128m系桿拱橋鋼管混凝土澆筑施工技術

摘 要 本文介紹了128m系桿拱鋼管混凝土澆筑施工方案，通過應力疊加原理計算，制訂混凝土澆筑順序，以滿足橋梁施工中及成橋后各部分結構內(nèi)力要求。

關鍵詞 128m系桿拱 拱管內(nèi)混凝土 澆筑

一、工程概況

包西鐵路跨黃延高速大橋中心里程DK513+890，全長319.78m，孔跨形式為1孔32m簡支T梁+1孔128m鋼管混凝土系桿拱+2孔32m簡支T梁+3孔24m簡支T梁，因受橋址地形和凈空限制，其中跨黃延高速公路一孔為128m預應力混凝土簡支箱梁及鋼管混凝土系桿拱，結構設計為剛性系梁剛性拱，主梁采用預應力混凝土簡支箱梁，橫截面為單箱三室截面。主橋設兩道拱肋，拱肋采用外徑130cm，壁厚δ=26mm的鋼管混凝土啞鈴型截面，上下弦管中心距2.2m，拱肋截面高3.5m。吊桿的張拉端位于拱肋上端。橋型布置圖如圖1所示。

圖1橋型布置圖

二、施工方案

1.總體施工方案。該橋采用先梁后拱的施工方法，主梁采用滿堂支架或墩梁膺架法現(xiàn)澆施工。梁體施工完成后，架設拱肋支架。拱肋采用預制吊裝在支架上進行組拼拱肋構件并焊接施工，待兩片拱肋合攏后，吊裝焊接各橫撐、K撐，每片拱肋分9段在工廠里加工，每段長約13.5m左右（不含預埋段），吊裝重約20噸。安裝時要求兩道拱肋同時進行，對稱拼裝。每段拱肋拼裝完成后，及時安裝相應橫撐及K撐。（橫撐及K撐安裝應以跨中為對稱順序進行），拱肋拼裝完成后在鋼管拱內(nèi)灌注混凝土。

2.鋼管混凝土、拱管內(nèi)混凝土澆筑施工方案。鋼管內(nèi)混凝土的灌注一般采用泵送頂升壓注法施工，即利用泵送壓力使混凝土達到密實的目的。對于跨度不大的鋼管混凝土拱肋，由于鋼管的直徑小，均可采用兩拱腳對稱一次頂升泵送到位，不需要分段。但對于大跨度鋼管混凝土拱肋，由于長度及鋼管直徑大，一次泵送混凝土用量也大，因而受輸送泵壓力及拱肋應力、變形的限制，需要分段泵注，以控制拱肋的應力、變形及保證施工的安全性，在分段位置處設置橫隔板，并在每段拱肋頂部設置排漿孔。分段的數(shù)量視施工能力及鋼管拱肋的設計載荷而定。分段太少，一次須灌注的混凝土數(shù)量較大；分段太多，則灌注的次數(shù)多、每次工程量小而耗費大量時間及人力資源，同時由于施工周期過長且拱肋多次受力而對成拱的受力不利。鋼管混凝土拱的混凝土澆筑方案對拱橋施工階段和最終成橋后的結構內(nèi)力和各結構桿件的受力性能都會產(chǎn)生重要的影響，澆筑過程是否對施工階段和成橋結構有利，是鋼管混凝土澆筑方案的技術難點。本橋鋼管混凝土拱橋式在搭設支架的基礎上吊裝鋼管并焊接，再澆筑鋼管內(nèi)混凝土，澆筑鋼管內(nèi)混凝土實際是對鋼管和其他結構桿件的一個荷載和應力施加過程，須對鋼管進行強度驗算。

強度驗算有兩種不同的方法，應力疊加法和內(nèi)力疊加法，這兩種方法計算的結果相差甚大。應力疊加法是考慮鋼管混凝土澆筑在形成過程中各個階段的截面特性及荷載情況而分別計算其應力，然后在截面的相應纖維處疊加起來。內(nèi)力疊加法則不考慮應力的累積歷史，而是按驗算階段的所有荷載和當前的截面特性，直接計算當前的應力狀態(tài)。

在施工過程中，雖然混凝土澆筑后管內(nèi)混凝土的強度在不斷地增長，但在它到達設計強度以前，所分擔的荷載有限，荷載主要由鋼管承受，鋼管與混凝土的應力之比一般在10以上，施工過程中往往以鋼管的應力為控制因素。所以，在施工階段采用應力疊加法，以容許應力驗算有其相對合理性。

本項目對混凝土澆筑方案進行計算并比較，計算中采用如下方法及相關的規(guī)定：

（1）采用應力疊加法進行線彈性分析。

（2）鋼管混凝土單元剛度以下公式計算。

（3）各施工階段的施工荷載以該階段混凝土濕重的20%計入。

（4）計算中僅考慮拱箱混凝土收縮、徐變的影響，未考慮溫度變化及基礎沉降等因素的影響。

因此，本項目鋼管混凝土澆筑方案的技術研究是基于應力疊加原理的基礎上，根據(jù)本橋的特點，提出了兩種澆筑方案，見圖2。

方案A：在各環(huán)內(nèi)，按照I、III、II的順序澆筑工作面混凝土。待前一工作面所澆筑混凝土的強度形成后，再進行下一工作面施工；計算時考慮前一工作面所澆筑混凝土以10天強度參與作用。

方案B：在一環(huán)內(nèi)，開始同時澆筑I、II，III工作面中第一工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強度形成后再進行第二工作段施工，如此依次施工第五工作段澆筑完成；計算時考慮前一工作段所澆筑混凝土以7天強度參與作用（與方案A的工期保持大致相同）。

為證實兩種方案的合理性，本項目進行了上述基于應力疊加原理的澆筑方案計算對比，通過方案計算比較獲得以下結論：

方案A：在施工過程中，鋼管應力變化幅度較大，且鋼管應力無明顯改善，最大鋼管壓應力超過了300MPa。

方案B：鋼管應力在施工過程中變化比較平緩，下弦管最不利狀態(tài)下壓應力比方案A明顯降低，最大壓應力236MPa。上弦管最不利狀態(tài)下壓應力也降低到到283MPa。

可見，方案B能對上下弦管在最不利狀態(tài)和成拱后的受力狀態(tài)有所改善，且施工過程中內(nèi)力變化平緩，比方案A更合理，故施工中采用B方案。

三、鋼管內(nèi)混凝土的澆注質(zhì)量控制要點

（1）為保證拱肋安全穩(wěn)定，混凝土的壓注方式采用分段對稱加載。在一環(huán)內(nèi)，開始同時澆筑I、II，III工作面中第一工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強度達到50%設計強度后再進行第二工作段施工，依次施工，完成五個工作段澆筑；混凝土澆筑時，預先在各區(qū)段制作1.5長的混凝土溢留管，以保證拱頂段混凝土的密實。

（2）每一區(qū)段的混凝土澆筑順序為先下弦管再上弦管，然后腹板混凝土的澆筑順序。在澆筑上弦管的混凝土時，必須待下弦管內(nèi)混凝土達80%后方能澆注上弦管混凝土；澆筑腹板區(qū)混凝土必須待上弦桿的混凝土達到80%后再澆筑才澆筑腹板區(qū)的混凝土。

（3）嚴格按照C50配合比組織施工，要求混凝土和易性好，水灰比為0.42，粗骨料采用5mm～25mm，坍落度按16cm控制。

（4）砼泵送必須連續(xù)作業(yè)，必須配置備用的輸送泵。

（5）對鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量采用超聲波進行無損檢測，為對管內(nèi)混凝土勻質(zhì)性及填充效果進行評價，本橋委托蘭州交大建筑材料測試中心對橋進行了檢測。全橋布置48個測區(qū)，檢測結果證明：混凝土均質(zhì)性良好，無空管、空洞現(xiàn)象；混凝土填充度達到99.4%以上，滿足設計要求。

四、結束語

首先，鋼管混凝土的澆注過秤是對已有結構的一個繼續(xù)施加荷載的過程，必須考慮鋼管混凝土初始應力對后期澆筑混凝土、拱橋各施工階段和最終成橋后內(nèi)力和各結構桿件的受力情況。其次，鋼管混凝土澆筑過程的應力疊加原理，充分考慮到鋼管混凝土的成形過程對拱橋各施工階段內(nèi)力和各桿件的受力影響，可以為施工過程提供參考。再次，通過基于應力疊加原理的澆注方案的理論計算，并配以計算值數(shù)值模擬仿真技術，得到了該橋的鋼管混凝土合理澆注方案，并在實踐中得到驗證，可為類似的鋼管混凝土拱肋的混凝土澆筑提供參考。