山區(qū)高速公路特大橋工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

齊學(xué)明

（河北路通監(jiān)理咨詢有限公司， 河北 邯鄲 056000）

0 引言

某山區(qū)高速公路橋梁的長(zhǎng)度和寬度分別為585.56m、28.5m，由5 孔無(wú)風(fēng)撐、鋼管混凝土系桿拱構(gòu)成主橋部分，其中鋼管混凝土系桿拱是雙承載面下承式。根據(jù)拱本身的特性，其矢跨比為1∶5，拱肋的高度、寬度、厚度依次是72m、1.8m、16mm，呈現(xiàn)為圓端形扁鋼管結(jié)構(gòu)。工程中采用Q345D 鋼管，并使用微膨脹混凝土鋼管填充。

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1.1 抗震性能優(yōu)越，承載力高

相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)越的承載力，且在抗震性與延展性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)[1]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠最大限度發(fā)揮混凝土與鋼材的共同優(yōu)勢(shì)，一方面鋼管可以對(duì)內(nèi)部混凝土產(chǎn)生一定的約束，混凝土處于三向受壓狀態(tài)其抗壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，同時(shí)混凝土受到的壓力破壞由原來(lái)的脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞，在一定程度上提升了構(gòu)件的延展性。盡管混凝土在抗壓強(qiáng)度方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但其抗彎性能較差，通過(guò)在鋼管內(nèi)部灌注混凝土的方式能夠明顯提升鋼管的剛度，防止鋼管在承壓過(guò)程中發(fā)生屈曲的現(xiàn)象。鋼管混凝土柱的實(shí)際承載力明顯強(qiáng)于混凝土柱或鋼管柱的任一承載力。經(jīng)過(guò)鋼管柱與混凝土的相結(jié)合，可以更大限度地發(fā)揮二者的性能優(yōu)勢(shì)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有更良好的抗震性、延展性以及承載能力[2]。

1.2 施工操作簡(jiǎn)單方便，經(jīng)濟(jì)效益尚佳

在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，由于鋼管具有一定的耐側(cè)壓性，因此在混凝土澆筑時(shí)可以節(jié)省支模、拆模等繁瑣工序，簡(jiǎn)化了施工流程，同時(shí)可以充分結(jié)合泵灌混凝土工藝進(jìn)行施工。除此之外，鋼管材料可在一定程度上發(fā)揮橫向箍筋和縱向箍筋的作用，因此施工人員在制作鋼管時(shí)會(huì)比制作鋼筋骨架更簡(jiǎn)便、更節(jié)省時(shí)間，更有利于混凝土的澆筑作業(yè)，也保證了施工單位在規(guī)定工期內(nèi)順利完成施工作業(yè)[3]。根據(jù)有關(guān)部門(mén)的工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，相比于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠幫助施工企業(yè)節(jié)省近一半的鋼材，大大降低了企業(yè)的投資成本。圖1 為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

2 施工技術(shù)

2.1 施工準(zhǔn)備

施工方案的選取，共有兩個(gè)方案：

方案一：使用連續(xù)性拋落無(wú)振搗澆注混凝土技術(shù)對(duì)拱頂進(jìn)行連續(xù)性拋落混凝土施工。但使用該技術(shù)時(shí)應(yīng)打開(kāi)天窗，對(duì)于低于4m 的拱頂混凝土利用插入型振搗器充分振搗。該技術(shù)的缺點(diǎn)是在保證混凝土的密實(shí)度方面存在一定的難度。

方案二：在距離拱軸線1.5～2m 外的兩側(cè)拱腳處，各開(kāi)1 個(gè)壓注孔并呈對(duì)稱分布，借助混凝土輸送泵的壓力將混凝土從泵管逐漸壓入鋼管拱內(nèi)，該技術(shù)能夠保證混凝土灌注的密實(shí)度，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)輸送泵的壓力及其性能有著更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。因此本工程選擇方案一實(shí)施施工。

觀測(cè)測(cè)量。觀測(cè)測(cè)量主要是嚴(yán)格觀察、測(cè)量橋梁的拱軸線、控制點(diǎn)標(biāo)高等重要指標(biāo)。在檢測(cè)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)拱軸線與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在誤差，則應(yīng)及時(shí)采取措施適當(dāng)調(diào)整，使拱軸線滿足設(shè)計(jì)要求；若控制點(diǎn)標(biāo)高與設(shè)計(jì)值存在誤差，則在壓注混凝土施工環(huán)節(jié)適當(dāng)調(diào)整高程，直到標(biāo)高與設(shè)計(jì)值相符。

設(shè)備選取和管控。該環(huán)節(jié)主要是對(duì)混凝土運(yùn)輸車輛、混凝土輸送泵等設(shè)備的選取、采購(gòu)與管理。對(duì)于山區(qū)高速公路的大型橋梁建設(shè)，在泵送頂升環(huán)節(jié)需要較大的泵送壓力，因此應(yīng)合理選擇滿足施工需求的混凝土輸送泵；泵車與混凝土運(yùn)輸車輛應(yīng)相匹配，同時(shí)制定設(shè)備的備用方案用于有效處理緊急情況。

2.2 安裝工藝

鋼管拱安裝。首先在工廠內(nèi)部對(duì)基本管節(jié)進(jìn)行加工，加工結(jié)束后嚴(yán)格依照安裝單元節(jié)展開(kāi)預(yù)拼裝。預(yù)拼臺(tái)座的設(shè)置尤為重要，必須依照相關(guān)圖紙施工放樣。然后對(duì)預(yù)拼裝進(jìn)行檢測(cè)，只有檢測(cè)合格后才能將其分段輸送到施工現(xiàn)場(chǎng)。吊裝時(shí)，順序依次為兩端、中間拱肋、拱頂段。

拱腳段安裝。要格外注意拱腳段鋼管的安裝時(shí)間，務(wù)必保證在拱座混凝土灌注之前完成。吊裝之前的準(zhǔn)備工作要完備，如安裝框架支座、放好十字線、焊接擋板、調(diào)節(jié)標(biāo)高等。準(zhǔn)備工作就緒后再對(duì)拱腳段進(jìn)行吊裝。為了確保拱腳的穩(wěn)定性，在其四周焊接支撐，此舉能夠有效防止拱腳出現(xiàn)位移的情況。

節(jié)段安裝。分節(jié)段正式安裝之前，在臨時(shí)支承上方搭建好平臺(tái)，平臺(tái)與拱肋的距離在1m 左右，為了有效控制空中工作量，有必要在分節(jié)段的兩側(cè)配置倒鏈，這樣才能使分節(jié)段到達(dá)安置方位后與已安裝段平穩(wěn)對(duì)口，從而平穩(wěn)緩慢下落，在臨近預(yù)定位置時(shí)充分發(fā)揮倒鏈的作用，將其精準(zhǔn)置于預(yù)定位置。在整個(gè)安裝工序中，及時(shí)全面地追蹤必不可少，務(wù)必確保安裝方位的精確性。

拱肋合龍。拱肋合龍不能大意，合龍前測(cè)量溫度，測(cè)量時(shí)間不低于48h，而且要保持測(cè)量的連續(xù)性。依照測(cè)量結(jié)果確定合龍時(shí)間。一般情況下，合龍的溫度最低為10℃，最高則為20℃。測(cè)量合龍口的距離，最終確定合龍的長(zhǎng)度。同時(shí)派遣專人觀測(cè)溫度情況，溫度一旦到達(dá)合龍范圍立即展開(kāi)作業(yè)，合龍口固定、點(diǎn)焊等工作隨即展開(kāi)。每一個(gè)合龍口派遣2 名電焊工人進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)不能間斷，必須持續(xù)進(jìn)行。最后核對(duì)中線、標(biāo)高等具體情況。

2.3 施工工藝

2.3.1 選取二級(jí)壓注、一次成型的方式

充分利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，更加科學(xué)合理地分析研究加勁肋布置、扁形鋼管等，并進(jìn)行定量計(jì)算。根據(jù)“二級(jí)壓注、一次成型”的思路，避免在混凝土由拱腳壓至拱頂?shù)倪^(guò)程中將鋼管壓彎，因此除了預(yù)留的泵管接頭以外，還應(yīng)在1/2 拱高位置的兩側(cè)設(shè)置泵管接頭。另外，在拱吊桿兩側(cè)設(shè)置2 根直徑為20cm、高度為1.5m 的排氣增壓鋼管。

2.3.2 觀測(cè)施工中的鋼管拱

通過(guò)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)混凝土的壓注全過(guò)程，得到完整的監(jiān)測(cè)信息。當(dāng)混凝土壓注到設(shè)計(jì)控制點(diǎn)時(shí)，均應(yīng)嚴(yán)格檢查其拱軸線、標(biāo)高并記錄數(shù)據(jù)，從而繪制出相應(yīng)的變化曲線，也為泵送混凝土環(huán)節(jié)判斷鋼管拱提供依據(jù)。

2.3.3 壓注頂升的施工程序

在灌注混凝土前應(yīng)嚴(yán)格檢查泵管與輸送泵的各種接頭，確保各接頭均設(shè)置橡皮圈。然后打開(kāi)止回閘閥，為了最大限度降低泵送混凝土?xí)r存在的摩擦力，使用與混凝土相同標(biāo)號(hào)、規(guī)格的潤(rùn)滑砂漿，同時(shí)確保砂漿能夠順利排出鋼管拱外?；炷恋墓嘧⑦^(guò)程應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，檢查泵送拱內(nèi)的混凝土質(zhì)量、狀態(tài)等，使兩臺(tái)輸送泵的灌注速度保持一致，若兩臺(tái)泵的運(yùn)行速度出現(xiàn)差異時(shí)，及時(shí)調(diào)節(jié)防止出現(xiàn)不對(duì)稱灌注的情況。本工程中，判斷壓注位置時(shí)通常采用鐵錘敲擊鋼管拱的方式，當(dāng)處于“清脆聲”“沉悶聲”的交界處時(shí)則確定壓注的位置，這一方法也可以作為判斷是否同步對(duì)稱澆筑。當(dāng)兩側(cè)壓注速度存在差異時(shí)，應(yīng)立即聯(lián)系相關(guān)人員調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行速度，防止不對(duì)稱澆筑[4]。

完成第一級(jí)混凝土灌注后需要進(jìn)行第二級(jí)混凝土的壓注作業(yè)。施工過(guò)程嚴(yán)格控制灌注速度，將同步對(duì)稱泵送的作業(yè)方式改為兩泵交替輸送的方式，有效提高鋼管拱中的混凝土的密實(shí)程度。當(dāng)輸送孔有漿液冒出后還應(yīng)繼續(xù)壓注1～2m3的混凝土，然后關(guān)閉止回閘閥。閘閥關(guān)閉后及時(shí)清洗泵車、泵管等，避免混凝土發(fā)生倒流的現(xiàn)象。圖2 為鋼管混凝土施工。

圖2 鋼管混凝土施工

3 施工注意事項(xiàng)

優(yōu)化混凝土的配合比。施工過(guò)程中，控制混凝土的坍落度在18～20cm范圍內(nèi)，根據(jù)壓注速度計(jì)算出混凝土初凝的時(shí)間。為了進(jìn)一步增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力，防止混凝土灌注后出現(xiàn)縫隙等不良情況，可以預(yù)先設(shè)定微應(yīng)力。在設(shè)計(jì)配合比時(shí)，為確保配合比的合理性，應(yīng)重點(diǎn)考慮混凝土的微膨脹率，從而防止工程結(jié)構(gòu)會(huì)受到鋼管內(nèi)混凝土的膨脹影響而降低其自身的安全性能，否則極易發(fā)生泵送困難、混凝土與鋼管間存在空隙等情況，嚴(yán)重影響了鋼管混凝土的整體質(zhì)量[5]。因此，進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)膨脹率的控制。

要求混凝土兩側(cè)對(duì)稱且同步進(jìn)行壓注。應(yīng)嚴(yán)格觀測(cè)壓注全過(guò)程，確保對(duì)稱且同步施工。但是在調(diào)節(jié)控制點(diǎn)時(shí)采用非對(duì)稱作業(yè)，在混凝土較高的一側(cè)觀測(cè)拱橋的變形情況，當(dāng)變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求狀態(tài)后改為同步對(duì)稱澆筑。

二級(jí)壓注、一次成型的設(shè)計(jì)要求。本工程的澆筑施工采用的是“二級(jí)壓注、一次成型”的方案，考慮到第一級(jí)混凝土與第二級(jí)混凝土之間存在連續(xù)性，因此在第一級(jí)混凝土沒(méi)有完全初凝前，盡快完成第二級(jí)混凝土的澆筑作業(yè)，這就對(duì)兩級(jí)混凝土壓注時(shí)的泵管拼接速度提出了更高的要求，保障澆筑作業(yè)的順利、高效進(jìn)行。

鋼管混凝土的保溫對(duì)策。由于混凝土的微膨脹性會(huì)導(dǎo)致混凝土與鋼管間存在空隙，這也在一定程度上降低了鋼管混凝土的性能，降低了拱的承載力。產(chǎn)生空隙的主要原因是鋼管混凝土的保溫措施有所欠缺，為解決這一問(wèn)題可以采取在鋼管拱外繞麻袋包的方式增強(qiáng)其溫度，減少內(nèi)外溫差，避免空隙的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼管與混凝土材料兩者的性能優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件其承載力更高且自重更小，施工工藝更為簡(jiǎn)便，因此在山區(qū)高速公路的大型橋梁項(xiàng)目中得到了較好的推廣應(yīng)用。通過(guò)本文的研究分析，希望為同類工程的施工提供可參考的經(jīng)驗(yàn)。