李壽福

(中鐵二十一局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

128 m系桿拱橋鋼管混凝土澆筑施工技術(shù)

李壽福

(中鐵二十一局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

介紹了128 m系桿拱鋼管混凝土澆筑施工方案，通過應(yīng)力疊加原理計(jì)算比選制定混凝土澆筑順序，以滿足橋梁施工過程及成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形要求。同時，闡述了混凝土澆筑質(zhì)量的控制要點(diǎn)。

128 m系桿拱 拱管內(nèi)混凝土 澆筑

1 工程概況

包西鐵路跨黃延高速大橋中心里程DK513+890，全長319.78 m，孔跨形式為1孔32 m簡支T梁+1孔128 m鋼管混凝土系桿拱+2孔32 m簡支T梁+3孔24 m簡支T梁。因受橋址地形和凈空限制，其中跨黃延高速公路一孔為128 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及鋼管混凝土系桿拱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為剛性系梁剛性拱，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橫截面為單箱三室截面。主橋設(shè)兩道拱肋，拱肋采用外徑φ130 cm，壁厚26 mm的鋼管混凝土啞鈴形截面，上下弦管中心距2.2 m，拱肋截面高3.5 m。吊桿的張拉端位于拱肋上端。

主跨橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:m)

2 總體施工方案

該橋采用先梁后拱的施工方法，主梁采用滿堂支架或墩梁膺架法現(xiàn)澆施工。梁體施工完成后，架設(shè)拱肋支架。拱肋采用預(yù)制吊裝在支架上進(jìn)行組拼拱肋構(gòu)件并焊接施工，待兩片拱肋合龍后，吊裝焊接各橫撐、K撐。每片拱肋分9段在工廠里加工，每段長13.5 m左右(不含預(yù)埋段)，吊裝重約200 kN。安裝時要求兩道拱肋同時進(jìn)行，對稱拼裝。每段拱肋拼裝完成后，及時安裝相應(yīng)橫撐及K撐(橫撐及K撐安裝應(yīng)以跨中為軸對稱順次進(jìn)行)。拱肋拼裝完成后在鋼管拱內(nèi)灌筑混凝土。

3 鋼管混凝土拱管內(nèi)混凝土澆筑施工方案

鋼管內(nèi)混凝土的灌筑一般采用泵送頂升壓筑法施工，即利用泵送壓力使混凝土達(dá)到密實(shí)的目的。對于跨度不大的鋼管混凝土拱肋，由于鋼管的直徑小，均可采用兩拱腳對稱一次頂升泵送到位，不需要分段。但對于大跨度鋼管混凝土拱肋，由于鋼管長度及直徑均較大，一次泵送混凝土用量大，因而受輸送泵壓力及拱肋應(yīng)力、變形的限制，需要分段泵筑，以控制拱肋的應(yīng)力、變形及保證施工的安全性;在分段位置處設(shè)置橫隔板，并在每段拱肋頂部設(shè)置排漿孔。分段的數(shù)量視施工能力及鋼管拱肋的設(shè)計(jì)荷載而定。分段太少，一次須灌筑的混凝土數(shù)量較大;分段太多，則灌筑的次數(shù)多、每次工程量小而耗費(fèi)大量時間及人力資源，同時由于施工周期過長且拱肋多次受力而對成拱的受力不利。

鋼管混凝土拱的混凝土澆筑方案對拱橋施工階段和最終成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和各結(jié)構(gòu)桿件的受力性能都會產(chǎn)生重要的影響，澆筑過程是否對施工階段和成橋結(jié)構(gòu)有利，是鋼管混凝土澆筑方案的技術(shù)難點(diǎn)，本橋鋼管混凝土拱肋是在搭設(shè)支架的基礎(chǔ)上吊裝鋼管并焊接，再澆筑鋼管內(nèi)混凝土，澆筑鋼管內(nèi)混凝土實(shí)際是對鋼管和其他結(jié)構(gòu)桿件的一個荷載和應(yīng)力施加過程。須對鋼管進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

強(qiáng)度驗(yàn)算有兩種不同的方法，應(yīng)力疊加法和內(nèi)力疊加法，這兩種方法計(jì)算的結(jié)果相差甚大。應(yīng)力疊加法是考慮鋼管混凝土澆筑在形成過程中各個階段的截面特性及荷載情況而分別計(jì)算其應(yīng)力，然后在截面的相應(yīng)纖維處疊加起來。內(nèi)力疊加法則不考慮應(yīng)力的累積過程，而是按驗(yàn)算階段的所有荷載和當(dāng)前的截面特性，直接計(jì)算當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)。

在施工過程中，雖然混凝土澆筑后管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度在不斷地增長，但在它到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度以前，所分擔(dān)的荷載有限，荷載主要由鋼管承受，鋼管與混凝土的應(yīng)力之比一般在10以上，施工過程中往往以鋼管的應(yīng)力為控制因素。所以，在施工階段采用應(yīng)力疊加法，以容許應(yīng)力驗(yàn)算有其相對合理性。

本項(xiàng)目對混凝土澆筑方案進(jìn)行計(jì)算并比較，計(jì)算中采用如下方法及相關(guān)的規(guī)定:①采用應(yīng)力疊加法進(jìn)行線彈性分析;②鋼管混凝土單元剛度同時計(jì)入兩種材料的性能與截面特征;③各施工階段的施工荷載以該階段混凝土濕重的20%計(jì)入;④計(jì)算中僅考慮拱箱混凝土收縮、徐變的影響，未考慮溫度變化及基礎(chǔ)沉降等因素的影響。

基于應(yīng)力疊加原理，根據(jù)本橋的特點(diǎn)，提出了本項(xiàng)目鋼管混凝土兩種澆筑方案。

方案A:在各環(huán)內(nèi)，按照圖2中Ⅰ，Ⅲ，Ⅱ的順序澆筑工作面混凝土。待前一工作面所澆筑混凝土的強(qiáng)度形成后再進(jìn)行下一工作面施工;計(jì)算時考慮前一工作面所澆筑混凝土，以10 d強(qiáng)度參與作用。

圖2 鋼管混凝土澆筑步序

方案B:在一環(huán)內(nèi)，開始同時澆筑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ工作面中第1工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強(qiáng)度形成后再進(jìn)行第2工作段施工，如此依次施工到第5工作段澆筑完成;計(jì)算時考慮前一工作段所澆筑混凝土，以7 d強(qiáng)度參與作用(與方案A的工期保持大致相同)。

將兩種澆筑方案計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):方案A在施工過程中，鋼管應(yīng)力變化幅度較大，且鋼管應(yīng)力無明顯改善，最大鋼管壓應(yīng)力超過了300 MPa;方案B鋼管應(yīng)力在施工過程中變化比較平緩，下弦管最不利狀態(tài)下壓應(yīng)力比方案A明顯降低，最大壓應(yīng)力236 MPa。上弦管最不利狀態(tài)下壓應(yīng)力也降低到283 MPa。可見，方案B能對上下弦管在最不利狀態(tài)和成拱后的受力狀態(tài)都有所改善，且施工過程中內(nèi)力變化平緩，比方案A更合理，故施工中采用方案B。

4 鋼管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)為保證拱肋安全穩(wěn)定，混凝土的澆筑方式采用分段對稱加載。在一環(huán)內(nèi)，開始同時澆筑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ工作面中第1工作段的混凝土。待所澆筑混凝土的強(qiáng)度達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行第2工作段施工，往復(fù)循環(huán)，完成5個工作段澆筑?；炷翝仓r，預(yù)先在各區(qū)段制作1.5長的混凝土溢流管，以保證拱頂段混凝土的密實(shí)。

2)每一區(qū)段的混凝土澆筑順序?yàn)橄认孪夜茉偕舷夜埽缓蟾拱?。上弦管的混凝土澆筑時，必須待下弦管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)80%后方能進(jìn)行;澆筑腹板區(qū)混凝土必須待上弦桿的混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后再進(jìn)行。

3)嚴(yán)格按照C50配合比組織施工，要求混凝土和易性好，水灰比為0.42，粗骨料采用5～25 mm，坍落度按16 cm控制。

4)混凝土泵送必須連續(xù)作業(yè)，必須配置備用的輸送泵。

5)對鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量采用超聲波進(jìn)行無損檢測。為對管內(nèi)混凝土勻質(zhì)性及填充效果進(jìn)行評價，本橋委托蘭州交大建筑材料測試中心對管內(nèi)混凝土進(jìn)行了檢測，全橋布置48個測區(qū)。檢測結(jié)果證明:混凝土均質(zhì)性良好，無空管、空洞現(xiàn)象;混凝土填充度達(dá)到99.4%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

1)鋼管混凝土的澆筑過程是對已有結(jié)構(gòu)的一個繼續(xù)施加荷載的過程，必須考慮鋼管混凝土初始應(yīng)力對后期澆筑混凝土、拱橋各施工階段和最終成橋后內(nèi)力和各結(jié)構(gòu)桿件受力的影響。

2)鋼管混凝土澆筑過程的應(yīng)力疊加原理，充分考慮到鋼管混凝土的成形過程對拱橋各施工階段內(nèi)力和各桿件受力的影響，可以為施工過程提供參考。

3)基于應(yīng)力疊加原理，配以數(shù)值模擬仿真技術(shù)，得到了該橋的鋼管混凝土合理澆筑方案，并在實(shí)踐中得到驗(yàn)證，可為類似鋼管混凝土拱肋的混凝土澆筑提供參考。

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U445．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．04

1003-1995(2013)09-0012-02

2013-03-15;

2013-05-20

李壽福(1974— )，男，甘肅靖邊人，高級工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)