鋼管混凝土拱橋報(bào)告

1、 鋼管混凝土拱橋-鋼管混凝土拱橋的施工方法福州大學(xué)土木工程學(xué)院2014年06月16日鋼管混凝土拱橋的施工方法摘要： 鋼管混凝土拱橋以其強(qiáng)度高、跨越能力大、施工便捷、經(jīng)濟(jì)效果好、橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)在我國橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，是橋梁建筑業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。在橋梁方面，已以各種拱橋發(fā)展到桁架梁等結(jié)構(gòu)形式，并發(fā)展到鋼管混凝土作勁性骨架拱橋。其施工方法發(fā)展很快，已經(jīng)應(yīng)用的有無支架吊裝法，支架吊裝法，轉(zhuǎn)體施工法等。1、引言 鋼管混凝土拱橋的發(fā)展與應(yīng)用在我國僅有十余年的歷史，但發(fā)展很快，已遍及全國廣大地區(qū)，目前已經(jīng)建成的就達(dá)80余座，在建的也有30余座。這主要是因?yàn)殇摴芑炷两M合材料的優(yōu)越性決定

2、的。關(guān)于鋼管拱肋的加工、拼裝、成拱、吊裝工藝，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)、施工規(guī)范、質(zhì)檢和監(jiān)理程序與指標(biāo)、施工定額及管理等方面的研究和經(jīng)驗(yàn)雖然有所積累，但仍不多見。廣泛交流施工經(jīng)驗(yàn)，研究制定和完善該類橋梁統(tǒng)一可行的規(guī)范規(guī)程，探討其施工經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，是目前建造此類橋梁急待解決的課題之一。從目前國內(nèi)的鋼管混凝土拱橋的施工實(shí)踐來看，其施工方案主要有：無支架纜索吊裝；少支架纜索吊裝；整片拱肋或少支架吊裝；吊橋式纜索吊裝；轉(zhuǎn)體施工；支架上組裝；千斤頂斜拉扣索懸拼。以上除千斤頂斜拉扣索懸拼施工外其余施工安案都與普通混凝土拱橋安裝類似，本文主要介紹鋼管混凝土拱大橋的施工方法及其注意事項(xiàng)。2、鋼管混凝土拱橋的施工方

3、法及其注意事項(xiàng)鋼管混凝土拱橋施工的主要環(huán)節(jié)包括：鋼管拱肋的加工制作、鋼管拱肋的架設(shè)、鋼管混凝土的灌注、安裝橋面系等。2.1 鋼管拱肋的加工制作為了保證加工質(zhì)量，拱肋通常在工廠制作。首先由定尺的鋼板卷制成長(zhǎng)(分段長(zhǎng)度視運(yùn)輸條件而定)的單節(jié)直管，再根據(jù)設(shè)計(jì)拱軸線、預(yù)留拱度等進(jìn)行放樣、煨彎、焊接組成拱肋。出廠前在剛性平臺(tái)上進(jìn)行大樣拼組，驗(yàn)收合格后進(jìn)行初級(jí)防腐，然后分段出廠。應(yīng)鋼管焊接采用坡口焊，焊管對(duì)接的縱縫及上下鋼管的環(huán)節(jié)均需錯(cuò)開。焊接時(shí)及時(shí)對(duì)焊縫收縮及日照溫差引起的誤差進(jìn)行修正，以防誤差積累。對(duì)每條焊縫要進(jìn)行嚴(yán)格的探傷檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，確保拱肋加工質(zhì)量。2.2 鋼管拱肋的架設(shè) 鋼管混凝土拱

4、橋通常是先架設(shè)空鋼管形成裸拱，再在其中灌注混凝土形成鋼管混凝土拱；或再將其作為勁性骨架，在外部包上鋼筋混凝土形成復(fù)合拱肋。鋼管拱肋的架設(shè)可以根據(jù)不同的施工條件采用不同的施工方法，主要有搭支架施工法、無支架纜索吊裝法、平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法、以及多種方法的綜合運(yùn)用的施工方法。2.2.1 搭支架施工法搭支架施工法就是在橋位處按照鋼管拱肋的設(shè)計(jì)線型加預(yù)拱度，拼裝好支架，在支架上就位拼裝、焊接成拱的施工方法。支架可采用滿堂式、或者分離式、或者兩種方式的結(jié)合。如：三峽蓮沱大橋的兩邊跨、天津彩虹大橋等。 支架的設(shè)置按拱肋的軸線和段接頭位置及高程，在精確定位后，就每個(gè)段接頭的高度設(shè)計(jì)相應(yīng)的支架高度（該高度考慮了支架

5、、支承結(jié)構(gòu)的變形和施工預(yù)拱度），經(jīng)計(jì)算確定支架的形式和材料，滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定及剛度要求，支承處圓弧和坡度應(yīng)和該處的拱肋設(shè)計(jì)完全吻合，以保證較大的支承面積和鋼管拱肋的穩(wěn)定。吊裝時(shí)用索道吊運(yùn)到位初步控制合格后，拱肋的一端采用焊搭板螺栓聯(lián)接，另一端用兩道臨時(shí)纜風(fēng)護(hù)設(shè)穩(wěn)定，合攏段在準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際的長(zhǎng)度和待合攏段拱肋的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際將多余的長(zhǎng)度割掉后按吊裝順序吊裝，到位后兩端精確對(duì)位連接。吊裝順序如圖1所示。圖1 有支架吊裝順序示意圖采用有支架施工時(shí)，應(yīng)注意控制支架自身的彈性、非彈性變形、支架基礎(chǔ)的沉降、預(yù)留拱度，支架上安置微調(diào)裝置，以便對(duì)拱肋的標(biāo)高和平面位置進(jìn)行調(diào)整。在拱肋安裝過程中，應(yīng)不斷觀測(cè)各支撐點(diǎn)的

6、沉降和拱肋標(biāo)高，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)調(diào)整。這種施工方法無須大型的起吊設(shè)備，拱軸線型容易控制，不足之處在于，接頭較多，空中焊接工作量大，焊接施工難度大且焊接質(zhì)量不易保障，工期長(zhǎng)，對(duì)橋下地形、地基等條件要求較高，在支架費(fèi)用不太高時(shí)可以考慮。2.2.2 無支架纜索吊裝施工法 纜索吊機(jī)斜拉扣掛懸拼法施工是我國修建大跨度拱橋的主要方法之一。施工理論成熟，施工體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工調(diào)整與控制較方便。但這種方法起吊端要有一定的施工場(chǎng)地，纜索跨度較橋跨要大，用纜索較多，主塔架與扣索塔架相互分開，存在受壓桿穩(wěn)定要求塔高不能過高，并且要設(shè)置各種纜風(fēng)索而占地面積較大。2.2.2.1 整體（或大段）吊裝施工方法整體吊裝施工方法

7、也稱為三大段吊裝施工方法。主跨分三段，邊段利用鷹架懸臂拼裝或采用龍門吊機(jī)與起吊塔架共同起吊就位，同時(shí)調(diào)整好拱肋空間位置，中段兩肋連同橫撐在岸上拼裝，用臨時(shí)拉桿拉住，整體浮運(yùn)到橋位，利用鷹架和主拱拱肋懸臂段設(shè)置提升設(shè)備將中段提升就位，解除中段臨時(shí)系桿，然后合攏，如圖2所示。 圖2 整體吊裝法示意圖 這種施工方法，美國的弗里蒙特橋曾采用，該橋?yàn)樽铋L(zhǎng)跨度懸臂系桿拱橋主跨為382.65m，1973年建成。 三段吊裝法，工期短，將大量的現(xiàn)場(chǎng)工作轉(zhuǎn)移到工廠內(nèi)，能確保拱軸線及質(zhì)量，不受橋頭拆遷控制，占地較少，對(duì)城市建橋尤為重要；與引橋施工不發(fā)生干擾，機(jī)具設(shè)備少，臨設(shè)材料可以大量回收，節(jié)省投資；技術(shù)可行，且施

8、工不復(fù)雜，安全度校高。但該施工方法，長(zhǎng)大段鋼管拱肋的運(yùn)輸受水位及河道的限制；工廠制造需要有較大的場(chǎng)地和下河碼頭等。這種施工方法在國內(nèi)尚無先例。2.2.2.2雙塔纜索吊機(jī)法該纜索吊機(jī)塔架之纜塔和扣塔合二為一，并于前塔上附加后塔形成空間框架結(jié)構(gòu)，故稱為雙塔纜索吊機(jī)施工法。如圖3： 圖3 雙塔纜索吊裝示意圖這種施工方法，塔架剛度較大，可不設(shè)纜風(fēng)。吊裝操作方法為：拼裝纜索吊和塔架，安裝纜索吊機(jī)纜索及機(jī)械部分，試吊合格后投入使用；工廠內(nèi)制造鋼管拱桁架節(jié)段并予以試樣，合乎要求后按順序下河運(yùn)到橋軸位處拋錨定位；對(duì)稱按序逐節(jié)段起吊、對(duì)位、扣索、連接、調(diào)整拱肋空間位置，掛錨索，對(duì)稱同步張拉相應(yīng)扣、錨索；調(diào)整與控

9、制塔架水平位移調(diào)整與控制拱肋各節(jié)段的高程及平面位置；全面檢查與調(diào)整拱肋軸線控制點(diǎn)高程及平面位置。焊接各節(jié)段接頭處外包鋼板。這種施工方法為纜索吊機(jī)的特例，具有一般纜索吊機(jī)施工方法的優(yōu)點(diǎn)，但因不設(shè)纜風(fēng)索，可大幅壓縮橋址區(qū)紅線外征地，節(jié)省投資。但是纜塔和扣索塔合二為一，使兩者之間的變形連為一體，相互影響，施工調(diào)整與控制較為不便，體系構(gòu)造復(fù)雜，受力不很直觀。我國江漢三橋下承式鋼管拱桁架系桿無鉸拱橋采用此方法施工，主跨280m。纜索吊裝在跨越峽谷的“V形地貌，由于塔架塔身無須太高，在拱肋材料運(yùn)輸方便的條件下是很經(jīng)濟(jì)的施工方案。其不足之處在于空中對(duì)接精度較難控制、拱軸線型的控制有一定難度，分段越多，質(zhì)量和

10、工期控制越難；因此應(yīng)盡量提高起吊系統(tǒng)的起吊能力，減少分段數(shù)，就能在保障質(zhì)量的前提下，加快工程進(jìn)度。2.2.3 平轉(zhuǎn)施工法平轉(zhuǎn)施工法就是將拱圈分為兩個(gè)半拱，分別在兩岸偏離橋位的位置，拼裝拱肋和拱上立柱，形成半拱，然后水平轉(zhuǎn)體就位，再合攏成拱。如：三峽的黃柏河大橋、下牢溪大橋、安陽文峰路立交橋、江西德興太百橋、貴州北盤江大橋。水平轉(zhuǎn)體施工的技術(shù)關(guān)鍵為球鉸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)、平衡防傾系統(tǒng)等。（1）有平衡重轉(zhuǎn)體施工，平衡重轉(zhuǎn)體主要由平衡體系，轉(zhuǎn)動(dòng)體系（轉(zhuǎn)軸及環(huán)道）和位控體系三部分組成。其平衡體系一般利用橋臺(tái)或配重來平衡主拱，轉(zhuǎn)動(dòng)體系為拱腳后的球鉸；同時(shí)在球鉸周圍布置千斤頂或卷揚(yáng)機(jī)使轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上

11、的半跨拱肋隨之徐徐轉(zhuǎn)動(dòng)，直到就位。如圖4所示。我國的黃柏河、下牢溪大橋，跨徑均為160m采用此法施工，轉(zhuǎn)體重量達(dá)36000KN。 圖4 平衡重轉(zhuǎn)體施工法示意圖（2）無平衡轉(zhuǎn)體施工，是采用錨碇體系平衡懸臂主拱，取消平衡重，而節(jié)省材料。錨碇體系由作為壓桿的主柱，作為撐梁的引橋主梁以及后錨等部分組成，如圖5所示。 圖5 無平衡重轉(zhuǎn)體施工法示意圖水平轉(zhuǎn)體施工主要適合于單跨拱橋，主要優(yōu)點(diǎn)在于充分利用兩岸的地形和地質(zhì)條件，吊裝、焊接容易，焊接質(zhì)量有保障，施工中不影響橋下通航，施工安全，工程進(jìn)度快。不足之處在于球鉸加工技術(shù)復(fù)雜、質(zhì)量要求高、不適合多跨拱橋。2.2.4 豎轉(zhuǎn)施工法豎轉(zhuǎn)施工就是先在拱頂附近將主拱

12、圈一分為二，并以拱址為旋轉(zhuǎn)中心，將設(shè)計(jì)拱軸線沿豎平面垂直向下旋轉(zhuǎn)一定角度，將拱頂合攏端置于較低的地面或浮船上，便于安裝，待兩段拱肋拼接完成后，分別提起對(duì)接合攏，如圖6所示。其中新安江望江大橋、三峽蓮沱大橋、丫髻沙珠江大橋等均采用了豎轉(zhuǎn)吊裝施工法。 圖6 無平衡重轉(zhuǎn)體施工法示意圖豎轉(zhuǎn)施工法的技術(shù)關(guān)鍵為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、起吊平衡系統(tǒng)、批扒桿地錨系統(tǒng)等。其主要優(yōu)點(diǎn)是只有一個(gè)合攏接頭。合攏容易，精度高，不足之處在于要求橋下具有較寬敞的施工場(chǎng)地，若使用浮船時(shí)，對(duì)水流的速度應(yīng)有所要求。2.2.5 雙向轉(zhuǎn)體施工法 當(dāng)橋位處地形不允許拱肋在橋位的設(shè)計(jì)平面或軸線豎面預(yù)制時(shí)，可采用豎轉(zhuǎn)加平轉(zhuǎn)施工。其轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)豎向轉(zhuǎn)軸和平轉(zhuǎn)體

13、系滿足雙向轉(zhuǎn)體施工。我國的河南安陽文峰路立交橋采用豎轉(zhuǎn)加平轉(zhuǎn)法施工，主跨為135m的鋼管混凝土剛架系桿拱；廣州丫髻沙大橋，主跨為360m帶懸臂的中承式剛架系桿鋼管混凝土拱橋。2.3 灌注管內(nèi)混凝土灌注管內(nèi)混凝土通常采用泵送混凝土，對(duì)于跨度不大的拱橋，有時(shí)也采用吊斗輸送混凝土的方法，但泵送混凝土的質(zhì)量容易得到保證。泵送混凝土要求和易性好，收縮率小，管內(nèi)混凝土要求密實(shí)、飽滿、達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。泵送混凝土?xí)r兩邊泵送速度應(yīng)注意加強(qiáng)協(xié)調(diào)，盡量對(duì)稱頂升，特別是接近拱頂時(shí)要注意避免一邊上升過快越過拱頂，引起鋼管骨架的縱向振動(dòng)。人工澆灌時(shí)，混凝土從澆注段的上端灌入，但混凝土落差不宜太大以免混凝土離析。在鋼管上開澆

14、灌孔，孔徑一般為200mm，通過漏斗下料，振動(dòng)可用插入式振動(dòng)棒振搗。為此應(yīng)在鋼管上開設(shè)振搗孔，一般振搗孔和澆灌孔相隔設(shè)置，振搗孔直徑視振動(dòng)棒大小而定，一般為150mm；澆灌孔開孔距離不應(yīng)大于振動(dòng)器的有效工作范圍和23m的水平距離?；炷镣ㄟ^振動(dòng)孔和澆灌孔時(shí)可稍溢出，然后在開口蓋板原位點(diǎn)焊，使混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后，再按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行補(bǔ)焊?；炷猎诠嘧r(shí)，鋼管內(nèi)混凝土溫度控制在60以下，以免微膨脹混凝土失效。鋼管內(nèi)灌注混凝土的密實(shí)度可采用敲擊鋼管和超聲波檢測(cè)。若混凝土不密實(shí)的部位，應(yīng)采用鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)缺陷較小時(shí)，壓環(huán)氧樹脂；當(dāng)缺陷較大時(shí)，可壓高標(biāo)號(hào)砂漿，壓漿后將鉆孔補(bǔ)強(qiáng)焊牢。 2

15、.4 安裝橋面系對(duì)于鋼管混凝土的施工，安裝橋面系的階段包括安裝立柱、立柱橫梁、吊桿橫梁、行車道板、人行道板以及施工橋面鋪裝等施工工序。要求加載對(duì)稱、均衡、施工標(biāo)高到位。3、吊桿的施工和索力調(diào)整3.1 吊桿的安裝吊桿一般用在鋼管混凝土拱橋中承式和下承式橋中，常用材料有圓鋼、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線，錨頭用冷鑄錨或鐓頭錨，夾片群錨使用較少。吊桿的構(gòu)造同斜拉橋中的斜拉索構(gòu)造均用定型成套產(chǎn)品。鋼管拱肋在制作時(shí)將吊桿上端的導(dǎo)管、螺旋鋼筋、墊板一并設(shè)置在拱肋中，吊桿下端的導(dǎo)管、墊板應(yīng)預(yù)埋在吊桿橫梁中。 為了保證橋面標(biāo)高的正確位置，待拱肋架設(shè)調(diào)整完成后，準(zhǔn)確測(cè)量拱肋上墊板的標(biāo)高，然后計(jì)算吊桿的下料長(zhǎng)度，在工廠加工成

16、型運(yùn)到工地進(jìn)行安裝。3.2 索力調(diào)整鋼管混凝土拱橋是超靜定結(jié)構(gòu)，吊索索力大小將影響全結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和橋面標(biāo)高。理論上，吊索在施工階段或運(yùn)營(yíng)階段都可以再次進(jìn)行張拉，調(diào)整內(nèi)力以改善結(jié)構(gòu)受力，這稱為索力調(diào)整。但是系桿拱橋在結(jié)構(gòu)完成后都將吊索錨頭封固，在營(yíng)運(yùn)后不再進(jìn)行調(diào)索，因此，所說的調(diào)索是指施工階段的索力調(diào)索。3.2.1 索力調(diào)整目的吊索安裝并初張拉后，又經(jīng)主梁落架、橋面板安裝及橋面鋪裝等施工工序至主體結(jié)構(gòu)完成，其索力希望等于設(shè)計(jì)所設(shè)定的索力，使結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀態(tài)。理論上講，設(shè)計(jì)中所給出的吊索初張拉值，是經(jīng)過計(jì)算分析使得后續(xù)施工工序所增加的索力加上原有初張拉值應(yīng)等于設(shè)計(jì)所要求的最終恒載索力。但實(shí)際施工

17、中，由于結(jié)構(gòu)尺寸、材料彈性模量、索力張拉誤差等原因，實(shí)有索力與設(shè)計(jì)索力總不相符合，因而調(diào)索是必需的工序。具體的說，要求經(jīng)過調(diào)索后的索力等于設(shè)計(jì)所給定的索力。調(diào)索丁序需多次安裝張拉千斤頂并限值張拉，是一項(xiàng)細(xì)致且麻煩的工作，為便于施工，要求調(diào)索次數(shù)愈少愈好，并希望能一次調(diào)索達(dá)到要求。調(diào)索過程中，要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，注意并量測(cè)各索索力變化和結(jié)構(gòu)撓度變化，防止出現(xiàn)異常情況使結(jié)構(gòu)遭到損壞。3.2.2 索力調(diào)整量的計(jì)算先用索力測(cè)定儀實(shí)測(cè)各索實(shí)有索力，設(shè)有n根索，記錄的T1、T2、Tn,與設(shè)計(jì)所要求索力T1、T2、Tn比較，得出各索索力調(diào)整值T1、T2、Tn記作T。如圖7所示。 圖7 調(diào)整影響系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 在

18、索力調(diào)整過程中，張拉任何一索，不但直接改變所張拉索的索力，而且由于結(jié)構(gòu)變形，也會(huì)影響其余各索的索力。要計(jì)算調(diào)整時(shí)各索的張拉值需先計(jì)算調(diào)索各索的影響值。如圖7的拱結(jié)構(gòu)，當(dāng)張拉1#索且張拉索力增加值為單位力時(shí)，對(duì)各索的影響值可由一般平面桿系計(jì)算求得11、21、.i1.n1 這樣從l#索逐索計(jì)算，可以得到各索張拉索力增加單位力時(shí)，對(duì)其余未張拉各索的索力影響矩陣： 中所有元素11、21、.、ii、.、nn都為1。 令各索在調(diào)整張拉時(shí)所需張拉索力增值為F1、F2、.Fi.Fn，記作F。 F可由下式計(jì)算而得 即 調(diào)整計(jì)算實(shí)際上僅是線性方程組的求解過程。 調(diào)索過程實(shí)際操作時(shí)，調(diào)整任何一索，不論該索原索力值為多少，只是張拉各索使其索力增加值為F，待所有各索都調(diào)整后，最終各索索力將各調(diào)整T值，達(dá)到調(diào)索目的。應(yīng)當(dāng)注意，T和F各值是可正可負(fù)的。 索力調(diào)整過后，再次用索力測(cè)定儀量測(cè)所有各索的實(shí)際索力。實(shí)際索力與調(diào)索要求肯定還會(huì)有一定量的出入。若以這一實(shí)測(cè)索力為基礎(chǔ)，重復(fù)再次調(diào)索，調(diào)索后的索力仍不一定能完全一致。這種現(xiàn)象產(chǎn)生，不但因?yàn)閺埨姓`差，而且計(jì)算假定也并非十分準(zhǔn)確。再者多片拱之間的互相影響在按平面桿件計(jì)算中并未反映出來。但即使如此，每調(diào)索一輪回，可以肯定結(jié)構(gòu)是朝結(jié)構(gòu)內(nèi)力改善方面推進(jìn)，內(nèi)力狀態(tài)逐漸接近設(shè)計(jì)所期望的狀態(tài)。調(diào)索過后，要確定是否還有再次調(diào)索的必要性，這需要根據(jù)調(diào)索后