鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工工藝多維度分析

羅 陽,李 明,廖萬輝,許紅勝

(1.長沙理工大學,湖南 長沙 410114;2.貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550008)

0 引 言

我國勁性骨架混凝土拱橋的發(fā)展歷經了4個階段[1-2],隨著近年來對勁性骨架混凝土拱橋的不斷研究,我國逐漸成為了勁性骨架拱橋建造大國。目前世界上跨徑超過400 m的鋼筋混凝土拱橋均為鋼管混凝土勁性骨架拱橋[3],勁性骨架逐步發(fā)展為完全由鋼管混凝土組成,由此發(fā)展而成的鋼管混凝土勁性骨架拱橋相較于半剛性骨架、型鋼勁性骨架,用鋼量少且剛度大[4-7],我國近年來部分鋼管混凝土勁性骨架拱橋如表1所示。

表1 我國近年來部分鋼管混凝土勁性骨架拱橋

目前,我國大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土所采用的施工方法主要有支架現澆法、連續(xù)澆筑法和多工作面均衡澆筑法[8-10]。其中支架現澆法的不足在于施工時搭設全橋拱架的模板問題,且工期較長,在山區(qū)橋梁建設中有很大的局限性。連續(xù)澆筑法由于澆筑過程中勁性骨架受力和拱圈混凝土受力安全性控制問題,僅適用于小跨徑勁性骨架橋梁。目前大跨徑勁性骨架橋梁一般采用多工作面均衡澆筑法[11-13],此種方法的施工工序復雜,周期較長,高空作業(yè)風險大,且廢水廢渣的掉落問題導致環(huán)境質量難以保證。針對漁塘特大橋設計施工過程中所遇到的問題,基于預制裝配化的思路,采用勁性骨架節(jié)段與混凝土底板同步預制吊裝的方法,通過平行同步作業(yè),縮短了工期,混凝土底板提供了安全作業(yè)的平臺,同時解決了混合水下落污染環(huán)境的問題,符合工程實際要求。

1 依托工程概況

漁塘特大橋是一座橫跨正安縣“母親河”芙蓉江的鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋,漁塘特大橋采用凈-200上承式鋼筋混凝土勁性骨架箱拱,拱上為雙方柱式排架,腹孔為19.3 m,兩岸各有1跨30 m裝配式預應力混凝土T梁引孔,橋梁全長284.3 m,橋面全寬12 m。

2 新工藝實踐及改進思路

2.1 研究目的

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的全面實施,貴州及周邊省份山區(qū)大跨度橋梁的修建規(guī)模不斷擴大,相應的山區(qū)大跨度橋梁建設過程中的一些共性難點問題,正日益引起建設者們的共同關注。

鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈施工過程難度較大,主拱圈結構體系、受力狀況、線形均不斷改變。為確保拱圈各項控制指標均處于設計范圍內,對主拱圈的模擬分析具有重要意義。拱圈外包混凝土澆筑過程是主拱圈施工中最重要的環(huán)節(jié),第一環(huán)外包混凝土澆筑過程是其中操作難度最大、風險性最高、耗時較長的一道工序。同時在鋼管勁性骨架混凝土拱橋施工過程中,會出現混凝土節(jié)段澆筑時滲出混合水及混合料下落導致水污染的問題?？紤]以上情況,提出一種新節(jié)段吊裝施工方法,即帶混凝土底板同步預制吊裝的施工新工藝。

2.2 新工藝施工方案

漁塘特大橋采用的新工藝為帶混凝土底板同步預制吊裝施工,標準施工工藝流程如下。

流程一:在橋頭路基位置設置勁性骨架管節(jié)及桿件堆放場地,搭設鋼管勁性骨架拼裝場地及拼裝胎架。根據主拱圈弧度,在節(jié)段拼裝場預先拼裝三個節(jié)段。

流程二:將已拼裝節(jié)段利用龍門吊轉運至底板混凝土施工胎架,進行底板鋼筋及混凝土施工。底板施工胎架根據主拱圈弧度適時進行調整。同時,節(jié)段拼裝場按照“2+1”的組拼方式,開始進行下一節(jié)段鋼管勁性骨架組拼。

流程三:底板混凝土強度達到設計強度的 90%后,利用炮車將帶底板節(jié)段轉運至纜索吊裝系統(tǒng)吊裝區(qū)域。

流程四:利用纜索吊裝系統(tǒng)將節(jié)段吊運至待安裝區(qū)域,通過吊裝控制系統(tǒng)集成中心控制調整節(jié)段空中姿態(tài),進行對位安裝。并根據監(jiān)控指令調整節(jié)段標高至線形控制目標值,連接節(jié)段間高強螺栓,完成節(jié)段對接。

流程五:安裝扣索及背索,并進行張拉。同步調整扣、背索張拉力及松放纜索吊點,將節(jié)段吊重由纜索吊裝系統(tǒng)轉移至斜拉扣掛系統(tǒng)。待纜索吊點完全松弛后,再次微調扣、背索張拉力,使節(jié)段安裝線形、標高等參數與監(jiān)控目標值一致。鎖定扣、背索,解除纜索吊點,完成節(jié)段安裝。

流程六:在每節(jié)段安裝完成后,根據監(jiān)控指令要求,適時進行節(jié)段間外包混凝土底板濕接縫澆筑。

流程七:重復上述施工流程一至六,直至主拱圈節(jié)段全部安裝完成。

流程八:完成主拱圈合龍段鋼管勁性骨架安裝,灌注勁性骨架管內自密實混凝土,并澆筑合龍段底板濕接縫,完成主拱圈鋼管勁性骨架及外部混凝土底板施工,拆除斜拉扣掛系統(tǒng)。

流程九:進行頂、腹板節(jié)段施工。

2.3 新舊施工工藝安全及環(huán)境分析

從施工安全性考慮,傳統(tǒng)勁性骨架法的不足之處具體表現在空中澆筑拱圈混凝土工序繁多,工期較長,且高空作業(yè)困難,施工人員在空中作業(yè)時間長,人員風險大,安全問題不容易保證[14-15]。新工藝采用帶混凝土底板的鋼管勁性骨架節(jié)段預制吊裝施工,給施工人員在高空中提供了安全作業(yè)的平臺,有利于腹板與頂板的施工。且由于事先預制了底板,縮短了施工人員在高空作業(yè)的時長,施工人員的安全性得到了進一步的保證。漁塘特大橋所采用的主拱圈施工方法,施工工期為285 d,相比于傳統(tǒng)施工方法,節(jié)省了大概1/4的工期。施工安全風險源對比分析如表2所示。

表2 施工安全風險源影響因素分析

從環(huán)境友好性考慮,漁塘特大橋上跨沙阡水電站水庫,此水庫作為正安縣城飲用取水地,水質等級需要進行嚴格的把控,不允許施工廢渣廢料掉入水庫,但采用以往的施工工藝,環(huán)境問題很難得到保證。為解決這一實際問題,新工藝采用帶混凝土底板的鋼管勁性骨架節(jié)段預制吊裝施工,將拱圈混凝土底板與勁性鋼管混凝土骨架節(jié)段一同預制吊裝,從而形成空中連續(xù)拱圈底板防護,有效解決了拱圈其他部分混凝土澆筑過程中混合水和混合料下落導致的環(huán)境污染問題。

根據漁塘特大橋建設過程中存在的風險特性,對機械設備、作業(yè)環(huán)境、安全管理及高空作業(yè)時長等施工安全風險源影響因素指標進行評價分析。從表2可以看出,新工藝在各項指標上都有著較大優(yōu)勢,能將安全風險系數降到最低,解決了以下問題。

(1)解決目前勁性骨架鋼管混凝土拱橋拱圈施工中,拱圈外包鋼筋混凝土施工支架搭設難度大、人員作業(yè)安全風險高、施工工效低等問題。

(2)解決目前勁性骨架鋼管混凝土拱橋拱圈施工中,高空混凝土現澆作業(yè)產生的混合水和混合料下落對環(huán)境造成的嚴重污染問題。

(3)發(fā)展和完善我國原創(chuàng)山區(qū)大跨度鋼管勁性骨架外包混凝土拱橋架設新工藝,形成標準化的成套施工技術。

2.4 新工藝改進思路

對傳統(tǒng)勁性骨架法的不足之處進行了改進,漁塘特大橋采用帶混凝土底板鋼管勁性骨架節(jié)段預制吊裝施工工藝。如在實際施工過程中,會遇到綁扎橫隔板與腹板鋼筋困難、高空中作業(yè)時間長等問題,且由于在空中節(jié)段施工時側模封閉困難,導致工作效率較低。因此,針對漁塘特大橋在現場實際施工過程中所遇到的一些施工難點,給出了一種改進思路:在主拱圈預制吊裝的節(jié)段上提前澆筑好橫隔板,這樣既省去了空中鋼筋綁扎橫隔板的步驟,又能較好地解決空中側模封閉困難的問題,工人在空中施工時間短,施工安全性得到了保障,同時提高了整體預制裝配化率和工作效率。

3 直接經濟效益分析

傳統(tǒng)勁性骨架混凝土拱橋施工,采用纜索吊裝系統(tǒng)先進行主拱圈勁性骨架施工,勁性骨架合龍后分環(huán)進行主拱圈混凝土澆筑。其施工時間較長,產生的施工輔助設施較多,同時在高空且縱坡較大的拱圈位置施工極為困難,造成成本增加。漁塘特大橋針對以往所采用的傳統(tǒng)施工工藝的不足之處,提出在地面預制底板與勁性骨架節(jié)段同步吊裝的施工方法,同步采用纜索吊裝系統(tǒng)進行主拱圈對稱拼接,達到了縮短工期和保證施工安全的目的,降低了施工企業(yè)的現場管理間接費投入,提高了設備的利用率,在經濟效益與施工管理等方面都有明顯的助益。運用上述思想,提出了一種帶混凝土底板和橫隔板的施工方法,此施工方法相比于帶混凝土底板同步預制吊裝施工,不僅一定程度上縮短了施工工期,在保證施工安全的同時也節(jié)約了投入成本,可以在高質量高品質完成大橋施工的同時取得良好的經濟效益。不同工法的工期對比分析如表3所示。

表3 不同工法的工期對比分析

(1)雖然前兩種方法施工工藝不同,但所用設備投入基本一致,只是纜索吊裝設計吊重略有不同,故采用同樣的設備配置及單價進行設備、管理間接費用統(tǒng)計比較。相較于前兩種施工方法,第三種施工方法在第二種方法的基礎上帶有橫隔板,纜索吊裝設計吊重進一步增加,故纜索吊裝系統(tǒng)的費用將提高。在該項目中,采用帶混凝土底板同步預制吊裝施工替代設計推薦采用的先勁性骨架成拱合龍后進行外包混凝土的施工工法,縮短施工工期約3個月(98 d),每月能節(jié)約施工設備投入、間接費等施工成本47萬元(如表4所示),共計節(jié)約成本141萬元。采用帶混凝土底板橫隔板同步預制吊裝施工,縮短施工工期約4個月(120 d),共計節(jié)約成本171.2萬元(由于纜索設計吊重增加,吊裝系統(tǒng)費用為16.2萬元/月)。

表4 施工設備、管理間接費用的月投入統(tǒng)計

(2)相較于傳統(tǒng)施工工藝,采用后兩種施工方法指導現場施工,可大大提高功效,有效節(jié)約設備的投入成本,管理成本也得到壓縮,合理降低了生產過程中的設備、人力等資源的消耗。

4 結 論

以漁塘特大橋為依托,針對傳統(tǒng)鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工方法中存在的問題,通過對新舊施工工藝經濟性、安全性以及環(huán)境友好性等三方面多維度的對比分析,得出如下結論。

(1)從經濟性的角度來看,采用帶混凝土底板同步預制吊裝施工工藝較傳統(tǒng)施工工藝可節(jié)省成本約占總成本的30%,縮短工期約為總工期的25%。

(2)從安全性的角度來看,帶混凝土底板同步預制吊裝施工工藝給高空作業(yè)人員提供了安全的作業(yè)施工平臺,空中作業(yè)時間明顯縮短,相較于傳統(tǒng)施工工藝而言有了更可靠的防護措施,整體施工安全得到保障。

(3)從環(huán)境友好性的角度來看,帶混凝土底板同步預制吊裝施工工藝將拱圈混凝土底板與勁性鋼管混凝土骨架節(jié)段一同預制吊裝,在空中形成連續(xù)防護的拱圈底板,有效解決了拱圈環(huán)段施工中混凝土澆筑混合水和混合料下落對庫區(qū)水質污染的問題。