黃延青（甘肅華澳鐵路綜合工程有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 緒論

鋼管混凝土拱橋具有自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，比較好地解決了修建橋梁所需的用料省、安裝重量輕、施工簡(jiǎn)便與承重能力大的矛盾，是大跨徑拱橋比較理想的一種結(jié)構(gòu)形式。目前，鋼管混凝土拱橋在國(guó)內(nèi)修建很多，拱橋跨徑的增大，與施工技術(shù)的進(jìn)步、材料性能的提高分不開。大量鋼管混凝土拱橋的修建和現(xiàn)在鋼管混凝土拱橋的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)要求廣大橋梁工作者加快鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)、施工等方面的研究工作，為我國(guó)大跨徑鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)代化、科學(xué)化鋪平道路。其中最關(guān)鍵的是施工問題，加強(qiáng)對(duì)鋼管混凝土拱橋在施工過程中的研究不但可以獲取補(bǔ)充、完善設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法所需的數(shù)據(jù)，而且可以挖掘現(xiàn)有施工工藝的最大潛力，補(bǔ)充、完善鋼管混凝土拱橋的施工技術(shù)和控制技術(shù)，為大橋質(zhì)量檢驗(yàn)提供依據(jù)。本論文對(duì)拱肋安裝、混凝土灌注過程等關(guān)鍵工序進(jìn)行了理論分析和計(jì)算研究，并且介紹了施工工序和方法。

2 鋼管混凝土拱橋施工過程簡(jiǎn)介

2.1 空鋼管階段

拱肋鋼管采用Q345D 鋼材。鋼管的制作由武船重工承擔(dān)，在室內(nèi)分2m 一段卷制焊接，運(yùn)至施工場(chǎng)地焊接，在鋼管拱預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行試拼。對(duì)接無誤后再進(jìn)行噴鋁等防銹處理?？珍摴艿募芰⒉捎脻M堂支架安裝。先吊裝兩邊段拱肋就位，再吊裝中間段進(jìn)行合攏，每一孔吊裝完成后及時(shí)安裝纜風(fēng)，保持鋼管拱肋的穩(wěn)定。待標(biāo)高、線形調(diào)整合理后，澆筑拱腳處承臺(tái)混凝土封拱腳，再安裝橫撐固定拱肋。

2.2 澆筑鋼管混凝土階段

拱肋鋼管內(nèi)填充C50 微膨脹混凝土，嚴(yán)格控制混凝土的流動(dòng)性、配合比、塌落度、水灰比、入倉(cāng)溫度。80m 拱肋混凝土的灌注分三次進(jìn)行，先灌注下弦，再灌注上弦，最后灌注綴板。50m拱肋混凝土采用由兩端拱腳同時(shí)泵送，兩片拱肋同時(shí)進(jìn)行，以免發(fā)生較大的橫向位移。

拱腳預(yù)留壓漿孔，一次泵送完成，在拱肋上最高處預(yù)裝一個(gè)排氣（排漿）孔。混凝土泵送至排氣孔有均勻散落的骨料時(shí)為止。泵送混凝土的整個(gè)過程對(duì)拱肋進(jìn)行線形監(jiān)控。

2.3 安裝橫梁階段

橫梁為預(yù)制箱形預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。先澆筑立柱頂橫梁，再架設(shè)吊桿橫梁。先在拱肋上穿吊桿，用兩臺(tái)吊車把橫梁吊至預(yù)定高度，將吊桿穿過橫梁，調(diào)整橫梁高度、吊桿張拉力，直至滿足設(shè)計(jì)要求。橫梁吊桿的架設(shè)順序會(huì)影響到拱肋的變形，故橫梁吊桿的架設(shè)從邊吊桿開始，隔吊桿安裝下一個(gè)橫梁，吊裝完中吊桿處橫梁后再吊其他吊桿。

2.4 安裝橋面板等橋面系階段

橋面板采用分批、分型號(hào)安裝。橋面板縱橫接頭之間預(yù)留了后澆接縫，并將縱向接縫鋼筋與橫梁預(yù)埋筋、鋪裝層鋼筋焊接成整體。

2.5 成橋階段

待橋面板接縫澆筑完成后，現(xiàn)澆橋面混凝土并鋪筑瀝青，安裝護(hù)欄、照明燈等附屬設(shè)施。

3 鋼管混凝土灌注的研究

混凝土是鋼管混凝土材料的重要組成部分，空鋼管在架設(shè)完成以后，就要進(jìn)行混凝土的灌注工作。鋼管混凝土的灌注過程是主拱圈剛度逐漸形成的過程，澆注過程的施工安全、質(zhì)量和后期受力有很大的影響。

對(duì)于大跨徑橋梁，由于混凝土的數(shù)量較大，并且是逐漸凝固的；混凝土是作為荷載施加在空鋼管上；并且要分階段施工，混凝土也就分時(shí)間階段凝固；整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度是逐漸形成的，這對(duì)鋼管的受力分布有一定的影響。所以研究混凝土的灌注過程是很重要的。

泵送混凝土施工是利用混凝土輸送泵（簡(jiǎn)稱混凝土泵）和輸送管道把拌合均勻而未凝固的混凝土輸送到澆灌地點(diǎn)或直接澆灌混凝土的一種施工方法。它能一次連續(xù)地完成水平和垂直運(yùn)輸，尤其對(duì)于一些工地狹窄和有障礙物，用其它運(yùn)輸設(shè)備難以直接靠近的施工現(xiàn)場(chǎng)，混凝土泵更能有效地發(fā)揮作用，提高效率。此外，泵送混凝土施工還具有下列優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)械化程度高，能節(jié)省大量勞動(dòng)力和施工材料；②混凝土泵的輸送能力強(qiáng)、速度快，能加快施工進(jìn)度、縮短工期、提高工效；③可長(zhǎng)距離壓送；④保護(hù)施工環(huán)境等。目前泵送混凝土已成為許多土木、水利工程建設(shè)的重要施工方式。

3.1 鋼管混凝土的澆注工藝

鋼管混凝土拱橋的鋼管內(nèi)的混凝土應(yīng)優(yōu)先采用泵送頂升澆灌法，泵送頂升法采用混凝土輸送泵將混凝土從低處往高處頂升，當(dāng)加載程序是從拱腳往拱頂一次性澆注時(shí)，從兩端拱腳泵送。當(dāng)泵送頂升高度較高時(shí)，可以采用分級(jí)泵送。為潤(rùn)滑管壁，減少泵送過程混凝土和管壁之間的摩擦力，應(yīng)在泵送混凝土之前，先用壓力水沖洗鋼管內(nèi)壁，必要時(shí)再用水泥漿通過。隨著混凝土在管內(nèi)上升，管內(nèi)的空氣將不斷增大，為了減少空氣壓力，在鋼管上每隔一段應(yīng)開有排氣孔。泵送混凝土?xí)r兩邊泵送速度應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)，盡量對(duì)稱頂升，特別是接近拱頂時(shí)，要注意避免一邊上升過快，因?yàn)榻?jīng)計(jì)算和實(shí)測(cè)表明拱頂段的灌注對(duì)拱肋軸向偏位影響很大；同時(shí)為了避免混凝土一邊上升過快越過拱頂，在合攏段中間應(yīng)該加設(shè)擋板。

3.2 泵送混凝土輸送管內(nèi)的輸送壓力

混凝土壓送過程中，由于摩阻力存在，必然造成輸送壓力的損失，所以沿壓送方向輸送管內(nèi)各點(diǎn)的壓力是不同的?，F(xiàn)以半徑為r的直通管為例，取距輸送管的排出口為x 和x +dx 之間的微小段圓柱體，以壓送過程中作用于這微小段圓柱體上各種力的瞬間平衡狀態(tài)來分析混凝土壓送過程中的壓力損失和管內(nèi)輸送壓力。設(shè)輸送管內(nèi)x 處的壓力為p,x +dx 處的壓力為p +dp，則作用于dx圓柱體上的壓力為：

根據(jù)dx 圓柱體上的力平衡條件，與上述壓力相平衡的力有：管壁的摩阻力、混凝土的慣性力及重力。所以，沿壓送方向力平衡方程應(yīng)為：

整理后得單位輸送管長(zhǎng)上的壓力損失為：

式中：r－輸送管半徑；v－管內(nèi)混凝土速度；ρ－混凝土的密度；g－重力加速度；a－直通管與水平面的夾角；γ－混凝土的容重。

近似把混凝土看成不可壓縮的物質(zhì)，則在壓送過程的任意時(shí)間內(nèi)，管內(nèi)任意位置上混凝土的流動(dòng)速度相同。因此對(duì)上式積分就能得到距輸送管排出口x 處的管內(nèi)輸送壓力：

以上是混凝土在滿足可泵性要求，在管內(nèi)形成栓柱狀流動(dòng)的條件下，推導(dǎo)出的壓送過程中輸送管內(nèi)的壓力損失和管內(nèi)輸送壓力的理論計(jì)算公式。

3.3 逆流防止閥設(shè)計(jì)

鋼管拱混凝土壓注完后，為防止拆管時(shí)混凝土回流需在拱底設(shè)置逆流防止閥。借鑒其它鋼管拱橋的施工經(jīng)驗(yàn)，本橋設(shè)置了逆流防止閥。經(jīng)在施工中使用表明此裝置安全可靠、操作方便、截流后混凝土不流失。

3.4 施工設(shè)計(jì)優(yōu)化

橋拱肋混凝土分為人工澆筑段及壓注段，人工澆筑段就是在壓注段施工前首先采用人工澆注的方式澆注拱肋內(nèi)靠近拱腳的一小部分，若待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)再施工壓注段，考慮到先澆注的人工澆注段會(huì)在拱內(nèi)產(chǎn)生施工縫，對(duì)拱內(nèi)混凝土的受力不利，故在人工澆注段施工完成后立即進(jìn)行泵送，只需在回流柵附近割開一振搗孔，待人工澆注段混凝土澆注至振搗孔時(shí)用插入式振動(dòng)棒振搗后封焊好振搗孔即可繼續(xù)進(jìn)行壓注段施工，直至壓注到拱頂排氣孔排出新鮮混凝土為止。啞鈴型拱肋混凝土要先壓注上弦管混凝土，待上弦管混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%即可進(jìn)行下弦管混凝土壓注施工。壓注施工用兩臺(tái)HBT-60C泵機(jī)(設(shè)一臺(tái)備用泵機(jī))，分別位于拱肋的拱腳兩端。人工段振搗孔、排氣管及回流柵安設(shè)好后，即可連接壓注管道，管道連接好后要試機(jī)壓水，檢查泵機(jī)的工作狀態(tài)及管路的密封性后即可壓注。每臺(tái)泵機(jī)先打少許水泥砂漿用于濕潤(rùn)管路，然后進(jìn)行壓注混凝土。當(dāng)混凝土面達(dá)到人工段振搗孔時(shí)停止壓注，用插入式振動(dòng)棒振搗后封焊好振搗孔繼續(xù)壓注混凝土至拱頂，當(dāng)拱頂排氣孔排出新鮮混凝土后關(guān)閉回流柵壓注即結(jié)束。

4 吊桿(吊索)的施工與索力控制

4.1 吊索的安裝和張拉

吊索的安裝類似于斜拉橋的拉索安裝。當(dāng)鋼索采用徽頭錨具時(shí)，由于鋼索下料長(zhǎng)度精度要求較為嚴(yán)格，需要測(cè)量鋼索預(yù)留孔的實(shí)際孔距，計(jì)算出下料長(zhǎng)度，然后再下料、穿束、墩頭、掛索及初張拉。施工中，在橋面系未完成之前對(duì)吊索進(jìn)行初張拉的主要目的是：①減輕系梁支架負(fù)擔(dān)，避免支架設(shè)備過于龐大，且減少支架在負(fù)荷過程中結(jié)構(gòu)本身變形和基礎(chǔ)下沉等對(duì)主結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，在主拱結(jié)構(gòu)完成后，吊索初張拉，由拱圈先負(fù)擔(dān)一部分橋面系的荷載；②使拱圈承受吊索力有一個(gè)緩和且均勻的過程；③減少橋面板參與系梁的結(jié)構(gòu)作用，在橋面板參與結(jié)構(gòu)作用前，先行拆除系梁支架。

當(dāng)?shù)跛鞅坏踹\(yùn)就位后，要將其端部穿過主拱及系梁上的預(yù)留孔道，并在其端部錨具上旋入錨杯或通過張拉連桿與千斤頂連接。由于吊桿的無應(yīng)力長(zhǎng)度小于其理論長(zhǎng)度(即索內(nèi)有應(yīng)力時(shí)其兩端支承面間距離)，又由于索的自重影響，往往在其一端的錨杯旋上后，其另一端的錨具還留在孔道內(nèi)，甚至還未能進(jìn)入預(yù)留孔道，因此，必須用鏈子滑車將其拉緊，使得錨頭盡可能地穿過預(yù)留孔道，以便通過張拉連桿與千斤頂連接上。只要能達(dá)到這一目的，剩下的工作就是要重復(fù)張拉幾個(gè)行程(因?yàn)橐粋€(gè)行程往往不夠長(zhǎng))，逐步將錨頭拉到設(shè)計(jì)的錨固位置。

初張拉前，拱支架己拆除，裸拱的荷載壓力很大程度地偏離合理拱軸線，所以吊索初張拉值與張拉順序的確定，基本取決于裸拱各截面在結(jié)構(gòu)自重與索力作用下的相鄰索的影響，在張拉設(shè)備容許情況下，盡可能采用影響最大的相鄰幾根索同時(shí)張拉的方法。在張拉的同時(shí)應(yīng)注意如下各點(diǎn)：

1)張拉前應(yīng)將錨頭與錨杯配對(duì)并檢查其質(zhì)量；

2)穿索和張拉時(shí)應(yīng)注意保護(hù)鋼索免受損傷；

3)要有兩種以上測(cè)量張拉力的手段；

4)錨環(huán)旋緊程度要一致，以免各索受力不均；

5)張拉應(yīng)在上、下游兩拱肋對(duì)稱的情況下進(jìn)行，盡量減小不平衡張拉力。

4.2 索力的調(diào)整

對(duì)調(diào)索的最終結(jié)果而言，與調(diào)索的次序是無關(guān)的，即不論先調(diào)哪根索，待所有索都調(diào)整完畢，都將得到同樣的結(jié)果而滿足調(diào)索要求。然而，在實(shí)際調(diào)索過程中，需選定次序，不但要求在驗(yàn)算每調(diào)一索時(shí)，結(jié)構(gòu)能安全承受內(nèi)力變化，保證結(jié)構(gòu)安全，而且要盡量使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度變化幅度最小，這需要精心設(shè)計(jì)計(jì)算。一般來講，調(diào)索要均勻?qū)ΨQ，先正后負(fù)，且選定主拱上撓度最大值處的索號(hào)作為下一調(diào)索索號(hào)，才會(huì)得到最合理的調(diào)索次序。

調(diào)索希望能一次完成，即任何索號(hào)所需索力增加值全值一次張拉完畢，以免張拉千斤頂多次安裝，增加施工中的麻煩。若在計(jì)算過程中出現(xiàn)一次張拉某一索號(hào)的索力增加值全值時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)驗(yàn)算強(qiáng)度不夠，則只能改為先張拉部分值，等其它索號(hào)調(diào)整過后，再次張拉該索所余留部分值。這種情況一般不會(huì)出現(xiàn)，只是在調(diào)索次序選定欠佳的情況下才會(huì)出現(xiàn)。從工程經(jīng)驗(yàn)來看，調(diào)索增加值的數(shù)值并不是很大，一次張拉某索號(hào)的全值，其所增加的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會(huì)超過結(jié)構(gòu)二期恒載和活載所產(chǎn)生的內(nèi)力。

調(diào)索過程中還有撓度控制問題。施工中要控制結(jié)構(gòu)各部分標(biāo)高，特別是系梁與橋面標(biāo)高，標(biāo)高不符合設(shè)計(jì)要求將影響結(jié)構(gòu)安全、行車舒適和外形美觀。調(diào)索過程中結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，系梁標(biāo)高將上撓或下?lián)?，但這一調(diào)索變形并不一定能改善橋面標(biāo)高，有時(shí)甚至?xí)喾捶较蜃冃?。只有有意改變索力設(shè)計(jì)置定值，全索放松或收緊，才能起到調(diào)整橋面標(biāo)高的作用。但這種作法要嚴(yán)格限制，以保證結(jié)構(gòu)的安全使用。

索力調(diào)整過后，再次用索力測(cè)定儀量測(cè)所有各索的實(shí)際索力。實(shí)際索力與調(diào)索要求肯定還會(huì)有一定量的出入。若以這一實(shí)測(cè)索力為基礎(chǔ)，重復(fù)再次調(diào)索，調(diào)索后的索力仍不一定能完全一致。這種現(xiàn)象產(chǎn)生，不但因?yàn)閺埨姓`差，而且計(jì)算假定也并非十分準(zhǔn)確。再者多片拱之間的互相影響在按平面桿件計(jì)算中并未反映出來。但即使如此，每調(diào)索一輪回，可以肯定結(jié)構(gòu)是朝結(jié)構(gòu)內(nèi)力改善方面推進(jìn)，內(nèi)力狀態(tài)逐漸接近設(shè)計(jì)所期望的狀態(tài)。調(diào)索過后，要確定是否還有再次調(diào)索的必要性，這需要根據(jù)調(diào)索后實(shí)測(cè)索力對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面驗(yàn)算的結(jié)果而定。按實(shí)測(cè)索力驗(yàn)算結(jié)構(gòu)，說明結(jié)構(gòu)足夠安全且結(jié)構(gòu)撓度也符合要求，才能認(rèn)為調(diào)索完成。按實(shí)測(cè)索力來驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的具體方法，是以實(shí)測(cè)索力來取代結(jié)構(gòu)原有索單元。實(shí)測(cè)索力按索的方向施加在主拱和系梁上，連同結(jié)構(gòu)其它自重，疊加在一起計(jì)算出恒載內(nèi)力，將恒載內(nèi)力與活載或其它荷載內(nèi)力按規(guī)范要求進(jìn)行組合，對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件作強(qiáng)度驗(yàn)算或應(yīng)力驗(yàn)算，全部符合要求，才說明結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

鋼管混凝土拱橋是一種結(jié)構(gòu)輕巧、形式多樣、美學(xué)效果良好的橋梁結(jié)構(gòu)。本文在綜合分析國(guó)內(nèi)外最新研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼管混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。但是，鋼管混凝土拱橋在設(shè)計(jì)、計(jì)算理論以及施工和施工控制諸如控制理論、參數(shù)識(shí)別、溫度影響等方面，尚需要更深入的研究和完善。

[1]張建民.大跨徑鋼管混凝土拱橋承載能力與施工控制研究.華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2001

[2]邵懷.鋼管混凝土結(jié)構(gòu).中國(guó)建筑科學(xué)研究院,1992