試論公路橋梁建設中鋼管混凝土拱橋的施工技術

【摘 要】本文首先闡述了鋼管混凝土拱橋穩定理論以及鋼管混凝土的四個特點，并結合工程實例著重介紹公路橋梁建設中鋼管混凝土拱橋的施工技術、施工工藝及施工要點，以供同行參考。

【關鍵詞】拱橋施工；鋼管混凝土；技術要點

1 引言

隨著國家對基礎設施的大量投入，橋梁事業也隨之快速發展，許多橋梁在設計施工時均采用了鋼管拱橋技術。因其具有以下優點：形態優美，跨度大，施工簡便，抗震、抗壓、抗裂性能顯著提高。鋼管混凝土充分利用了鋼管的套箍作用，采用了微應力混凝土，其抗壓、抗裂性能顯著提高。三向應力混凝土的主要特性是強度高，變形性好，在外荷載作用下，由于鋼管約束其內部核心混凝土的橫向變形，使在三向應力作用下的核心混凝土的強度比普通澆注的混凝土提高了2～3倍。普通混凝土受壓的壓縮應變≥0.002時，出現縱向裂縫而破壞。三向應力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當壓縮應變達0.002時，不但仍有承載能力，而且表面不發生裂縫，它是一種很好的抗震材料。

2 鋼管混凝土拱橋穩定理論

橋梁結構的失穩現象表現為結構的整體失穩或局部失穩。局部失穩是指部分子結構的失穩或個別構件的失穩，局部失穩常常導致整個結構體系的失穩。結構失穩是指結構在外力增加到某一量值時，穩定性平衡狀態開始喪失，稍有擾動，結構變形迅速增大，使結構失去正常工作能力的現象。拱橋的失穩分為面內屈曲和面外屈曲。拱橋的面內屈曲有兩種不同形式，第一種形式是在屈曲臨界荷載前后，拱的撓曲線發生急劇變化，可看作這是具有分支點問題的具體形式，橋梁結構中使用的拱。在體系和構造上多是對稱的。當荷載對稱地滿布于橋上時，如果拱軸線和壓力線是吻合的，則在失穩前的平衡狀態只有壓縮而沒有彎曲變形；當荷載逐漸增加至臨界值時，平衡就出現有彎曲變形的分支，拱開始發生屈曲。第二種屈曲形式是在非對稱荷載作用下，拱在發生豎直變位的同時也產生了水平變位。隨著荷載的增加，兩個方向的變位在變形形式沒有急驟變化的情況下繼續增加。當荷載達到了極大值，即臨界荷載之后，變位將迅速增加，這類失穩稱之為極值點失穩，也稱第二類失穩。求解這類穩定問題的極限荷載，需要采用非線性分析方法。如果拱的側向剛度相對較小，當荷載達到一定臨界值，拱也可能先離開其受載的平面向空間彎扭形式的平衡狀態過渡，發生面外屈曲。

3 鋼管混凝土特點

3.1 鋼管混凝土拱橋其實是套箍混凝土，所以比一般混凝土強度高、塑性好、質量輕、耐疲勞；鋼管混凝土結構的耐火性能由于內填了混凝土，在高溫情況下．與空鋼管相比它的軟化溫度將極大的提高，而在急驟降溫(消防沖水)時又不會像鋼筋混凝土結構那樣爆裂，因此，其防火性能應比鋼結構和鋼筋混凝土結構更加優越；鋼管混凝土結構還具有較好的耐沖擊力和動力性能。

3.2 拱橋以受壓為主，面內面外均存在著穩定問題。圓鋼管截面各向抗彎慣矩大，相對的長細比減小，有利于結構穩定性的提高。同時圓鋼管截面相對于箱形截面抵抗局部屈曲的性能要好。對于寬跨比較小且處于風力較大的沿海或山谷地區的拱橋，圓形拱肋承受的橫向風力較小，有利于提高拱的橫向穩定性。

3.3 鋼管本身就是耐側壓的模板，故澆筑混凝土時可省去支模、拆模等工序；鋼管本身又是勁性承重骨架，在施工階段可起勁性鋼骨架作用，在使用階段又是主要的承重結構，因此可以節省腳手架，縮短工期，減少施工用地，降低工程造價；鋼管混凝土具有剛度大、承載能力大、質量輕等優點，這些優點和橋梁轉體施工工藝相結合，可以解決轉體質量大與轉體結構的強度、剛度的矛盾。

3.4 在受壓構件中采用鋼管混凝土，可大幅度節省材料。理論分析和工程實際都表明，鋼管混凝土與鋼結構相比，在保持結構自重力相近和承載能力相同的條件下，可節約鋼材約50％，混凝土和水泥用量以及構件自重也相應減少l／2。此外，鋼管混凝土拱橋還有造型美觀等優點，但是由于鋼結構外露，鋼管混凝土結構耐腐蝕性能比鋼筋混凝土弱，與鋼結構一樣需要采用有效的防腐措施。

4 工程概況

本橋設計橋寬28.5m，橋梁總長585.56m。主橋部分由五孔無風撐、雙承載面下承式的鋼管混凝土系桿拱組成(64m十64m+72m+64m+64m)。拱的矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線，拱肋采用圓端形扁鋼管結構。拱肋高度72m跨為0.9m，64m跨為0.8m，寬均為1.8m，鋼管內填充C40微膨脹砼。拱肋鋼管材質Q345D，厚度為16mm。截面見圖1。

5 準備工作

5.1 方案比選

5.1.1 方案一：采用連續拋落無振搗澆注混凝土的施工方法，混凝土由拱頂連續拋落。但對距拱頂4m以下的混凝土仍需開天窗用插入式振動器進行振搗，且所澆注混凝土不易密實，施工難度較大。

5.1.2 方案二：壓注頂升法。即在距離拱腳1.5～2m處的拱軸線處，兩側對稱各開壓注孔，利用混凝土輸送泵的壓力將混凝土從壓注孔處焊接好的泵管連續不斷地自下而上壓入鋼管拱內，并達到砼自密實的效果。這種施工工藝簡便易行。但必須選用壓力大、性能好的輸送泵。施工時采用方案二，即壓注頂升法施工，取得了滿意的效果，并總結出施工中需注意的一些問題。

5.2 施工前的觀測

觀測的目的是為了確定拱軸線、控制點的標高是否正確。如果軸線有偏差可用預先設置好的風攬進行調整；如果因焊接、拼裝等原因造成一側的控制點高程偏大，而另一側的高程偏小，則可在壓注混凝土的過程中調整。

5.3 機具

泵送頂升施工需要有較大的泵送壓力，混凝土輸送泵的選擇是混凝土頂升壓注成功與否的關鍵。本工程選用了3輛三一牌HBT-50B型拖泵，其中1臺備用。此泵出口泵壓可達6.3MPa，對混凝土的適應性較強。為確保泵送壓注頂升的連續進行，施工時根據混凝土拌和站的位置和泵送速度，每臺泵車配備了3輛混凝土運輸車，并有1輛備用。混凝土拌和站應做好攪拌機的檢查、維修工作。

6 施工工藝

6.1 二級壓注，一次成型

由于鋼管為扁形，加勁肋布置較遠，且矢高較大，根據混凝土所能產生的壓力及扁鋼管的抗變形能力計算(采用有限元結構分析軟件分析計算)，若混凝土從拱腳一直壓到拱頂，則混凝土的壓力將把扁鋼管的直線部分壓彎，所以采取“二級壓注，一次成型”的方法，即除原有拱腳底預留焊接的泵管接頭外，在拱高1/2處(拱高含拱頂排氣管1.5m)，兩邊對稱，增設型號一致泵管接頭，在緊靠拱頂吊桿位置兩側設兩根＆20cm，高1.5m的排氣增壓鋼管，具體見圖2。

6.2 施工中鋼管拱的觀測

為了獲得較完整的測量數據，混凝土壓注過程要進行全程觀測。混凝土壓至每一個控制點，都對拱軸線及標高施測一次，并將測量結果繪制成隨時間或工況變化曲線圖，根據這一曲線，可以較直觀地了解鋼管拱在泵送混凝土各階段變化情況。

6.3 壓注頂升施工程序

灌注前認真檢查泵管及輸送泵的各個接頭，接頭之間應墊橡皮圈防止漏氣、漏漿。開啟止回閘閥K1、K2，用與混凝土相同品種及標號的水泥攪拌的砂漿潤滑泵車與泵管，以減小混凝土泵送時的摩阻力，砂漿必須在鋼管拱外排出。對稱進行灌注混凝土，同時有專人觀察拱內混凝土的泵送情況，兩臺泵灌注的速度盡量保持一致，如有不對稱現象應及時調整。最簡單而實用的觀察辦法就是“錘擊法”，即用鐵錘敲擊鋼管拱，聽到清脆的聲音和沉悶的聲音交界處就是混凝土已壓注到的位置。這一觀測能確保混凝土的對稱同步澆注。如果發現兩側的壓注速度不一致，應及時與泵車指揮人員聯系，進行調整。小部分偏載造成的鋼管拱彈性變形可以完全恢復，有效的保證了拱軸線符合設計要求。當混凝土灌注至超過K3、K4壓注孔時，停止泵送，立即關閉K1、K2閘板閥，已最快的速度將泵管接至K3、K4壓注孔，打開K3、K4閘板閥，開始第二級混凝土的壓注。當混凝土從排氣孔冒出時，控制灌注速度，改兩臺泵同步對稱泵送為交替泵送，繼續壓注1～2m3混凝土，確保鋼管拱內混凝土壓注密實。然后關閉止回閘閥，避免混凝土倒流，清洗泵管、泵車。灌注完成后要做好鋼管混凝土的保溫工作。

7 技術要點

7.1 混凝土配合比的優化

該混凝土要求早強、高流態、緩凝、自密性及可泵性非常好。最為關鍵的問題是該鋼管混凝土為微應力混凝土。混凝土內摻膨脹劑，滿足補償收縮要求，坍落度要求到達作業面18～20cm，初凝時間根據壓注速度計算，要求控制在6h以上。設置微應力，可提高構件的承載力及改變普通混凝土灌注造成的混凝土和鋼管間有間隙的現象。在配合比設計中確定微膨脹率是關鍵因素。鋼管內部混凝土質量對工程結構安全影響很大，稍有不慎，就會出現質量事故，造成泵送困難、內有空氣、不飽滿、混凝土和鋼管間有收縮空隙等現象。因此，對此種混凝土的配合比要多做實驗，控制好膨脹率。

7.2 混凝土的壓注要兩側對稱同步進行

對混凝土的壓注過程中進行全程觀測，結果顯示：拱下半部混凝土灌注時第一至三段標高明顯下降，第五段至拱頂段標高明顯上升。相反，當拱頂部分泵送完混凝土后，拱頂標高明顯下降，而第一段至第三節段標高自動得到回升混凝土的自重對鋼管拱線形影響比較明顯。所以壓注必須對稱同步進行。如果在澆注前因拼裝、焊接等原因，造成一側的控制點偏高而另一側的偏低，則可以用非對稱方式澆注進行調整，即先從偏高的一側進行壓注混凝土，同時密切觀察拱的變形，當拱兩側的控制點標高基本恢復至設計標高時，兩側開始同步澆注，逐步調整兩側混凝土的壓注量，最后同時壓至拱頂。混凝土壓至拱頂時，要繼續壓注，讓混凝土從排氣增壓孔中排出1～2m3。排氣孔不冒氣泡時停止壓注，關閉混凝土止回閥。

7.3 二級壓注，一次成型

設計要求混凝土的壓注必須連續進行，而本橋扁拱的結構抗變形能力又決定了混凝土必須分兩級壓注。所以我們采取了“二級壓注，一次成型”的壓注方案的關鍵在于二級混凝土之間的連續性。第二級混凝土必須在第一級混凝土的初凝時間內盡早開始，要求工人在兩級混凝土壓注間拼接泵管的速度要快，必須安排熟練工人進行。

7.4 鋼管混凝土的保溫工作

混凝土和鋼管之間如果產生空隙，微膨脹混凝土的優勢將失去，直接影響拱的承載力。鋼管混凝土的保溫工作不到位是空隙產生的原因。因此，采取將鋼管拱用麻袋包起等措施，盡量減小內外溫差。

8 結語

鋼管混凝土拱橋施工中需要研究的問題還很多，需要我們廣大工程技術人員積極探索，不斷完善，使這一先進技術在公路交通設施建設領域發揮更大作用。

參考文獻：

[1]蘇軍.白土坡勞山川大橋鋼管混凝土系桿拱施工技術[J].山西建筑，2010，(23).

[2]齊靜.大跨鋼管混凝土拱橋施工技術[J].科技資訊，2010，(15).

[3] 陳小雨.公路橋梁建設中鋼管混凝土拱橋的施工技術[J].科技風，2010，(19).

[4]孫鵬.鋼管混凝土勁性骨架拱橋轉體施工應力應變檢測研究[J].現代商貿工業，2010，(03).