鄭州黃河公鐵兩用橋南岸跨大堤系桿拱橋施工技術(shù)綜述

丁照安

(1.華東交通大學(xué),南昌 330013;2.京廣客專河南公司鄭州黃河公鐵兩用橋建設(shè)指揮部,鄭州 450003)

1 工程概況

新建鄭州黃河公鐵兩用橋鐵路引橋在南岸跨越黃河大堤,設(shè)計(jì)為 1-92m下承式鋼管混凝土系桿拱橋,與黃河大堤夾角 74.3°,主橋位于曲線半徑 7 000m的圓曲線上,橋式立面布置如圖1所示。

圖1 橋式立面布置(單位:cm)

本橋拱肋軸線跨度 92 m,矢高 18.4m,矢跨比為1/5。拱肋采用提籃式鋼管混凝土結(jié)構(gòu),單片拱肋向內(nèi)傾角為 14.036°,兩片拱肋軸線間距:拱腳處為 15.6 m,拱頂處為 6.4m。拱肋上、下弦采用 φ1 000mm×20mm鋼管各 1根;腹桿采用 φ500mm×12mm鋼管;兩片拱肋間共設(shè) 3道橫撐,把兩片拱肋連接為整體結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)拱的橫向剛度。拱橋主梁采用現(xiàn)澆整體灌注,截面形式為由中間 π形和兩側(cè)箱形組成的整體截面,順橋向每隔 6 m設(shè)置 1道標(biāo)準(zhǔn)橫梁,標(biāo)準(zhǔn)橫梁厚0.5m,支座附近設(shè) 2道 1.2m厚端橫梁。全橋共 28根吊索,間距 6.0m,錨固于橫梁底部,吊索采用外擠雙層彩色 PE的成品拉索,由 109根 φ7mm低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成;拱橋系桿設(shè)于兩側(cè)邊箱之內(nèi),系桿、主梁縱向橫梁預(yù)應(yīng)力均采用高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧鋼絞線。拱座設(shè)于主梁之上,與主梁固結(jié)。拱座內(nèi)設(shè) φ32 mm預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋。

2 總體施工方案

本橋采用先梁后拱的施工方式。地基處理后搭設(shè)碗扣式滿堂支架,進(jìn)行 110%超載壓重消除支架變形,鋪設(shè)主梁和拱腳段底模,綁扎主梁鋼筋,安裝預(yù)應(yīng)力索,預(yù)埋拱座勁性骨架及拱肋第一節(jié)鋼管桁架定位板,澆筑主梁及拱座部分混凝土,養(yǎng)生至設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%,張拉部分系桿及主梁部分縱向預(yù)應(yīng)力索。

拱肋采用在主梁上搭設(shè)定位支架,通過(guò)汽車吊吊裝施工,由拱腳至拱頂共分 4個(gè)節(jié)段,節(jié)段之間先以螺栓臨時(shí)連接,待第 4節(jié)段(合龍段)就位合龍以后,再進(jìn)行接頭鋼管的現(xiàn)場(chǎng)焊接。

鋼管拱肋施工完成后,澆筑拱座混凝土并張拉拱座預(yù)應(yīng)力粗鋼筋,拆除拱肋定位支架后,張拉部分系桿及主梁縱向預(yù)應(yīng)力索,張拉主梁橫向預(yù)應(yīng)力索。利用混凝土高壓泵由拱腳至拱頂壓注下弦鋼管微膨脹混凝土,待下弦鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 85%后,按照同樣的方法壓注上弦鋼管混凝土,形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

吊索在拱肋鋼管內(nèi)混凝土壓注施工完成后進(jìn)行掛設(shè)并分兩次張拉到位。接著張拉剩余系桿及主梁縱向預(yù)應(yīng)力索,拆除主梁現(xiàn)澆支架。在橋面二期恒載施工完成后,根據(jù)索力及主梁位移實(shí)測(cè)情況,對(duì)全橋索力進(jìn)行調(diào)整。

3 工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

(1)主梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模板樣式上百種,一次澆筑 1 800m3,混凝土方量大,施工組織需嚴(yán)密緊湊。

(2)拱腳定位板自重較大,空間位置復(fù)雜,放線定位困難,在主梁混凝土澆筑中保持位置不發(fā)生位移是施工的另一個(gè)難點(diǎn)。

(3)本橋?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu)體系,受力復(fù)雜,各施工階段內(nèi)力、應(yīng)力、位移變化頻繁,支架和梁體變形檢測(cè)貫穿整個(gè)施工過(guò)程。

(4)鋼管拱肋的分段拼裝和空間定位工藝將直接決定該橋能否按設(shè)計(jì)狀態(tài)成橋和運(yùn)營(yíng)。

(5)本橋跨越黃河大堤,施工期間必須確保黃河大堤道路暢通,同時(shí)保證施工支架需滿足防洪要求。

(6)由于主梁預(yù)應(yīng)力需要進(jìn)行多次張拉,嚴(yán)格按照施工程序進(jìn)行施工,是保證質(zhì)量的關(guān)鍵;另外吊桿的張拉及索力調(diào)整,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的順序和索力進(jìn)行,對(duì)于保證成橋后的線形及內(nèi)力狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。

4 施工工藝及要點(diǎn)

4.1 地基處理

黃河大堤兩側(cè)先采用整體回填方式處理,大堤斜坡位置采用臺(tái)階方式處理,回填土表層采用 30 cm厚三七灰土,地基壓實(shí)處理后要求密實(shí)度達(dá)到 90%以上。地基處理前和處理完成后均作靜力觸探,檢查其承載力。在灰土層上澆筑 C20混凝土,厚度 15 cm。在地基兩側(cè)做 30 cm×30 cm排水溝。

4.2 支架搭設(shè)

大堤路面上的滿堂支架搭設(shè)采用 φ48mm,壁厚3.5mm的鋼管,立桿縱向間距30 cm(黃河大堤交通門洞)、60 cm(橫梁處)、90 cm(其他位置),橫桿層距 60 cm,120 cm;縱橫分別布置剪刀撐,沿線路方向每 5 m在橫截面上設(shè)置 1道,立桿頂托上順橋向放置10 cm×15 cm方木,方木上再橫向放置間距 20 cm(凈距 10 cm)10 cm×10 cm方木,作為模板肋板在上面鋪設(shè)固定主梁底模。支架高程的微調(diào)通過(guò)頂托和頂托絲桿實(shí)現(xiàn)。

4.3 支架預(yù)壓

支架搭成后,用砂袋按照 110%超載壓重進(jìn)行堆載預(yù)壓,測(cè)出彈性變形,清除非彈性變形,并與理論的撓度值進(jìn)行比較,調(diào)整底模高程。

4.4 模板安裝

拱腳定位板和梁端索導(dǎo)管定位控制方面,主要采取下列措施:

(1)準(zhǔn)確計(jì)算控制點(diǎn)坐標(biāo)。使用 Auto CAD建立三維坐標(biāo)系,以其中一拱腳為原點(diǎn),拱平面為 XY平面,兩拱腳連線為 X軸,另一軸為 Y軸,垂直與拱平面的軸為 Z軸。在拱平面內(nèi)畫出定位板及其控制點(diǎn),然后進(jìn)行 1∶4角度偏轉(zhuǎn),查詢出偏轉(zhuǎn)后坐標(biāo),再轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)地放樣;

(2)定位板下方焊接三角勁性骨架,骨架采用

75mm×75mm角鋼,并與主梁鋼筋連接,形成一整體,有效地保證了在混凝土澆筑過(guò)程中骨架偏位。索導(dǎo)管放線定位后也與主梁鋼筋焊接成一體;

(3)考慮到混凝土收縮徐變,定位板和索導(dǎo)管預(yù)留一定的預(yù)偏量。

4.5 鋼筋綁扎

按鋼筋細(xì)部尺寸圖將加工好的鋼筋在底模上現(xiàn)場(chǎng)綁扎,在鋼筋與模板間設(shè)置墊塊,保護(hù)層厚度應(yīng)符合圖紙要求,綁扎成形的鋼筋應(yīng)滿足施工規(guī)范要求。鋼絞線穿束采用人工單根穿束,穿束時(shí)鋼絞線頭部套橢圓形鋼套,以免損傷波紋管。整束穿齊后要仔細(xì)檢查根數(shù),并將外露的鋼絞線用塑料布包裹,以免生銹。

4.6 混凝土施工

拱腳、主梁采用泵送 C50混凝土。為縮短灌注時(shí)間,澆筑時(shí)用 4臺(tái)泵車對(duì)稱現(xiàn)澆主梁混凝土?；炷量v向澆筑順序:由主梁兩端分別向跨中連續(xù)澆筑,并就每箱的底板、腹板高度,沿結(jié)構(gòu)橫截面以斜坡層向前推進(jìn),直到中間合龍,目的就是保持支架變形均勻和最小。澆筑時(shí)應(yīng)保證振搗密實(shí)。

4.7 預(yù)應(yīng)力索張拉

當(dāng)系梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 85%時(shí),進(jìn)行第一次預(yù)應(yīng)力筋張拉,張拉完成后立即進(jìn)行真空輔助壓漿。為了保證系桿預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量,張拉準(zhǔn)備工作必須細(xì)致到位。

(1)防止鋼絞線打絞,在鋼絞線兩端編號(hào)并分層穿入錨板相應(yīng)的孔位。

(2)用汽油類或酒精等溶劑擦拭去除工作錨板錐孔內(nèi)的防銹油脂,直至孔表面發(fā)亮。

(3)如果錨墊板和鋼絞線表面有灰漿,必須清除干凈,防止滑絲。

(4)錨板、頂壓器及千斤頂各部分安裝必須位置對(duì)準(zhǔn),軸線同心。

(5)為保證整體張拉時(shí)各根鋼絞線受力均勻,張拉前對(duì)單根鋼絞線進(jìn)行預(yù)緊處理。

4.8 施工要點(diǎn)

(1)地基處理按照路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查,同時(shí)做好周邊防排水措施。

(2)支架搭設(shè)完畢后,應(yīng)對(duì)其平面位置、頂面高程、縱橫向穩(wěn)定性作全面檢查,合格后方可進(jìn)行下道工序。

(3)澆筑應(yīng)對(duì)稱均衡進(jìn)行,同時(shí)在支架上設(shè)觀測(cè)點(diǎn),隨時(shí)監(jiān)測(cè)支架沉降情況。

(4)派專人跟蹤觀察模板及支架變形情況,及時(shí)消除模板變形和漏漿。

(5)吊桿預(yù)埋件采用定位措施,防止?jié)仓^(guò)程中發(fā)生位移。

5 鋼管拱安裝

5.1 鋼管拱施工流程

鋼管拱制造加工(由具有鋼結(jié)構(gòu)制造資質(zhì)的專業(yè)隊(duì)伍承擔(dān))→在主梁上搭設(shè)鋼管拱肋拼裝支架→拱肋鋼管運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)、接長(zhǎng)→逐段吊裝鋼管拱肋節(jié)段至合龍→拆除拱肋定位支架→采用頂升法壓注鋼管、腹板內(nèi)混凝土→吊索安裝并張拉。

5.2 拱肋定位支架搭設(shè)

拱肋定位支架采用 φ60 mm鋼管和型鋼結(jié)合搭設(shè),搭建完成后,由項(xiàng)目部組織并邀請(qǐng)監(jiān)理單位共同對(duì)支架進(jìn)行驗(yàn)收,驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行鋼管拱肋的安裝。

5.3 拱肋節(jié)段安裝

拱肋分段按照制作方案分為 7節(jié),現(xiàn)場(chǎng)采用 100 t汽車吊將鋼管拱節(jié)段吊至拱肋定位支架上空緩慢下放,支架頂安放的 30 t手動(dòng)千斤頂上迎托住鋼管后再下落,將拱肋節(jié)段的水平位置和高程調(diào)整到施工設(shè)計(jì)值后,用高強(qiáng)螺栓將該拱肋節(jié)段與上一節(jié)段臨時(shí)固定后,進(jìn)行下一節(jié)段的安裝。鋼管拱各節(jié)段的安裝應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行,最大不平衡安裝段不超過(guò)一個(gè)節(jié)段,待兩側(cè)拱肋均安裝到合龍段時(shí),從拱腳向合龍段對(duì)稱進(jìn)行線形調(diào)整后,安裝合龍節(jié)段和橫撐。

鋼管拱合龍節(jié)段,在加工時(shí)預(yù)留了 10 cm的富余量,合龍段安裝前進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定合龍段的余量切割長(zhǎng)度。合龍段長(zhǎng)度的實(shí)地觀測(cè)應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)具體氣溫情況進(jìn)行,每小時(shí)觀測(cè) 2次,持續(xù)觀測(cè)24 h以上,詳細(xì)記錄溫度與合龍段長(zhǎng)度變化量的數(shù)據(jù),繪制溫度-變化量變化曲線,按照設(shè)計(jì)合龍溫度計(jì)算合龍段長(zhǎng)度,以確定最佳的合龍溫度,并報(bào)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)。然后在批準(zhǔn)的合龍溫度下進(jìn)行合龍段余量的劃線切割,并按圖紙要求將切割端打磨出坡口,以上工作完成后,在第 2天相同溫度條件下進(jìn)行合龍節(jié)段的安裝。合龍段安裝前,將邊段的待合龍端抬高 15 cm左右。待合龍段起吊、調(diào)整至設(shè)計(jì)高度后,將邊段合龍端同時(shí)緩慢下降,以邊段碰中段實(shí)現(xiàn)合龍。合龍節(jié)段按左、右幅分別安裝,合龍溫度控制在 15℃,并盡快進(jìn)行。

5.4 施工要點(diǎn)

(1)拱肋分段安裝就位后、焊接成型前,應(yīng)復(fù)核拱肋的三維坐標(biāo),調(diào)校到與設(shè)計(jì)坐標(biāo)吻合。

(2)本橋?yàn)榭臻g體系結(jié)構(gòu),拱肋的不對(duì)稱變形對(duì)體系的整體受力將產(chǎn)生很大的影響。因此,在拱肋的拼裝對(duì)位及焊接過(guò)程中,須對(duì)稱操作,將偏差值控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

6 拱肋鋼管混凝土施工

6.1 工藝流程

壓注工藝流程為:清洗管內(nèi)污物→潤(rùn)濕內(nèi)壁→安放壓注頭和閘閥→壓注管內(nèi)混凝土→從拱頂排漿孔振搗混凝土→關(guān)閉壓注口處閘閥穩(wěn)定→拆除閘閥完成壓注。

6.2 施工步驟

(1)鋼管拱肋吊裝焊接完成并檢測(cè)拱軸線和高程復(fù)核設(shè)計(jì)要求,即可進(jìn)行鋼管混凝土的壓注。

(2)泵送混凝土前,先泵送 1.5m3水泥砂漿潤(rùn)滑管道,其后對(duì)稱泵送混凝土,壓注時(shí)設(shè)專人用木錘敲擊管壁,檢查混凝土壓注情況,使泵送均衡進(jìn)行。

(3)當(dāng)拱頂排氣孔排完砂漿,露出混凝土后,即可停止泵送,并以振動(dòng)棒插入拱頂振搗管內(nèi)混凝土。

(4)鋼管混凝土的質(zhì)量檢測(cè)方法以超聲波檢測(cè)為主,人工敲擊為輔。對(duì)不密實(shí)部分用鉆孔壓漿法補(bǔ)強(qiáng),然后將鉆孔補(bǔ)焊封固。

6.3 施工要點(diǎn)

(1)微膨脹混凝土在配合比設(shè)計(jì)時(shí)摻加適量的微膨脹劑,利用膨脹變形來(lái)補(bǔ)償混凝土的收縮變形,減少混凝土收縮量,保證鋼管內(nèi)混凝土的密實(shí)。在實(shí)際施工時(shí),不能僅僅按照廠家說(shuō)明書根據(jù)經(jīng)驗(yàn)摻加,而必須對(duì)膨脹劑的摻量進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)效果確定膨脹劑的摻量。

(2)鋼管拱混凝土的頂升對(duì)混凝土級(jí)配具有較高的要求,拱肋混凝土灌注過(guò)程中要保證連續(xù)放料,不得間斷。

(3)混凝土澆筑完成后,及時(shí)關(guān)閉壓注口的截止閥,防止混凝土倒流而產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。

(4)壓注順序需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工,在壓注過(guò)程中應(yīng)建立拱肋變形監(jiān)控點(diǎn),隨時(shí)檢查鋼管拱肋軸線,出現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整拱肋兩端混凝土的泵送速度。

7 吊索安裝及張拉施工

吊索采用外擠雙層彩色 PE的成品拉索,拉索由109根 φ7mm低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成,錨具采用冷鑄鐓頭,吊索上端錨于拱肋頂面,下端錨固于主梁預(yù)留孔底面。搭設(shè)臨時(shí)工作平臺(tái),人工配合吊車安裝吊索就位,并張拉部分索力,然后在主梁剩余預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后第二次調(diào)整吊索至設(shè)計(jì)索力,并用阻蝕密封膏填充吊索預(yù)留孔道內(nèi)及保護(hù)罩空隙。吊索施工流程為:施工準(zhǔn)備→安裝吊索桿→張拉吊索的控制力→索力調(diào)整→配套附件的安裝。

吊索是橋面荷載和拱肋間唯一的傳遞通道,施工時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行,并適時(shí)做好防護(hù)工作,保證安裝質(zhì)量。

8 結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土系桿拱橋是一種結(jié)構(gòu)較為合理的橋梁,充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn),降低了橋面高度,同鐵路鋼桁梁相比較有明顯的成本優(yōu)勢(shì),并且能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度跨越河流、大堤及其他建筑物,在充分節(jié)約總體工程造價(jià)的同時(shí),也增強(qiáng)了現(xiàn)代建筑的美感,不失為一種上佳的選擇,但是在提籃拱橋的施工組織中,由于結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造復(fù)雜、工序繁多、必須精心組織,超前謀劃,才能安全優(yōu)質(zhì)高效地完成系桿拱施工。

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[2] TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] CECS28:90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[4] GBJ17—88鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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