山区高速公路特大桥工程中钢管混凝土结构的应用

齐学明

（河北路通监理咨询有限公司， 河北 邯郸 056000）

0 引言

某山区高速公路桥梁的长度和宽度分别为585.56m、28.5m，由5 孔无风撑、钢管混凝土系杆拱构成主桥部分，其中钢管混凝土系杆拱是双承载面下承式。根据拱本身的特性，其矢跨比为1∶5，拱肋的高度、宽度、厚度依次是72m、1.8m、16mm，呈现为圆端形扁钢管结构。工程中采用Q345D 钢管，并使用微膨胀混凝土钢管填充。

1 钢管混凝土结构特点分析

1.1 抗震性能优越，承载力高

相较于传统的钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构具有更优越的承载力，且在抗震性与延展性方面具有更大的优势[1]。钢管混凝土结构能够最大限度发挥混凝土与钢材的共同优势，一方面钢管可以对内部混凝土产生一定的约束，混凝土处于三向受压状态其抗压强度显著增强，同时混凝土受到的压力破坏由原来的脆性破坏转化为塑性破坏，在一定程度上提升了构件的延展性。尽管混凝土在抗压强度方面具有较大优势，但其抗弯性能较差，通过在钢管内部灌注混凝土的方式能够明显提升钢管的刚度，防止钢管在承压过程中发生屈曲的现象。钢管混凝土柱的实际承载力明显强于混凝土柱或钢管柱的任一承载力。经过钢管柱与混凝土的相结合，可以更大限度地发挥二者的性能优势，使钢管混凝土结构具有更良好的抗震性、延展性以及承载能力[2]。

1.2 施工操作简单方便，经济效益尚佳

在钢管混凝土结构施工时，由于钢管具有一定的耐侧压性，因此在混凝土浇筑时可以节省支模、拆模等繁琐工序，简化了施工流程，同时可以充分结合泵灌混凝土工艺进行施工。除此之外，钢管材料可在一定程度上发挥横向箍筋和纵向箍筋的作用，因此施工人员在制作钢管时会比制作钢筋骨架更简便、更节省时间，更有利于混凝土的浇筑作业，也保证了施工单位在规定工期内顺利完成施工作业[3]。根据有关部门的工程统计数据显示，相比于传统钢结构，钢管混凝土结构能够帮助施工企业节省近一半的钢材，大大降低了企业的投资成本。图1 为钢管混凝土结构。

图1 钢管混凝土结构

2 施工技术

2.1 施工准备

施工方案的选取，共有两个方案：

方案一：使用连续性抛落无振捣浇注混凝土技术对拱顶进行连续性抛落混凝土施工。但使用该技术时应打开天窗，对于低于4m 的拱顶混凝土利用插入型振捣器充分振捣。该技术的缺点是在保证混凝土的密实度方面存在一定的难度。

方案二：在距离拱轴线1.5～2m 外的两侧拱脚处，各开1 个压注孔并呈对称分布，借助混凝土输送泵的压力将混凝土从泵管逐渐压入钢管拱内，该技术能够保证混凝土灌注的密实度，施工工艺相对简单，但是对输送泵的压力及其性能有着更严格的标准。因此本工程选择方案一实施施工。

观测测量。观测测量主要是严格观察、测量桥梁的拱轴线、控制点标高等重要指标。在检测过程中若发现拱轴线与设计标准存在误差，则应及时采取措施适当调整，使拱轴线满足设计要求；若控制点标高与设计值存在误差，则在压注混凝土施工环节适当调整高程，直到标高与设计值相符。

设备选取和管控。该环节主要是对混凝土运输车辆、混凝土输送泵等设备的选取、采购与管理。对于山区高速公路的大型桥梁建设，在泵送顶升环节需要较大的泵送压力，因此应合理选择满足施工需求的混凝土输送泵；泵车与混凝土运输车辆应相匹配，同时制定设备的备用方案用于有效处理紧急情况。

2.2 安装工艺

钢管拱安装。首先在工厂内部对基本管节进行加工，加工结束后严格依照安装单元节展开预拼装。预拼台座的设置尤为重要，必须依照相关图纸施工放样。然后对预拼装进行检测，只有检测合格后才能将其分段输送到施工现场。吊装时，顺序依次为两端、中间拱肋、拱顶段。

拱脚段安装。要格外注意拱脚段钢管的安装时间，务必保证在拱座混凝土灌注之前完成。吊装之前的准备工作要完备，如安装框架支座、放好十字线、焊接挡板、调节标高等。准备工作就绪后再对拱脚段进行吊装。为了确保拱脚的稳定性，在其四周焊接支撑，此举能够有效防止拱脚出现位移的情况。

节段安装。分节段正式安装之前，在临时支承上方搭建好平台，平台与拱肋的距离在1m 左右，为了有效控制空中工作量，有必要在分节段的两侧配置倒链，这样才能使分节段到达安置方位后与已安装段平稳对口，从而平稳缓慢下落，在临近预定位置时充分发挥倒链的作用，将其精准置于预定位置。在整个安装工序中，及时全面地追踪必不可少，务必确保安装方位的精确性。

拱肋合龙。拱肋合龙不能大意，合龙前测量温度，测量时间不低于48h，而且要保持测量的连续性。依照测量结果确定合龙时间。一般情况下，合龙的温度最低为10℃，最高则为20℃。测量合龙口的距离，最终确定合龙的长度。同时派遣专人观测温度情况，温度一旦到达合龙范围立即展开作业，合龙口固定、点焊等工作随即展开。每一个合龙口派遣2 名电焊工人进行作业，作业不能间断，必须持续进行。最后核对中线、标高等具体情况。

2.3 施工工艺

2.3.1 选取二级压注、一次成型的方式

充分利用有限元结构分析软件，更加科学合理地分析研究加劲肋布置、扁形钢管等，并进行定量计算。根据“二级压注、一次成型”的思路，避免在混凝土由拱脚压至拱顶的过程中将钢管压弯，因此除了预留的泵管接头以外，还应在1/2 拱高位置的两侧设置泵管接头。另外，在拱吊杆两侧设置2 根直径为20cm、高度为1.5m 的排气增压钢管。

2.3.2 观测施工中的钢管拱

通过严格监测混凝土的压注全过程，得到完整的监测信息。当混凝土压注到设计控制点时，均应严格检查其拱轴线、标高并记录数据，从而绘制出相应的变化曲线，也为泵送混凝土环节判断钢管拱提供依据。

2.3.3 压注顶升的施工程序

在灌注混凝土前应严格检查泵管与输送泵的各种接头，确保各接头均设置橡皮圈。然后打开止回闸阀，为了最大限度降低泵送混凝土时存在的摩擦力，使用与混凝土相同标号、规格的润滑砂浆，同时确保砂浆能够顺利排出钢管拱外。混凝土的灌注过程应对称进行，检查泵送拱内的混凝土质量、状态等，使两台输送泵的灌注速度保持一致，若两台泵的运行速度出现差异时，及时调节防止出现不对称灌注的情况。本工程中，判断压注位置时通常采用铁锤敲击钢管拱的方式，当处于“清脆声”“沉闷声”的交界处时则确定压注的位置，这一方法也可以作为判断是否同步对称浇筑。当两侧压注速度存在差异时，应立即联系相关人员调节泵的运行速度，防止不对称浇筑[4]。

完成第一级混凝土灌注后需要进行第二级混凝土的压注作业。施工过程严格控制灌注速度，将同步对称泵送的作业方式改为两泵交替输送的方式，有效提高钢管拱中的混凝土的密实程度。当输送孔有浆液冒出后还应继续压注1～2m3的混凝土，然后关闭止回闸阀。闸阀关闭后及时清洗泵车、泵管等，避免混凝土发生倒流的现象。图2 为钢管混凝土施工。

图2 钢管混凝土施工

3 施工注意事项

优化混凝土的配合比。施工过程中，控制混凝土的坍落度在18～20cm范围内，根据压注速度计算出混凝土初凝的时间。为了进一步增强构件的承载能力，防止混凝土灌注后出现缝隙等不良情况，可以预先设定微应力。在设计配合比时，为确保配合比的合理性，应重点考虑混凝土的微膨胀率，从而防止工程结构会受到钢管内混凝土的膨胀影响而降低其自身的安全性能，否则极易发生泵送困难、混凝土与钢管间存在空隙等情况，严重影响了钢管混凝土的整体质量[5]。因此，进行配合比试验时应加强对膨胀率的控制。

要求混凝土两侧对称且同步进行压注。应严格观测压注全过程，确保对称且同步施工。但是在调节控制点时采用非对称作业，在混凝土较高的一侧观测拱桥的变形情况，当变形达到设计要求状态后改为同步对称浇筑。

二级压注、一次成型的设计要求。本工程的浇筑施工采用的是“二级压注、一次成型”的方案，考虑到第一级混凝土与第二级混凝土之间存在连续性，因此在第一级混凝土没有完全初凝前，尽快完成第二级混凝土的浇筑作业，这就对两级混凝土压注时的泵管拼接速度提出了更高的要求，保障浇筑作业的顺利、高效进行。

钢管混凝土的保温对策。由于混凝土的微膨胀性会导致混凝土与钢管间存在空隙，这也在一定程度上降低了钢管混凝土的性能，降低了拱的承载力。产生空隙的主要原因是钢管混凝土的保温措施有所欠缺，为解决这一问题可以采取在钢管拱外绕麻袋包的方式增强其温度，减少内外温差，避免空隙的产生。

4 结束语

综上所述，钢管混凝土结构能够充分发挥钢管与混凝土材料两者的性能优势，相比于传统的钢筋混凝土构件其承载力更高且自重更小，施工工艺更为简便，因此在山区高速公路的大型桥梁项目中得到了较好的推广应用。通过本文的研究分析，希望为同类工程的施工提供可参考的经验。