淺析鋼管混凝土拱橋施工方法

黃延青（甘肅華澳鐵路綜合工程有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 緒論

鋼管混凝土拱橋具有自重輕、強度大、抗變形能力強的優點，比較好地解決了修建橋梁所需的用料省、安裝重量輕、施工簡便與承重能力大的矛盾，是大跨徑拱橋比較理想的一種結構形式。目前，鋼管混凝土拱橋在國內修建很多，拱橋跨徑的增大，與施工技術的進步、材料性能的提高分不開。大量鋼管混凝土拱橋的修建和現在鋼管混凝土拱橋的發展現狀及趨勢要求廣大橋梁工作者加快鋼管混凝土拱橋的設計、施工等方面的研究工作，為我國大跨徑鋼管混凝土拱橋的設計和施工現代化、科學化鋪平道路。其中最關鍵的是施工問題，加強對鋼管混凝土拱橋在施工過程中的研究不但可以獲取補充、完善設計理論、設計方法所需的數據，而且可以挖掘現有施工工藝的最大潛力，補充、完善鋼管混凝土拱橋的施工技術和控制技術，為大橋質量檢驗提供依據。本論文對拱肋安裝、混凝土灌注過程等關鍵工序進行了理論分析和計算研究，并且介紹了施工工序和方法。

2 鋼管混凝土拱橋施工過程簡介

2.1 空鋼管階段

拱肋鋼管采用Q345D 鋼材。鋼管的制作由武船重工承擔，在室內分2m 一段卷制焊接，運至施工場地焊接，在鋼管拱預制場進行試拼。對接無誤后再進行噴鋁等防銹處理。空鋼管的架立采用滿堂支架安裝。先吊裝兩邊段拱肋就位，再吊裝中間段進行合攏，每一孔吊裝完成后及時安裝纜風，保持鋼管拱肋的穩定。待標高、線形調整合理后，澆筑拱腳處承臺混凝土封拱腳，再安裝橫撐固定拱肋。

2.2 澆筑鋼管混凝土階段

拱肋鋼管內填充C50 微膨脹混凝土，嚴格控制混凝土的流動性、配合比、塌落度、水灰比、入倉溫度。80m 拱肋混凝土的灌注分三次進行，先灌注下弦，再灌注上弦，最后灌注綴板。50m拱肋混凝土采用由兩端拱腳同時泵送，兩片拱肋同時進行，以免發生較大的橫向位移。

拱腳預留壓漿孔，一次泵送完成，在拱肋上最高處預裝一個排氣（排漿）孔。混凝土泵送至排氣孔有均勻散落的骨料時為止。泵送混凝土的整個過程對拱肋進行線形監控。

2.3 安裝橫梁階段

橫梁為預制箱形預應力混凝土構件。先澆筑立柱頂橫梁，再架設吊桿橫梁。先在拱肋上穿吊桿，用兩臺吊車把橫梁吊至預定高度，將吊桿穿過橫梁，調整橫梁高度、吊桿張拉力，直至滿足設計要求。橫梁吊桿的架設順序會影響到拱肋的變形，故橫梁吊桿的架設從邊吊桿開始，隔吊桿安裝下一個橫梁，吊裝完中吊桿處橫梁后再吊其他吊桿。

2.4 安裝橋面板等橋面系階段

橋面板采用分批、分型號安裝。橋面板縱橫接頭之間預留了后澆接縫，并將縱向接縫鋼筋與橫梁預埋筋、鋪裝層鋼筋焊接成整體。

2.5 成橋階段

待橋面板接縫澆筑完成后，現澆橋面混凝土并鋪筑瀝青，安裝護欄、照明燈等附屬設施。

3 鋼管混凝土灌注的研究

混凝土是鋼管混凝土材料的重要組成部分，空鋼管在架設完成以后，就要進行混凝土的灌注工作。鋼管混凝土的灌注過程是主拱圈剛度逐漸形成的過程，澆注過程的施工安全、質量和后期受力有很大的影響。

對于大跨徑橋梁，由于混凝土的數量較大，并且是逐漸凝固的；混凝土是作為荷載施加在空鋼管上；并且要分階段施工，混凝土也就分時間階段凝固；整個結構的剛度是逐漸形成的，這對鋼管的受力分布有一定的影響。所以研究混凝土的灌注過程是很重要的。

泵送混凝土施工是利用混凝土輸送泵（簡稱混凝土泵）和輸送管道把拌合均勻而未凝固的混凝土輸送到澆灌地點或直接澆灌混凝土的一種施工方法。它能一次連續地完成水平和垂直運輸，尤其對于一些工地狹窄和有障礙物，用其它運輸設備難以直接靠近的施工現場，混凝土泵更能有效地發揮作用，提高效率。此外，泵送混凝土施工還具有下列優點：①機械化程度高，能節省大量勞動力和施工材料；②混凝土泵的輸送能力強、速度快，能加快施工進度、縮短工期、提高工效；③可長距離壓送；④保護施工環境等。目前泵送混凝土已成為許多土木、水利工程建設的重要施工方式。

3.1 鋼管混凝土的澆注工藝

鋼管混凝土拱橋的鋼管內的混凝土應優先采用泵送頂升澆灌法，泵送頂升法采用混凝土輸送泵將混凝土從低處往高處頂升，當加載程序是從拱腳往拱頂一次性澆注時，從兩端拱腳泵送。當泵送頂升高度較高時，可以采用分級泵送。為潤滑管壁，減少泵送過程混凝土和管壁之間的摩擦力，應在泵送混凝土之前，先用壓力水沖洗鋼管內壁，必要時再用水泥漿通過。隨著混凝土在管內上升，管內的空氣將不斷增大，為了減少空氣壓力，在鋼管上每隔一段應開有排氣孔。泵送混凝土時兩邊泵送速度應加強協調，盡量對稱頂升，特別是接近拱頂時，要注意避免一邊上升過快，因為經計算和實測表明拱頂段的灌注對拱肋軸向偏位影響很大；同時為了避免混凝土一邊上升過快越過拱頂，在合攏段中間應該加設擋板。

3.2 泵送混凝土輸送管內的輸送壓力

混凝土壓送過程中，由于摩阻力存在，必然造成輸送壓力的損失，所以沿壓送方向輸送管內各點的壓力是不同的。現以半徑為r的直通管為例，取距輸送管的排出口為x 和x +dx 之間的微小段圓柱體，以壓送過程中作用于這微小段圓柱體上各種力的瞬間平衡狀態來分析混凝土壓送過程中的壓力損失和管內輸送壓力。設輸送管內x 處的壓力為p,x +dx 處的壓力為p +dp，則作用于dx圓柱體上的壓力為：

根據dx 圓柱體上的力平衡條件，與上述壓力相平衡的力有：管壁的摩阻力、混凝土的慣性力及重力。所以，沿壓送方向力平衡方程應為：

整理后得單位輸送管長上的壓力損失為：

式中：r－輸送管半徑；v－管內混凝土速度；ρ－混凝土的密度；g－重力加速度；a－直通管與水平面的夾角；γ－混凝土的容重。

近似把混凝土看成不可壓縮的物質，則在壓送過程的任意時間內，管內任意位置上混凝土的流動速度相同。因此對上式積分就能得到距輸送管排出口x 處的管內輸送壓力：

以上是混凝土在滿足可泵性要求，在管內形成栓柱狀流動的條件下，推導出的壓送過程中輸送管內的壓力損失和管內輸送壓力的理論計算公式。

3.3 逆流防止閥設計

鋼管拱混凝土壓注完后，為防止拆管時混凝土回流需在拱底設置逆流防止閥。借鑒其它鋼管拱橋的施工經驗，本橋設置了逆流防止閥。經在施工中使用表明此裝置安全可靠、操作方便、截流后混凝土不流失。

3.4 施工設計優化

橋拱肋混凝土分為人工澆筑段及壓注段，人工澆筑段就是在壓注段施工前首先采用人工澆注的方式澆注拱肋內靠近拱腳的一小部分，若待混凝土強度達到80%設計強度時再施工壓注段，考慮到先澆注的人工澆注段會在拱內產生施工縫，對拱內混凝土的受力不利，故在人工澆注段施工完成后立即進行泵送，只需在回流柵附近割開一振搗孔，待人工澆注段混凝土澆注至振搗孔時用插入式振動棒振搗后封焊好振搗孔即可繼續進行壓注段施工，直至壓注到拱頂排氣孔排出新鮮混凝土為止。啞鈴型拱肋混凝土要先壓注上弦管混凝土，待上弦管混凝土強度達到80%即可進行下弦管混凝土壓注施工。壓注施工用兩臺HBT-60C泵機(設一臺備用泵機)，分別位于拱肋的拱腳兩端。人工段振搗孔、排氣管及回流柵安設好后，即可連接壓注管道，管道連接好后要試機壓水，檢查泵機的工作狀態及管路的密封性后即可壓注。每臺泵機先打少許水泥砂漿用于濕潤管路，然后進行壓注混凝土。當混凝土面達到人工段振搗孔時停止壓注，用插入式振動棒振搗后封焊好振搗孔繼續壓注混凝土至拱頂，當拱頂排氣孔排出新鮮混凝土后關閉回流柵壓注即結束。

4 吊桿(吊索)的施工與索力控制

4.1 吊索的安裝和張拉

吊索的安裝類似于斜拉橋的拉索安裝。當鋼索采用徽頭錨具時，由于鋼索下料長度精度要求較為嚴格，需要測量鋼索預留孔的實際孔距，計算出下料長度，然后再下料、穿束、墩頭、掛索及初張拉。施工中，在橋面系未完成之前對吊索進行初張拉的主要目的是：①減輕系梁支架負擔，避免支架設備過于龐大，且減少支架在負荷過程中結構本身變形和基礎下沉等對主結構帶來的不利影響，在主拱結構完成后，吊索初張拉，由拱圈先負擔一部分橋面系的荷載；②使拱圈承受吊索力有一個緩和且均勻的過程；③減少橋面板參與系梁的結構作用，在橋面板參與結構作用前，先行拆除系梁支架。

當吊索被吊運就位后，要將其端部穿過主拱及系梁上的預留孔道，并在其端部錨具上旋入錨杯或通過張拉連桿與千斤頂連接。由于吊桿的無應力長度小于其理論長度(即索內有應力時其兩端支承面間距離)，又由于索的自重影響，往往在其一端的錨杯旋上后，其另一端的錨具還留在孔道內，甚至還未能進入預留孔道，因此，必須用鏈子滑車將其拉緊，使得錨頭盡可能地穿過預留孔道，以便通過張拉連桿與千斤頂連接上。只要能達到這一目的，剩下的工作就是要重復張拉幾個行程(因為一個行程往往不夠長)，逐步將錨頭拉到設計的錨固位置。

初張拉前，拱支架己拆除，裸拱的荷載壓力很大程度地偏離合理拱軸線，所以吊索初張拉值與張拉順序的確定，基本取決于裸拱各截面在結構自重與索力作用下的相鄰索的影響，在張拉設備容許情況下，盡可能采用影響最大的相鄰幾根索同時張拉的方法。在張拉的同時應注意如下各點：

1)張拉前應將錨頭與錨杯配對并檢查其質量；

2)穿索和張拉時應注意保護鋼索免受損傷；

3)要有兩種以上測量張拉力的手段；

4)錨環旋緊程度要一致，以免各索受力不均；

5)張拉應在上、下游兩拱肋對稱的情況下進行，盡量減小不平衡張拉力。

4.2 索力的調整

對調索的最終結果而言，與調索的次序是無關的，即不論先調哪根索，待所有索都調整完畢，都將得到同樣的結果而滿足調索要求。然而，在實際調索過程中，需選定次序，不但要求在驗算每調一索時，結構能安全承受內力變化，保證結構安全，而且要盡量使結構內力和撓度變化幅度最小，這需要精心設計計算。一般來講，調索要均勻對稱，先正后負，且選定主拱上撓度最大值處的索號作為下一調索索號，才會得到最合理的調索次序。

調索希望能一次完成，即任何索號所需索力增加值全值一次張拉完畢，以免張拉千斤頂多次安裝，增加施工中的麻煩。若在計算過程中出現一次張拉某一索號的索力增加值全值時將導致結構驗算強度不夠，則只能改為先張拉部分值，等其它索號調整過后，再次張拉該索所余留部分值。這種情況一般不會出現，只是在調索次序選定欠佳的情況下才會出現。從工程經驗來看，調索增加值的數值并不是很大，一次張拉某索號的全值，其所增加的結構內力不會超過結構二期恒載和活載所產生的內力。

調索過程中還有撓度控制問題。施工中要控制結構各部分標高，特別是系梁與橋面標高，標高不符合設計要求將影響結構安全、行車舒適和外形美觀。調索過程中結構會產生變形，系梁標高將上撓或下撓，但這一調索變形并不一定能改善橋面標高，有時甚至會朝相反方向變形。只有有意改變索力設計置定值，全索放松或收緊，才能起到調整橋面標高的作用。但這種作法要嚴格限制，以保證結構的安全使用。

索力調整過后，再次用索力測定儀量測所有各索的實際索力。實際索力與調索要求肯定還會有一定量的出入。若以這一實測索力為基礎，重復再次調索，調索后的索力仍不一定能完全一致。這種現象產生，不但因為張拉有誤差，而且計算假定也并非十分準確。再者多片拱之間的互相影響在按平面桿件計算中并未反映出來。但即使如此，每調索一輪回，可以肯定結構是朝結構內力改善方面推進，內力狀態逐漸接近設計所期望的狀態。調索過后，要確定是否還有再次調索的必要性，這需要根據調索后實測索力對結構進行全面驗算的結果而定。按實測索力驗算結構，說明結構足夠安全且結構撓度也符合要求，才能認為調索完成。按實測索力來驗算結構的具體方法，是以實測索力來取代結構原有索單元。實測索力按索的方向施加在主拱和系梁上，連同結構其它自重，疊加在一起計算出恒載內力，將恒載內力與活載或其它荷載內力按規范要求進行組合，對結構各構件作強度驗算或應力驗算，全部符合要求，才說明結構安全。

5 結論

鋼管混凝土拱橋是一種結構輕巧、形式多樣、美學效果良好的橋梁結構。本文在綜合分析國內外最新研究成果的基礎上，對鋼管混凝土拱橋施工關鍵技術進行了研究。但是，鋼管混凝土拱橋在設計、計算理論以及施工和施工控制諸如控制理論、參數識別、溫度影響等方面，尚需要更深入的研究和完善。

[1]張建民.大跨徑鋼管混凝土拱橋承載能力與施工控制研究.華南理工大學博士學位論文，2001

[2]邵懷.鋼管混凝土結構.中國建筑科學研究院,1992