鐵路大跨度下承式鋼管混凝土系桿拱橋施工技術分析

何 杰

(中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

寧西鐵路上行線跨江淮運河大橋位于合肥市肥西縣，為2×24 m簡支箱梁+1×128 m系桿拱+3×24 m簡支箱梁，橋梁全長268.07 m，如圖1所示。寧西上行鐵路采用1×128 m系桿拱跨越規劃中的江淮運河，梁底至最高通航水位之間凈高大于10 m，全橋墩臺基礎均采用鉆孔樁基礎；梁部均采用支架現澆法施工，簡支梁采用單端張拉法施工，128 m系桿拱采用先梁后拱法施工，拱肋鋼管在系梁上搭設支架安裝。

圖1 全橋布置圖

2 系桿拱設計參數簡介

2.1 拱肋

梁全長130.6 m,計算跨長為128 m，矢跨比為f-=1/5，拱肋平面內矢高25.6 m，拱肋采用懸鏈線線形。拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.4 m,鋼管直徑為1 200 mm,由厚18 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接。上、下鋼管及腹腔均為鋼-混組合結構，鋼管及腹腔內填充C55自密實補償收縮混凝土。

2.2 系梁

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱雙室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬13.2 m,梁高2.5 m。底板、頂板和中腹板厚度均為30 cm,邊腹板厚度為35 cm。

2.3 拱腳

拱腳順橋向7.3 m范圍內設成實體段，截面漸變處設倒角或過渡段。實體段內設12-7φ5的橫向預應力筋，分上下兩排布置分批張拉完成。

2.4 吊桿

吊桿布置采用尼爾森體系[1]，在吊桿平面內，吊桿水平夾角在52.28°～71.16°。吊桿間距為8 m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距為340 mm。

2.5 橫撐

兩拱肋之間共設5道橫撐，拱頂處設X形撐，拱頂至兩拱腳間設4道K形橫撐。橫撐由φ600 mm、φ500 mm和φ360 mm的圓形鋼管組成，鋼管內部不填混凝土，其外表面均需做防腐處理。

3 施工總體順序

步驟一：主孔基礎及墩身施工，搭設系梁支架并預壓,安裝拱腳段預埋鋼拱肋及其定位鋼構件。

步驟二：支架現澆系梁及拱腳混凝土，混凝土需養護不小于10 d且強度及彈性模量達到設計值的100%后，張拉第一批縱向預應力索，交錯張拉橫向預應力索。

步驟三：在系梁上搭設支架，支架預壓，在支架上對稱安裝第一段拱助鋼管，K撐及輔助臨時定位撐的安裝，調整拱肋線形，焊接拱腳接頭焊縫。

步驟四：對稱安裝第二、三、四段拱肋鋼管，調整拱肋線形至設計標高，安裝臨時定位撐及永久橫撐，焊接二、三、四段接頭焊縫。

步驟五：安裝合攏段拱肋鋼管，檢查、校核、調整各接頭點的標高，安裝、焊接各接頭處焊縫，安裝拱頂橫撐；泵送拱肋上管管內混凝土，待拱肋上弦管內混凝土達到設計強度的90%后，泵送拱肋下管管內混凝土；待拱肋下弦管內混凝土達到設計強度的90%后，分倉、對稱均勻灌注拱肋腹板板內混凝土。

步驟六：管內混凝土達到設計強度的90%后，拆除系梁上臨時支架，安裝吊桿并張拉。

步驟七：拆除系梁支架，安裝橋面線上設備(二期恒載)，檢測并調整吊桿力至設計值，施工拱腳二次混凝土。

步驟八：鋼管外表面涂裝，施工完成。

4 施工準備工作

4.1 組織準備

對所有參加系桿拱施工的人員進行明確分工，加強組織，進行技術、安全交底，分班組作業，明確各組人員職責。

4.2 技術準備

(1)對現場情況進行復核，內容包括地基承載力、硬化面高程、寬度、支架布設平面位置、墊石高程、墊石平面位置復核等。

(2)完成系梁施工方案編制，并召開專家論證會；安排好相應的技術負責人員，并對施工工序技術控制進行交底。

(3)對參與系桿拱施工的所有施工人員進行交底，召開施工交底會。

4.3 現場準備

(1)施工用電：接入500 kV變壓器作為施工用電，現場用電采用“三相五線制”進行拉線，采用地埋方式布設到每個作業區設三級配電箱并設警示標志。

(2)混凝土供應：新建混凝土拌和站1座，120 m3/h攪拌機1臺，混凝土拌和站采用強制式混凝土攪拌機進行拌和，拌和站設工地試驗室，保證混凝土供應。

5 施工方法及質量控制

5.1 方案概述

橋梁樁基采用旋挖鉆機施工，系梁采取先梁后拱的施工工藝，支架法現澆，預留的度汛門洞支架由螺旋鋼管、貝雷梁、工字鋼等組合而成，縱向用貝雷梁作為承重梁。系梁澆筑完成后，張拉系梁第一批預應力鋼絞線。

在系梁頂面搭設拱肋支架，進行拱肋、橫撐安裝；拱肋混凝土壓注采用混凝土地泵自拱腳向拱頂壓注；拱肋混凝土壓注完成后用汽車吊安裝吊桿，并按照設計要求張拉吊桿，在吊桿張拉完成后，張拉系梁剩余部分預應力鋼絞線，支架拆除，施工橋面附屬工程，檢測調整吊桿力至設計值，施工拱腳二次混凝土，最后鋼管涂裝。

5.2 施工工藝流程

施工工藝流程為：支架搭設→支架預壓→支座安裝、鋪設底模、外模→拱腳預埋、鋼筋綁扎、安裝預應力管道、鋼絞線穿束→安裝內模及頂模、綁扎頂板鋼筋、安裝預應力管道、鋼絞線穿束→系梁混凝土澆筑(養護)→系梁第一批預應力索張拉、壓漿→拱肋安裝→拱肋壓注混凝土→吊桿安裝及張拉→系梁第二批預應力索張拉、壓漿→系梁支架拆除→檢測并調整吊桿索力至設計值→拱腳二次混凝土澆筑→鋼管涂裝。

5.3 系梁施工

5.3.1 支架總體設計

2#～3#墩為1×128 m系桿拱橋，系梁采用單箱雙室截面，沿縱向每隔8 m設置橫向橫隔板，箱梁高2.5 m，等截面結構。

支架形式：支架采用盤扣式滿堂支架，基礎為原地面地基處理和樁柱式貝雷支架基礎兩種結構，如圖2所示。靠近3#墩邊18 m采用螺旋鋼管貝雷梁組合支架作為平臺[2]，其他基礎采用原地壓實后澆筑混凝土硬化面。

圖2 鋼管貝雷組合支架橫截面

5.3.2 支架預壓[3]

(1)預壓荷載。滿堂支架部分按1.1倍最大施工荷載進行加載預壓，鋼管貝雷組合支架部分按1.2倍最大施工荷載進行加載預壓。

(2)加載方案。支架預壓加載和卸載應按照對稱、分層、分級的原則進行，嚴禁集中加載和卸載。預壓按照分級、分段加載并觀測記錄變形，每段預壓重疊長度為2排縱向支架，其預壓加載按照最大施工荷載的60%、80%、110%三級加載。堆載采用預制混凝土塊，砂袋調平，并對其重量進行稱重記錄。

(3)預壓監測。支架預壓時應進行豎直和水平位移監測，內容包括：基礎沉降變形、支架豎向位移、支架頂面水平位移。監測斷面每10 m布置一組，每組5個點。

預壓荷載卸除時，按加載預壓時的分次分級逐步卸載。支架預壓完成后，應根據監測數據計算分析基礎沉降量和支架彈性變形量、非彈性變形量及平面位移量，確定立模標高、結合設計預拱度，作為預拱度設置的主要依據。

5.3.3 鋼筋及預應力管道安裝

鋼筋及預應力管道安裝采用在模板內現場綁扎，底模調整時應注意預拱度的設置，模板高程及平面位置確定無誤后方可進行鋼筋的綁扎。

預應力管道采用金屬波紋管成孔，梁段內設置定位鋼筋網片，固定管道位置。焊接管道定位鋼筋時，應采取防護措施，避免管道被電焊渣燒傷，排氣孔設在管道曲線的最高點位置。

5.3.4 混凝土澆筑

1×128 m系梁為單箱雙室，每隔8m設一道橫向橫隔板，混凝土標號為C50，整跨一次性澆筑。

(1)澆筑順序。系梁混凝土立面澆注順序：底板→腹板→頂板(拱腳)；順橋向采用斜向分段水平分層法澆筑，其斜度在30～45°，縱向分段長度取15 m，水平分層厚度不大于30 cm。縱向澆注混凝土順序：兩端→中間，最后在橋跨約1/2處合龍。

(2)溫控措施[4]。系梁施工期間經過夏季，要考慮拌制原材和混凝土運輸過程的溫度控制。混凝土的入模溫度不宜高于28 ℃。混凝土澆筑時預埋測溫探頭,采用數顯式溫度儀進行測溫,每次測量3個讀數，以平均數值作為本次的標準溫度值。混凝土芯部溫度與表面溫度之差不應大于20 ℃。

采用泵送混凝土時，混凝土澆筑層厚度不大于50 cm，混凝土澆筑面進行二次抹壓處理。

5.4 拱部施工

5.4.1 拱部施工工藝流程

橋梁拱部結構安裝采用原位支架法，總體施工步驟為：拱段車間制作→構件運輸→拱腳安裝→拱肋承重支架搭設→拱肋及風撐安裝→混凝土灌注→拱肋承重支架拆除→吊桿安裝→面漆涂裝。

5.4.2 拱肋加工[5]

通過對系桿拱的結構形式和現場施工條件進行綜合分析，對拱肋分段位置進行了合理劃分，單側拱肋共劃分為9個節段，具體劃分如圖3所示。

圖3 拱肋分段圖

5.4.3 涂裝及防腐

鋼管鋼結構，橫撐、腹板外表面涂裝前要求二次除銹-噴砂到Sa3，粗糙度要求到Rz40～80 μm，底層為特制環氧富鋅防銹底漆(2道，50 μm/道)，中間層為棕紅云鐵環氧中間漆(1道，40 μm/道)，面層為氟碳面漆(2道，40 μm/道)。底層及中間層出廠前完成涂裝。

5.4.4 拱肋吊裝步驟及工況分析[6]

拱肋及橫撐安裝采用200 t汽車吊在系桿拱橋面進行施工，根據現場實際情況，采用1臺350 t汽車吊將1臺200 t汽車吊吊至橋面。由350 t汽車吊汽車起重性能表得出：350 t汽車吊自重84 t，配重107 t，支腿全伸，全方位作業，臂長31 m，幅度12 m，理論起重量90 t。200 t汽車吊自重為55.2 t(含吊裝鋼絲繩)。安全系數為：90 t/55.2 t=1.63。

汽車吊工作時最不利的情況是3點著地，也就是3個支腿支撐著整個吊車的重量(包括自重和吊重)，由350 t吊車性能參數得知吊車自重84 t，配重107 t；吊車支腿下鋼板箱尺寸為：長2.8 m×寬3.0 m×高0.3 m。200 t汽車吊含吊裝用鋼絲繩總重量54.9+0.3=55.2 t。

P=N/A≦[fa]

式中：P為基底平均壓應力；N為短期效應組合在基底產生的豎向力；A為基礎底面面積。

N=1.2×(84+107)×10+1.4×55.2×10=3 065 kN

A=2.8×3.0×3=25.2 m2

P=N/A=3 065/25.2=122 kN/m2=122 kPa

考慮到鄰近既有線施工，取1.2倍的安全系數，則地基承載力為fa≥1.2P=146.4 kPa≈147 kPa。

因此350 t汽車吊工作時地基承載力的要求為不小于147 kPa，吊裝前必須經過動力荷載試驗確定承載力滿足計算要求后，方可進行吊裝作業。

(1)在系梁上搭設端部承重支架，安裝拱肋GL2、GL3，安裝K撐FC1，調整拱肋線形，焊接相應構件焊縫。

圖4 拱肋GL2、GL3安裝示意圖

(2)在系梁上搭設另側端部承重支架，安裝拱肋GL2′、GL3′，安裝K撐FC1′，調整拱肋線形，焊接相應構件焊縫。

圖5 拱肋GL2′、GL3′安裝示意圖

拱肋 GL2/GL2′吊裝工況分析：按作業半徑12 m、臂長26.2 m 計算。取 200 t吊車的“69 t全配重、支腿全伸、作業工況”，額定起吊重量為48 t，大于39 t，安全系數為1.23，滿足吊裝要求。

拱肋 GL3/GL3′吊裝工況分析：按作業半徑10 m、臂長34.8 m 計算。取 200 t吊車的“69 t全配重、支腿全伸、作業工況”，額定起吊重量為54 t，大于29.2 t，安全系數為1.85，滿足吊裝要求。

(3)安裝拱肋GL4′，調整拱肋線形到設計標高，安裝K撐FC2′，焊接GL3′、GL4′段接頭焊縫。

安裝拱肋GL4，調整拱肋線形到設計標高，安裝K撐FC2，焊接GL3、GL4段接頭焊縫。

拱肋 GL4/GL4′吊裝工況分析：按作業半徑10 m、起吊高度39.1 m 計算。取 200T 吊車的“69T 全配重、支腿全伸、作業工況”，額定起吊重量為40.5 t>33 t，安全系數為1.23，滿足吊裝要求。

(4)安裝合龍段拱肋GL5，檢查、校核、調整各接頭點的標高，安裝、焊接各接頭處焊縫，安裝拱頂橫撐FC3。

圖6 合龍段拱肋GL5安裝示意圖

合龍段拱肋 GL5 吊裝工況分析:按作業半徑10 m，臂長39.1 m 計算。取 200 t吊車的“69 t全配重、支腿全伸、作業工況”，額定起吊重量為40.5 t>24.5 t，安全系數為1.65，滿足吊裝要求。

合龍段的施工順序為：精確測量兩側拱段前端凈間距→根據測量數據對已加工的合龍段長度進行切割修正→提升就位→溫度平穩時臨時固結→焊接合龍。

在合龍拼裝前，根據當地氣象部門提供的3～5 d氣象預報，選擇其中1～2 d進行24 h氣溫觀測，確定一天當中氣溫較低且平穩的時間。據此為參考，確定合龍段施工的臨時鎖定時間。并根據測試的最大溫度和溫度變化時拱段端里程變化情況，確定溫差對合龍段長度的修正系數。

5.4.5 風撐安裝

本橋從拱腳到拱頂依次共設五道5撐，其中有4道K形撐，由于K形撐結構的特殊性，從現場安裝方便的角度來考慮，對其結構進行優化，將K形撐拆分成1道橫撐與2道斜撐，斜撐與主拱肋連接的2個牛腿取消，采用貫口直接連接，拱肋安裝時同步安裝橫撐，橫撐精確定位后與拱肋直接進行焊接。

圖7 系桿拱風撐設計結構

5.5 拱肋混凝土灌注

5.5.1 注漿管與出氣孔設置

根據設計要求，在每一分倉段低點設灌注孔管，高點設出氣孔管。在拱肋側面設φ125 mm 的注漿孔，孔管水平，與泵管連接；在拱肋側面設φ100 mm 的出氣孔，以利于排氣，孔管朝上。

5.5.2 拱肋混凝土施工控制措施[7]

(1)C55自密實補償收縮混凝土和C50鋼纖維混凝土施工前要嚴格按照要求進行配合比試配工作。

(3)壓注時，在拱腳、1/4L、1/2L等位置監測拱肋線形的變化。壓注時，及時清理拱肋表面的混凝土灰漿，保證鋼管拱表面的清潔。

(4)同側的混凝土必須在3 h以內(混凝土初凝以前)壓送完畢。

壓注完成后，鋼管內混凝土應飽滿密實，在澆筑7 d后、28 d前進行超聲波檢測，應選取拱腳、拱頂、1/4跨和3/4跨等主要斷面，每個斷面對稱測8個點,每個點不少于3次。

5.6 吊桿安裝及張拉

(1)準備工作。吊桿安裝時，在拱肋上端吊桿處設計搭設一個施工平臺，以便穿索時使用；吊桿較短，可以直接用汽吊吊裝輔助穿索；對所需張拉設備進行標定。

(2)放索。將吊桿兩端錨頭拆開包裝，檢查螺紋是否旋入自如，將吊桿兩端的螺母旋出，待用；檢查連接裝置并剝除包裝帶。

(3)吊桿安裝、張拉。調節標高及索力：按設計及監控要求分批依次張拉吊桿。

依次安裝、張拉吊桿，張拉順序為(2#、2′#)→(4#、4′#)→(6#、6′#)→(8#、8′#)→(10#、10′#)→(12#、12′#)→(3#、3′#)→(5#、5′#)→(7#、7′#)→(9#、9′#)→(11#、11′#)→(13#、13′#)→(14#、14′#)→(1#、1′#)，采用四頂同步張拉。

5.7 施工監控工藝[8]

5.7.1 施工監控項目

本項目主要監控項目如下：

(1)拱段架設過程中，各拱段軸線、標高以及系梁的撓度變形監測。

(2)注漿過程中拱肋的撓度值測量。

(3)吊桿初張拉和成橋后終張拉過程中的索力監控。

(4)承重支架關鍵構件的變形監測、柱頂水平位移監測。

圖8 吊桿安裝示意圖

(5)施工過程中溫度觀測，提供合龍時環境溫度。

5.7.2 線形及變形監控

施工前對主橋施工控制網進行復測，并以主橋施工控制網坐標點和水準點引測，建立局部測量控制網，在后續的測量中通過局部坐標系控制拱段拼裝線形。

承重支架施工時，根據施工圖紙要求測量支架的位置、垂直度和標高，并在拱段荷載施加后監測支架的變形。各階段架設過程中，對軸線、各個拱段的標高以及錨管位置進行跟蹤觀測，及時發現偏差并糾偏，確保拱肋的軸線位置和標高正確。

5.7.3 索力監控

索力監控主要在初始張拉、成橋后終張拉兩個階段，吊桿張拉以張拉力為主、伸長量為輔的雙控法。

5.7.4 環境監測

溫度對主拱合龍影響較大，在合龍前2～3 d對拱頂合龍口尺寸進行多次測量，并根據測量結果對合龍拱段進行修正。另外在每個拱段吊裝前對風速、風向進行觀測，以便獲取風荷載對工況的影響。

5.8 拱肋現場涂裝

吊桿張拉工序完成后進行整個拱肋最后一道氟碳面漆涂裝。

涂裝前，應對鋼管拱表面缺陷進行修補、打磨，清除表面雜物，同時將拱肋節風撐等構件對接縫區域采用手工除銹，打磨至St3.0。檢查全橋構件表面完整、無破損后采用掛籃法進行最后一道面漆的涂裝。

6 結束語

寧西鐵路上行線跨江淮運河大跨度下承式鋼管混凝土系桿拱橋項目，通過精心的組織、周密的技術措施，在既定的工期內圓滿地完成了施工內容。本文通過全面的分析，解讀施工過程和技術難點，其中對拱肋吊裝步驟及工況分析，確定合理的吊裝方案，為今后同類型的項目施工積累了經驗，提供了技術參考。