芷江舞水大橋鋼管混凝土拱橋關鍵施工技術

周海峰

(湖南路橋建設集團通盛工程有限公司,湖南長沙 410004)

1 工程概況

芷江縣舞水大橋是芷江縣城跨越舞水河的第四座橋梁,系跨河三跨連續下承式鋼管混凝土系桿拱橋梁,位于芷江三橋上游大約200m,是芷江老城到新開發區之間的便捷通道。該工程上部結構是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),全長278.0m。中跨計算跨徑88m,邊跨計算跨徑68m,中跨拱肋寬1.1m,邊跨拱肋寬0.95m。拱矢跨比1/4,拱軸系數是1.167,為等截面鋼管混凝土懸鏈線無鉸拱。下承式拱上部由剛性拱、剛性縱梁、柔性吊桿組成。拱肋采用等截面鋼管混凝土結構,中跨拱肋截面高2.5m,寬1.1m;邊跨拱肋截面高2.2m,寬0.95m;中、邊跨兩條拱肋中心間距均是18m。中跨每條拱肋斷面高由2根Φ1100mm鋼管組成上、下弦桿,上、下弦桿之間用綴板相連,綴板外距30 cm;邊跨每條拱肋斷面由2根Φ950 mm鋼管組成上、下弦桿,上、下弦桿之間用綴板相連,綴板外距30 cm。鋼管、綴板均采用16Mn鋼,厚12mm鋼管在工廠卷制,施工現場拼裝,主拱肋設計采取分五段拼裝作業,在鋼管及綴板內都灌注C50微膨脹混凝土。

2 總體施工方案

該下承式鋼管混凝土系桿拱橋因設計而采用了“先梁后拱”的施工方案。由于該橋位地處城市邊緣,周圍房屋建筑密集,施工場地狹窄,地形局限性很大,無法采用纜索吊或大型龍門吊等方法來施工。系桿(縱梁)和端、中橫梁混凝土需采用臨時支架多次現澆完成,三跨縱、橫梁全部澆筑并按設計對系桿預應力張拉完成后,才能進行鋼管拱安裝等工序施工。經過多種施工方案比選,最終確定了“支架+棧橋法”施工的實施方案。即縱、橫梁混凝土采用搭設臨時墩鋼管樁+貝雷桁架支架現澆,同時沿橋梁縱向中心軸線搭設一座貫通全橋的貝雷梁施工鋼棧橋,用大噸位吊車在棧橋上來吊安鋼管拱節段和輔助施工縱、橫梁及橋面系。

2.1 支架施工

2.1.1 縱橫梁混凝土現澆支架

因采用“先梁后拱”的施工工藝,混凝土現澆作業量很大,支架從開始搭設到最后拆除的時間很長,故河中支架的設計和施工質量非常重要。

在支架設計階段,基本思路必須很清楚,對支架上面承受的各種施工荷載必須全部考慮進去,以確保支架結構受力和安全性均能滿足施工要求。河中支架根據各排臨時墩受力大小的不同,分別采用了Φ630mm、Φ800mm和Φ1 000mm三種規格的鋼管樁來作為臨時墩,每排臨時墩鋼管樁上面橫橋向安放雙拼I30 a工字鋼,其上順橋向再安放10組(2排/組)貝雷桁架作為承重縱梁。其中,上、下游系桿(縱梁)下面各布設3組6排貝雷桁架,縱梁貝雷桁架上方鋪設I20b工字鋼橫梁后,上面再安放竹膠板底模。

支架施工時,為防止發生洪水沖毀支架的安全事故,河中所有的鋼管樁臨時墩混凝土擴大基礎均采用圍堰法開挖并現澆混凝土施工,所有的鋼管樁內部全部灌滿了砂卵石,其頂部以下50 cm高度管內還用C30混凝土現澆做了局部補強處理。此外,為增強各排臨時墩鋼管樁之間的橫向穩定性和防止漂浮物撞擊,各橫排鋼管樁之間均設了滿足受力要求的型鋼剪刀撐。

全橋三孔縱橫梁支架僅對第一孔支架進行了沙袋堆載預壓試驗,通過預壓觀測,取得了支架承壓后所需的各種試驗成果數據,對后續施工時在支架上準確預留系桿和支架預拱度等起了很好的指導作用。

2.1.2 鋼管拱安裝支架

本方案由于鋼管拱節段空中焊接量較大,故對安裝所采用的鋼管拱安裝支架的縱橫向穩定性要求較高。本橋鋼管拱安裝時先后采用了2種不同的支架形式,分述如下。

1)1#～2#墩之間的68m跨徑鋼管拱安裝采用的是搭設滿堂鋼管支架施工。

在實施第1孔(1#～2#墩)支架安裝時,其搭設高度雖僅到了15m,也按規定加設了較多的縱、橫向和水平剪刀撐,但由于支架橫向寬度不足4.5 m,支架高寬比太大,鋼管柔性也過大,支架的縱橫向整體穩定性在鋼管拱安裝施工時仍然很差,且鋼管拱吊裝節段的定位施工難度大,導致鋼管拱安裝進度很慢,故該孔鋼管拱安裝完成后便棄用該支架形式來施工后續孔的鋼管拱。

2)在2#～3#和3#～4#兩孔的88m和68 m鋼管拱安裝施工中,則采用了雙排臨時墩鋼管樁排架式支架。即在兩段鋼管拱吊裝接頭前后兩側,采用兩排4根規格為Φ270～Φ630mm的鋼管樁作為臨時墩,每排臨時墩樁頂上面安放雙拼I25 a工字鋼橫梁,橫梁上面預先焊好鋼管拱定位裝置。因鋼管樁自身剛度很大,且各排臨時墩縱橫向還采用了14#槽鋼或Φ270mm的鋼管平聯和剪刀撐,故而本類型支架的縱橫向整體穩定性很好,加之預先施做了定位裝置,保證了鋼管拱節段的安裝施工進度和安全。

2.2 縱橫梁混凝土澆筑施工

因本橋三孔縱梁連續,但一次現澆的縱橫梁C50混凝土數量仍然較多,故縱橫梁混凝土施工時對其進行了分段施工。經過受力計算分析,全橋三孔縱橫梁分成了八段來施工,分段濕接縫位置設置在結構內力最小,對梁體最安全的地方。每段澆筑的縱橫梁混凝土數量需控制好,澆筑時應一次性連續澆筑完成?？v梁(系桿)采用箱型截面,內外模均采用定型鋼模,內外模板裝好后,一次性澆筑完成。端(中)橫梁也采用定型鋼模裝模,與縱梁混凝土一起澆筑。縱橫梁混凝土澆筑時采用兩套小型混凝土拌合站拌制,利用輸送泵泵送入模?；炷翝仓r,必須合理安排澆筑順序,并保證連續施工,防止澆筑時間太長而形成施工縫痕跡。

2.3 鋼管拱現場安裝

總體吊裝方案:

本橋施工為環境條件所限,鋼管拱節段采用在施工棧橋上用吊車分段吊裝,吊裝鋼管拱支架按照鋼管拱肋的設計線形和預拱度值先后采用滿堂鋼管支架或鋼管樁臨時墩排架式支架搭設,吊裝的鋼管拱節段采用在支架上就位拼裝,逐段吊裝后再焊接成拱的施工方法。

由于受施工鋼棧橋和汽車吊吊裝能力所限(吊重≤10 t),在鋼管拱加工時對其節段重新進行了劃分,增加了節段數,即使單段節段吊裝重量控制在10 t以內。具體為:1#～2#和3#～4#兩孔鋼管拱肋采用分七段吊裝,而2#～3#孔鋼管拱肋采用分九段來吊裝,拱肋分段時注意不要影響到吊桿位置。

制造拱肋拼裝節段精度滿足設計要求的拱軸線型,拱腳段吊裝完成后固定(臨時固定)調整好拱軸坐標中心線和標高,其余各節段在支架上。

鋼管拱肋的吊裝方案及順序是:先吊本岸拱腳處第一段,臨時固定→吊對岸拱腳第一段,臨時固定→對岸第二段,臨時固定→吊本岸第二段,臨時固定→………→吊中間合龍段,單側拱肋吊裝完后,另一側同法施工。

因采用有支架施工,支架的基礎沉降、彈性和非彈性變形等應事先算出,并預留拱度,支架頂部設置微調裝置,如定位胎座,以便對拱肋的標高和平面位置進行調整。在拱肋吊裝過程中,應不斷觀測各支撐點的沉降,發現問題及時調整。

拱腳第一段鋼管拱安裝時非常關鍵,安裝時間也較長,必須認真吊安,并準確控制好縱橫軸線及管口高程。隨后的其余吊裝節段拱肋,在第一段的基礎上,將其在事先搭設的支架上拼裝,安裝時必須符合設計拱軸線位置,再固接臨時接頭,焊接拱段接頭,最后方可卸離支架形成拱圈。

2.3.1 拱肋運輸

鋼管拱節段在工廠加工成型并經驗收合格后,將拱肋分段從湖北武船重工通過汽運運到施工現場。在施工現場,根據安裝的節段位置,用17 t吊車吊放到一平車上面,再用裝載機牽引運送到汽車棧橋上,然后采用60 t的汽車吊來安裝節段。

在拱肋運輸時,應定好拱肋的支墊位置,并且支墊牢固,防止運輸過程中拱肋發生變形及其他安全事故。

2.3.2 鋼管拱肋的安裝

結合本橋的實際情況,拱肋安裝時,先安裝上游,再安裝下游;單側拱:先安拱腳段和其余節段,最后安合龍段。待上下游拱肋節段安裝完畢且調整好拱軸線和標高后,再進行上下游鋼管拱之間橫撐的吊安。

鋼管拱肋的安裝采用60 t汽車吊、滿堂鋼管或排架式鋼管樁支架以及手動葫蘆相結合的方法進行施工。

2.3.3 拱肋的吊安

拱肋吊安按單拱合龍的方式進行。先吊安拱腳段和邊段,最后吊安合龍段。吊安時每段接頭置于臨時胎座上,節段之間側向采用工字鋼臨時穩固。單側拱肋的每兩段位置調整到符合要求后,用楔木將其與支架楔緊定位,再施焊拱肋節段之間的接頭。

拱腳段吊安:拱肋運到施工現場后,經檢查拱肋無變形及其他異常情況,即可用60 t吊車進行起吊,緩慢移動拱肋至指定位置,然后通過調節起上下吊繩長度使拱肋兩端高差符合設計要求,緩慢下降拱肋使拱腳端與預埋拱肋段實現對位,對位成功后用工字鋼將拱腳段焊接好,并搭設鋼管支架穩定拱肋節段,以防止拱肋節段下滑;調整另一端拱肋軸線和標高,待軸線和標高調整好后,固定好拱肋,準備下段吊裝。

合龍段吊安:合龍段吊安前,進行合龍段的實地測量,根據測量結果確定合龍段的余量切割長度。合龍段的實地觀測應根據當時的具體氣溫情況進行,觀測時間不少于24 h,以確定最佳的合龍溫度并報監理工程師批準。然后在批準的合龍溫度下進行合龍段余量的劃線切割,并焊好接頭焊縫。

合龍段安裝前,預先量測合龍段的位置和長度,隨后在現場將合龍端重新切割符合實際,用吊車將合龍段吊起,從上方位置緩慢落下降至與前后鋼管拱節段高度位置,確定對好后,實現整跨單拱鋼管拱合龍,單拱吊安完成。

用同樣的方法完成另一側拱肋的吊安,最后吊安橫撐。

2.3.4 段間接頭焊接

合龍后拱肋分段間接頭環縫采用手工焊進行,接頭環縫的焊接從拱頂到拱腳對稱進行,同時在施焊各個接頭時,必須采用上、下、左、右同時對稱進行,以克服由于高溫的影響及焊縫的收縮而造成拱肋軸線的改變。

2.4 鋼管拱混凝土壓注施工

2.4.1 混凝土配合比與設備

本橋鋼管拱肋混凝土設計為C50微膨脹混凝土,工程數量為810m3。

鋼管拱泵送時采用2臺輸送泵放在施工棧橋上,從拱腳往拱頂壓注混凝土。

采用2臺中聯重科生產的BHT80混凝土輸送泵進行鋼管拱混凝土澆注施工,每次澆筑時至少配備3臺混凝土罐車進行混凝土運輸,完全可以滿足鋼管拱肋混凝土的灌注施工。

為了確?；炷恋馁|量和施工要求,混凝土配合比設計時應摻入適量的膨脹劑以抵消混凝土的收縮變形。為提高混凝土的和易性和可灌性,應摻入緩凝型減水劑,坍落度應控制在18～20 cm。

2.4.2 鋼管拱肋混凝土灌注

為確保安全,在鋼管拱混凝土正式灌注前,首先進行了壓水試驗,即用輸送泵往鋼管內壓水,直至水從拱頂排漿管冒出后停止。通過壓水試驗,對拱腳第一、二兩根吊桿進行了加固處理,將該2根吊桿鋼管內打入直徑略小的圓木,防止泵送壓力過大,將吊桿處鋼管空腔擠壓變形后導致管內已壓注的混凝土倒流出來,導致質量事故發生。

混凝土灌注從兩拱腳同時向上對稱進行灌注,采用2臺輸送泵同時進行,灌注時應保持灌注速度(混凝土數量)均勻一致,當灌注至拱頂橫隔板位置時,2臺輸送泵同時對鋼管拱肋(單管)向橋跨中央對稱泵送混凝土,混凝土泵送時必須統一指揮,對稱均勻連續進行灌注,避免拱肋產生不均勻受力和變形。當灌注至拱頂排漿孔完全溢出混凝土為止,確保管內混凝土密實。

混凝土灌注時先灌注兩盤與混凝土等強度的水泥砂漿,待混凝土壓至拱頂時,再將砂漿由拱頂排漿孔排出,以保證管壁與混凝土之間的潤滑及混凝土泵送的順利。整個拱肋混凝土灌注的時間要求在混凝土初凝之前完成,該橋拱肋混凝土應該控制在4 h之內灌注完畢,避免混凝土因時間過長流動度減少而造成灌注困難。

2.4.3 混凝土質量檢測

混凝土的質量主要采用2種方法進行檢查,首先用敲擊鋼管的方法對鋼管進行普遍檢查,用超聲波完整性檢測法檢測混凝土的質量和混凝土與鋼管內壁的密貼性。

2.5 吊桿施工技術

該橋吊桿采用柳州歐維姆PES7—73吊桿,外包PE防護,冷鑄墩頭錨具。吊桿間距:拱端為6.5m,梁端為5m,全橋共有80根。

1)吊標存放。吊桿自工廠將成品索進行編號運至工地,用吊車提升臨時存放在橋面上。

2)吊裝設備。采用17 t吊車在棧橋上進行安裝。

3)安裝工藝:

①吊桿自跨中向兩側進行安裝。首先吊起吊桿上端,去掉錨圈(螺母),把錨固端冷鑄錨從拱肋下緣開口處穿入索導管,錨頭伸出錨板,安上螺母,使錨固端冷鑄錨固定在拱肋錨板上。再吊起吊桿下端,從箱梁頂面穿入箱內,錨頭超過錨板,安上螺母,完成吊桿組裝。

②在索導管與吊桿之間安裝密封圈。

③吊桿張拉。吊桿張拉自跨中向兩端逐個吊桿對稱進行張拉,使箱梁逐步脫離支架,轉換為拱肋受力。設計吊桿初始張拉索力800 kN,采用YCW 150液壓千斤頂進行張拉。張拉以橋面高程為主并核對吊桿張拉力,如有出入,找出原因進行調整,滿足設計對橋面線型、吊桿張拉力的要求。吊桿張拉端設在拱頂箱內,張拉人員、張拉設備在鋼管拱安裝支架上進行吊桿張拉作業。三孔吊桿張拉完成后,監控單位需再次進行索力測試,進行最后微調,滿足設計要求。

3 結語

鋼管混凝土拱橋橋型美觀、結構新穎,作為城市橋梁可增加一道城市景觀,具有許多優點,但該類橋梁造價和技術含量高、施工難度大、施工精度要求也很高,其中支架搭設、縱橫梁混凝土澆筑、鋼管拱肋安裝、縱梁和鋼管拱節段上的吊桿預埋管安裝精度、系桿超長預應力施加、吊桿張拉力控制和調索均是關系全橋施工質量優劣的關鍵。因此,在以上關鍵工序施工過程中必須精心組織、精細施工,在施工過程中嚴格控制好各項質量指標,確保最后的成橋質量達到設計和規范要求的精度。

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