郑州黄河公铁两用桥南岸跨大堤系杆拱桥施工技术综述

丁照安

(1.华东交通大学,南昌 330013;2.京广客专河南公司郑州黄河公铁两用桥建设指挥部,郑州 450003)

1 工程概况

新建郑州黄河公铁两用桥铁路引桥在南岸跨越黄河大堤,设计为 1-92m下承式钢管混凝土系杆拱桥,与黄河大堤夹角 74.3°,主桥位于曲线半径 7 000m的圆曲线上,桥式立面布置如图1所示。

图1 桥式立面布置(单位:cm)

本桥拱肋轴线跨度 92 m,矢高 18.4m,矢跨比为1/5。拱肋采用提篮式钢管混凝土结构,单片拱肋向内倾角为 14.036°,两片拱肋轴线间距:拱脚处为 15.6 m,拱顶处为 6.4m。拱肋上、下弦采用 φ1 000mm×20mm钢管各 1根;腹杆采用 φ500mm×12mm钢管;两片拱肋间共设 3道横撑,把两片拱肋连接为整体结构并加强拱的横向刚度。拱桥主梁采用现浇整体灌注,截面形式为由中间 π形和两侧箱形组成的整体截面,顺桥向每隔 6 m设置 1道标准横梁,标准横梁厚0.5m,支座附近设 2道 1.2m厚端横梁。全桥共 28根吊索,间距 6.0m,锚固于横梁底部,吊索采用外挤双层彩色 PE的成品拉索,由 109根 φ7mm低松弛镀锌高强钢丝组成;拱桥系杆设于两侧边箱之内,系杆、主梁纵向横梁预应力均采用高强度低松弛环氧钢绞线。拱座设于主梁之上,与主梁固结。拱座内设 φ32 mm预应力高强精轧螺纹粗钢筋。

2 总体施工方案

本桥采用先梁后拱的施工方式。地基处理后搭设碗扣式满堂支架,进行 110%超载压重消除支架变形,铺设主梁和拱脚段底模,绑扎主梁钢筋,安装预应力索,预埋拱座劲性骨架及拱肋第一节钢管桁架定位板,浇筑主梁及拱座部分混凝土,养生至设计强度的85%,张拉部分系杆及主梁部分纵向预应力索。

拱肋采用在主梁上搭设定位支架,通过汽车吊吊装施工,由拱脚至拱顶共分 4个节段,节段之间先以螺栓临时连接,待第 4节段(合龙段)就位合龙以后,再进行接头钢管的现场焊接。

钢管拱肋施工完成后,浇筑拱座混凝土并张拉拱座预应力粗钢筋,拆除拱肋定位支架后,张拉部分系杆及主梁纵向预应力索,张拉主梁横向预应力索。利用混凝土高压泵由拱脚至拱顶压注下弦钢管微膨胀混凝土,待下弦钢管内混凝土达到设计强度的 85%后,按照同样的方法压注上弦钢管混凝土,形成钢管混凝土结构。

吊索在拱肋钢管内混凝土压注施工完成后进行挂设并分两次张拉到位。接着张拉剩余系杆及主梁纵向预应力索,拆除主梁现浇支架。在桥面二期恒载施工完成后,根据索力及主梁位移实测情况,对全桥索力进行调整。

3 工程的重点和难点

(1)主梁结构复杂,模板样式上百种,一次浇筑 1 800m3,混凝土方量大,施工组织需严密紧凑。

(2)拱脚定位板自重较大,空间位置复杂,放线定位困难,在主梁混凝土浇筑中保持位置不发生位移是施工的另一个难点。

(3)本桥为空间结构体系,受力复杂,各施工阶段内力、应力、位移变化频繁,支架和梁体变形检测贯穿整个施工过程。

(4)钢管拱肋的分段拼装和空间定位工艺将直接决定该桥能否按设计状态成桥和运营。

(5)本桥跨越黄河大堤,施工期间必须确保黄河大堤道路畅通,同时保证施工支架需满足防洪要求。

(6)由于主梁预应力需要进行多次张拉,严格按照施工程序进行施工,是保证质量的关键;另外吊杆的张拉及索力调整,严格按照设计的顺序和索力进行,对于保证成桥后的线形及内力状态达到设计要求至关重要。

4 施工工艺及要点

4.1 地基处理

黄河大堤两侧先采用整体回填方式处理,大堤斜坡位置采用台阶方式处理,回填土表层采用 30 cm厚三七灰土,地基压实处理后要求密实度达到 90%以上。地基处理前和处理完成后均作静力触探,检查其承载力。在灰土层上浇筑 C20混凝土,厚度 15 cm。在地基两侧做 30 cm×30 cm排水沟。

4.2 支架搭设

大堤路面上的满堂支架搭设采用 φ48mm,壁厚3.5mm的钢管,立杆纵向间距30 cm(黄河大堤交通门洞)、60 cm(横梁处)、90 cm(其他位置),横杆层距 60 cm,120 cm;纵横分别布置剪刀撑,沿线路方向每 5 m在横截面上设置 1道,立杆顶托上顺桥向放置10 cm×15 cm方木,方木上再横向放置间距 20 cm(净距 10 cm)10 cm×10 cm方木,作为模板肋板在上面铺设固定主梁底模。支架高程的微调通过顶托和顶托丝杆实现。

4.3 支架预压

支架搭成后,用砂袋按照 110%超载压重进行堆载预压,测出弹性变形,清除非弹性变形,并与理论的挠度值进行比较,调整底模高程。

4.4 模板安装

拱脚定位板和梁端索导管定位控制方面,主要采取下列措施:

(1)准确计算控制点坐标。使用 Auto CAD建立三维坐标系,以其中一拱脚为原点,拱平面为 XY平面,两拱脚连线为 X轴,另一轴为 Y轴,垂直与拱平面的轴为 Z轴。在拱平面内画出定位板及其控制点,然后进行 1∶4角度偏转,查询出偏转后坐标,再转换为大地坐标进行实地放样;

(2)定位板下方焊接三角劲性骨架,骨架采用

75mm×75mm角钢,并与主梁钢筋连接,形成一整体,有效地保证了在混凝土浇筑过程中骨架偏位。索导管放线定位后也与主梁钢筋焊接成一体;

(3)考虑到混凝土收缩徐变,定位板和索导管预留一定的预偏量。

4.5 钢筋绑扎

按钢筋细部尺寸图将加工好的钢筋在底模上现场绑扎,在钢筋与模板间设置垫块,保护层厚度应符合图纸要求,绑扎成形的钢筋应满足施工规范要求。钢绞线穿束采用人工单根穿束,穿束时钢绞线头部套椭圆形钢套,以免损伤波纹管。整束穿齐后要仔细检查根数,并将外露的钢绞线用塑料布包裹,以免生锈。

4.6 混凝土施工

拱脚、主梁采用泵送 C50混凝土。为缩短灌注时间,浇筑时用 4台泵车对称现浇主梁混凝土。混凝土纵向浇筑顺序:由主梁两端分别向跨中连续浇筑,并就每箱的底板、腹板高度,沿结构横截面以斜坡层向前推进,直到中间合龙,目的就是保持支架变形均匀和最小。浇筑时应保证振捣密实。

4.7 预应力索张拉

当系梁混凝土强度达到设计强度的 85%时,进行第一次预应力筋张拉,张拉完成后立即进行真空辅助压浆。为了保证系杆预应力张拉质量,张拉准备工作必须细致到位。

(1)防止钢绞线打绞,在钢绞线两端编号并分层穿入锚板相应的孔位。

(2)用汽油类或酒精等溶剂擦拭去除工作锚板锥孔内的防锈油脂,直至孔表面发亮。

(3)如果锚垫板和钢绞线表面有灰浆,必须清除干净,防止滑丝。

(4)锚板、顶压器及千斤顶各部分安装必须位置对准,轴线同心。

(5)为保证整体张拉时各根钢绞线受力均匀,张拉前对单根钢绞线进行预紧处理。

4.8 施工要点

(1)地基处理按照路基压实标准进行检查,同时做好周边防排水措施。

(2)支架搭设完毕后,应对其平面位置、顶面高程、纵横向稳定性作全面检查,合格后方可进行下道工序。

(3)浇筑应对称均衡进行,同时在支架上设观测点,随时监测支架沉降情况。

(4)派专人跟踪观察模板及支架变形情况,及时消除模板变形和漏浆。

(5)吊杆预埋件采用定位措施,防止浇筑过程中发生位移。

5 钢管拱安装

5.1 钢管拱施工流程

钢管拱制造加工(由具有钢结构制造资质的专业队伍承担)→在主梁上搭设钢管拱肋拼装支架→拱肋钢管运送至现场、接长→逐段吊装钢管拱肋节段至合龙→拆除拱肋定位支架→采用顶升法压注钢管、腹板内混凝土→吊索安装并张拉。

5.2 拱肋定位支架搭设

拱肋定位支架采用 φ60 mm钢管和型钢结合搭设,搭建完成后,由项目部组织并邀请监理单位共同对支架进行验收,验收合格后方可进行钢管拱肋的安装。

5.3 拱肋节段安装

拱肋分段按照制作方案分为 7节,现场采用 100 t汽车吊将钢管拱节段吊至拱肋定位支架上空缓慢下放,支架顶安放的 30 t手动千斤顶上迎托住钢管后再下落,将拱肋节段的水平位置和高程调整到施工设计值后,用高强螺栓将该拱肋节段与上一节段临时固定后,进行下一节段的安装。钢管拱各节段的安装应对称进行,最大不平衡安装段不超过一个节段,待两侧拱肋均安装到合龙段时,从拱脚向合龙段对称进行线形调整后,安装合龙节段和横撑。

钢管拱合龙节段,在加工时预留了 10 cm的富余量,合龙段安装前进行实地测量,根据测量结果确定合龙段的余量切割长度。合龙段长度的实地观测应根据当时具体气温情况进行,每小时观测 2次,持续观测24 h以上,详细记录温度与合龙段长度变化量的数据,绘制温度-变化量变化曲线,按照设计合龙温度计算合龙段长度,以确定最佳的合龙温度,并报监理工程师批准。然后在批准的合龙温度下进行合龙段余量的划线切割,并按图纸要求将切割端打磨出坡口,以上工作完成后,在第 2天相同温度条件下进行合龙节段的安装。合龙段安装前,将边段的待合龙端抬高 15 cm左右。待合龙段起吊、调整至设计高度后,将边段合龙端同时缓慢下降,以边段碰中段实现合龙。合龙节段按左、右幅分别安装,合龙温度控制在 15℃,并尽快进行。

5.4 施工要点

(1)拱肋分段安装就位后、焊接成型前,应复核拱肋的三维坐标,调校到与设计坐标吻合。

(2)本桥为空间体系结构,拱肋的不对称变形对体系的整体受力将产生很大的影响。因此,在拱肋的拼装对位及焊接过程中,须对称操作,将偏差值控制在设计允许范围内。

6 拱肋钢管混凝土施工

6.1 工艺流程

压注工艺流程为:清洗管内污物→润湿内壁→安放压注头和闸阀→压注管内混凝土→从拱顶排浆孔振捣混凝土→关闭压注口处闸阀稳定→拆除闸阀完成压注。

6.2 施工步骤

(1)钢管拱肋吊装焊接完成并检测拱轴线和高程复核设计要求,即可进行钢管混凝土的压注。

(2)泵送混凝土前,先泵送 1.5m3水泥砂浆润滑管道,其后对称泵送混凝土,压注时设专人用木锤敲击管壁,检查混凝土压注情况,使泵送均衡进行。

(3)当拱顶排气孔排完砂浆,露出混凝土后,即可停止泵送,并以振动棒插入拱顶振捣管内混凝土。

(4)钢管混凝土的质量检测方法以超声波检测为主,人工敲击为辅。对不密实部分用钻孔压浆法补强,然后将钻孔补焊封固。

6.3 施工要点

(1)微膨胀混凝土在配合比设计时掺加适量的微膨胀剂,利用膨胀变形来补偿混凝土的收缩变形,减少混凝土收缩量,保证钢管内混凝土的密实。在实际施工时,不能仅仅按照厂家说明书根据经验掺加,而必须对膨胀剂的掺量进行试验,根据试验效果确定膨胀剂的掺量。

(2)钢管拱混凝土的顶升对混凝土级配具有较高的要求,拱肋混凝土灌注过程中要保证连续放料,不得间断。

(3)混凝土浇筑完成后,及时关闭压注口的截止阀,防止混凝土倒流而产生质量问题。

(4)压注顺序需严格按设计要求施工,在压注过程中应建立拱肋变形监控点,随时检查钢管拱肋轴线,出现偏差及时调整拱肋两端混凝土的泵送速度。

7 吊索安装及张拉施工

吊索采用外挤双层彩色 PE的成品拉索,拉索由109根 φ7mm低松弛镀锌高强钢丝组成,锚具采用冷铸镦头,吊索上端锚于拱肋顶面,下端锚固于主梁预留孔底面。搭设临时工作平台,人工配合吊车安装吊索就位,并张拉部分索力,然后在主梁剩余预应力张拉结束后第二次调整吊索至设计索力,并用阻蚀密封膏填充吊索预留孔道内及保护罩空隙。吊索施工流程为:施工准备→安装吊索杆→张拉吊索的控制力→索力调整→配套附件的安装。

吊索是桥面荷载和拱肋间唯一的传递通道,施工时必须严格按照设计要求和监控结果进行,并适时做好防护工作,保证安装质量。

8 结语

钢管混凝土系杆拱桥是一种结构较为合理的桥梁,充分发挥了钢与混凝土两种材料的优点,降低了桥面高度,同铁路钢桁梁相比较有明显的成本优势,并且能够实现大跨度跨越河流、大堤及其他建筑物,在充分节约总体工程造价的同时,也增强了现代建筑的美感,不失为一种上佳的选择,但是在提篮拱桥的施工组织中,由于结构体系构造复杂、工序繁多、必须精心组织,超前谋划,才能安全优质高效地完成系杆拱施工。

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