大跨度鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)

李志暉

廣州市誠鐵監(jiān)理咨詢有限公司 廣東廣州 510000

摘要：混凝土鋼管拱橋技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，施工工序多，在大跨度混凝土鋼管拱橋施工過程中，吊桿的施工將直接影響到鋼管拱橋的成橋狀態(tài)和使用性能。因此，本文結(jié)合實(shí)例對大跨度連續(xù)鋼管拱橋吊桿的安裝施工技術(shù)進(jìn)行全面介紹，說明重點(diǎn)為吊桿安裝及吊桿索力監(jiān)測，實(shí)踐證明工程所采用的技術(shù)是成功的，可為今后類似工程施工提供了借鑒經(jīng)。

關(guān)鍵詞：混凝土拱橋；吊桿；索力；設(shè)計(jì)規(guī)范；技術(shù)

鋼管混凝土拱橋以其跨度大、結(jié)構(gòu)輕、造型美、省建材等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大跨度拱橋施工中，但這類結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工難度大、科技含量高，對施工安全性要求高。本文結(jié)合某大跨度連續(xù)鋼管拱橋吊桿安裝施工的實(shí)踐進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的介紹了施工方案和施工技術(shù)方法，包括總體施工方法、施工準(zhǔn)備、吊桿安裝、吊桿張拉、吊桿固定端及張拉端的防護(hù)處理、施工控制要點(diǎn)、索力監(jiān)測的必要性、索力監(jiān)測傳感器技術(shù)的選擇、吊桿索力監(jiān)測配置以及吊桿索力監(jiān)測實(shí)施的效果，實(shí)踐證明，該工程采用的大跨度連續(xù)鋼管拱橋吊桿張拉施工技術(shù)是成功的，施工始終處于受控狀態(tài)，最終拱橋成橋線形軸線完全滿足設(shè)計(jì)要求，得到了比較理想的效果，大大減少了張拉吊桿的工作量，對今后的類似施工具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某大橋梁拱組合橋連續(xù)梁跨度組成（73.9+148+128+148+73.9）m，其中三聯(lián)跨鋼管混凝土拱兩側(cè)次邊跨計(jì)算跨度148.0m，設(shè)計(jì)矢高29.6m，矢跨比1：5，拱軸線采用二次拋物線；中跨計(jì)算跨度128.0m，設(shè)計(jì)矢高25.6m，矢跨比1：5，拱軸線采用二次拋物線。全橋共有6榀鋼管混凝土拱，拱肋采用等高度啞鈴形截面，拱肋截面高度為3.0m，拱肋弦管采用φ1.0m×16mm鋼管，弦管之間用厚16mm的綴板連接，2榀拱肋橫向中心距14.0m；每榀拱肋設(shè)置17根吊桿，次邊跨的吊桿間距為7.4m，中跨的吊桿間距為6.4m，吊桿采用PES（DF）7→91型低應(yīng)力防腐拉索（平行鋼絲束），外套復(fù)合不銹鋼管，配套使用LZM7→91型冷鑄墩頭錨；吊桿采用單端張拉，上端置于拱肋內(nèi)部，下端銷于吊點(diǎn)橫梁，吊桿張拉端設(shè)在梁底。全橋采用先梁后拱施工方法，即：下部結(jié)構(gòu)施工→梁體混凝土澆筑→鋼管拱拱肋制作及安裝→鋼管混凝土澆筑→吊桿安裝及張拉→橋面系施工→吊桿索力調(diào)整。吊桿的張拉施工為其關(guān)鍵工序，如何確保吊桿索力滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求尤為重要，其不但影響到整橋的線形控制，也直接影響到施工工期及施工成本。

2 吊桿安裝及張拉

2.1 總體施工方法

吊桿根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測長度在工廠內(nèi)制作成成品索，利用橋位上的汽車吊安裝吊桿，上端冷鑄錨頭穿過上錨箱球型支座卡緊后，使用螺母鎖緊，下端穿過下錨箱索道管后，利用專用的張拉設(shè)備進(jìn)行對稱張拉，多次張拉后達(dá)到設(shè)計(jì)值。施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→吊桿安裝→安裝吊桿固定端的墊圈、螺母→安裝吊桿張拉端的墊圈、螺母→調(diào)試張拉設(shè)備、檢查→安裝張拉設(shè)備、電源及油路→吊桿分級張拉→吊桿對稱張拉到位、抒緊螺母→吊桿固定端、張拉端防護(hù)處理。

2.2 施工準(zhǔn)備

1）通過全站儀、鋼尺對吊桿長度進(jìn)行測量，確保測量長度和安裝現(xiàn)場實(shí)際長度保持一致。

2）對現(xiàn)場安裝吊桿的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行進(jìn)場檢查，設(shè)備及操作人員的相關(guān)證照必須齊全。

3）對進(jìn)場的吊桿進(jìn)行驗(yàn)收，確保吊桿外部PE護(hù)套無損壞，錨具絲扣無損傷，吊桿的加工長度與技術(shù)部門提供的長度一致，標(biāo)識標(biāo)記齊全無誤。

2.3 吊桿安裝

2.3.1 展索

本項(xiàng)目在橋面上進(jìn)行展索作業(yè)，將索架平放，利用汽車吊牽引以完成放索，為便于放索，將索架設(shè)計(jì)成圓盤結(jié)構(gòu)，由上下底盤構(gòu)成，之間設(shè)軸承和滾珠。

2.3.2吊桿連接結(jié)構(gòu)

吊桿提升牽引采用汽車吊，吊桿非張拉端銷具內(nèi)有細(xì)扣，拆除端部蓋后，汽車吊掛鉤、鋼絲繩與吊桿間用特制連接頭（專用補(bǔ)心卸扣）連接（圖1），索體外的保護(hù)材料不拆除，以保證吊桿在提升及穿索過程中不受到破壞。

2.3.3 吊桿安裝

此階段作業(yè)內(nèi)容涉及的區(qū)域廣，安全系數(shù)較大，作業(yè)時(shí)須掌握以下要點(diǎn)：

1）需根據(jù)張拉端錨杯質(zhì)量在其所處直徑的另一端加配相同質(zhì)量鐵塊以平衡力矩，使得索盤能勻速轉(zhuǎn)動。

2）在橋面上進(jìn)行展索及安裝過程中，可設(shè)置相應(yīng)的柔軟物件，防止對索體造成破壞。

3）吊桿安裝從上錨箱下穿至下錨箱，固定端就位后進(jìn)行緊固，張拉段錨具穿過下錨箱后進(jìn)行臨時(shí)固定，待張拉完成后進(jìn)行固結(jié)。

4）各作業(yè)點(diǎn)實(shí)施人員須統(tǒng)一步調(diào)，遇到緊急情況及時(shí)作出正確的反應(yīng)。

5）起重設(shè)備應(yīng)符合行業(yè)規(guī)范，應(yīng)具有充足的安全系數(shù)，防止墜物或傾覆。

圖1 特制連接頭示意

2.4 吊桿張拉

本橋吊桿張拉端在連續(xù)梁翼緣下橫梁處，為梁下張拉，張拉時(shí)從橋面處設(shè)置吊籃（固定于擋砟墻鋼筋上），人和張拉設(shè)備（張拉撐腳、穿心千斤頂?shù)龋┓旁诘趸@內(nèi)進(jìn)行張拉作業(yè)。

2.4.1 張拉順序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，吊桿張拉順序?yàn)橄却芜吙绾笾锌?，每跨張拉時(shí)按照吊桿編號順序進(jìn)行。

吊桿完成第1次張拉后，張拉系梁第2批縱向預(yù)應(yīng)力束，橋面二期荷載施工完成后，最后一次調(diào)整系桿內(nèi)力至設(shè)計(jì)要求值。由于結(jié)構(gòu)實(shí)際的剛度較理論計(jì)算大，且拉索承載力較大，在施加二期恒載時(shí)吊桿力增量一般小于理論值，故可適當(dāng)加大索力（本項(xiàng)目每根索加大30kN）。

2.4.2張拉施工

橋面荷載先通過梁體傳給吊桿，再傳遞給拱肋，最后傳到橋墩上。由于吊桿不同的施工加載順序會影響吊桿的受力均勻性，局部吊桿索力增大，彈性變形過大會造成梁體出現(xiàn)裂縫。故吊桿張拉時(shí)，采用4套張拉設(shè)備同時(shí)進(jìn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的張拉力進(jìn)行分段張拉，張拉時(shí)需監(jiān)控橋面、拱肋的變形情況，嚴(yán)格控制系桿的內(nèi)力和伸長量，應(yīng)力和伸長量的偏差不得超過規(guī)范設(shè)計(jì)要求，發(fā)生異常應(yīng)停止張拉；張拉設(shè)備在未張拉前空載活動2個(gè)行程，確保張拉過程中順利進(jìn)行；當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)、監(jiān)測要求后，穩(wěn)住油壓，旋緊錨圈，使錨圈與錨墊板充分結(jié)合，而后卸除油壓完成張拉作業(yè)。

2.5 吊桿固定端及張拉端的防護(hù)處理

按照設(shè)計(jì)要求，在固定端內(nèi)部充填防腐油漆，安裝固定端防護(hù)鋼板；安裝張拉端的減振器、密封裝置、防護(hù)罩，在防護(hù)罩內(nèi)充填防腐油脂。

2.6 施工控制要點(diǎn)

1）在吊桿的運(yùn)輸和安裝過程中，注意保護(hù)吊桿的PE外防護(hù)層。吊桿在搬運(yùn)和安裝過程中嚴(yán)禁在地面上拖動；桿在穿過預(yù)埋管時(shí)速度要慢，保證順利通過。

2）張拉時(shí)應(yīng)對稱張拉，必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行逐一張拉。

3）張拉要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行操作，張拉過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)停止施工，并及時(shí)報(bào)請現(xiàn)場監(jiān)理和設(shè)計(jì)，待査明原因后方可繼續(xù)施工。

4）張拉油泵設(shè)置在橋面上，油泵操作人員應(yīng)與混凝土底部張拉吊籃中的施工人員協(xié)調(diào)一致。

5）張拉操作必須平穩(wěn)、逐級、對稱進(jìn)行，并做好張拉記錄。

3 吊桿索力監(jiān)測

3.1 索力監(jiān)測的必要性

吊桿是鋼管混凝土拱橋中最重要的承載構(gòu)件，是橋梁的“生命線”，它的安全性、耐久性決定著橋梁主體的承載能力和結(jié)構(gòu)安全。

吊桿的受力狀態(tài)是橋梁安全與正常使用的重要指標(biāo)，監(jiān)測吊桿的索力對于及時(shí)反映它們的工作狀態(tài)和調(diào)整其結(jié)構(gòu)內(nèi)力是極為重要的。應(yīng)力松弛、主梁混凝土的收縮徐變、拱肋變形、氣候的變化等許多因素，都會對整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

在施工和成橋后的正常使用過程中，存在各種誤差和偶然因素的聯(lián)合作用，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形偏離正常狀態(tài)，需要掌握關(guān)鍵的索力信息進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，以保證橋梁安全。

因此及時(shí)監(jiān)測吊桿的受力狀態(tài)是橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。通過索力測量，可以作為橋梁施工監(jiān)控、成橋試驗(yàn)的重要依據(jù)，吊桿的荷載響應(yīng)情況和歷史變化趨勢曲線可作為分析吊桿是否處于正常運(yùn)營狀態(tài)及橋梁主體結(jié)構(gòu)是否安全的一個(gè)重要依據(jù)。

3.2 索力監(jiān)測傳感器技術(shù)的選擇

按照設(shè)計(jì)要求，需要在吊桿上安裝檢測裝置，通過技術(shù)對比，選擇了磁通量傳感器技術(shù)為吊桿索力進(jìn)行長期監(jiān)測，它能夠滿足吊桿索力長期監(jiān)測的技術(shù)要求，一是傳感器的長期精度；二是傳感器的使用壽命。磁通量傳感器與其他壓力傳感器技術(shù)相比，較好地解決了以下問題：通過非接觸式測量解決傳感器受力疲勞問題；用模擬標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)運(yùn)營過程中的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)；更換損壞的傳感器時(shí)，采用哈弗式設(shè)計(jì)直接在已受力的拉索上制作及安裝，在不影響橋梁運(yùn)營的前提下實(shí)現(xiàn)替代。

3.2.1 磁通量傳感器技術(shù)

圖2 磁通量傳感器結(jié)構(gòu)示意

圖3檢測系統(tǒng)組成示意

磁通量傳感器基于拉索的磁彈效應(yīng)工作，當(dāng)拉索受到荷載作用時(shí)，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，引起拉索內(nèi)部的磁場發(fā)生變化，故可通過測量拉索的磁導(dǎo)率變化來得到相應(yīng)的索力。

磁通量傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由初級線圈和次級線圈構(gòu)成，內(nèi)置溫度傳感器用于溫度補(bǔ)償。磁通量測試系統(tǒng)如圖3所示，主要由傳感器和磁彈儀組成，便攜式磁彈儀自身帶有操作平臺及LCD顯示器，能實(shí)現(xiàn)多通道測量，可直接操作讀數(shù)，也可通過儀器上的通信接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.2.2 磁通量傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

1）非接觸性測量，不損傷結(jié)構(gòu)；

2）傳感器維護(hù)方便、使用壽命長；

3）測量精度高、重復(fù)性好；

4）可實(shí)現(xiàn)自動溫度補(bǔ)償，可組建在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 吊桿索力監(jiān)測配置

根據(jù)本工程大跨度連續(xù)梁三聯(lián)跨鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮吊桿索力監(jiān)測實(shí)現(xiàn)方式在本工程實(shí)際中的適用性、可行性、經(jīng)濟(jì)性，最終實(shí)施以下索力監(jiān)測方案：

1）全橋102根吊桿全部安裝磁通量傳感器，索體規(guī)格為PES（DF）7→91，適配傳感器型號為CCT100，數(shù)量102臺。

2）每跨拱肋下設(shè)置1個(gè)數(shù)據(jù)采集站，集成該跨拱肋吊桿上的傳感器信號，跨全橋共設(shè)置3個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集站。

3）傳感器與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站用數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)線用線槽進(jìn)行布線及保護(hù)。傳感器安裝在吊桿的張拉端。

4）全橋配套磁彈儀1臺，用人工方式使用筆記本電腦逐個(gè)與數(shù)據(jù)采集站接駁進(jìn)行索力數(shù)據(jù)采集。

3.4 吊桿索力監(jiān)測實(shí)施的效果

在該大橋連續(xù)梁三聯(lián)跨鋼管混凝土拱橋施工中，通過磁通量傳感器進(jìn)行索力監(jiān)測，有效收集索力數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、驗(yàn)算，在連續(xù)梁梁面附屬設(shè)施施工后的索力調(diào)整實(shí)施時(shí)，一次張拉合格率為97%，索力偏差符合國家相關(guān)規(guī)范要求，有效縮短了吊桿施工工期，降低了施工中的機(jī)械設(shè)備租賃費(fèi)用。

4 結(jié)語

總之，對于整個(gè)橋梁來說，吊桿是非常重要的，它的安全性、耐久性決定著橋梁主體的承載能力和結(jié)構(gòu)安全，國內(nèi)外一些鋼管拱橋的垮塌事故大多與吊桿的施工質(zhì)量有關(guān)。因此，加強(qiáng)對大跨度連續(xù)鋼管吊桿的施工技術(shù)研究對提高整個(gè)工程的安全質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。上述施工技術(shù)通過工程實(shí)踐證明可行可靠，施工中始終處于受控狀態(tài)，經(jīng)過吊桿索力值檢測，驗(yàn)證了本橋施工取得了較為滿意的質(zhì)量效果，值得推薦。在工程實(shí)踐中，我們?nèi)砸⒁怃摴芑炷凉皹蚴┕た刂频挠绊懸蛩厝缡┕ふ`差、測量誤差、設(shè)計(jì)誤差等影響，認(rèn)真總結(jié)此類橋梁的施工經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)施工技術(shù)控制，以保障整個(gè)施工工程的質(zhì)量與效益。

參考文獻(xiàn)：

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本工程基坑內(nèi)設(shè)置有2道內(nèi)支撐，其中第2道內(nèi)支撐距基坑底高度為6.5m，在樁基礎(chǔ)施工時(shí)，需特別注意機(jī)械不得與其產(chǎn)生碰撞。故現(xiàn)場選用的所有沖孔樁機(jī)均根據(jù)現(xiàn)場施工需要進(jìn)行了改裝，改裝后高度不超過6.5m，滿足上述施工要求。

4.4 清孔

鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，應(yīng)采用清孔鉆頭進(jìn)行清孔。在清孔過程中，應(yīng)不斷置換泥漿，直至澆筑水下混凝土；灌注混凝土前，孔底500mm以內(nèi)的泥漿相對密度應(yīng)<1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28s。

撈渣清孔是沖孔樁常用的一種清孔方法，清孔過程應(yīng)邊撈渣邊向孔內(nèi)注水，并保持孔內(nèi)水頭高度1.5～2.0m，防止發(fā)生塌孔事故，并應(yīng)隨時(shí)觀測孔底沉渣厚度和觀測沖洗液含渣量，當(dāng)沖洗液含渣量<4%時(shí)，孔底沉渣符合規(guī)定即可停止清孔。

4.5 鋼筋籠吊裝

圖5 第2道內(nèi)支撐與樁基礎(chǔ)水平位置關(guān)系示意

本工程樁身鋼筋籠采用35t履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝，為保證鋼筋籠吊裝時(shí)受力均勻，減少變形，采用雙吊點(diǎn)吊裝，鋼筋籠在下放入孔過程中應(yīng)對準(zhǔn)孔位，保證垂直、輕緩放入樁孔中，然后用水準(zhǔn)儀測量護(hù)筒頂高程，確保鋼筋籠頂端滿足設(shè)計(jì)要求。

為保證鋼筋籠主筋的保護(hù)層厚度，在鋼筋籠周圈焊接Φ18鋼筋頭，每周圈至少焊10個(gè)鋼筋頭。

本工程樁樁長均超過6.5m，對應(yīng)鋼筋籠的長度也超過內(nèi)支撐下凈空高度，第2道內(nèi)支撐與樁基礎(chǔ)水平位置關(guān)系情況如圖5所示。

對于上述情況下的鋼筋籠，可分段進(jìn)行加工，每段長度不超過6m，并在鋼筋籠四周縱筋上設(shè)置吊環(huán)，吊環(huán)距該段鋼筋籠上端距離不超過500mm，在第1段鋼筋籠吊放至樁孔內(nèi)后，采用I14穿過吊環(huán)，將該段鋼筋籠固定住，再采用汽車式起重機(jī)/塔式起重機(jī)/電動葫蘆將第2段鋼筋籠吊至第1段鋼筋籠上方，并立即安排焊工對鋼筋籠進(jìn)行焊接，待冷卻并達(dá)到強(qiáng)度后再抽出固定用工字鋼，將第2段鋼筋籠吊放至樁孔內(nèi)。重復(fù)上述步驟直至鋼筋籠下方至設(shè)計(jì)深度。

4.6 水下混凝土澆灌

樁芯混凝土采用商品混凝土，并一次性連續(xù)澆筑完成。本工程施工場地有限，投入機(jī)械多，交叉作業(yè)工序多，平面管理緊湊，主要通過混凝土泵車直接澆灌水下混凝土。

通過現(xiàn)場平面合理布置，車輛行走路線的有效規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)將混凝土泵車直接駛進(jìn)樁孔施工現(xiàn)場澆灌樁。對于支撐梁區(qū)域及靠近基坑邊位置樁，則直接通過天泵輸送進(jìn)行混凝土澆灌。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著如今建筑工程多往高層及超高層發(fā)展，樁基的施工成為了建筑工程中最為關(guān)鍵的一部分。因此，我們必須要了解樁基施工的難點(diǎn)和關(guān)鍵，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，并采取有效技術(shù)做好施工，從而保障樁基工程的施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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