jié)果見表2～表5。

溫度整體升溫 表2

溫度整體降溫 表3

結(jié)構(gòu)自重下 表4

2.3 力學分析

由圖7可以看出，在溫度升高和降低過程中，由溫度變化引起的腹拱處彎矩變化方向相反，但趨勢相似。整體溫度升高結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，拱腳處受到兩側(cè)橋臺給予的內(nèi)向力增大，使拱頂由上表面受壓變?yōu)樯媳砻媸芾?，拱頂彎矩達到-2670kN·m。溫度下降則材料收縮，拱腳處兩水平向力向外，拱頂彎矩為3725kN·m。溫度升高降低引發(fā)的拱圈內(nèi)彎矩為零的位置重合。溫度變化引發(fā)的腹拱軸力對稱于X=0軸。由此可知，苯板留于拱腔內(nèi)不會因材料質(zhì)地發(fā)生改變而另外產(chǎn)生拐點，苯板在拱腔內(nèi)能和拱體本身變化一致。從圖8中可以看出，在節(jié)點距離為1m處發(fā)生拐點正好與此處截面材質(zhì)由實心變成空心相吻合，從軸力變化的趨勢看，截面由實心變?yōu)榭招氖馆S力變化速率增大，在拱腳實心處受力則變化不明顯。由此說明，采用低高度箱型空心截面作為拱圈結(jié)構(gòu)形式可以有效降低拱腳應(yīng)力變化，對拱腳壽命增加起有益作用。苯板芯模的采用使拱內(nèi)軸力驟減，對降低軸力效果明顯，大大提升拱圈壽命。

圖7 免拆苯板芯模作用中拱內(nèi)彎矩圖

圖8 免拆苯板芯模作用中拱內(nèi)軸力圖

3 工程造價及效益分析

以江西某新建葵花拱橋的單跨腹拱圈為例，施工過程中將常規(guī)施工工藝與免拆苯板內(nèi)模施工支出進行對比。

3.1 免拆苯板內(nèi)模施工支出

根據(jù)市場詢價

①單跨材料費：苯板內(nèi)模費用為150元/m3×45m3=6750元。

②單跨人工費用：300元/人×6人×1天=1800元（每跨投入人工6人，用時1天）。

③單跨運輸機械費用：200元/趟。

合計：8750元。

3.2 常規(guī)施工工藝造價

常規(guī)拱橋施工采用支架木模板為內(nèi)模，費用清單如下。

①單跨材料費用：鋼管支架、方木靠背及木模板單跨約6.3萬元。

②單跨人工費用：每跨投入人工12人，用時5天，人工費按300元/人，每跨人工費約1.8萬元。

單跨機械運輸費用：200元/趟

拆模及填補孔洞：人工3人，用時4天，人工費為3600元；材料費100元。

合計：84900元

3.3 對比及分析

該橋全橋共12跨，腹拱圈共節(jié)省材料費及人工費約91.38萬元，工期節(jié)約96天。從以上對比可以看出，使用免拆苯板內(nèi)模比使用傳統(tǒng)支架木模板法節(jié)省大量材料和勞動力，節(jié)省了部分工序，施工簡便，質(zhì)量易于保證。

3.4 工藝效果跟蹤

該工藝應(yīng)用于江西某拱橋和湖北宜昌某拱橋工程，以上兩工程現(xiàn)已建成通車，目前運營情況良好，腹拱拱腳與拱圈結(jié)合處尚未發(fā)生任何結(jié)構(gòu)裂紋。

4 結(jié)論

采用苯板作為芯模，大大降低了橋梁自重，使拱腳截面大小與拱頂截面大小保持一致的前提下減少了拱腳處彎矩，將拱腳壽命大大增長，同時使葵花拱橋服役壽命大大延長。苯板留置于拱圈腔內(nèi)，比起常規(guī)使用鋼木作為芯模模板，減少了后期開槽取模等工序，節(jié)省了工期，增加了橋梁施工整體性，減少橋梁內(nèi)部應(yīng)力，延長了橋梁壽命。針對葵花拱橋等低高度箱型空心截面現(xiàn)澆混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，免拆苯板作為低高度箱型空心截面芯模的施工工藝值得推薦。