浅析钢管混凝土拱桥施工方法

黄延青（甘肃华澳铁路综合工程有限公司，甘肃 兰州 730070）

1 绪论

钢管混凝土拱桥具有自重轻、强度大、抗变形能力强的优点，比较好地解决了修建桥梁所需的用料省、安装重量轻、施工简便与承重能力大的矛盾，是大跨径拱桥比较理想的一种结构形式。目前，钢管混凝土拱桥在国内修建很多，拱桥跨径的增大，与施工技术的进步、材料性能的提高分不开。大量钢管混凝土拱桥的修建和现在钢管混凝土拱桥的发展现状及趋势要求广大桥梁工作者加快钢管混凝土拱桥的设计、施工等方面的研究工作，为我国大跨径钢管混凝土拱桥的设计和施工现代化、科学化铺平道路。其中最关键的是施工问题，加强对钢管混凝土拱桥在施工过程中的研究不但可以获取补充、完善设计理论、设计方法所需的数据，而且可以挖掘现有施工工艺的最大潜力，补充、完善钢管混凝土拱桥的施工技术和控制技术，为大桥质量检验提供依据。本论文对拱肋安装、混凝土灌注过程等关键工序进行了理论分析和计算研究，并且介绍了施工工序和方法。

2 钢管混凝土拱桥施工过程简介

2.1 空钢管阶段

拱肋钢管采用Q345D 钢材。钢管的制作由武船重工承担，在室内分2m 一段卷制焊接，运至施工场地焊接，在钢管拱预制场进行试拼。对接无误后再进行喷铝等防锈处理。空钢管的架立采用满堂支架安装。先吊装两边段拱肋就位，再吊装中间段进行合拢，每一孔吊装完成后及时安装缆风，保持钢管拱肋的稳定。待标高、线形调整合理后，浇筑拱脚处承台混凝土封拱脚，再安装横撑固定拱肋。

2.2 浇筑钢管混凝土阶段

拱肋钢管内填充C50 微膨胀混凝土，严格控制混凝土的流动性、配合比、塌落度、水灰比、入仓温度。80m 拱肋混凝土的灌注分三次进行，先灌注下弦，再灌注上弦，最后灌注缀板。50m拱肋混凝土采用由两端拱脚同时泵送，两片拱肋同时进行，以免发生较大的横向位移。

拱脚预留压浆孔，一次泵送完成，在拱肋上最高处预装一个排气（排浆）孔。混凝土泵送至排气孔有均匀散落的骨料时为止。泵送混凝土的整个过程对拱肋进行线形监控。

2.3 安装横梁阶段

横梁为预制箱形预应力混凝土构件。先浇筑立柱顶横梁，再架设吊杆横梁。先在拱肋上穿吊杆，用两台吊车把横梁吊至预定高度，将吊杆穿过横梁，调整横梁高度、吊杆张拉力，直至满足设计要求。横梁吊杆的架设顺序会影响到拱肋的变形，故横梁吊杆的架设从边吊杆开始，隔吊杆安装下一个横梁，吊装完中吊杆处横梁后再吊其他吊杆。

2.4 安装桥面板等桥面系阶段

桥面板采用分批、分型号安装。桥面板纵横接头之间预留了后浇接缝，并将纵向接缝钢筋与横梁预埋筋、铺装层钢筋焊接成整体。

2.5 成桥阶段

待桥面板接缝浇筑完成后，现浇桥面混凝土并铺筑沥青，安装护栏、照明灯等附属设施。

3 钢管混凝土灌注的研究

混凝土是钢管混凝土材料的重要组成部分，空钢管在架设完成以后，就要进行混凝土的灌注工作。钢管混凝土的灌注过程是主拱圈刚度逐渐形成的过程，浇注过程的施工安全、质量和后期受力有很大的影响。

对于大跨径桥梁，由于混凝土的数量较大，并且是逐渐凝固的；混凝土是作为荷载施加在空钢管上；并且要分阶段施工，混凝土也就分时间阶段凝固；整个结构的刚度是逐渐形成的，这对钢管的受力分布有一定的影响。所以研究混凝土的灌注过程是很重要的。

泵送混凝土施工是利用混凝土输送泵（简称混凝土泵）和输送管道把拌合均匀而未凝固的混凝土输送到浇灌地点或直接浇灌混凝土的一种施工方法。它能一次连续地完成水平和垂直运输，尤其对于一些工地狭窄和有障碍物，用其它运输设备难以直接靠近的施工现场，混凝土泵更能有效地发挥作用，提高效率。此外，泵送混凝土施工还具有下列优点：①机械化程度高，能节省大量劳动力和施工材料；②混凝土泵的输送能力强、速度快，能加快施工进度、缩短工期、提高工效；③可长距离压送；④保护施工环境等。目前泵送混凝土已成为许多土木、水利工程建设的重要施工方式。

3.1 钢管混凝土的浇注工艺

钢管混凝土拱桥的钢管内的混凝土应优先采用泵送顶升浇灌法，泵送顶升法采用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升，当加载程序是从拱脚往拱顶一次性浇注时，从两端拱脚泵送。当泵送顶升高度较高时，可以采用分级泵送。为润滑管壁，减少泵送过程混凝土和管壁之间的摩擦力，应在泵送混凝土之前，先用压力水冲洗钢管内壁，必要时再用水泥浆通过。随着混凝土在管内上升，管内的空气将不断增大，为了减少空气压力，在钢管上每隔一段应开有排气孔。泵送混凝土时两边泵送速度应加强协调，尽量对称顶升，特别是接近拱顶时，要注意避免一边上升过快，因为经计算和实测表明拱顶段的灌注对拱肋轴向偏位影响很大；同时为了避免混凝土一边上升过快越过拱顶，在合拢段中间应该加设挡板。

3.2 泵送混凝土输送管内的输送压力

混凝土压送过程中，由于摩阻力存在，必然造成输送压力的损失，所以沿压送方向输送管内各点的压力是不同的。现以半径为r的直通管为例，取距输送管的排出口为x 和x +dx 之间的微小段圆柱体，以压送过程中作用于这微小段圆柱体上各种力的瞬间平衡状态来分析混凝土压送过程中的压力损失和管内输送压力。设输送管内x 处的压力为p,x +dx 处的压力为p +dp，则作用于dx圆柱体上的压力为：

根据dx 圆柱体上的力平衡条件，与上述压力相平衡的力有：管壁的摩阻力、混凝土的惯性力及重力。所以，沿压送方向力平衡方程应为：

整理后得单位输送管长上的压力损失为：

式中：r－输送管半径；v－管内混凝土速度；ρ－混凝土的密度；g－重力加速度；a－直通管与水平面的夹角；γ－混凝土的容重。

近似把混凝土看成不可压缩的物质，则在压送过程的任意时间内，管内任意位置上混凝土的流动速度相同。因此对上式积分就能得到距输送管排出口x 处的管内输送压力：

以上是混凝土在满足可泵性要求，在管内形成栓柱状流动的条件下，推导出的压送过程中输送管内的压力损失和管内输送压力的理论计算公式。

3.3 逆流防止阀设计

钢管拱混凝土压注完后，为防止拆管时混凝土回流需在拱底设置逆流防止阀。借鉴其它钢管拱桥的施工经验，本桥设置了逆流防止阀。经在施工中使用表明此装置安全可靠、操作方便、截流后混凝土不流失。

3.4 施工设计优化

桥拱肋混凝土分为人工浇筑段及压注段，人工浇筑段就是在压注段施工前首先采用人工浇注的方式浇注拱肋内靠近拱脚的一小部分，若待混凝土强度达到80%设计强度时再施工压注段，考虑到先浇注的人工浇注段会在拱内产生施工缝，对拱内混凝土的受力不利，故在人工浇注段施工完成后立即进行泵送，只需在回流栅附近割开一振捣孔，待人工浇注段混凝土浇注至振捣孔时用插入式振动棒振捣后封焊好振捣孔即可继续进行压注段施工，直至压注到拱顶排气孔排出新鲜混凝土为止。哑铃型拱肋混凝土要先压注上弦管混凝土，待上弦管混凝土强度达到80%即可进行下弦管混凝土压注施工。压注施工用两台HBT-60C泵机(设一台备用泵机)，分别位于拱肋的拱脚两端。人工段振捣孔、排气管及回流栅安设好后，即可连接压注管道，管道连接好后要试机压水，检查泵机的工作状态及管路的密封性后即可压注。每台泵机先打少许水泥砂浆用于湿润管路，然后进行压注混凝土。当混凝土面达到人工段振捣孔时停止压注，用插入式振动棒振捣后封焊好振捣孔继续压注混凝土至拱顶，当拱顶排气孔排出新鲜混凝土后关闭回流栅压注即结束。

4 吊杆(吊索)的施工与索力控制

4.1 吊索的安装和张拉

吊索的安装类似于斜拉桥的拉索安装。当钢索采用徽头锚具时，由于钢索下料长度精度要求较为严格，需要测量钢索预留孔的实际孔距，计算出下料长度，然后再下料、穿束、墩头、挂索及初张拉。施工中，在桥面系未完成之前对吊索进行初张拉的主要目的是：①减轻系梁支架负担，避免支架设备过于庞大，且减少支架在负荷过程中结构本身变形和基础下沉等对主结构带来的不利影响，在主拱结构完成后，吊索初张拉，由拱圈先负担一部分桥面系的荷载；②使拱圈承受吊索力有一个缓和且均匀的过程；③减少桥面板参与系梁的结构作用，在桥面板参与结构作用前，先行拆除系梁支架。

当吊索被吊运就位后，要将其端部穿过主拱及系梁上的预留孔道，并在其端部锚具上旋入锚杯或通过张拉连杆与千斤顶连接。由于吊杆的无应力长度小于其理论长度(即索内有应力时其两端支承面间距离)，又由于索的自重影响，往往在其一端的锚杯旋上后，其另一端的锚具还留在孔道内，甚至还未能进入预留孔道，因此，必须用链子滑车将其拉紧，使得锚头尽可能地穿过预留孔道，以便通过张拉连杆与千斤顶连接上。只要能达到这一目的，剩下的工作就是要重复张拉几个行程(因为一个行程往往不够长)，逐步将锚头拉到设计的锚固位置。

初张拉前，拱支架己拆除，裸拱的荷载压力很大程度地偏离合理拱轴线，所以吊索初张拉值与张拉顺序的确定，基本取决于裸拱各截面在结构自重与索力作用下的相邻索的影响，在张拉设备容许情况下，尽可能采用影响最大的相邻几根索同时张拉的方法。在张拉的同时应注意如下各点：

1)张拉前应将锚头与锚杯配对并检查其质量；

2)穿索和张拉时应注意保护钢索免受损伤；

3)要有两种以上测量张拉力的手段；

4)锚环旋紧程度要一致，以免各索受力不均；

5)张拉应在上、下游两拱肋对称的情况下进行，尽量减小不平衡张拉力。

4.2 索力的调整

对调索的最终结果而言，与调索的次序是无关的，即不论先调哪根索，待所有索都调整完毕，都将得到同样的结果而满足调索要求。然而，在实际调索过程中，需选定次序，不但要求在验算每调一索时，结构能安全承受内力变化，保证结构安全，而且要尽量使结构内力和挠度变化幅度最小，这需要精心设计计算。一般来讲，调索要均匀对称，先正后负，且选定主拱上挠度最大值处的索号作为下一调索索号，才会得到最合理的调索次序。

调索希望能一次完成，即任何索号所需索力增加值全值一次张拉完毕，以免张拉千斤顶多次安装，增加施工中的麻烦。若在计算过程中出现一次张拉某一索号的索力增加值全值时将导致结构验算强度不够，则只能改为先张拉部分值，等其它索号调整过后，再次张拉该索所余留部分值。这种情况一般不会出现，只是在调索次序选定欠佳的情况下才会出现。从工程经验来看，调索增加值的数值并不是很大，一次张拉某索号的全值，其所增加的结构内力不会超过结构二期恒载和活载所产生的内力。

调索过程中还有挠度控制问题。施工中要控制结构各部分标高，特别是系梁与桥面标高，标高不符合设计要求将影响结构安全、行车舒适和外形美观。调索过程中结构会产生变形，系梁标高将上挠或下挠，但这一调索变形并不一定能改善桥面标高，有时甚至会朝相反方向变形。只有有意改变索力设计置定值，全索放松或收紧，才能起到调整桥面标高的作用。但这种作法要严格限制，以保证结构的安全使用。

索力调整过后，再次用索力测定仪量测所有各索的实际索力。实际索力与调索要求肯定还会有一定量的出入。若以这一实测索力为基础，重复再次调索，调索后的索力仍不一定能完全一致。这种现象产生，不但因为张拉有误差，而且计算假定也并非十分准确。再者多片拱之间的互相影响在按平面杆件计算中并未反映出来。但即使如此，每调索一轮回，可以肯定结构是朝结构内力改善方面推进，内力状态逐渐接近设计所期望的状态。调索过后，要确定是否还有再次调索的必要性，这需要根据调索后实测索力对结构进行全面验算的结果而定。按实测索力验算结构，说明结构足够安全且结构挠度也符合要求，才能认为调索完成。按实测索力来验算结构的具体方法，是以实测索力来取代结构原有索单元。实测索力按索的方向施加在主拱和系梁上，连同结构其它自重，叠加在一起计算出恒载内力，将恒载内力与活载或其它荷载内力按规范要求进行组合，对结构各构件作强度验算或应力验算，全部符合要求，才说明结构安全。

5 结论

钢管混凝土拱桥是一种结构轻巧、形式多样、美学效果良好的桥梁结构。本文在综合分析国内外最新研究成果的基础上，对钢管混凝土拱桥施工关键技术进行了研究。但是，钢管混凝土拱桥在设计、计算理论以及施工和施工控制诸如控制理论、参数识别、温度影响等方面，尚需要更深入的研究和完善。

[1]张建民.大跨径钢管混凝土拱桥承载能力与施工控制研究.华南理工大学博士学位论文，2001

[2]邵怀.钢管混凝土结构.中国建筑科学研究院,1992