高原地區(qū)大跨徑系桿拱橋施工技術(shù)

宋剛 陶忠 李睿 楊森

摘 要：木高大橋是云南省備案的第一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋，地處香格里拉市上江鄉(xiāng)，該地區(qū)海拔2000米左右，地址條件復(fù)雜、日夜溫差大、交通不便，這種特殊的地理位置和氣候可能會(huì)對(duì)拱橋施工造成諸多問題，因此圍繞高原山區(qū)系桿拱橋的施工難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)展開闡述。首先介紹主梁的施工方案和流程，包括墩柱、支架、系桿、橫梁和拱腳，然后介紹鋼管拱施工，包括吊裝、拱肋灌注、吊桿張拉。同時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)控，在各個(gè)關(guān)鍵部位安置傳感器，監(jiān)測(cè)拱腳、拱肋、系桿的應(yīng)力應(yīng)變溫度，保證施工的安全進(jìn)行和指導(dǎo)下一步施工，提供一套可行的高原山區(qū)系桿拱橋的關(guān)鍵點(diǎn)施工方案。

關(guān)鍵詞：高原山區(qū);大跨度拱橋;拱圈;系桿拱橋;施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU758.11? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0140-03

鋼管混凝土拱橋因其受力性能良好、施工方便、造型美觀、經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)在工程中擁有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)施工方法得到了很大的改善和發(fā)展[1， 2]。但針對(duì)這種組合結(jié)構(gòu)還有很多問題亟待解決，溫度效應(yīng)便是其中之一。鋼材和混凝土這兩種材料熱工性能差異顯著，尤其是高原地域，太陽輻射強(qiáng)和氣溫變化顯著，對(duì)施工過程中混凝土的徐變、拱肋的合龍、混凝土的澆筑都有很大的影響[1， 3， 4]。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

木高大橋?yàn)椤?1.3”金沙江白格堰塞湖災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，采用剛性系桿剛性拱，計(jì)算跨徑L=120米，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5，矢高24米，兩側(cè)引橋采用現(xiàn)澆實(shí)心板結(jié)構(gòu)，全橋全長(zhǎng)168.2米，如圖1所示。

1.2地形地貌

上江鄉(xiāng)地勢(shì)東北高、西南低，農(nóng)田和居民區(qū)呈沿江分布，屬河谷地區(qū)。境內(nèi)最高點(diǎn)海拔4248.6米;最低點(diǎn)海拔1865米。洼地則較平緩，沿線植被次發(fā)育，緩坡地帶多為耕地，地貌屬典型的構(gòu)造侵蝕——溶蝕低山河谷地貌，其間夾侵蝕堆積河流地貌。

1.3不良?xì)夂蛴绊?/p>

高原地區(qū)海拔高，日照強(qiáng)烈，晝夜溫差大，最高最低氣溫變幅大，干濕季節(jié)分明，這種特殊的氣候地理位置和氣候特征，可能會(huì)對(duì)鋼管混凝土系桿拱橋的施工帶來以下問題：

（1）晝夜溫差大容易造成橋墩承臺(tái)等表面出現(xiàn)溫度裂縫，降低承載力[5]。

（2）冬季承臺(tái)分層澆筑施工，越冬面的長(zhǎng)間歇期易產(chǎn)生水平施工縫[6]。

（3）拱肋需要五階段拼裝，拼裝過程中會(huì)受到溫度應(yīng)力的影響，如果沒控制好合龍溫度和高度，會(huì)影響拱肋線性以及橋梁的整體受力。

（4）系桿張拉會(huì)受到影響溫度應(yīng)力的影響。

2高原山區(qū)系桿拱橋施工難點(diǎn)

2.1橋址所在地周圍環(huán)境惡劣，施工條件差

場(chǎng)地周邊基巖出露，巖體破碎，下暴雨有落石滑坡的危險(xiǎn)。高原山區(qū)地理位置偏僻，道路狹窄，導(dǎo)致人員、材料、機(jī)械設(shè)備等運(yùn)輸難度偏大。

2.2 晝夜溫差大

高原山區(qū)空氣濕度呈季節(jié)性變化，施工安排難度大。一天之內(nèi)溫差最大能達(dá)到30攝氏度，對(duì)混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)有很大影響。

2.3資料匱乏

該橋?qū)儆谠颇鲜浒傅牡谝蛔摴芑炷料禇U拱橋，能收集的相關(guān)資料很少，因此施工難度偏大。

3主梁施工方案及流程

3.1墩柱承臺(tái)施工方案

由于橋址所在地雨季旱季水位變幅較大，雨季時(shí)水位上漲，橋墩基礎(chǔ)承載力減弱，如果此時(shí)正處在橋體上部結(jié)構(gòu)澆筑混凝土，則橋墩沉降量會(huì)加大，橋體穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此合理的施工時(shí)間規(guī)劃是重要的。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣骱偷乩砦恢?，該橋?jì)劃于9月份開始施工下部結(jié)構(gòu)，橋墩和承臺(tái)于11月份左右澆筑?？紤]到當(dāng)?shù)?1月份已進(jìn)入冬季，最低氣溫降至零下，晝夜溫差大，再加上混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度變化，在混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土的開裂，降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、防水性、承載性和耐久性。

因此，合適的澆筑溫度和表面保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施能夠有效控制混凝土的內(nèi)外溫差，防止表面裂縫和外界氣溫驟減引起的危害結(jié)構(gòu)安全的裂縫[7]。

3.2支架預(yù)壓

為了檢查支架的承載力，減少和清除支架的非彈性變形及地基的沉降量。在鋪設(shè)完箱梁底模方木后，對(duì)全橋支架、模板進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載按1.2的安全系數(shù)考慮。預(yù)壓采用砂袋，用吊車吊裝逐級(jí)加載，預(yù)壓重量按計(jì)算荷載的50%-80%-120%分三次逐級(jí)加載。

3.3系桿縱梁施工

系桿采用先拱后梁法施工，會(huì)產(chǎn)生水平推力，因此在系桿受力以前設(shè)置臨時(shí)系桿抵抗水平推力。

3.4拱腳施工

拱腳屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，要做好專項(xiàng)方案?？紤]工期與實(shí)際情況，采用混凝土一次性澆筑成型，由于本橋?qū)儆诖罂缍葮蛄?，?duì)拱角的精度要求很高，拱角的小偏差將影響拱肋的順利合龍，所以拱角位置的精確性需要嚴(yán)格保證，可以使用預(yù)埋套管精確定位技術(shù)[8]。采用先拱后梁法施工，拱腳的水平推力和傾覆力比較復(fù)雜，需要增加拱腳與墩柱的臨時(shí)固結(jié)措施，拱腳和承臺(tái)先用鋼筋連接，以抵消施工過程中的傾覆力，上部結(jié)構(gòu)施工完成后，解除鋼筋連接[9]。

4鋼管拱施工

4.1鋼管拱施工流程

鋼管拱加工制造評(píng)審驗(yàn)收——現(xiàn)場(chǎng)安裝46米高吊裝系統(tǒng)——鋼管拱肋汽車運(yùn)輸——現(xiàn)場(chǎng)拼接成段——分階段吊裝鋼管拱肋——拱肋合龍——壓住混凝土——調(diào)整拼接支架——吊桿安裝并張拉[10]。

4.2鋼管拱階段劃分及加工

根據(jù)進(jìn)場(chǎng)道路及拱肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主拱肋（單側(cè)）共分為9個(gè)節(jié)段（L1-L9），分為5個(gè)吊裝段，節(jié)段1、2為一個(gè)吊裝段，節(jié)段3、4為一個(gè)吊裝段，節(jié)段5為一個(gè)吊裝段，節(jié)段6、7為一個(gè)吊裝段，節(jié)段8、9為一個(gè)吊裝段，吊裝段間鋼管對(duì)接采取法蘭盤、螺栓錨固如圖2所示。

4.3纜索吊裝系統(tǒng)施工

4.3.1索塔布置

兩岸索塔均采用加強(qiáng)型貝雷桁架組裝，分為塔柱、橫向聯(lián)系、塔頂及塔頂分配梁四部份組成。索塔設(shè)兩個(gè)塔柱，每根塔均高48m，橫橋向?qū)挾葹?1.46m，縱橋向長(zhǎng)度也為2.68m，塔頂節(jié)高度為0.9m，兩塔柱之間的凈距為3m。

4.3.2地錨布置

本吊裝系統(tǒng)的地錨系統(tǒng)分為四類，一是兩岸索塔后的主地錨，主要錨固主索及工作索的承重索，主牽引索，主起吊索，扣索以及索塔的背向風(fēng)纜索;二是兩索塔兩側(cè)的風(fēng)纜索地錨;三是拱肋風(fēng)纜索地錨;四是索塔的前風(fēng)纜索地錨。

4.4拱肋施工方案

4.4.1拱肋吊裝工藝

本橋拱肋吊裝系統(tǒng)主要有一副移動(dòng)式主纜索吊（吊重30噸），兩幅工作纜索吊（吊重5噸）組成。

首先，布置好纜索吊系統(tǒng)，開始吊裝準(zhǔn)備。試吊，檢測(cè)錨定、索塔變?yōu)橹魉鞔苟取桨惭b拱肋階段，起吊、落位、安裝接頭、掛扣索——安裝節(jié)段風(fēng)纜——松吊交扣，進(jìn)行扣索張拉——安裝臨時(shí)橫撐及結(jié)構(gòu)橫撐，就位后對(duì)接頭施焊——完成所有節(jié)段吊裝——安裝合龍段，調(diào)整軸線、高程，進(jìn)行拱肋合龍——安裝跨中橫撐，切除接頭多余部分，兩岸對(duì)松扣，見圖4、圖5。

4.4.2 拱肋砼施工方案

根據(jù)對(duì)稱與均衡加載原則，以拱頂為對(duì)稱中線組織鋼管混凝土的灌注施工。為保證拱肋混凝土的密實(shí)性，采用在拱肋兩端泵送澆筑鋼管拱肋混凝土的泵送頂升壓注澆筑方法，灌注時(shí)由輸送泵將混凝土連續(xù)不斷地自下而上壓入鋼管拱內(nèi)，且不需振搗，直至管頂冒出混凝土使管內(nèi)混凝土密實(shí)為止。

單片拱肋泵送砼量238.65m3，單片拱肋混凝土灌注計(jì)劃10小時(shí)完成，全橋拱肋鋼管混凝土灌注計(jì)劃5天完成。鋼管混凝土在達(dá)到80%強(qiáng)度之前，需間隔2～3小時(shí)對(duì)鋼管表面進(jìn)行澆水降溫。

4.4.3拱肋軸線偏位和標(biāo)高測(cè)量

利用全站儀和拱肋軸線上緣貼反光膜進(jìn)行拱肋軸線偏位和標(biāo)高監(jiān)控測(cè)量。每根鋼管在灌注混凝土前、灌注至混凝土量1/2時(shí)、完成時(shí)、完成24個(gè)小時(shí)時(shí)，共4個(gè)工況進(jìn)行測(cè)量，并做好記錄。

4.5吊桿安裝及張拉

吊桿張拉是平衡拱肋推力的有效方法，是施工中的關(guān)鍵工序，系桿張拉力誤差將直接影響主拱的受力性能[11]。因此要待鋼管拱內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)的90%以上時(shí)，開始張拉系桿，要注意引起張拉力誤差的原因一方面由張拉千斤頂?shù)挠蛪罕碜x數(shù)誤差引起，另一方面由各種張拉力損失引起，包括：①摩阻力;②錨具損失;③溫度損失;④鋼絲松弛。系桿張拉過程中的張拉力耦合現(xiàn)象也要引起注意。

5注意事項(xiàng)

施工期間與當(dāng)?shù)貧夂虿块T保持溝通，及時(shí)獲取最近的天氣溫度變化情況，選擇合適的溫度施工。

（1）由于溫度效應(yīng)對(duì)拱肋節(jié)段安裝參數(shù)有一定的影響，因此須在不同季節(jié)的氣候條件下，測(cè)量溫度變化引起的拱肋節(jié)段安裝參數(shù)的變化。在施工監(jiān)控中，對(duì)主梁標(biāo)高、主梁位置及拱肋線形等的測(cè)量均屬于控制性測(cè)量，該項(xiàng)工作宜在早晨氣溫恒定時(shí)完成。

（2）系桿縱梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線必須按照嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求分批進(jìn)行張拉，還要選擇在氣溫恒定時(shí)。

（3）成橋狀態(tài)的測(cè)量必須自夜間進(jìn)行，以保證測(cè)量時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6結(jié)語

金沙江木高大橋目前還在建設(shè)中，工期一年多，要經(jīng)歷寒冬季節(jié)和酷熱夏季的考驗(yàn)，晝夜溫差達(dá)到30攝氏度，不僅要保證施工安全，還要考慮高原特殊氣候?qū)炷梁弯摻Y(jié)構(gòu)的影響。本工程施工設(shè)計(jì)已考慮溫度的影響，正在一步一步解決溫差大對(duì)施工的影響，盡量減少誤差，同時(shí)對(duì)今后類似的工程提供借鑒意義。

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