大跨度鋼管混凝土拱橋成拱過程施工控制技術(shù)研究

方睿

（北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責任公司，北京 100000）

鋼管混凝土拱橋是鋼管和混凝土組合形成的一種結(jié)構(gòu)橋梁，其主要是將混凝土灌注入鋼管中，一方面充分利用混凝土灌注入鋼管，提高薄壁鋼管在受壓荷載作用下鋼管的穩(wěn)定性作用，另一方面通過鋼管對混凝土的圍箍作用，使混凝土形成三向應(yīng)力作用，提升混凝土受壓承載能力，充分發(fā)揮了混凝土和鋼材的抗壓和延性性能。

1 鋼管混凝土拱橋成拱施工過程控制的重要性和流程

1.1 鋼管砼拱橋成拱過程控制重要性

鋼管砼拱橋分為多種類型，一般根據(jù)承載形式分為上中下三種類型，拱肋的主要施工過程包括架設(shè)空心鋼管桁架、鋼管內(nèi)灌注混凝土、進行橋面系施工三個主要工序。在每個施工工序根據(jù)橋梁類型的不同、兼顧施工過程的安全可靠和經(jīng)濟性綜合選擇最優(yōu)的施工方案。

鋼管砼拱在施工作業(yè)中要重點關(guān)注材料參數(shù)、拱肋線形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)溫度等各個參數(shù)，確保在過程中各個參數(shù)的選取和識別有效，并保證實時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到施工過程中去，及時調(diào)整施工控制參數(shù)、為拱肋的順利安裝合攏提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 鋼管砼拱橋成拱過程控制流程

施工過程主要的控制流程是施工→監(jiān)測→數(shù)據(jù)識別→修正參數(shù)→修正現(xiàn)場施工幾個階段的循環(huán)過程，在施工控制過程中的重點保障在于安全控制，以此為目標，合理控制拱肋在施工階段的線形、標高和內(nèi)力。通常來講，在施工過程中通過在結(jié)構(gòu)中預(yù)設(shè)測試元件，結(jié)合各種測試儀器，實施過程中各項數(shù)據(jù)監(jiān)測工作，并根據(jù)設(shè)計提供的理論數(shù)值對比分析，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工過程中有效控制并準確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，為施工的順利進行提供有效的數(shù)據(jù)預(yù)測和指導(dǎo)。圖1 為橋梁施工過程控制體系圖。

圖1 鋼管砼拱橋懸臂施工控制體系圖

嚴格執(zhí)行鋼管砼拱橋施工控制體系圖是保障橋梁施工正常進行的基礎(chǔ)，同時針對控制體系圖中的一些關(guān)鍵問題、重點控制參數(shù)進行特別綜合監(jiān)測分析，綜合數(shù)值分析合現(xiàn)場監(jiān)測。綜合保障橋梁能夠順利達到設(shè)計狀態(tài)。

2 鋼管混凝土拱橋成拱過程施工控制案例分析

2.1 橋梁項目概況

某三跨上承式鋼管混凝土拱橋，中跨為鋼管拱結(jié)構(gòu)，橋梁跨徑為（84+84+84）m，拱上結(jié)構(gòu)為梁式，中孔為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土實體板，實體板設(shè)置于拱肋立柱蓋梁之上。邊孔上部結(jié)構(gòu)型式為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁,橋梁拱肋上主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼板，采用Φs15.2 高強低松弛型鋼絞線雙端張拉作業(yè)。

拱肋計算跨度、矢高、矢跨比分別為75m、18m、1/4.166。采用拱軸系數(shù)1.8 的懸鏈線線形，單幅橋拱肋設(shè)置10m 的中心間距，鋼管內(nèi)填充灌注C50 自密實補償收縮砼，拱肋采用等高度啞鈴形截面。

拱肋按照10m/段共計8 段進行加工制作，工廠加工制作并進行預(yù)拼裝臨時固結(jié)后，運輸至工地后吊裝進行二次拼裝，二次拼裝成三段后再設(shè)置臨時支撐架設(shè)至高空進行拼接安裝就位。橋梁結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 橋梁拱肋施工過程架設(shè)安裝

拱肋安裝施工過程主要包括施工前的準備工作，鋼管拱工廠加工、運輸工作，硬化場地并搭設(shè)臨時支撐，對稱安裝拱肋施工，拱間橫撐安裝工作，混凝土澆灌作業(yè)，鋼管防銹，混凝土養(yǎng)生滿足強度要求后拆除臨時支撐，鋼管柱梁支架搭設(shè)工作，澆筑拱上立柱、蓋系梁工作，從中間到兩側(cè)對稱澆筑拱上實體板梁，拆除鋼管柱等現(xiàn)澆支架工作。

2.2.1 臨時支架搭設(shè)工作；根據(jù)拱肋安裝過程中支撐系統(tǒng)承載能力和正常使用極限狀態(tài)對支撐系統(tǒng)各個桿件進行強度、穩(wěn)定性驗算工作，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)計算標準進行分項驗算，支撐采用方管柱組成2500×2500 的格構(gòu)柱，支撐架頂部鋼構(gòu)件型號為H440×300×11×18(Q345B)熱軋型鋼平臺，其底座采用HM250×250×9×14熱軋型鋼。臨時支撐支架頂、底部平臺如圖3 所示。

圖3 臨時支撐支架頂、底部平臺示意圖

2.2.2 臨時支架根據(jù)設(shè)計計算要求，采用獨立基礎(chǔ)，預(yù)埋設(shè)基礎(chǔ)安裝鋼板，焊接錨固鋼筋，并綁扎鋼筋和澆筑混凝土，確保支架基礎(chǔ)牢固有效。在支架搭設(shè)過程中，通過吊車吊裝每段鋼桁架，并進行螺栓牢固連接，確保臨時支架滿足剛度和承載能力要求。

2.2.3 為避免支撐支架位置偏移，引起拱肋安裝過程中不能準確安設(shè)，也便于調(diào)整拱肋安裝高度，通過鋼支撐平臺設(shè)置兩個鋼管柱和千斤頂，適時進行標高調(diào)整工作。鋼管拱肋劃分節(jié)段和制作安裝，根據(jù)設(shè)計文件，拱肋采用懸鏈線線型設(shè)計，水平投影長度為84m，總計重量為180t，在加工過程中通過分段加工制作，盡可能模擬懸鏈線線型，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，擬加工成10m 一節(jié)，并現(xiàn)場拼裝，分段進行吊裝的方法。鋼管拱加工制作技術(shù)要求如表1 所示。

表1 鋼管拱加工制作技術(shù)要求參數(shù)

2.2.4 節(jié)段制作工藝包括進行號料、材料的切割加工和拼接焊接、無損探傷檢測以及工程試拼裝和防銹防腐施工作業(yè)。

2.2.5 各個拱節(jié)進行平面試拼接完成后，便可以進行立體拼裝工作，各個管件于工廠內(nèi)進行彎曲組裝并焊接后，進行預(yù)拼檢查，合格后便可以運輸至施工現(xiàn)場，同時在出廠前需要提供完備的驗收合格材料，確保運至現(xiàn)場管件符合設(shè)計要求，滿足施工質(zhì)量可靠的需要。

2.2.6 鋼管拱吊裝過程，鋼管拱拼接、補漆完成并驗收合格后，進行分段高空就位吊裝。鋼管拱分段吊裝順序為：分段1 及橫撐吊裝作業(yè)→分段3 及橫撐吊裝作業(yè)→分段2 及橫撐吊裝作業(yè)。

2.2.7 吊裝合龍段及橫撐；節(jié)段2 兩端固定于格構(gòu)柱定位裝置上，通過定位鋼板及臨時螺栓連接鋼板與分段1、3 進行臨時連接。橫撐采用定位鋼板進行定位，臨時螺栓連接鋼板進行固定。

2.3 橋梁拱肋架合龍過程施工應(yīng)用

合龍焊接，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段吊裝就位后，對所有接頭位置進行焊接從而使鋼管柱形成一個整體。主要包括鋼管拱節(jié)段間環(huán)縫的焊接、橫撐的現(xiàn)場安裝和焊接具體工藝流程如圖4 所示。

圖4 鋼管拱拱肋合龍過程示意圖

鋼管拱肋的各個節(jié)段吊裝安設(shè)到位并臨時固定后，復(fù)合各個節(jié)段的線形和高程參數(shù)信息，滿足設(shè)計要求后即可進行拼接接口的焊縫焊接工作，焊接前，可根據(jù)具體參數(shù)臨時解除焊接碼板并進行拱肋鋼管微調(diào)，調(diào)整到位后便可以進行環(huán)向焊縫焊接施工。

3 鋼管拱橋成拱過程成果分析

針對鋼管拱橋在施工過程中拱肋制作安裝和線形應(yīng)力控制，采用拱橋?qū)Ｓ玫臉蛄航Y(jié)構(gòu)計算分析程序計算分析，并根據(jù)設(shè)計文件要求進行施工過程和理論線形狀態(tài)進行現(xiàn)場指導(dǎo)施工作業(yè)。

3.1 通過施工過程不同施工階段計算分析得到了每施工節(jié)段的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)情況分析結(jié)構(gòu)施工受力狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

3.2 針對拱肋制作安裝過程中進行線型校核工作，根據(jù)各個拱節(jié)的具體情況進行微調(diào)，空鋼管控制軸線等于拱肋軸線+拱肋預(yù)拱度- 空鋼管拱肋自重撓度。

3.3 施工過程中根據(jù)拱肋空鋼管安裝和合攏過程中的理論參數(shù)，控制拱肋在施工過程中的應(yīng)力、撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析確定。

為確保拱肋施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形安全可控，且滿足在成橋后主拱肋和橋面符合線形設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和設(shè)計理論一致，必須在施工過程中進行嚴格施工控制工作。

在施工過程中為了有效可靠的達到設(shè)計目標，通過采用必要的數(shù)據(jù)測量采集工作并對比拱肋坐標定位、高程等數(shù)據(jù)，確保施工過程設(shè)計要求和達到成橋線形狀態(tài)。

4 結(jié)論

大跨鋼管砼橋因其結(jié)構(gòu)形式美觀、受力特性明確，且主要受力構(gòu)件拱肋充分發(fā)揮了鋼管的強度、混凝土的抗壓性能、鋼管對混凝土的圍箍作用，但是拱橋拱肋以其曲面結(jié)構(gòu)以及吊裝安設(shè)過程中的施工控制也尤其重要，文中以一鋼管混凝土拱橋為例，從拱肋施工過程中的吊裝和安設(shè)過程重點分析。

針對本上承式拱橋的設(shè)計類型，采取工廠分節(jié)加工，現(xiàn)場拼接成大節(jié)段，并分成三節(jié)進行拼裝的過程，從節(jié)段預(yù)制到分節(jié)拼裝全過程安裝控制，明確控制指標和控制參數(shù)，通過施工過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測表明，成拱狀態(tài)良好。

4.1 拱肋安裝過程中，尤其是鋼管拼接過程中要重點控制標高參數(shù)，確保拱肋各個拼接截面有效連接，并滿足預(yù)設(shè)預(yù)拱度等參數(shù)符合設(shè)計要求。

4.2 拱肋安裝完成后，灌注混凝土重點監(jiān)控澆筑質(zhì)量和澆筑密實度情況，局部根據(jù)需要采取灌注微膨脹混凝土等確保鋼管內(nèi)混凝土密實澆筑，充分發(fā)揮鋼管和混凝土的優(yōu)勢。

4.3 拱肋架設(shè)安裝過程中重點監(jiān)測線形和內(nèi)力參數(shù)，確保施工及成橋狀態(tài)拱肋線形符合合理范圍內(nèi)，受力性能良好，成橋質(zhì)量可靠。

總結(jié)以上，鋼管混凝土拱橋重點要控制成拱過程的施工參數(shù)符合設(shè)計要求，確保拱肋達到預(yù)先設(shè)計狀態(tài)，達到理想成橋狀態(tài)。