龍煙鐵路跨威烏高速系桿拱施工關(guān)鍵技術(shù)

張萬國（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東濟(jì)南　250000）

?

龍煙鐵路跨威烏高速系桿拱施工關(guān)鍵技術(shù)

張萬國
（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東濟(jì)南250000）

摘要：以龍煙鐵路跨威烏高速聯(lián)絡(luò)線1-80m鋼管混凝土簡支系桿拱施工為例，分別論述了跨高速公路系梁門洞支架的安裝搭設(shè)，鋼管拱肋支架的布置，鋼管拱肋混凝土泵送壓注的技術(shù)性能指標(biāo)和設(shè)備要求，吊桿的安裝及張拉。并應(yīng)用有限元分析程序MIDAS/ CIVIL進(jìn)行監(jiān)控計(jì)算分析，通過實(shí)測結(jié)果可以看出主梁、拱肋線形和吊桿力控制較好，滿足設(shè)計(jì)對吊桿力的要求。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；系桿拱；拱肋；監(jiān)控；索力

1　工程概況

跨威烏高速聯(lián)絡(luò)線大橋，以80m系桿拱橋式跨越S608省道，主跨中心里程為GDK002+629.05，交角47°；主跨采用1-80m鋼管混凝土簡支系桿拱結(jié)構(gòu)（如圖1所示），先梁后拱式。計(jì)算跨徑80.0m，梁長83m，主梁采用箱形截面，拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，啞鈴形斷面。拱肋與主梁的剛度之比為1/9.2，屬于剛性系梁剛性拱。

圖1　橋梁布置圖

主梁采用等高度、單箱雙室箱形截面，梁長83m，梁高2.5m，在端部梁底局部加高至3.0m。箱梁底寬7.6m，在端部加寬至8.3m；箱梁頂寬10.3m。梁體頂板厚30cm，底板厚30cm；中腹板厚30cm，至梁端加厚至50cm；邊腹板厚35cm，至端部附近加厚至120cm。梁端設(shè)置厚350cm的橫梁，相應(yīng)吊桿位置設(shè)置橫隔墻。

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑80.0m，矢高16m，矢跨比1/5。每片拱肋由2根上、下鋼管（φ800×16mm）和兩塊厚16mm鋼板（外邊距56cm）焊接成啞鈴形斷面。上下兩鋼管中心距1.5m，拱肋截面全高2.3m，中心距6.9m。為增強(qiáng)拱肋平面外穩(wěn)定性，拱肋間設(shè)置三道橫撐，其中邊橫撐為X撐，中間橫撐為一字撐。橫、斜撐均為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，橫撐鋼管直徑800mm，壁厚16mm；斜撐鋼管直徑600mm，壁厚16mm。

全橋共設(shè)14對吊桿，除拱腳至第一根吊桿間距為7.5m外，其余吊桿中心間距均為5.0m，吊桿采用PESFD7-61新型低應(yīng)力防腐成品索體，冷鑄錨(LZM7-61)錨固，張拉端設(shè)于拱肋頂部。系梁采用支架法現(xiàn)澆，支架由螺旋鋼管、工字鋼等組合而成，用螺旋管搭設(shè)臨時(shí)支墩，縱向用工字鋼作為承重梁，系梁澆筑完成后，張拉系梁第一批鋼絞線。然后在系梁頂面搭設(shè)拱肋支架，用50t汽車吊進(jìn)行拱肋安裝；拱肋混凝土壓注采用4臺(tái)砼地泵和2臺(tái)汽車泵，自拱腳向拱頂次一壓注成型；拱肋混凝土壓注完成后用50t汽車吊安裝吊桿，并按照設(shè)計(jì)要求張拉吊桿，在吊桿張拉完成后，張拉系梁剩余部分鋼絞線，最后一次落架成橋。

2　系梁支架安裝

系梁支架共設(shè)置4跨門架結(jié)構(gòu)，門架采用螺旋鋼管支墩和Ⅰ40a工字鋼組合形式，在中央分隔帶、公路兩側(cè)緊急停車帶、中間車道分別設(shè)置條形基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)上設(shè)螺旋鋼管，做為支架的承重結(jié)構(gòu)。S608省道每側(cè)搭設(shè)凈寬4.5m、凈高5.0m的雙門洞，預(yù)留雙向四車道保證車輛臨時(shí)通行。

2.1支架基礎(chǔ)施工

支墩采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)，施工前在瀝青路面鋪設(shè)油氈，避免對路面造成污染。中央綠化帶處基礎(chǔ)尺寸為31m×2m×1m，兩側(cè)路肩處基礎(chǔ)尺寸為33m×2m×1m，行車道位置基礎(chǔ)尺寸為31m×1m×1m?；A(chǔ)內(nèi)部安放鋼筋骨架，橫向布置間距為200mm，縱向布置間距為300mm、350mm。在基礎(chǔ)頂面螺旋管位置預(yù)埋鋼板及鋼筋。

在2m寬度的基礎(chǔ)上設(shè)置雙排螺旋鋼管立柱，寬度1m的基礎(chǔ)上設(shè)置單排螺旋鋼管立柱，螺旋鋼管立柱采用單根架立固定，立柱和預(yù)埋鋼板焊接后加焊三角肋筋，肋筋采用10mm鋼板，邊長160× 80mm，每個(gè)立柱焊8塊。立柱架立完成后，采用[14槽鋼將立柱進(jìn)行連接加固。

在每排螺旋鋼管立柱上焊接布置2根Ⅰ40a工字鋼作為橫向分配梁。為了便于底模、側(cè)模及工字鋼等的拆除，在鋼管立柱頂部和工字鋼橫向分配梁之間安裝可調(diào)高度的砂箱，砂箱組裝高度280mm，采用鋼管制作，在砂箱內(nèi)裝上砂子，放置鋼管砼圓柱。為了加強(qiáng)支架的整體穩(wěn)定性。砂箱底和鋼管頂鋼板之間用螺栓連接，每邊設(shè)2個(gè)M20×50六角頭螺栓，四周輔助焊接加固；落模時(shí)，松掉靠近鋼管底部的螺栓掏出砂子，使工字鋼下落，拆除梁模。

3　鋼管拱肋施工

3.1臨時(shí)支架

在系梁混凝土橋面上采用Φ400mm×10mm鋼管為立柱搭設(shè)臨時(shí)支架，搭設(shè)總體原則為：在拱肋節(jié)段接口處搭設(shè)框架式臨時(shí)支架，平面尺寸為2000mm×3000mm，立柱鋼管間采用∠100mm× 10mm，支架下端封板焊接于橋面板預(yù)埋件上，支架橫向及縱向均用∠250mm×10mm作為橫聯(lián)連接形成整體大框架以保證支架的整體穩(wěn)定，支架上端設(shè)置橫梁，橫梁上部放置調(diào)節(jié)裝置，作為標(biāo)高調(diào)整系統(tǒng)。

3.2鋼管拱肋混凝土泵送壓注

3.2.1泵送混凝土技術(shù)性能指標(biāo)

鋼管混凝土拱肋為拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)混凝土與鋼管是共同受力的結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C55，屬于高強(qiáng)混凝土，因此泵送混凝土的技術(shù)性能要求使其具有高強(qiáng)、緩凝、早強(qiáng)及良好的可泵性、自密實(shí)性和收縮的補(bǔ)償性能。

3.2.2主要機(jī)具設(shè)備布置

根據(jù)圖6和表1可得出，金屬托盤作用下，錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力基本呈線性關(guān)系，線性擬合度R21達(dá)到0.996，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化系數(shù)平均為0.25。加木墊板后，預(yù)緊力矩與預(yù)緊力線性擬合度R22為0.969，相比金屬托盤線性關(guān)系較差，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化系數(shù)平均為0.19，錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的系數(shù)平均降低23.21%，在預(yù)緊力矩為400 N·m(井下施工常用預(yù)緊轉(zhuǎn)矩)時(shí)，木墊板比金屬托盤預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)降低了28.64%。綜上所述，加木墊板后錨桿轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化系數(shù)明顯低于金屬托盤，在同樣的施工機(jī)具預(yù)緊轉(zhuǎn)矩下，井下施工時(shí)的初始預(yù)緊力較低。

考慮到橋墩附近原地面至鋼管拱頂約45m，混凝土壓注采用2臺(tái)汽車泵配合4臺(tái)地泵進(jìn)行施工，在兩拱腳附近系梁頂面設(shè)置4臺(tái)混凝土輸送泵，在系梁兩端橋墩附近各配備1臺(tái)汽車泵，根據(jù)每側(cè)鋼管每次灌注混凝土方量約40～50m3，混凝土罐車配備16臺(tái)，4臺(tái)混凝土輸送泵至待灌鋼管拱腳混凝土入口間需配置4路混凝土泵送管道，每條管路在入倉口附近各設(shè)置一個(gè)截止閥，以便于在處理管路堵塞時(shí)防止混凝土回流，并根據(jù)施工需要配齊各種型號(hào)的彎管接頭。每次壓注混凝土前，將四條管路一次鋪設(shè)完畢，并與混凝土輸送泵和入口泵管分別試拼接，以減少中間接管時(shí)間。所有泵管進(jìn)行水密性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題提前處理。

3.2.3混凝土泵送壓注施工

首先泵送上鋼管砼，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%且不少于5d后，泵送下鋼管砼，強(qiáng)度達(dá)到100%且不少于5d后，對稱均勻灌注拱肋腹板內(nèi)砼。

為增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，保證混凝土的壓注質(zhì)量，在拱肋頂面附近開設(shè)φ125mm的孔，以利于排氣，由φ125mm排氣管排出含有石子的新鮮混凝土?xí)r，插入φ50振動(dòng)棒進(jìn)行振搗。

4　吊桿安裝及張拉

在系梁及拱肋施工時(shí)注意預(yù)埋吊桿預(yù)留孔、錨頭鋼筋計(jì)螺旋鋼筋預(yù)埋件等。吊桿實(shí)際下料時(shí)，應(yīng)在拱肋混凝土灌注完成后，精確測量上錨墊板頂面標(biāo)高，并由監(jiān)控單位根據(jù)施工過程中實(shí)測拱肋變位情況，修正有關(guān)計(jì)算參數(shù)，計(jì)入拱肋在橋面系恒載作用下豎向變位推算值影響后，確定實(shí)際下料長度。同時(shí)上錨頭預(yù)留長度調(diào)整差±50mm。交由專業(yè)廠家下料并及時(shí)安裝吊桿與錨具。

安裝吊桿錨固端采用汽車吊。吊桿的安裝次序應(yīng)從兩端拱腳開始對稱依次安裝至拱頂。在拱肋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，采用千斤頂在拱肋頂單端張拉，按設(shè)計(jì)圖紙順序張拉至初始應(yīng)力后錨固。

吊桿安裝張拉完成后，張拉系梁第二批縱向剩余預(yù)應(yīng)力索。拆除系梁支墩，進(jìn)行橋面設(shè)備二期恒載等施工，橋面設(shè)備安裝完成后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對吊桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行張拉調(diào)整，調(diào)整時(shí)必須按設(shè)計(jì)順序?qū)ΨQ進(jìn)行，保證梁拱體系在施工過程中的受力平衡及成橋時(shí)吊桿應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。

5　施工控制仿真分析

鋼管混凝土系桿拱橋的施工工序復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系和荷載隨施工過程不斷變化，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要針對各個(gè)施工階段分別建立分析模型。本文應(yīng)用有限元分析程序MIDAS/CIVIL進(jìn)行分析計(jì)算，因?yàn)楸緲蛏喜拷Y(jié)構(gòu)外部為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為超靜定結(jié)構(gòu)，有限元分析時(shí)，只考慮上部結(jié)構(gòu)。主橋箱梁、拱肋均采用梁單元模擬，主梁端部采用變截面梁單元模擬。吊桿采用只受拉索單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)110個(gè)，梁單元55個(gè)，只受拉索單元14個(gè)。有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　全橋計(jì)算模型

6　拱肋系梁豎向位移監(jiān)測

按照實(shí)際的施工過程、施工階段和加載齡期，通過有限元理論進(jìn)行準(zhǔn)確模擬計(jì)算，拱肋支架拆除后拱肋最大豎向變形為11.4mm，吊桿張拉后拱肋最大豎向變形為21.8mm，系梁落架后，拱肋最大豎向變形為28.5mm，系梁的豎向位移為18.5mm。通過對拱肋和系梁上的10個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行變形觀測，其測量結(jié)果與有限元理論計(jì)算值相一致，表明現(xiàn)階段拱肋結(jié)構(gòu)處于理想的彈性變形階段，拱肋結(jié)構(gòu)的彈性模量、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)是安全的。

7　系梁卸架后吊桿索力測試

系桿、拱肋和吊桿組成系桿拱的立面構(gòu)造，系桿和拱肋是主要承重構(gòu)造，而吊桿則是兩者之間的傳力構(gòu)件，橋面荷載要通過吊桿傳遞給拱肋。因此吊桿是系桿拱橋主要的構(gòu)件之一，吊桿能否正常工作，將會(huì)影響到整個(gè)橋梁的正常運(yùn)營。目前，在工程實(shí)踐中，對己施工完畢的吊桿進(jìn)行索力復(fù)測時(shí)，頻率法幾乎是唯一選擇，

系梁卸架后，對每根吊桿進(jìn)行了索力測定，左側(cè)索力測試結(jié)果見表1：

索力測試后根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的目標(biāo)索力進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程中考慮了墩頭錨錨具的回縮（錨具回縮值取1mm），調(diào)索方案如下：按相對誤差大小順序進(jìn)行調(diào)整，即9#左—3#右—11#右，調(diào)完后進(jìn)行索力測試，各個(gè)吊桿實(shí)測值與目標(biāo)值吻合較好，實(shí)測值與目標(biāo)值的誤差均在合理誤差以內(nèi)，從整體和局部來講都是理想的，滿足設(shè)計(jì)對吊桿力的要求。

表1　左側(cè)吊桿索力目標(biāo)值與實(shí)測值的對比

8　結(jié)論

從整個(gè)施工過程對受控變量（結(jié)構(gòu)線形和吊桿力）的實(shí)測結(jié)果可以看出，主梁、拱肋線形和吊桿力控制較好，該橋線形控制方面取得了較好的成果，鋼管拱肋實(shí)現(xiàn)了精確合龍，成橋后系梁和拱肋位移均在誤差允許范圍內(nèi)，拱軸線線形基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)，滿足控制目標(biāo)要求。經(jīng)過吊桿施工過程的全程監(jiān)控和成橋后索力的調(diào)整，全橋吊桿力控制均勻，各個(gè)吊桿實(shí)測值與目標(biāo)值吻合較好，滿足設(shè)計(jì)對吊桿力的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(第三版)[Z].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]吳海軍，陳思甜等.斜拉橋張力測試方法研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2001,20(4):23-25.

[3]霍明剛，嚴(yán)娟，李若銘等.下承式鋼管混凝土系桿拱橋吊桿張拉力確定分析.城市建設(shè)理論研究[J].2014，4(9)：638-640.

[4]段波，曾德榮，盧江.關(guān)于斜拉橋索力測定的分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24(4)：7-12.

[5]賀修澤，付曉寧.斜拉索的索力測試[J].中外公路，2002，22(6)：38-39.

[6]趙洋，李樹山，李曉克.系桿拱橋吊桿索力測試研究[J].工程抗震與加固改造，2011，33(4)：56-60.

中圖分類號(hào)：U448