128 m系桿拱橋鋼管混凝土澆筑施工技術(shù)

李壽福

(中鐵二十一局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

128 m系桿拱橋鋼管混凝土澆筑施工技術(shù)

李壽福

(中鐵二十一局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

介紹了128 m系桿拱鋼管混凝土澆筑施工方案，通過(guò)應(yīng)力疊加原理計(jì)算比選制定混凝土澆筑順序，以滿足橋梁施工過(guò)程及成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形要求。同時(shí)，闡述了混凝土澆筑質(zhì)量的控制要點(diǎn)。

128 m系桿拱 拱管內(nèi)混凝土 澆筑

1 工程概況

包西鐵路跨黃延高速大橋中心里程DK513+890，全長(zhǎng)319.78 m，孔跨形式為1孔32 m簡(jiǎn)支T梁+1孔128 m鋼管混凝土系桿拱+2孔32 m簡(jiǎn)支T梁+3孔24 m簡(jiǎn)支T梁。因受橋址地形和凈空限制，其中跨黃延高速公路一孔為128 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及鋼管混凝土系桿拱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為剛性系梁剛性拱，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，橫截面為單箱三室截面。主橋設(shè)兩道拱肋，拱肋采用外徑φ130 cm，壁厚26 mm的鋼管混凝土啞鈴形截面，上下弦管中心距2.2 m，拱肋截面高3.5 m。吊桿的張拉端位于拱肋上端。

主跨橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:m)

2 總體施工方案

該橋采用先梁后拱的施工方法，主梁采用滿堂支架或墩梁膺架法現(xiàn)澆施工。梁體施工完成后，架設(shè)拱肋支架。拱肋采用預(yù)制吊裝在支架上進(jìn)行組拼拱肋構(gòu)件并焊接施工，待兩片拱肋合龍后，吊裝焊接各橫撐、K撐。每片拱肋分9段在工廠里加工，每段長(zhǎng)13.5 m左右(不含預(yù)埋段)，吊裝重約200 kN。安裝時(shí)要求兩道拱肋同時(shí)進(jìn)行，對(duì)稱拼裝。每段拱肋拼裝完成后，及時(shí)安裝相應(yīng)橫撐及K撐(橫撐及K撐安裝應(yīng)以跨中為軸對(duì)稱順次進(jìn)行)。拱肋拼裝完成后在鋼管拱內(nèi)灌筑混凝土。

3 鋼管混凝土拱管內(nèi)混凝土澆筑施工方案

鋼管內(nèi)混凝土的灌筑一般采用泵送頂升壓筑法施工，即利用泵送壓力使混凝土達(dá)到密實(shí)的目的。對(duì)于跨度不大的鋼管混凝土拱肋，由于鋼管的直徑小，均可采用兩拱腳對(duì)稱一次頂升泵送到位，不需要分段。但對(duì)于大跨度鋼管混凝土拱肋，由于鋼管長(zhǎng)度及直徑均較大，一次泵送混凝土用量大，因而受輸送泵壓力及拱肋應(yīng)力、變形的限制，需要分段泵筑，以控制拱肋的應(yīng)力、變形及保證施工的安全性;在分段位置處設(shè)置橫隔板，并在每段拱肋頂部設(shè)置排漿孔。分段的數(shù)量視施工能力及鋼管拱肋的設(shè)計(jì)荷載而定。分段太少，一次須灌筑的混凝土數(shù)量較大;分段太多，則灌筑的次數(shù)多、每次工程量小而耗費(fèi)大量時(shí)間及人力資源，同時(shí)由于施工周期過(guò)長(zhǎng)且拱肋多次受力而對(duì)成拱的受力不利。

鋼管混凝土拱的混凝土澆筑方案對(duì)拱橋施工階段和最終成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和各結(jié)構(gòu)桿件的受力性能都會(huì)產(chǎn)生重要的影響，澆筑過(guò)程是否對(duì)施工階段和成橋結(jié)構(gòu)有利，是鋼管混凝土澆筑方案的技術(shù)難點(diǎn)，本橋鋼管混凝土拱肋是在搭設(shè)支架的基礎(chǔ)上吊裝鋼管并焊接，再澆筑鋼管內(nèi)混凝土，澆筑鋼管內(nèi)混凝土實(shí)際是對(duì)鋼管和其他結(jié)構(gòu)桿件的一個(gè)荷載和應(yīng)力施加過(guò)程。須對(duì)鋼管進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

強(qiáng)度驗(yàn)算有兩種不同的方法，應(yīng)力疊加法和內(nèi)力疊加法，這兩種方法計(jì)算的結(jié)果相差甚大。應(yīng)力疊加法是考慮鋼管混凝土澆筑在形成過(guò)程中各個(gè)階段的截面特性及荷載情況而分別計(jì)算其應(yīng)力，然后在截面的相應(yīng)纖維處疊加起來(lái)。內(nèi)力疊加法則不考慮應(yīng)力的累積過(guò)程，而是按驗(yàn)算階段的所有荷載和當(dāng)前的截面特性，直接計(jì)算當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)。

在施工過(guò)程中，雖然混凝土澆筑后管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度在不斷地增長(zhǎng)，但在它到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度以前，所分擔(dān)的荷載有限，荷載主要由鋼管承受，鋼管與混凝土的應(yīng)力之比一般在10以上，施工過(guò)程中往往以鋼管的應(yīng)力為控制因素。所以，在施工階段采用應(yīng)力疊加法，以容許應(yīng)力驗(yàn)算有其相對(duì)合理性。

本項(xiàng)目對(duì)混凝土澆筑方案進(jìn)行計(jì)算并比較，計(jì)算中采用如下方法及相關(guān)的規(guī)定:①采用應(yīng)力疊加法進(jìn)行線彈性分析;②鋼管混凝土單元?jiǎng)偠韧瑫r(shí)計(jì)入兩種材料的性能與截面特征;③各施工階段的施工荷載以該階段混凝土濕重的20%計(jì)入;④計(jì)算中僅考慮拱箱混凝土收縮、徐變的影響，未考慮溫度變化及基礎(chǔ)沉降等因素的影響。

基于應(yīng)力疊加原理，根據(jù)本橋的特點(diǎn)，提出了本項(xiàng)目鋼管混凝土兩種澆筑方案。

方案A:在各環(huán)內(nèi)，按照?qǐng)D2中Ⅰ，Ⅲ，Ⅱ的順序澆筑工作面混凝土。待前一工作面所澆筑混凝土的強(qiáng)度形成后再進(jìn)行下一工作面施工;計(jì)算時(shí)考慮前一工作面所澆筑混凝土，以10 d強(qiáng)度參與作用。

圖2 鋼管混凝土澆筑步序

方案B:在一環(huán)內(nèi)，開(kāi)始同時(shí)澆筑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ工作面中第1工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強(qiáng)度形成后再進(jìn)行第2工作段施工，如此依次施工到第5工作段澆筑完成;計(jì)算時(shí)考慮前一工作段所澆筑混凝土，以7 d強(qiáng)度參與作用(與方案A的工期保持大致相同)。

將兩種澆筑方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):方案A在施工過(guò)程中，鋼管應(yīng)力變化幅度較大，且鋼管應(yīng)力無(wú)明顯改善，最大鋼管壓應(yīng)力超過(guò)了300 MPa;方案B鋼管應(yīng)力在施工過(guò)程中變化比較平緩，下弦管最不利狀態(tài)下壓應(yīng)力比方案A明顯降低，最大壓應(yīng)力236 MPa。上弦管最不利狀態(tài)下壓應(yīng)力也降低到283 MPa?？梢?jiàn)，方案B能對(duì)上下弦管在最不利狀態(tài)和成拱后的受力狀態(tài)都有所改善，且施工過(guò)程中內(nèi)力變化平緩，比方案A更合理，故施工中采用方案B。

4 鋼管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)為保證拱肋安全穩(wěn)定，混凝土的澆筑方式采用分段對(duì)稱加載。在一環(huán)內(nèi)，開(kāi)始同時(shí)澆筑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ工作面中第1工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強(qiáng)度達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行第2工作段施工，往復(fù)循環(huán)，完成5個(gè)工作段澆筑?；炷翝仓r(shí)，預(yù)先在各區(qū)段制作1.5長(zhǎng)的混凝土溢流管，以保證拱頂段混凝土的密實(shí)。

2)每一區(qū)段的混凝土澆筑順序?yàn)橄认孪夜茉偕舷夜?，然后腹板。上弦管的混凝土澆筑時(shí)，必須待下弦管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)80%后方能進(jìn)行;澆筑腹板區(qū)混凝土必須待上弦桿的混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后再進(jìn)行。

3)嚴(yán)格按照C50配合比組織施工，要求混凝土和易性好，水灰比為0.42，粗骨料采用5～25 mm，坍落度按16 cm控制。

4)混凝土泵送必須連續(xù)作業(yè)，必須配置備用的輸送泵。

5)對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量采用超聲波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。為對(duì)管內(nèi)混凝土勻質(zhì)性及填充效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本橋委托蘭州交大建筑材料測(cè)試中心對(duì)管內(nèi)混凝土進(jìn)行了檢測(cè)，全橋布置48個(gè)測(cè)區(qū)。檢測(cè)結(jié)果證明:混凝土均質(zhì)性良好，無(wú)空管、空洞現(xiàn)象;混凝土填充度達(dá)到99.4%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1)鋼管混凝土的澆筑過(guò)程是對(duì)已有結(jié)構(gòu)的一個(gè)繼續(xù)施加荷載的過(guò)程，必須考慮鋼管混凝土初始應(yīng)力對(duì)后期澆筑混凝土、拱橋各施工階段和最終成橋后內(nèi)力和各結(jié)構(gòu)桿件受力的影響。

2)鋼管混凝土澆筑過(guò)程的應(yīng)力疊加原理，充分考慮到鋼管混凝土的成形過(guò)程對(duì)拱橋各施工階段內(nèi)力和各桿件受力的影響，可以為施工過(guò)程提供參考。

3)基于應(yīng)力疊加原理，配以數(shù)值模擬仿真技術(shù)，得到了該橋的鋼管混凝土合理澆筑方案，并在實(shí)踐中得到驗(yàn)證，可為類似鋼管混凝土拱肋的混凝土澆筑提供參考。

［1］劉志波．鋼管混凝土提籃拱橋鋼管拱肋施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2010(6):22-23．

［2］王劍．鋼管混凝土提籃拱橋施工階段有限元分析［J］．鐵道建筑，2010(7):50-52．

［3］項(xiàng)影明．鋼管混凝土系桿拱施工過(guò)程控制［J］．鐵道建筑，2010(10):17-19．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10203—2003 鐵路橋涵施工規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2002．

［5］韓林海．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．

U445．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．04

1003-1995(2013)09-0012-02

2013-03-15;

2013-05-20

李壽福(1974— )，男，甘肅靖邊人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)