新型裝配式混凝土拱橋主拱圈施工技術(shù)研究

魏兆耀 劉可輝

（1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第三工程有限公司，天津 300308；2.育才-布朗交通咨詢監(jiān)理有限公司，湖南長沙 410004）

近年來，隨著纜索吊系統(tǒng)施工方法的發(fā)展和應(yīng)用，拱橋的跨越能力有了顯著提高，并向著拱橋的極限跨度邁進(jìn)。在500 m范圍內(nèi)大跨度橋梁方案比選中，拱橋具有明顯的綜合優(yōu)勢，加之拱橋擁有宏偉壯觀的外形，相比梁橋更經(jīng)久耐用，拱橋成為大跨度橋梁形式的優(yōu)選。大跨度拱橋在設(shè)計難度上與中小跨度拱橋差別不大，在施工難度上卻遠(yuǎn)超過中小跨度拱橋。大跨度拱橋的受力和線形受施工工法和施工工序影響十分顯著。隨著施工階段和荷載工況的不斷變化，大跨度拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也隨之不斷變化。

目前，我國拱橋主要采用的施工方式是現(xiàn)場施工。這種施工方式相對粗放，現(xiàn)場管理混亂，施工效率低下，環(huán)境污染嚴(yán)重。近年來，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)以其施工工期短、勞動力精簡、質(zhì)量保證率高等優(yōu)點，逐步得到業(yè)界的肯定。裝配式橋梁所具備的優(yōu)勢，使其擁有廣袤的發(fā)展前景。但是，目前的裝配式橋梁還存在整體性不足等問題，在裝配式拱橋上主要表現(xiàn)為節(jié)段拼裝接口黏結(jié)力差，拱圈整體性不足，安全性較低。本文以牛路河特大橋為例，介紹了大橋主拱圈的施工方法，克服了纜索吊拱圈節(jié)段吊裝定位精度低的困難，并提出了一種新型節(jié)段接口處理方法，該方法通過采用膠接+企口與精軋螺紋鋼組合的連接方式，增加了安全性，降低了成本。這一創(chuàng)新提高了裝配式拱橋的應(yīng)用水平，為拱橋裝配式建設(shè)提供了參考。

1 工程概況

牛路河特大橋是湖南省張花高速公路線路上唯一的特大橋[1]。張花高速公路主線的全線均為雙向四車道，設(shè)計速度80 km/h，路基寬度24.5 m，路線全長146.848 km，為張花高速控制性工程。橋梁全長430.08 m，橋跨設(shè)置為（5×20+195+5×20）m，寬10 m，與主橋銜接的引橋采用鋼筋混凝土箱梁，其曲線段加寬1.5 m。過渡墩采用空心墩，引橋橋墩采用柱式墩。拱腳起拱線標(biāo)高+386.901 m，主孔采用RC無鉸箱型拱，L0=195 m，f0=39 m，f0/L0=1/5，拱軸系數(shù)為1.543，上部為預(yù)應(yīng)力簡支空心板梁。

牛路河位處深谷地段，河床水位相差不大，谷底與橋頂落差接近200 m，無法從地面搭設(shè)施工支架，采用纜索吊系統(tǒng)配合主拱圈節(jié)段拼裝。懸鏈線主拱圈截面為單箱雙室，橫向單箱雙室一次性預(yù)制，主拱圈等高360 cm，寬780 cm，箱室截面尺寸標(biāo)準(zhǔn)為25 cm厚頂?shù)装澹?5 cm厚邊腹板，30 cm厚中腹板[2]。

延拱軸線全長縱向分為42個節(jié)段（不含合攏段和拱腳現(xiàn)澆段），42段拱圈節(jié)段沿橋跨中心線對稱布置，每半跨21節(jié)段，拱圈共設(shè)7個濕接縫，包含一道合龍段，濕接縫拱軸線長0.6 m，設(shè)2個拱腳現(xiàn)澆段長0.76 m。預(yù)制吊裝最大重量為157.56 t，最小101.09 t，最長節(jié)段長6.271 m，最短節(jié)段長3.779 m。預(yù)制節(jié)段1#～6#為第1大段，拱軸線長31.426 m；7#～10#為第2大段21.257 m；11#～16#為第3大段30.095 m；17#～21#為第4大段長22.97 m。成橋如圖1所示。

圖1 成橋示意圖（單位：mm）

2 施工難點及解決方案

2.1 施工難點

（1）地理條件嚴(yán)峻。牛路河特大橋所在位處深谷地段，谷底與橋頂落差接近200 m，地理條件讓施工環(huán)境更加復(fù)雜，施工難度增大。如何有效應(yīng)對橋位地處山澗、峽谷等地形地勢陡峭、落差大的弊病，如何克服地理條件是安全施工面臨的新挑戰(zhàn)。

（2）拱圈重量大，對纜索吊機(jī)要求高。由于主拱圈采用整體的吊裝，單個拱圈最大重量為157.56 t，同時考慮到預(yù)埋件等施工附屬結(jié)構(gòu)重量，對纜索吊機(jī)可靠性有更高要求。

（3）定位精度較難控制。由于常年有大風(fēng)，加之纜索吊體系柔性大，容易產(chǎn)生較大位移，如何實現(xiàn)主拱圈拱軸精準(zhǔn)定位、節(jié)段精確安裝出現(xiàn)了難題。

2.2 解決方案

綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場環(huán)境條件、成本、工期及安全等方面考慮，采用170 t額定吊重纜索吊機(jī)進(jìn)行安裝施工。為了解決主拱圈的安裝精度難題，測量控制方案如下：

吊裝過程中由于重量的增加、拱圈拼接及風(fēng)力的影響，均有可能使拱圈空間位置產(chǎn)生變化。因此，在拱圈各段吊裝和連接的過程中，隨時對其的軸線和標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)變化及時調(diào)整。

利用千斤頂調(diào)整扣索索力來調(diào)整拱圈的預(yù)抬高量。扣索系統(tǒng)中斜拉扣掛系統(tǒng)由以下幾個部分組成：扣點挑梁、錨頭、扣索、扣塔、張拉系統(tǒng)。

起吊前測量空載時的垂度，起吊后拱圈運至1/2跨時，再測重載最大垂度。觀測方法是測出在岸坡上控制點的標(biāo)高和距跨中距離，然后在控制點上放置全站儀，觀測主索跑車位置，讀出豎直角，即可計算出垂度值。主纜索力用頻譜分析儀測出。

在地錨設(shè)定標(biāo)志點，起吊拱肋后用全站儀在垂直于橋軸線方向觀測錨碇有無位移變化。在地錨上設(shè)置位移觀測點位，吊裝前后由同一測量人員采用固定的全站儀及固定的后視棱鏡對觀測點進(jìn)行等精度觀測，并進(jìn)行數(shù)值比對確定錨定是否有位移變化。

3 主拱圈施工方案

3.1 施工工序

3.2 主拱圈施工方案

主拱圈為單箱兩室截面，全橋拱圈分為42個節(jié)段，6道濕接縫，另設(shè)1個現(xiàn)澆合龍段，采用懸臂扣掛法施工。拱圈在預(yù)制場內(nèi)預(yù)制（埋設(shè)相關(guān)預(yù)埋件）完成后，由運輸車立運至起吊區(qū)，再橫移至主索下方，由纜索吊機(jī)直接起吊安裝。拱圈由兩岸向跨中逐節(jié)段安裝、逐節(jié)段扣掛，直至跨中合龍。扣掛系統(tǒng)主要由扣塔、扣錨索和錨碇組成[3]。兩岸各設(shè)1座扣塔，分別位于5#和6#交界墩頂；扣錨索采用密索體系，即每個拱圈節(jié)段均設(shè)置1層扣錨索。

拱圈1#節(jié)段與拱座鉸接，拱圈節(jié)段全部采用扣掛索。1#～6#節(jié)段之間、7#～10#節(jié)段之間、11#～16#節(jié)段之間、17#～21#節(jié)段之間連接采用膠拼、搭接鋼板連接。6#～7#、10#～11#、16#～17#節(jié)段之間為濕接縫及勁性骨架連接。1#～21#節(jié)段間都采用精軋螺紋鋼筋作為臨時預(yù)應(yīng)力連接，施工中膠結(jié)縫橫隔板澆筑混凝土應(yīng)緊跟，最遲滯后三段必須澆筑混凝土。施工過程中拱腳現(xiàn)澆段及拱箱濕接縫、合龍段是施工過程中重要環(huán)節(jié)。

3.2.1 拱腳現(xiàn)澆段

拱箱拱腳截面腹板重心處設(shè)置軸承式鋼鉸，鉸心位于拱箱左右側(cè)，拱腳的軸承棒直徑240 mm，用40Cr鋼制成，鉸孔用Q345B制成支承骨架，分別錨固于拱座及拱腳段拱箱混凝土內(nèi)。拱腳現(xiàn)澆段76 cm為現(xiàn)澆RC鋼纖維混凝土實體。

拱腳鉸由鉸座、鉸軸和上支承組成。鉸座由4塊弧形三角鋼板組成，鋼板厚度為50 mm及40 mm，其上開孔直徑為242 mm，鉸座與預(yù)埋在拱座斜面上的鋼板連接；鉸軸采用直徑為240 mm的鋼柱，用40Cr鋼制作，一端設(shè)柱帽，另一端設(shè)插銷，限制鉸軸沿其縱向滑移；上支承由3塊弧形三角鋼板組成，鋼板厚度為50、40 mm，開孔直徑為242 mm，上支承與預(yù)埋在拱腳節(jié)段的鋼板連接。

鉸座鋼板通過預(yù)埋鋼筋及螺栓與拱座連接；上支承中部鋼板埋入拱箱混凝土內(nèi)，兩側(cè)鋼板通過錨固鋼筋與拱箱混凝土連接。

3.2.2 拱箱濕接縫、合龍段

主拱圈設(shè)置7道現(xiàn)澆縫，現(xiàn)澆縫寬度為60 cm，采用臨時連接設(shè)置托梁支撐下一節(jié)段及支墊底模。拱圈現(xiàn)澆接頭采用鑿毛處理，現(xiàn)澆接頭連接采用預(yù)埋勁性骨架、預(yù)埋鋼筋及混凝土連接，在拱圈中預(yù)埋鋼板，要求兩對應(yīng)拱圈預(yù)埋鋼板、鋼筋預(yù)埋安裝位置準(zhǔn)確、牢固。施工預(yù)制拱圈節(jié)段時注意勁性骨架槽鋼預(yù)埋位置準(zhǔn)確。在拱頂高程調(diào)整完畢，在工字鋼的頂面和側(cè)面焊接厚度為10 mm的連接鋼板。在一天中氣溫最低的時段澆筑濕接縫、合龍段鋼纖維微膨脹混凝土[4]。

4 接頭連接方式

為了實現(xiàn)主拱圈整體性，增加黏結(jié)力，進(jìn)而提高安全性，對預(yù)制節(jié)段拱肋現(xiàn)澆接縫連接方式進(jìn)行了創(chuàng)新。吊裝懸拼過程，拱箱段與段之間的縱向接頭采用企口+膠拼的接頭形式。通過預(yù)埋鋼板、角鋼定位，再用臨時預(yù)應(yīng)力螺紋鋼將相鄰節(jié)段拉緊，在焊接連接鋼板形成縱向固接。

中間接頭為橫隔板接頭，全橋共有34道，單側(cè)17道，單側(cè)共分4次澆筑。

在6#節(jié)段安裝到位，且臨時連接形成后，調(diào)整扣索，線形滿足要求后，開始橫隔板接頭混凝土第1次澆筑，分別為1#～2#、2#～3#、3#～4#、4#～5#、5#～6#節(jié)段間連接處橫隔板接頭；在第7#～10#、11#～16#、17#～21#拱圈節(jié)段安裝到位后分別澆筑預(yù)制拱圈橫隔板混凝土。由于橫隔板接頭間距較小，底部采用預(yù)埋拉桿安裝木模作為底板模板，鋼筋采取整體綁扎，吊裝入模，振搗采用插入式振搗棒。施工過程中，控制好過人洞模板，保證過人洞的位置準(zhǔn)確。

接頭連接方式如圖2所示。

圖2 接頭連接方式

4.1 膠拼

（1）拱圈節(jié)段預(yù)制完成后，安裝預(yù)埋件，焊接錨座；膠拼接頭前一拱圈節(jié)段膠拼施工完成，對應(yīng)扣索張拉至設(shè)計索力。

（2）待安裝拱圈節(jié)段吊裝至設(shè)計位置附近，精確調(diào)整空間姿態(tài)和位置，并與已安裝完成拱圈節(jié)段對位匹配；待安裝拱圈節(jié)段與已安裝拱圈節(jié)段接頭處經(jīng)匹配無誤后，吊機(jī)前移；在拱圈接頭處涂抹環(huán)氧樹脂膠；迅速將待安裝拱圈節(jié)段吊裝就位，安裝并張拉Ф40精軋螺紋鋼筋至設(shè)計荷載，使膠拼接頭膠料在不小于0.3 MPa的壓力下固化。

（3）扣索掛設(shè)，并按設(shè)計要求焊接定位搭接鋼板。

（4）環(huán)氧樹脂膠固化完成，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求，所有定位搭接鋼板焊接完成,張拉扣索至設(shè)計索力；在扣索張拉過程中，纜索吊機(jī)緩慢松鉤完成拱圈節(jié)段膠拼施工。

4.2 精軋螺紋鋼張拉

梁段拼接時，在全截面用環(huán)氧樹脂涂刷完畢后，4根精軋螺紋鋼臨時預(yù)應(yīng)力必須同時、同步完成張拉，預(yù)張拉錨下控制應(yīng)力達(dá)到要求根據(jù)截面類型按照要求進(jìn)行控制，擠壓后的膠縫寬度宜在2～3 mm，不應(yīng)出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象。擠出多余的環(huán)氧樹脂及時刮除，刮除過程中盡量減少對混凝土的污染。

臨時預(yù)應(yīng)力張拉時確保張拉過程的同步性，4根精軋螺紋鋼采取同步張拉，張拉程序按照張拉力的0～100%，從小到大逐步進(jìn)行張拉，張拉程序：0→初應(yīng)力→σcon（持荷5 min錨固）；臨時預(yù)應(yīng)力在主拱圈合攏后拆除。

4.3 定位搭接板連接

預(yù)埋板設(shè)于拱圈預(yù)制節(jié)段中，與腹板鋼筋綁扎牢固，混凝土澆筑過程中需確保預(yù)埋位置準(zhǔn)確。拱圈接頭的連接鋼板防腐體系按兩道環(huán)氧富鋅底漆考慮，待接頭施工完畢后，鋼板表面采用高墻聚合物砂漿覆蓋。

5 結(jié)語

湖南省張花高速公路牛路河特大橋，因橋位所在地理條件差，無法從地面搭設(shè)施工支架，采用纜索吊系統(tǒng)配合主拱圈節(jié)段拼裝方法，提出測量控制方案，解決了這種方法精準(zhǔn)定位的難題；著重介紹了主拱圈節(jié)段拼接里部分施工細(xì)節(jié)，闡述了企口+膠拼結(jié)合精軋螺紋鋼的新型連接方式，為其他類似大跨徑裝配式拱橋提供參考。