龍煙鐵路跨威烏高速系桿拱施工關鍵技術

張萬國（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南　250000）

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龍煙鐵路跨威烏高速系桿拱施工關鍵技術

張萬國
（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南250000）

摘要：以龍煙鐵路跨威烏高速聯絡線1-80m鋼管混凝土簡支系桿拱施工為例，分別論述了跨高速公路系梁門洞支架的安裝搭設，鋼管拱肋支架的布置，鋼管拱肋混凝土泵送壓注的技術性能指標和設備要求，吊桿的安裝及張拉。并應用有限元分析程序MIDAS/ CIVIL進行監控計算分析，通過實測結果可以看出主梁、拱肋線形和吊桿力控制較好，滿足設計對吊桿力的要求。

關鍵詞：鋼管混凝土；系桿拱；拱肋；監控；索力

1　工程概況

跨威烏高速聯絡線大橋，以80m系桿拱橋式跨越S608省道，主跨中心里程為GDK002+629.05，交角47°；主跨采用1-80m鋼管混凝土簡支系桿拱結構（如圖1所示），先梁后拱式。計算跨徑80.0m，梁長83m，主梁采用箱形截面，拱肋為鋼管混凝土結構，啞鈴形斷面。拱肋與主梁的剛度之比為1/9.2，屬于剛性系梁剛性拱。

圖1　橋梁布置圖

主梁采用等高度、單箱雙室箱形截面，梁長83m，梁高2.5m，在端部梁底局部加高至3.0m。箱梁底寬7.6m，在端部加寬至8.3m；箱梁頂寬10.3m。梁體頂板厚30cm，底板厚30cm；中腹板厚30cm，至梁端加厚至50cm；邊腹板厚35cm，至端部附近加厚至120cm。梁端設置厚350cm的橫梁，相應吊桿位置設置橫隔墻。

拱肋采用鋼管混凝土結構，計算跨徑80.0m，矢高16m，矢跨比1/5。每片拱肋由2根上、下鋼管（φ800×16mm）和兩塊厚16mm鋼板（外邊距56cm）焊接成啞鈴形斷面。上下兩鋼管中心距1.5m，拱肋截面全高2.3m，中心距6.9m。為增強拱肋平面外穩定性，拱肋間設置三道橫撐，其中邊橫撐為X撐，中間橫撐為一字撐。橫、斜撐均為鋼管混凝土結構，橫撐鋼管直徑800mm，壁厚16mm；斜撐鋼管直徑600mm，壁厚16mm。

全橋共設14對吊桿，除拱腳至第一根吊桿間距為7.5m外，其余吊桿中心間距均為5.0m，吊桿采用PESFD7-61新型低應力防腐成品索體，冷鑄錨(LZM7-61)錨固，張拉端設于拱肋頂部。系梁采用支架法現澆，支架由螺旋鋼管、工字鋼等組合而成，用螺旋管搭設臨時支墩，縱向用工字鋼作為承重梁，系梁澆筑完成后，張拉系梁第一批鋼絞線。然后在系梁頂面搭設拱肋支架，用50t汽車吊進行拱肋安裝；拱肋混凝土壓注采用4臺砼地泵和2臺汽車泵，自拱腳向拱頂次一壓注成型；拱肋混凝土壓注完成后用50t汽車吊安裝吊桿，并按照設計要求張拉吊桿，在吊桿張拉完成后，張拉系梁剩余部分鋼絞線，最后一次落架成橋。

2　系梁支架安裝

系梁支架共設置4跨門架結構，門架采用螺旋鋼管支墩和Ⅰ40a工字鋼組合形式，在中央分隔帶、公路兩側緊急停車帶、中間車道分別設置條形基礎，條形基礎上設螺旋鋼管，做為支架的承重結構。S608省道每側搭設凈寬4.5m、凈高5.0m的雙門洞，預留雙向四車道保證車輛臨時通行。

2.1支架基礎施工

支墩采用現澆C30鋼筋混凝土基礎，施工前在瀝青路面鋪設油氈，避免對路面造成污染。中央綠化帶處基礎尺寸為31m×2m×1m，兩側路肩處基礎尺寸為33m×2m×1m，行車道位置基礎尺寸為31m×1m×1m?；A內部安放鋼筋骨架，橫向布置間距為200mm，縱向布置間距為300mm、350mm。在基礎頂面螺旋管位置預埋鋼板及鋼筋。

在2m寬度的基礎上設置雙排螺旋鋼管立柱，寬度1m的基礎上設置單排螺旋鋼管立柱，螺旋鋼管立柱采用單根架立固定，立柱和預埋鋼板焊接后加焊三角肋筋，肋筋采用10mm鋼板，邊長160× 80mm，每個立柱焊8塊。立柱架立完成后，采用[14槽鋼將立柱進行連接加固。

在每排螺旋鋼管立柱上焊接布置2根Ⅰ40a工字鋼作為橫向分配梁。為了便于底模、側模及工字鋼等的拆除，在鋼管立柱頂部和工字鋼橫向分配梁之間安裝可調高度的砂箱，砂箱組裝高度280mm，采用鋼管制作，在砂箱內裝上砂子，放置鋼管砼圓柱。為了加強支架的整體穩定性。砂箱底和鋼管頂鋼板之間用螺栓連接，每邊設2個M20×50六角頭螺栓，四周輔助焊接加固；落模時，松掉靠近鋼管底部的螺栓掏出砂子，使工字鋼下落，拆除梁模。

3　鋼管拱肋施工

3.1臨時支架

在系梁混凝土橋面上采用Φ400mm×10mm鋼管為立柱搭設臨時支架，搭設總體原則為：在拱肋節段接口處搭設框架式臨時支架，平面尺寸為2000mm×3000mm，立柱鋼管間采用∠100mm× 10mm，支架下端封板焊接于橋面板預埋件上，支架橫向及縱向均用∠250mm×10mm作為橫聯連接形成整體大框架以保證支架的整體穩定，支架上端設置橫梁，橫梁上部放置調節裝置，作為標高調整系統。

3.2鋼管拱肋混凝土泵送壓注

3.2.1泵送混凝土技術性能指標

鋼管混凝土拱肋為拱橋的主要承重結構，鋼管內混凝土與鋼管是共同受力的結構，混凝土標號為C55，屬于高強混凝土，因此泵送混凝土的技術性能要求使其具有高強、緩凝、早強及良好的可泵性、自密實性和收縮的補償性能。

3.2.2主要機具設備布置

根據圖6和表1可得出，金屬托盤作用下，錨桿預緊轉矩與預緊力基本呈線性關系，線性擬合度R21達到0.996，轉矩轉化系數平均為0.25。加木墊板后，預緊力矩與預緊力線性擬合度R22為0.969，相比金屬托盤線性關系較差，轉矩轉化系數平均為0.19，錨桿預緊轉矩轉化為預緊力的系數平均降低23.21%，在預緊力矩為400 N·m(井下施工常用預緊轉矩)時，木墊板比金屬托盤預緊力轉化系數降低了28.64%。綜上所述，加木墊板后錨桿轉矩轉化系數明顯低于金屬托盤，在同樣的施工機具預緊轉矩下，井下施工時的初始預緊力較低。

考慮到橋墩附近原地面至鋼管拱頂約45m，混凝土壓注采用2臺汽車泵配合4臺地泵進行施工，在兩拱腳附近系梁頂面設置4臺混凝土輸送泵，在系梁兩端橋墩附近各配備1臺汽車泵，根據每側鋼管每次灌注混凝土方量約40～50m3，混凝土罐車配備16臺，4臺混凝土輸送泵至待灌鋼管拱腳混凝土入口間需配置4路混凝土泵送管道，每條管路在入倉口附近各設置一個截止閥，以便于在處理管路堵塞時防止混凝土回流，并根據施工需要配齊各種型號的彎管接頭。每次壓注混凝土前，將四條管路一次鋪設完畢，并與混凝土輸送泵和入口泵管分別試拼接，以減少中間接管時間。所有泵管進行水密性試驗，發現問題提前處理。

3.2.3混凝土泵送壓注施工

首先泵送上鋼管砼，待強度達到設計強度的100%且不少于5d后，泵送下鋼管砼，強度達到100%且不少于5d后，對稱均勻灌注拱肋腹板內砼。

為增強混凝土的密實性，保證混凝土的壓注質量，在拱肋頂面附近開設φ125mm的孔，以利于排氣，由φ125mm排氣管排出含有石子的新鮮混凝土時，插入φ50振動棒進行振搗。

4　吊桿安裝及張拉

在系梁及拱肋施工時注意預埋吊桿預留孔、錨頭鋼筋計螺旋鋼筋預埋件等。吊桿實際下料時，應在拱肋混凝土灌注完成后，精確測量上錨墊板頂面標高，并由監控單位根據施工過程中實測拱肋變位情況，修正有關計算參數，計入拱肋在橋面系恒載作用下豎向變位推算值影響后，確定實際下料長度。同時上錨頭預留長度調整差±50mm。交由專業廠家下料并及時安裝吊桿與錨具。

安裝吊桿錨固端采用汽車吊。吊桿的安裝次序應從兩端拱腳開始對稱依次安裝至拱頂。在拱肋混凝土強度達到設計要求后，采用千斤頂在拱肋頂單端張拉，按設計圖紙順序張拉至初始應力后錨固。

吊桿安裝張拉完成后，張拉系梁第二批縱向剩余預應力索。拆除系梁支墩，進行橋面設備二期恒載等施工，橋面設備安裝完成后，應根據設計要求對吊桿預應力進行張拉調整，調整時必須按設計順序對稱進行，保證梁拱體系在施工過程中的受力平衡及成橋時吊桿應力符合設計要求。

5　施工控制仿真分析

鋼管混凝土系桿拱橋的施工工序復雜，結構體系和荷載隨施工過程不斷變化，在結構分析時需要針對各個施工階段分別建立分析模型。本文應用有限元分析程序MIDAS/CIVIL進行分析計算，因為本橋上部結構外部為靜定結構，內部為超靜定結構，有限元分析時，只考慮上部結構。主橋箱梁、拱肋均采用梁單元模擬，主梁端部采用變截面梁單元模擬。吊桿采用只受拉索單元進行模擬。計算模型節點總數110個，梁單元55個，只受拉索單元14個。有限元計算模型如圖2所示。

圖2　全橋計算模型

6　拱肋系梁豎向位移監測

按照實際的施工過程、施工階段和加載齡期，通過有限元理論進行準確模擬計算，拱肋支架拆除后拱肋最大豎向變形為11.4mm，吊桿張拉后拱肋最大豎向變形為21.8mm，系梁落架后，拱肋最大豎向變形為28.5mm，系梁的豎向位移為18.5mm。通過對拱肋和系梁上的10個觀測點進行變形觀測，其測量結果與有限元理論計算值相一致，表明現階段拱肋結構處于理想的彈性變形階段，拱肋結構的彈性模量、強度滿足設計要求，結構是安全的。

7　系梁卸架后吊桿索力測試

系桿、拱肋和吊桿組成系桿拱的立面構造，系桿和拱肋是主要承重構造，而吊桿則是兩者之間的傳力構件，橋面荷載要通過吊桿傳遞給拱肋。因此吊桿是系桿拱橋主要的構件之一，吊桿能否正常工作，將會影響到整個橋梁的正常運營。目前，在工程實踐中，對己施工完畢的吊桿進行索力復測時，頻率法幾乎是唯一選擇，

系梁卸架后，對每根吊桿進行了索力測定，左側索力測試結果見表1：

索力測試后根據設計院提供的目標索力進行調整，調整過程中考慮了墩頭錨錨具的回縮（錨具回縮值取1mm），調索方案如下：按相對誤差大小順序進行調整，即9#左—3#右—11#右，調完后進行索力測試，各個吊桿實測值與目標值吻合較好，實測值與目標值的誤差均在合理誤差以內，從整體和局部來講都是理想的，滿足設計對吊桿力的要求。

表1　左側吊桿索力目標值與實測值的對比

8　結論

從整個施工過程對受控變量（結構線形和吊桿力）的實測結果可以看出，主梁、拱肋線形和吊桿力控制較好，該橋線形控制方面取得了較好的成果，鋼管拱肋實現了精確合龍，成橋后系梁和拱肋位移均在誤差允許范圍內，拱軸線線形基本達到設計預期的目標，滿足控制目標要求。經過吊桿施工過程的全程監控和成橋后索力的調整，全橋吊桿力控制均勻，各個吊桿實測值與目標值吻合較好，滿足設計對吊桿力的要求。

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