一种现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚纵向开裂的防治方法

本发明涉及土木工程设计和施工，尤其涉及一种现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚纵向开裂的防治方法。

背景技术：

1、目前，现浇钢筋混凝土板式拱桥在我国西南地区的城市桥梁中应用较多。现浇钢筋混凝土板式拱桥具有如下优点：一是拱桥主拱圈以受压为主，能充分利用石材和混凝土抗压性能优异的特点；二是我国西南地区的河床地质条件好，便于采用满堂支架施工；三是每年枯水期、洪水期季节分明，枯水期河流水流量小、水位低，便于施工；四是相较于公路桥梁，城市桥梁对美观要求更高，而拱桥恰好具有优美的弧形构造。

2、现有技术中，现浇钢筋混凝土板式拱桥的施工方法，是在主拱圈的拱顶设置一个合拢段，先从拱脚开始向拱顶方向，分段分环一次性浇筑混凝土，直至合拢段；15-30天后，再对合拢段浇筑混凝土。在开始浇筑主拱圈混凝土到浇筑合拢段混凝土的时间段内，主拱圈混凝土的收缩可以完成30％-40％。合拢段的作用主要是降低混凝土纵向收缩引起的主拱圈的轴力和弯矩等纵桥向作用效应。板式拱桥厚度小，易脱水，收缩速度快和收缩量大，而混凝土桥台和桥墩的尺寸相对较大，脱水慢，收缩速度较慢和收缩量较小。在混凝土桥台和桥墩施工完成至浇筑主拱圈混凝土的时间段内，需要完成支架和底模的施工以及钢筋的安装，导致桥台、桥墩的混凝土与主拱圈的混凝土之间有3个月以上的龄期差。桥台、桥墩的混凝土已经完成一部分，而主拱圈混凝土的收缩刚刚开始，故浇筑主拱圈混凝土后，主拱圈混凝土的收缩远大于桥台和桥墩混凝土的收缩。这样桥台和桥墩形成对主拱圈混凝土的横向收缩约束，在主拱圈的拱脚产生横桥向拉应力，在桥台和桥墩产生横桥向的压应力。主拱圈宽度越大，桥台和桥墩对主拱圈混凝土的横向收缩约束作用越强，当主拱圈的拱脚产生的横桥向拉应力超过混凝土抗拉强度时，则产生裂缝。现有宽度较大(宽度≥12米)的现浇钢筋混凝土板式拱桥，尽管配置了较多的纵横向钢筋，但是桥梁检测发现，拱脚纵向开裂现象仍较常见。具体而言，裂缝起于拱脚，指向拱顶，间距小至2米-3米，大至8米，裂缝一般能延伸至1/8跨，裂缝宽度在0.2毫米-0.3毫米。

3、近年来，城市桥梁中新建的现浇钢筋混凝土板式拱桥拱脚的开裂状况更加严重，主要是如下两个因素所导致：一是出于环保考虑，各地禁采天然河砂，混凝土普遍采用机制砂。但机制砂形状差，石粉含量高，导致机制砂混凝土的收缩量远大于天然河砂混凝土。二是为适应城市交通发展和道路拓宽的需要，城市桥梁的宽度不断增大，有的城市桥梁的宽度达到40米以上。桥梁的宽度越大，混凝土收缩引起的主拱圈拱脚的横向变形也越大，进而主拱圈拱脚的横向拉应力也越大。

4、为解决现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚开裂问题，常规方法是把现浇钢筋混凝土板式拱桥横向分幅建设，即把一座桥梁分为2幅、3幅或4幅，每幅独立受力。从建筑上来讲，仍然是宽桥，但在结构上减小了横向宽度，降低了桥梁结构空间效应。将桥梁分幅后，存在如下两个问题：一是相邻两幅的结合位置需要设置成绿化带或防撞护栏，不能作为行车道，这样会引起桥梁与两岸道路之间交通组织不协调，容易引发交通事故。二是相邻两幅的结合位置渗水问题严重，影响美观，也影响耐久性。在西南某地的城市桥梁调查中发现，采用常规方法建设的宽度在15米以上的现浇钢筋混凝土板式拱桥，几乎100％存在拱脚纵向开裂问题。

5、鉴于此，有必要提供一种新的现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚纵向开裂的防治方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚纵向开裂的防治方法，以克服上述问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种现浇钢筋混凝土板式拱桥的拱脚纵向开裂的防治方法，所述现浇钢筋混凝土板式拱桥包括至少一个主拱圈单元，每个所述主拱圈单元均包括主拱圈和主拱圈支承结构，包括以下步骤：

4、步骤1：完成主拱圈支承结构、支架和底模的施工以及钢筋的安装

5、完成主拱圈支承结构的施工，在主拱圈支承结构之间安装支架，在所述支架上安装底模，在所述底模上安装钢筋；

6、步骤2：完成单个主拱圈单元的施工

7、步骤2.1：设置后浇带

8、将主拱圈所在区域划分成五个部分，分别为合拢段、两个拱圈节段和两个后浇带，并在每个所述拱圈节段的两端分别安装免拆模板网；所述合拢段设置于主拱圈所在区域的拱顶处；两个所述后浇带分别设置于每个所述拱圈节段靠近拱脚的端部与对应的所述拱脚之间；

9、步骤2.2：沿横桥向方向安装侧面模板，对两个所述拱圈节段浇筑混凝土并进行养护；

10、步骤2.3：对所述合拢段和两个所述后浇带同时浇筑混凝土并进行养护，得到所述主拱圈；

11、步骤3：重复步骤2，直至完成全部主拱圈单元的施工；

12、步骤4：拆除全部主拱圈单元的所述支架，并完成拱上建筑和桥面系的施工，得到现浇钢筋混凝土板式拱桥。

13、本发明的原理是：

14、现有技术中，现浇混凝土板式拱桥的主拱圈混凝土收缩后，拱脚受到桥台或桥墩的约束作用最强，也是最早出现开裂的地方。从浇筑主拱圈支承结构的混凝土到浇筑主拱圈的混凝土，一般有3个月的时间差。此时，桥台和桥墩混凝土的收缩大部分都已经完成，主拱圈的混凝土收缩则刚刚开始，桥台和桥墩形成对主拱圈混凝土收缩的约束，在主拱圈的拱脚产生横桥向拉应力，在桥台和桥墩产生横桥向的压应力。当主拱圈的拱脚产生的横桥向拉应力超过混凝土抗拉强度时，主拱圈的拱脚便会产生裂缝。一旦拱脚出现开裂，会造成现浇混凝土板式拱桥的安全隐患。

15、本发明在每个主拱圈单元的主拱圈的拱脚设置后浇带，先浇筑拱圈节段的混凝土，等拱圈节段混凝土收缩完成一部分后，再浇筑后浇带和合拢段混凝土，拱圈节段、合拢段、后浇带、桥台和桥墩连成一个共同受力的整体，即主拱圈与主拱圈支承结构连成一个共同受力的整体。

16、主拱圈与主拱圈支承结构连成一个共同受力的整体之前，拱圈节段混凝土的收缩属于自由收缩，不会在主拱圈混凝土内部产生应力。主拱圈与主拱圈支承结构连成一个共同受力的整体之后，主拱圈混凝土收缩受到主拱圈支承结构的约束，主拱圈混凝土收缩与主拱圈支承结构混凝土收缩差异会在主拱圈拱脚产生拉应力。混凝土的收缩前期快，后期慢，一般在5-6个月内逐渐稳定。本发明先浇筑拱圈节段的混凝土，间隔一段时间后，再同时浇筑后浇带和合拢段的混凝土，此时拱圈节段的混凝土的收缩已经完成一部分，先完成的这一部分收缩不会对主拱圈拱脚产生横桥向拉应力。因此，本发明的技术方案可以显著降低主拱圈拱脚因主拱圈混凝土与主拱圈支承结构混凝土收缩差异而产生的主拱圈拱脚横桥向拉应力，从而避免主拱圈拱脚的纵向开裂。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明在每个主拱圈单元的拱脚设置后浇带，后浇带和合拢段同时浇筑混凝土，减小主拱圈和主拱圈支承结构的混凝土收缩差异，减小了主拱圈拱脚混凝土的拉应力，从而避免了拱脚纵向开裂现象的产生，提高桥梁的耐久性。

19、2、本发明无需将桥梁在结构上进行分幅设置，提高了拱桥的桥面宽度，增强了桥梁与两岸道路之间交通组织的协调性，降低了交通事故的发生率。

20、3、本发明对每个主拱圈单元的主拱圈只增加了两个后浇带，后浇带与现有技术也设置的合拢段混凝土同时浇筑，对施工工期的影响较小。

21、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

22、进一步，当所述现浇钢筋混凝土板式拱桥为单跨拱桥时，所述主拱圈支承结构包括两个桥台；当所述现浇钢筋混凝土板式拱桥为多跨拱桥时，所述主拱圈支承结构包括两个桥台和至少一个位于两个所述桥台之间的桥墩。

23、采用上述进一步方案的有益效果是：本发明技术方案既适用于单跨拱桥，也适用于多跨拱桥，应用更为广泛。

24、进一步，在步骤2.1中，所述合拢段和两个所述后浇带的弧长均为1米-2米。

25、采用上述进一步方案的有益效果是：工人需要在安装完钢筋后，安装免拆模板网。如果后浇带和合拢段的弧长过小，则工人的工作空间小，不利于工人的施工操作。后浇带和合拢段需要浇筑uea补偿收缩混凝土或采用uhpc混凝土，上述两种混凝土的成本远高于普通混凝土，对养护的要求也高于普通混凝土。如果后浇带和合拢段的弧长过大，则增加施工的材料成本和养护成本。在本发明的实施1、实施例2和实施例3中，经研究认为，若后浇带和合拢段的弧长小于1米，则工人安装免拆模板网操作困难；当主拱圈配置的钢筋数量多，可适当增加后浇带和合拢段的弧长，但当后浇带和合拢段的弧长大于2米后，继续增加后浇带和合拢段的弧长对减小工人安装免拆模板网的困难已经无明显效果，只能徒增施工的材料成本和养护成本。

26、综上，本发明步骤2.1中，设置所述合拢段和两个所述后浇带的弧长均为1米-2米，是基于如下考虑：既顾及了工人实际的操作空间，也控制了施工的材料成本和养护成本。

27、进一步，在步骤2.1中，两个所述拱圈节段同时为实心或同时为空心。

28、采用上述更进一步方案的有益效果是：本发明的技术方案，既适用于同时为实心的拱圈节段，也适用于同时为空心的拱圈节段，应用更为广泛。

29、更进一步，当两个所述拱圈节段同时为空心时，需先将每个所述拱圈节段的两端端部均设置为实心段，且所述实心段的弧长均为2米-3米。

30、采用上述更进一步方案的有益效果是：现有技术中，当拱圈节段同时为空心时，施工过程中需要在拱圈节段的空心中安装内模板，即首先浇筑拱圈节段空心下的混凝土，然后在拱圈节段的空心中安装内模板，最后浇筑剩余混凝土。如果再安装免拆模板网，则导致工序复杂，工人操作困难，增加质量问题风险。

31、本发明中，当所述拱圈节段同时为空心时，先将所述拱圈节段的端部设置为实心段，加之后浇带和合拢段均为实心，且实心段的弧长为2米-3米，比后浇带的弧长大1米，便于工人的施工操作，保证施工质量。

32、进一步，在步骤2.1中，所述免拆模板网垂直于所述拱圈节段的拱轴线。

33、采用上述进一步方案的有益效果是：在安装免拆模板网时，工人习惯于将免拆模板网竖直安装，即垂直于地面安装，导致后浇带底部和顶部弧长相差过大，不利于后浇带混凝土的浇筑和养护。本发明设置步骤2.1中，每个所述免拆模板网均垂直于所述拱圈节段的拱轴线，可保证后浇带底部和顶部弧长相近，有利于后浇带混凝土的浇筑和养护。

34、进一步，在步骤2.3中，所述混凝土浇筑采用uea补偿收缩混凝土或采用uhpc混凝土。

35、采用上述进一步方案的有益效果是：uea补偿收缩混凝土在硬化过程中，会产生微膨胀，遇到约束时，会产生压应力，抵消收缩引起的拉应力，避免后浇带和合拢段混凝土因自身收缩而出现裂缝。uhpc混凝土本身收缩量极小，不会因收缩而开裂，强度远超过普通混凝土，且早期强度高，浇筑完uhpc混凝土后7天即可拆除满堂支架，可用于工期紧张或因面临洪水期需要尽快拆除满堂支架的情形。其中，所述uea补偿收缩混凝土的限制膨胀率≥0.025％，所述uea补偿收缩混凝土的强度等级比主拱圈混凝土的强度等级≥5mpa，所述uhpc混凝土的强度等级≤c120。

36、进一步，在步骤2.3中，所述养护的时间大于或等于14天。

37、采用上述进一步方案的有益效果是：对合拢段和后浇带采用uea补偿收缩混凝土或uhpc混凝土浇筑。如采用uea补偿收缩混凝土浇筑，uea补偿收缩混凝土内含有膨胀剂，其膨胀剂膨胀的必要条件是水分的充足供应，当水分供应不足时，uea补偿收缩混凝土中膨胀剂停止膨胀，uea补偿收缩混凝土会失水收缩，也影响uea补偿收缩混凝土强度发展，进而导致合拢段和后浇带混凝土因收缩二产生拉应力，进而开裂。如采用uhpc混凝土浇筑，uhpc混凝土硬化过程中，对环境要求高，也需要加强养护。综上，本发明设置步骤2.3中，所述养护的时间大于或等于14天，是基于如下考虑：可保证合拢段和后浇带混凝土达到设计强度要求，不出现收缩裂缝。

38、进一步，在步骤2.3中，所述主拱圈的横向宽度大于12米。

39、采用上述进一步方案的有益效果是：本发明的发明人对多个城市市区和下辖县区近5年建成的现浇钢筋混凝土板式拱桥进行了调查，发现主拱圈的横向宽度大于15米的现浇钢筋混凝土板式拱桥，都存在拱脚纵向开裂的现象；主拱圈的横向宽度小于12米的现浇钢筋混凝土板式拱桥，只有个别拱桥拱脚有裂缝，裂缝形态也不存在规律性，经研判不是桥墩台与主拱圈的混凝土收缩差引起，而是由其它原因导致。本发明的发明人以对比例为工程背景，采用midas fea软件建立有限元模型，变换主拱圈横向宽度，对桥墩台与主拱圈的混凝土收缩差引起的主拱圈混凝土的横向拉应力进行计算，结果表明：当主拱圈的横向宽度大于或等于12米时，主拱圈拱脚混凝土的横向拉应力达到2.2兆帕，接近混凝土的抗拉强度，容易造成主拱圈拱脚纵向开裂。综上，当现浇钢筋混凝土板式拱桥的主拱圈的横向宽度大于12米时，采用本发明的技术方案可以有效避免主拱圈拱脚的纵向开裂。

40、进一步，从步骤2.2中所述浇筑混凝土至步骤2.3中所述浇筑混凝土的时间间隔大于或等于15天。

41、采用上述进一步方案的有益效果是：混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象。一般分为塑性收缩(又称沉缩)、化学收缩(又称自身收缩)和干燥收缩，各有利弊，具体如下：(1)塑性收缩是指新浇筑混凝土在硬化前发生的体积变化。对普通混凝土而言，塑性收缩一般在1天内完成。(2)化学收缩是指混凝土在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料的水化反应产生的化学收缩表现在宏观体积上的收缩现象。化学收缩是混凝土中胶凝材料水化消耗毛细管孔隙中的水分，引起内部湿度降低的干燥收缩。对普通混凝土而言，化学收缩一般在3天内完成。(3)干燥收缩是由混凝土失水干燥引起的，其影响因素包括水灰比、骨料含量、骨料种类、构件尺寸和相对湿度。在上述三种收缩方式中，干燥收缩的比例最大，占普通混凝土总收缩量的80％-90％。混凝土干燥收缩速度前期快，后期慢，龄期到5-6个月时就逐渐稳定下来。

42、本发明设置从步骤2.2中所述浇筑混凝土至步骤2.3中所述浇筑混凝土的时间间隔大于或等于15天，是基于如下考虑：在拱圈节段浇筑混凝土15天后，拱圈节段混凝土的塑性收缩和化学收缩已经完成，干燥收缩完成量为30％-40％。然后再浇筑合拢段和后浇带混凝土，可以有效避免拱脚出现纵向裂缝。

43、名词解释：

44、主拱圈支承结构，是指支撑主拱圈，并把主拱圈自重、施加在主拱圈上的汽车荷载、温度作用等传递给地基的支撑物。主拱圈支承结构包括桥台和桥墩，桥台是指位于桥的两端把桥梁与路基连接起来，并支撑桥梁上部结构的基础构筑物；桥墩是指多跨桥梁的中间支撑物。单跨桥梁只有两个桥台，没有桥墩。多跨桥梁包括两个桥台和至少一个桥墩。

45、主拱圈，是指拱桥结构中两端支承在桥台、桥墩上、呈曲线形向上拱起，承受桥上的作用载荷,并把载荷传递给主拱圈支承结构的承重结构。

46、板式拱桥，是指主拱圈横截面为矩形实体截面的拱桥。

47、拱顶，是指主拱圈的最高点。

48、拱脚，是指主拱圈的两个端部与桥台或桥墩连接处。

49、拱轴线，是指主拱圈各横向截面的形心连接线。

50、拱上建筑，是指桥面和主拱圈之间的构件以及填充物。

51、桥面系，是指桥面铺装、伸缩缝和栏杆等构造。