山區高速公路特大橋工程中鋼管混凝土結構的應用

齊學明

（河北路通監理咨詢有限公司， 河北 邯鄲 056000）

0 引言

某山區高速公路橋梁的長度和寬度分別為585.56m、28.5m，由5 孔無風撐、鋼管混凝土系桿拱構成主橋部分，其中鋼管混凝土系桿拱是雙承載面下承式。根據拱本身的特性，其矢跨比為1∶5，拱肋的高度、寬度、厚度依次是72m、1.8m、16mm，呈現為圓端形扁鋼管結構。工程中采用Q345D 鋼管，并使用微膨脹混凝土鋼管填充。

1 鋼管混凝土結構特點分析

1.1 抗震性能優越，承載力高

相較于傳統的鋼筋混凝土結構，鋼管混凝土結構具有更優越的承載力，且在抗震性與延展性方面具有更大的優勢[1]。鋼管混凝土結構能夠最大限度發揮混凝土與鋼材的共同優勢，一方面鋼管可以對內部混凝土產生一定的約束，混凝土處于三向受壓狀態其抗壓強度顯著增強，同時混凝土受到的壓力破壞由原來的脆性破壞轉化為塑性破壞，在一定程度上提升了構件的延展性。盡管混凝土在抗壓強度方面具有較大優勢，但其抗彎性能較差，通過在鋼管內部灌注混凝土的方式能夠明顯提升鋼管的剛度，防止鋼管在承壓過程中發生屈曲的現象。鋼管混凝土柱的實際承載力明顯強于混凝土柱或鋼管柱的任一承載力。經過鋼管柱與混凝土的相結合，可以更大限度地發揮二者的性能優勢，使鋼管混凝土結構具有更良好的抗震性、延展性以及承載能力[2]。

1.2 施工操作簡單方便，經濟效益尚佳

在鋼管混凝土結構施工時，由于鋼管具有一定的耐側壓性，因此在混凝土澆筑時可以節省支模、拆模等繁瑣工序，簡化了施工流程，同時可以充分結合泵灌混凝土工藝進行施工。除此之外，鋼管材料可在一定程度上發揮橫向箍筋和縱向箍筋的作用，因此施工人員在制作鋼管時會比制作鋼筋骨架更簡便、更節省時間，更有利于混凝土的澆筑作業，也保證了施工單位在規定工期內順利完成施工作業[3]。根據有關部門的工程統計數據顯示，相比于傳統鋼結構，鋼管混凝土結構能夠幫助施工企業節省近一半的鋼材，大大降低了企業的投資成本。圖1 為鋼管混凝土結構。

圖1 鋼管混凝土結構

2 施工技術

2.1 施工準備

施工方案的選取，共有兩個方案：

方案一：使用連續性拋落無振搗澆注混凝土技術對拱頂進行連續性拋落混凝土施工。但使用該技術時應打開天窗，對于低于4m 的拱頂混凝土利用插入型振搗器充分振搗。該技術的缺點是在保證混凝土的密實度方面存在一定的難度。

方案二：在距離拱軸線1.5～2m 外的兩側拱腳處，各開1 個壓注孔并呈對稱分布，借助混凝土輸送泵的壓力將混凝土從泵管逐漸壓入鋼管拱內，該技術能夠保證混凝土灌注的密實度，施工工藝相對簡單，但是對輸送泵的壓力及其性能有著更嚴格的標準。因此本工程選擇方案一實施施工。

觀測測量。觀測測量主要是嚴格觀察、測量橋梁的拱軸線、控制點標高等重要指標。在檢測過程中若發現拱軸線與設計標準存在誤差，則應及時采取措施適當調整，使拱軸線滿足設計要求；若控制點標高與設計值存在誤差，則在壓注混凝土施工環節適當調整高程，直到標高與設計值相符。

設備選取和管控。該環節主要是對混凝土運輸車輛、混凝土輸送泵等設備的選取、采購與管理。對于山區高速公路的大型橋梁建設，在泵送頂升環節需要較大的泵送壓力，因此應合理選擇滿足施工需求的混凝土輸送泵；泵車與混凝土運輸車輛應相匹配，同時制定設備的備用方案用于有效處理緊急情況。

2.2 安裝工藝

鋼管拱安裝。首先在工廠內部對基本管節進行加工，加工結束后嚴格依照安裝單元節展開預拼裝。預拼臺座的設置尤為重要，必須依照相關圖紙施工放樣。然后對預拼裝進行檢測，只有檢測合格后才能將其分段輸送到施工現場。吊裝時，順序依次為兩端、中間拱肋、拱頂段。

拱腳段安裝。要格外注意拱腳段鋼管的安裝時間，務必保證在拱座混凝土灌注之前完成。吊裝之前的準備工作要完備，如安裝框架支座、放好十字線、焊接擋板、調節標高等。準備工作就緒后再對拱腳段進行吊裝。為了確保拱腳的穩定性，在其四周焊接支撐，此舉能夠有效防止拱腳出現位移的情況。

節段安裝。分節段正式安裝之前，在臨時支承上方搭建好平臺，平臺與拱肋的距離在1m 左右，為了有效控制空中工作量，有必要在分節段的兩側配置倒鏈，這樣才能使分節段到達安置方位后與已安裝段平穩對口，從而平穩緩慢下落，在臨近預定位置時充分發揮倒鏈的作用，將其精準置于預定位置。在整個安裝工序中，及時全面地追蹤必不可少，務必確保安裝方位的精確性。

拱肋合龍。拱肋合龍不能大意，合龍前測量溫度，測量時間不低于48h，而且要保持測量的連續性。依照測量結果確定合龍時間。一般情況下，合龍的溫度最低為10℃，最高則為20℃。測量合龍口的距離，最終確定合龍的長度。同時派遣專人觀測溫度情況，溫度一旦到達合龍范圍立即展開作業，合龍口固定、點焊等工作隨即展開。每一個合龍口派遣2 名電焊工人進行作業，作業不能間斷，必須持續進行。最后核對中線、標高等具體情況。

2.3 施工工藝

2.3.1 選取二級壓注、一次成型的方式

充分利用有限元結構分析軟件，更加科學合理地分析研究加勁肋布置、扁形鋼管等，并進行定量計算。根據“二級壓注、一次成型”的思路，避免在混凝土由拱腳壓至拱頂的過程中將鋼管壓彎，因此除了預留的泵管接頭以外，還應在1/2 拱高位置的兩側設置泵管接頭。另外，在拱吊桿兩側設置2 根直徑為20cm、高度為1.5m 的排氣增壓鋼管。

2.3.2 觀測施工中的鋼管拱

通過嚴格監測混凝土的壓注全過程，得到完整的監測信息。當混凝土壓注到設計控制點時，均應嚴格檢查其拱軸線、標高并記錄數據，從而繪制出相應的變化曲線，也為泵送混凝土環節判斷鋼管拱提供依據。

2.3.3 壓注頂升的施工程序

在灌注混凝土前應嚴格檢查泵管與輸送泵的各種接頭，確保各接頭均設置橡皮圈。然后打開止回閘閥，為了最大限度降低泵送混凝土時存在的摩擦力，使用與混凝土相同標號、規格的潤滑砂漿，同時確保砂漿能夠順利排出鋼管拱外。混凝土的灌注過程應對稱進行，檢查泵送拱內的混凝土質量、狀態等，使兩臺輸送泵的灌注速度保持一致，若兩臺泵的運行速度出現差異時，及時調節防止出現不對稱灌注的情況。本工程中，判斷壓注位置時通常采用鐵錘敲擊鋼管拱的方式，當處于“清脆聲”“沉悶聲”的交界處時則確定壓注的位置，這一方法也可以作為判斷是否同步對稱澆筑。當兩側壓注速度存在差異時，應立即聯系相關人員調節泵的運行速度，防止不對稱澆筑[4]。

完成第一級混凝土灌注后需要進行第二級混凝土的壓注作業。施工過程嚴格控制灌注速度，將同步對稱泵送的作業方式改為兩泵交替輸送的方式，有效提高鋼管拱中的混凝土的密實程度。當輸送孔有漿液冒出后還應繼續壓注1～2m3的混凝土，然后關閉止回閘閥。閘閥關閉后及時清洗泵車、泵管等，避免混凝土發生倒流的現象。圖2 為鋼管混凝土施工。

圖2 鋼管混凝土施工

3 施工注意事項

優化混凝土的配合比。施工過程中，控制混凝土的坍落度在18～20cm范圍內，根據壓注速度計算出混凝土初凝的時間。為了進一步增強構件的承載能力，防止混凝土灌注后出現縫隙等不良情況，可以預先設定微應力。在設計配合比時，為確保配合比的合理性，應重點考慮混凝土的微膨脹率，從而防止工程結構會受到鋼管內混凝土的膨脹影響而降低其自身的安全性能，否則極易發生泵送困難、混凝土與鋼管間存在空隙等情況，嚴重影響了鋼管混凝土的整體質量[5]。因此，進行配合比試驗時應加強對膨脹率的控制。

要求混凝土兩側對稱且同步進行壓注。應嚴格觀測壓注全過程，確保對稱且同步施工。但是在調節控制點時采用非對稱作業，在混凝土較高的一側觀測拱橋的變形情況，當變形達到設計要求狀態后改為同步對稱澆筑。

二級壓注、一次成型的設計要求。本工程的澆筑施工采用的是“二級壓注、一次成型”的方案，考慮到第一級混凝土與第二級混凝土之間存在連續性，因此在第一級混凝土沒有完全初凝前，盡快完成第二級混凝土的澆筑作業，這就對兩級混凝土壓注時的泵管拼接速度提出了更高的要求，保障澆筑作業的順利、高效進行。

鋼管混凝土的保溫對策。由于混凝土的微膨脹性會導致混凝土與鋼管間存在空隙，這也在一定程度上降低了鋼管混凝土的性能，降低了拱的承載力。產生空隙的主要原因是鋼管混凝土的保溫措施有所欠缺，為解決這一問題可以采取在鋼管拱外繞麻袋包的方式增強其溫度，減少內外溫差，避免空隙的產生。

4 結束語

綜上所述，鋼管混凝土結構能夠充分發揮鋼管與混凝土材料兩者的性能優勢，相比于傳統的鋼筋混凝土構件其承載力更高且自重更小，施工工藝更為簡便，因此在山區高速公路的大型橋梁項目中得到了較好的推廣應用。通過本文的研究分析，希望為同類工程的施工提供可參考的經驗。