芷江舞水大桥钢管混凝土拱桥关键施工技术

周海峰

(湖南路桥建设集团通盛工程有限公司,湖南长沙 410004)

1 工程概况

芷江县舞水大桥是芷江县城跨越舞水河的第四座桥梁,系跨河三跨连续下承式钢管混凝土系杆拱桥梁,位于芷江三桥上游大约200m,是芷江老城到新开发区之间的便捷通道。该工程上部结构是20 m(空心板)+69.5m(下承式拱)+88m(下承式拱)+69.5m(下承式拱)+20m(空心板),全长278.0m。中跨计算跨径88m,边跨计算跨径68m,中跨拱肋宽1.1m,边跨拱肋宽0.95m。拱矢跨比1/4,拱轴系数是1.167,为等截面钢管混凝土悬链线无铰拱。下承式拱上部由刚性拱、刚性纵梁、柔性吊杆组成。拱肋采用等截面钢管混凝土结构,中跨拱肋截面高2.5m,宽1.1m;边跨拱肋截面高2.2m,宽0.95m;中、边跨两条拱肋中心间距均是18m。中跨每条拱肋断面高由2根Φ1100mm钢管组成上、下弦杆,上、下弦杆之间用缀板相连,缀板外距30 cm;边跨每条拱肋断面由2根Φ950 mm钢管组成上、下弦杆,上、下弦杆之间用缀板相连,缀板外距30 cm。钢管、缀板均采用16Mn钢,厚12mm钢管在工厂卷制,施工现场拼装,主拱肋设计采取分五段拼装作业,在钢管及缀板内都灌注C50微膨胀混凝土。

2 总体施工方案

该下承式钢管混凝土系杆拱桥因设计而采用了“先梁后拱”的施工方案。由于该桥位地处城市边缘,周围房屋建筑密集,施工场地狭窄,地形局限性很大,无法采用缆索吊或大型龙门吊等方法来施工。系杆(纵梁)和端、中横梁混凝土需采用临时支架多次现浇完成,三跨纵、横梁全部浇筑并按设计对系杆预应力张拉完成后,才能进行钢管拱安装等工序施工。经过多种施工方案比选,最终确定了“支架+栈桥法”施工的实施方案。即纵、横梁混凝土采用搭设临时墩钢管桩+贝雷桁架支架现浇,同时沿桥梁纵向中心轴线搭设一座贯通全桥的贝雷梁施工钢栈桥,用大吨位吊车在栈桥上来吊安钢管拱节段和辅助施工纵、横梁及桥面系。

2.1 支架施工

2.1.1 纵横梁混凝土现浇支架

因采用“先梁后拱”的施工工艺,混凝土现浇作业量很大,支架从开始搭设到最后拆除的时间很长,故河中支架的设计和施工质量非常重要。

在支架设计阶段,基本思路必须很清楚,对支架上面承受的各种施工荷载必须全部考虑进去,以确保支架结构受力和安全性均能满足施工要求。河中支架根据各排临时墩受力大小的不同,分别采用了Φ630mm、Φ800mm和Φ1 000mm三种规格的钢管桩来作为临时墩,每排临时墩钢管桩上面横桥向安放双拼I30 a工字钢,其上顺桥向再安放10组(2排/组)贝雷桁架作为承重纵梁。其中,上、下游系杆(纵梁)下面各布设3组6排贝雷桁架,纵梁贝雷桁架上方铺设I20b工字钢横梁后,上面再安放竹胶板底模。

支架施工时,为防止发生洪水冲毁支架的安全事故,河中所有的钢管桩临时墩混凝土扩大基础均采用围堰法开挖并现浇混凝土施工,所有的钢管桩内部全部灌满了砂卵石,其顶部以下50 cm高度管内还用C30混凝土现浇做了局部补强处理。此外,为增强各排临时墩钢管桩之间的横向稳定性和防止漂浮物撞击,各横排钢管桩之间均设了满足受力要求的型钢剪刀撑。

全桥三孔纵横梁支架仅对第一孔支架进行了沙袋堆载预压试验,通过预压观测,取得了支架承压后所需的各种试验成果数据,对后续施工时在支架上准确预留系杆和支架预拱度等起了很好的指导作用。

2.1.2 钢管拱安装支架

本方案由于钢管拱节段空中焊接量较大,故对安装所采用的钢管拱安装支架的纵横向稳定性要求较高。本桥钢管拱安装时先后采用了2种不同的支架形式,分述如下。

1)1#～2#墩之间的68m跨径钢管拱安装采用的是搭设满堂钢管支架施工。

在实施第1孔(1#～2#墩)支架安装时,其搭设高度虽仅到了15m,也按规定加设了较多的纵、横向和水平剪刀撑,但由于支架横向宽度不足4.5 m,支架高宽比太大,钢管柔性也过大,支架的纵横向整体稳定性在钢管拱安装施工时仍然很差,且钢管拱吊装节段的定位施工难度大,导致钢管拱安装进度很慢,故该孔钢管拱安装完成后便弃用该支架形式来施工后续孔的钢管拱。

2)在2#～3#和3#～4#两孔的88m和68 m钢管拱安装施工中,则采用了双排临时墩钢管桩排架式支架。即在两段钢管拱吊装接头前后两侧,采用两排4根规格为Φ270～Φ630mm的钢管桩作为临时墩,每排临时墩桩顶上面安放双拼I25 a工字钢横梁,横梁上面预先焊好钢管拱定位装置。因钢管桩自身刚度很大,且各排临时墩纵横向还采用了14#槽钢或Φ270mm的钢管平联和剪刀撑,故而本类型支架的纵横向整体稳定性很好,加之预先施做了定位装置,保证了钢管拱节段的安装施工进度和安全。

2.2 纵横梁混凝土浇筑施工

因本桥三孔纵梁连续,但一次现浇的纵横梁C50混凝土数量仍然较多,故纵横梁混凝土施工时对其进行了分段施工。经过受力计算分析,全桥三孔纵横梁分成了八段来施工,分段湿接缝位置设置在结构内力最小,对梁体最安全的地方。每段浇筑的纵横梁混凝土数量需控制好,浇筑时应一次性连续浇筑完成。纵梁(系杆)采用箱型截面,内外模均采用定型钢模,内外模板装好后,一次性浇筑完成。端(中)横梁也采用定型钢模装模,与纵梁混凝土一起浇筑。纵横梁混凝土浇筑时采用两套小型混凝土拌合站拌制,利用输送泵泵送入模。混凝土浇筑时,必须合理安排浇筑顺序,并保证连续施工,防止浇筑时间太长而形成施工缝痕迹。

2.3 钢管拱现场安装

总体吊装方案:

本桥施工为环境条件所限,钢管拱节段采用在施工栈桥上用吊车分段吊装,吊装钢管拱支架按照钢管拱肋的设计线形和预拱度值先后采用满堂钢管支架或钢管桩临时墩排架式支架搭设,吊装的钢管拱节段采用在支架上就位拼装,逐段吊装后再焊接成拱的施工方法。

由于受施工钢栈桥和汽车吊吊装能力所限(吊重≤10 t),在钢管拱加工时对其节段重新进行了划分,增加了节段数,即使单段节段吊装重量控制在10 t以内。具体为:1#～2#和3#～4#两孔钢管拱肋采用分七段吊装,而2#～3#孔钢管拱肋采用分九段来吊装,拱肋分段时注意不要影响到吊杆位置。

制造拱肋拼装节段精度满足设计要求的拱轴线型,拱脚段吊装完成后固定(临时固定)调整好拱轴坐标中心线和标高,其余各节段在支架上。

钢管拱肋的吊装方案及顺序是:先吊本岸拱脚处第一段,临时固定→吊对岸拱脚第一段,临时固定→对岸第二段,临时固定→吊本岸第二段,临时固定→………→吊中间合龙段,单侧拱肋吊装完后,另一侧同法施工。

因采用有支架施工,支架的基础沉降、弹性和非弹性变形等应事先算出,并预留拱度,支架顶部设置微调装置,如定位胎座,以便对拱肋的标高和平面位置进行调整。在拱肋吊装过程中,应不断观测各支撑点的沉降,发现问题及时调整。

拱脚第一段钢管拱安装时非常关键,安装时间也较长,必须认真吊安,并准确控制好纵横轴线及管口高程。随后的其余吊装节段拱肋,在第一段的基础上,将其在事先搭设的支架上拼装,安装时必须符合设计拱轴线位置,再固接临时接头,焊接拱段接头,最后方可卸离支架形成拱圈。

2.3.1 拱肋运输

钢管拱节段在工厂加工成型并经验收合格后,将拱肋分段从湖北武船重工通过汽运运到施工现场。在施工现场,根据安装的节段位置,用17 t吊车吊放到一平车上面,再用装载机牵引运送到汽车栈桥上,然后采用60 t的汽车吊来安装节段。

在拱肋运输时,应定好拱肋的支垫位置,并且支垫牢固,防止运输过程中拱肋发生变形及其他安全事故。

2.3.2 钢管拱肋的安装

结合本桥的实际情况,拱肋安装时,先安装上游,再安装下游;单侧拱:先安拱脚段和其余节段,最后安合龙段。待上下游拱肋节段安装完毕且调整好拱轴线和标高后,再进行上下游钢管拱之间横撑的吊安。

钢管拱肋的安装采用60 t汽车吊、满堂钢管或排架式钢管桩支架以及手动葫芦相结合的方法进行施工。

2.3.3 拱肋的吊安

拱肋吊安按单拱合龙的方式进行。先吊安拱脚段和边段,最后吊安合龙段。吊安时每段接头置于临时胎座上,节段之间侧向采用工字钢临时稳固。单侧拱肋的每两段位置调整到符合要求后,用楔木将其与支架楔紧定位,再施焊拱肋节段之间的接头。

拱脚段吊安:拱肋运到施工现场后,经检查拱肋无变形及其他异常情况,即可用60 t吊车进行起吊,缓慢移动拱肋至指定位置,然后通过调节起上下吊绳长度使拱肋两端高差符合设计要求,缓慢下降拱肋使拱脚端与预埋拱肋段实现对位,对位成功后用工字钢将拱脚段焊接好,并搭设钢管支架稳定拱肋节段,以防止拱肋节段下滑;调整另一端拱肋轴线和标高,待轴线和标高调整好后,固定好拱肋,准备下段吊装。

合龙段吊安:合龙段吊安前,进行合龙段的实地测量,根据测量结果确定合龙段的余量切割长度。合龙段的实地观测应根据当时的具体气温情况进行,观测时间不少于24 h,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,并焊好接头焊缝。

合龙段安装前,预先量测合龙段的位置和长度,随后在现场将合龙端重新切割符合实际,用吊车将合龙段吊起,从上方位置缓慢落下降至与前后钢管拱节段高度位置,确定对好后,实现整跨单拱钢管拱合龙,单拱吊安完成。

用同样的方法完成另一侧拱肋的吊安,最后吊安横撑。

2.3.4 段间接头焊接

合龙后拱肋分段间接头环缝采用手工焊进行,接头环缝的焊接从拱顶到拱脚对称进行,同时在施焊各个接头时,必须采用上、下、左、右同时对称进行,以克服由于高温的影响及焊缝的收缩而造成拱肋轴线的改变。

2.4 钢管拱混凝土压注施工

2.4.1 混凝土配合比与设备

本桥钢管拱肋混凝土设计为C50微膨胀混凝土,工程数量为810m3。

钢管拱泵送时采用2台输送泵放在施工栈桥上,从拱脚往拱顶压注混凝土。

采用2台中联重科生产的BHT80混凝土输送泵进行钢管拱混凝土浇注施工,每次浇筑时至少配备3台混凝土罐车进行混凝土运输,完全可以满足钢管拱肋混凝土的灌注施工。

为了确保混凝土的质量和施工要求,混凝土配合比设计时应掺入适量的膨胀剂以抵消混凝土的收缩变形。为提高混凝土的和易性和可灌性,应掺入缓凝型减水剂,坍落度应控制在18～20 cm。

2.4.2 钢管拱肋混凝土灌注

为确保安全,在钢管拱混凝土正式灌注前,首先进行了压水试验,即用输送泵往钢管内压水,直至水从拱顶排浆管冒出后停止。通过压水试验,对拱脚第一、二两根吊杆进行了加固处理,将该2根吊杆钢管内打入直径略小的圆木,防止泵送压力过大,将吊杆处钢管空腔挤压变形后导致管内已压注的混凝土倒流出来,导致质量事故发生。

混凝土灌注从两拱脚同时向上对称进行灌注,采用2台输送泵同时进行,灌注时应保持灌注速度(混凝土数量)均匀一致,当灌注至拱顶横隔板位置时,2台输送泵同时对钢管拱肋(单管)向桥跨中央对称泵送混凝土,混凝土泵送时必须统一指挥,对称均匀连续进行灌注,避免拱肋产生不均匀受力和变形。当灌注至拱顶排浆孔完全溢出混凝土为止,确保管内混凝土密实。

混凝土灌注时先灌注两盘与混凝土等强度的水泥砂浆,待混凝土压至拱顶时,再将砂浆由拱顶排浆孔排出,以保证管壁与混凝土之间的润滑及混凝土泵送的顺利。整个拱肋混凝土灌注的时间要求在混凝土初凝之前完成,该桥拱肋混凝土应该控制在4 h之内灌注完毕,避免混凝土因时间过长流动度减少而造成灌注困难。

2.4.3 混凝土质量检测

混凝土的质量主要采用2种方法进行检查,首先用敲击钢管的方法对钢管进行普遍检查,用超声波完整性检测法检测混凝土的质量和混凝土与钢管内壁的密贴性。

2.5 吊杆施工技术

该桥吊杆采用柳州欧维姆PES7—73吊杆,外包PE防护,冷铸墩头锚具。吊杆间距:拱端为6.5m,梁端为5m,全桥共有80根。

1)吊标存放。吊杆自工厂将成品索进行编号运至工地,用吊车提升临时存放在桥面上。

2)吊装设备。采用17 t吊车在栈桥上进行安装。

3)安装工艺:

①吊杆自跨中向两侧进行安装。首先吊起吊杆上端,去掉锚圈(螺母),把锚固端冷铸锚从拱肋下缘开口处穿入索导管,锚头伸出锚板,安上螺母,使锚固端冷铸锚固定在拱肋锚板上。再吊起吊杆下端,从箱梁顶面穿入箱内,锚头超过锚板,安上螺母,完成吊杆组装。

②在索导管与吊杆之间安装密封圈。

③吊杆张拉。吊杆张拉自跨中向两端逐个吊杆对称进行张拉,使箱梁逐步脱离支架,转换为拱肋受力。设计吊杆初始张拉索力800 kN,采用YCW 150液压千斤顶进行张拉。张拉以桥面高程为主并核对吊杆张拉力,如有出入,找出原因进行调整,满足设计对桥面线型、吊杆张拉力的要求。吊杆张拉端设在拱顶箱内,张拉人员、张拉设备在钢管拱安装支架上进行吊杆张拉作业。三孔吊杆张拉完成后,监控单位需再次进行索力测试,进行最后微调,满足设计要求。

3 结语

钢管混凝土拱桥桥型美观、结构新颖,作为城市桥梁可增加一道城市景观,具有许多优点,但该类桥梁造价和技术含量高、施工难度大、施工精度要求也很高,其中支架搭设、纵横梁混凝土浇筑、钢管拱肋安装、纵梁和钢管拱节段上的吊杆预埋管安装精度、系杆超长预应力施加、吊杆张拉力控制和调索均是关系全桥施工质量优劣的关键。因此,在以上关键工序施工过程中必须精心组织、精细施工,在施工过程中严格控制好各项质量指标,确保最后的成桥质量达到设计和规范要求的精度。

[1]胡曙光,丁庆军.钢管混凝土[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2007.

[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2007.