鋼管混凝土拱橋施工工藝

王　曦

摘要：本文首先對鋼管混凝土拱橋進行了簡單的概述，介紹了國內外鋼管混凝土拱橋的研究現狀；其次在鋼管混凝土拱橋施工中鋼管可作為勁性骨架，又可以起到混凝土模板的作用．施工非常方便、快捷，從而可以縮短工期，降低工程造價，并論述了鋼管混凝土拱橋設計施工方法、技術要點廈存在問題。

關鍵詞：鋼管混凝土

拱橋

施工工藝

拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結構型式。它外形宏偉壯現．且經久耐用。拱橋作為壓彎結構隨著跨徑的增大，高強材料的應用受到穩定問題的制約：而鋼筋混凝土和預應力混凝土拱橋由于自重較大．施工架設問題突出。高強材料的應用和無支架施工的困難制約了拱橋的發展。將鋼管混凝土應用于拱橋能同時解決了拱橋材料高強化和拱圈施工輕型化的兩大問題。

鋼管混凝土結構自20世紀60年代初就已引入我國，最近幾年我國在鋼管拱應用方面發展較快，許多大跨度的橋梁設計采用了鋼管拱技術。因其具有以下優點：形態優美．跨度大．施工簡便．抗震、抗壓、抗裂性能顯著提高。鋼管拱混凝土充分利用了鋼管的套箍作用，采用了微應力混凝土，其抗壓、抗裂性能顯著提高。三向應力混凝土的主要特性是強度高，變形性好．在外荷載作用下，由于鋼管約束其內部核心混凝土的橫向變形，使在三向應力作用下的核心混凝土的強度比普通澆注的混凝土提高了2—3倍。普通混凝土受壓的壓縮應變>0．002時，出現縱向裂縫而破壞。三向應力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當壓縮應變達0．002時，不但仍有承載能力，而且表面不發生裂縫它是一種很好的抗震材料。

1國內外鋼管混凝土拱橋的研究現狀

國內鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中開始得到研究和應用是在20世紀80年代。自1990年10月在四川省旺蒼縣首先采用纜索吊裝、無支架拖工法建成跨度115m的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來，短短10多年間，鋼管混凝土拱橋如雨后春筍，在各地破土而出。鋼管混凝土在國外橋梁工程中的應用已有100多年的歷史。鋼管混凝土應用于拱橋結構，始于20世紀30年代末期，前蘇聯著名橋梁專家Perededy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河跨度101m的拱一梁組合體系。與此同時．1939年IRaenovekiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達140m的鐵路拱橋。法國已建的凱澤萊爾橋．主跨為220m的下承式拱橋?？偟膩碚f．國外修建鋼管混凝土拱橋的跨徑較?。當盗恳膊欢?，相關報道較少。

2鋼管混凝土拱橋的發展及其優缺點

隨著現有橋梁結構缺陷的突顯和投入橋梁建設及維修費用的增加，促使人們不斷探索構造成本低，施工方便及耐久性良好的新型橋梁。

于是鋼管混凝土拱橋應運而生。拱橋是一種極具美學價值的橋梁形式．在我國有深厚的文化基礎。其結構輕巧．表現力豐富，形式多樣。在我國的云貴川渝桂地區．多山丘溝壑．地形復雜，地質良好，適合修建拱橋。隨著交通的迅速發展，對拱橋的性能提出了新的要求。在高科技發展的今天，新材料，新技術的運用使得拱橋煥發出新的光彩。

蘇聯最早建設了鋼管混凝土拱橋。自我國1990年建成第一座鋼管混凝土拱橋一四川旺蒼大橋以來，現已建成上百座。鋼管混凝土拱橋在短短的幾十年時間里，能得以飛速的發展．就其本身而言．鋼管混凝土拱橋具有以下優點：

1)跨越能力強，承載能力大。

已建橋結構形式以中下承式為主，跨徑在100m左右．最大跨徑360m。

2)承載能力大．施工快捷

鋼管混凝土利用內填混凝土增強管壁的穩定性，又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用，使鋼管混凝土的優越性能得到充分發揮，具有很高的抗壓強度和抗變形能力，非常適合以偏心受壓為主的拱橋。施工時．鋼管充當很好的模板．無需額外的腳手架和模板，又起到勁性骨架的作用。

3)對地基的適應能力強，可做成有推力的鋼管混凝土拱橋．也可做成無推力的系桿拱。

4)振動小，建設和維護費用低，適合我國的經濟建設要求。

5)造型優美

3鋼管混凝土拱橋主要施工方法

鋼管混凝土拱橋的主要施工環節包括：鋼管拱肋的加工制作，鋼管拱肋的吊裝架設及鋼管混凝土的灌注等。

3．1鋼管拱肋的加工制作

鋼管拱肋的加工質量對于全橋來說是至關重要的．為了保證加工質量，鋼管拱肋通常在工廠制作。首先應根據設計要求．先由定尺的鋼板卷制成長150～180cm(分段長度視材料、工藝：運輸、吊裝條件而定)的單節直管，再根據設計拱軸線形，預留拱度等進行放樣，組焊成拱肋。出廠前在剛平臺上進行1：1的精確放樣．然后進行大樣總拼裝．驗收合格后進行初級防腐．然后分段出廠。

31 1鋼管拱肋的架設

鋼管混凝土拱橋通常是先架設空鋼管形成裸拱．再在其內以泵送頂升壓注混凝土，形成鋼管混凝土拱，或再將其作為勁性骨架．在其外部包上鋼筋混凝土形成復合拱肋。鋼管拱肋的架設可以根據不同的施工條件采用不同的施工方法，主要有支架施工法，纜索吊裝法，平轉法．豎轉法以及豎、平轉結合幾種方法綜合應用的施工方法。

31 2支架施工法

支架施工法就是在橋位處先按鋼管拱肋的設計拱軸線形和預留拱度值，拼裝好膺架，在膺架上就位拼裝，焊接成拱的施工方法．膺架可以采用滿堂式或分離式．或兩種方式相結合。采用有支架施工時，膺架的基礎沉降，彈性和非彈性變形等應事先計算出．并預留拱度．膺架頂部設置微調裝置，如千斤頂、絲杠等．以便對拱肋的標高和平面位置進行調整。在拱肋吊裝過程中，應不斷觀測各支撐點的沉降．發現問題及時調整。有支架施工法通常在拱肋離地面不高、橋下無水或水不深及施工條件較好的情況下采用，是比較經濟和合理的。

3．1．3纜索吊裝施工法

纜索吊裝施工法就是根據纜索吊機的吊裝能力，先將拱肋分段預制，纜索吊機再吊裝兩拱腳段就位，并用扣索固定，再依次吊裝其余各段并與先吊段對接．直至吊裝完畢。吊裝時應跟蹤監控．要求對位準確．焊接可靠，拱軸線形滿足設計要求。分段原則按照跨度大?。鶕|索的吊裝能力確定適當分段數。纜索吊裝法特別適用于跨越峽谷、深水河槽的大跨度拱橋的施工，拱肋及材料運輸較為方便，索塔塔身無需太高，較為經濟，不足之處是拱肋空中對接精度較難控制，拱軸線形難以精確控制，分段越多，質量和工期控制難度越大．因此根據條件應盡量提高纜索吊機的吊重能力，減少分段數，加快施工進度，盡快合攏拱肋。

3．1 4平轉施工法

這是1979年我國首創成功的一種新型施工方法，其施工要點是：將拱圈分為兩個半拱，分別在兩岸偏離橋位的位置，利用岸坡或引橋的橋墩設置膺架，拼裝拱肋和拱上立柱．形成半拱．然后水平轉體就位(其轉體角度小于或等于1800)，再拼裝合攏段成拱。轉動牽引系統主要包括上轉盤和張拉千斤頂，以采用ZLD自動連續牽引系統為好。平衡防傾系統主要包括保險支腿和平衡重(一般可用低標號砂漿的漿砌片石)，在轉體過程中，必須使轉動部分的重心恰好。

與轉盤軸心重臺，以便啟動時環道受力均衡，避免其偏心受壓，為此

需要利用橋臺自重及臨時除拱頂外，不宜在其余部位設置隔倉。泵送混凝土要求和易性好，坍落度宜在18～20cm．為了減少混凝土收縮，可以加人適量的減水劑(具有早強和緩凝作用)。摻量由試驗確定，并采用微膨脹混凝土，摻墨以能補償混凝土收縮為宜。

3．2不足之處及存在問題

3．2 1管內混凝土難以保證密實．尤其是小直徑鋼管特別不便于施工，一般僅在大直徑管混凝土中使用。

3 2．2混凝土澆灌方面，質量的保證難度大．相對普通鋼筋混凝土結構施工管理要求更高，更難操作。

3．2．3鋼管混凝土拱橋受到應用限制的主要因素是鋼管加工困難，構件運輸的自然環境條件差，大型預制構件不易到達橋位處，加之某些區域的環境因素影響．使鋼管混凝土養護維修成為主要問題，從而限制了鋼管混凝土在山區橋梁設計中的發展。

4施工工藝及技術要點

4．1施TT藝

4．1 1二級壓注．一次成型

由于鋼管為扁形，加勁肋布置較遠，且矢高較大，根據混凝土所能產生的壓力及扁鋼管的抗變形能力計算(采用有限元結構分析軟件分析計算)，若混凝土從拱腳一直壓到拱頂，則混凝土的壓力將把扁鋼管的直線部分壓彎．所以采取“二級壓注，一次成型“的方法，即除原有拱腳底預留焊接的泵管接頭外，在拱高1，2處(拱高含拱頂排氣管1 5m)，兩邊對稱．增設型號一致泵管接頭，在緊靠拱項吊桿位置兩側設兩根中20cm，高1．5m的排氣增壓鋼管。

4．1．2施工中鋼管拱的觀測

為了獲得較完整的測量數據，混凝土壓注過程要進行全程觀測?；炷翂褐撩恳粋€控制點，都對拱軸線及標高施測一次，并將測量結果繪制成隨時間或工況變化曲線圖，根據這一曲線，可以較直觀地了解鋼管拱在泵送混凝土各階段變化情況。

4 1 3壓注頂升旌工程序

灌注前認真檢查泵管及輸送泵的各個接頭．接頭之間應墊像皮圈防止漏氣、漏漿。開啟止回閘潤K1、K2，用與混凝土相同品種及標號的水泥攪拌的砂漿潤滑泵車與泵管，以減小混凝土泵送時的摩阻力．砂漿必須在鋼管拱外排出。對稱進行灌注混凝土，同時有專人觀察拱內混凝土的泵送情況，兩臺泵灌注的速度盡量保持一致，如有不對稱現象應及時調整。最簡單而實用的觀察辦法就是“錘擊法”，即用鐵錘敲擊鋼管拱，聽到清脆的聲音和沉悶的聲音交界處就是混凝土已壓注到的位置。這一觀測能確?；炷恋膶ΨQ同步澆注。如果發現兩側的壓注速度不一致，應及時與泵車指揮人員聯系，進行調整。小部分偏載造成的鋼管拱彈性變形可以完全恢復，有效的保證了拱軸線符合設計耍求。當混凝土灌注至超過K3、K4壓注7L時，停止泵送，立即關閉K1、K2閘板閥．已最快的速度將泵管接至K3、K4壓注孔，打開K3、K4閘板閥．開始第二級混凝土的壓注。當混凝土從排氣孔冒出時，控制灌注速度．改兩臺泵同步對稱泵送為交替泵送，繼續壓注1—2m3混凝土，確保鋼管拱內混凝土壓注密實。然后關閉止回閘閥，避免混凝土倒流，清洗泵管、泵車。灌注完成后要做好鋼管混凝土的保溫工作。

4．2技術要點

4．2．1混凝土配合比的優化

該混凝土要求早強、高流態、緩凝、自密性及可泵性非常好。最為關鍵的問題是該鋼管混土為微應力混凝土?；炷羶葥脚蛎泟?，滿足補償收縮耍求，坍落度要求到達作業面18—20cm，初凝時間根據壓注速度計算，要求控制在6h以上。設置微應力．可提高構件的承載力及改變普通混凝土灌注造成的混凝土和鋼管問有間隙的現象。在配合比設計中確定微膨脹率是關鍵因素i鋼管內部混凝土質量對工程結構安全影響很大，稍有不慎，就會出現質置事故．造成泵送困難、內有空氣、不飽滿、混凝土和鋼管間有收縮空隙等現象。因此，對此種混凝土的配合比要多做實驗，控制好膨脹率。

4．2 2混凝土的壓注要兩側對稱同步進行

對混凝土的壓注過程中進行全程觀測，結果顯示：拱下半部混凝土灌注時第一至三段標高明下降，第五段至拱頂段標高明顯上升。相反。當拱頂部分泵送完混凝土后，拱頂標高明顯下降，而第一段至第三節段標高自動得到回升。

混凝土的自重對鋼管拱線形影響比較明顯。所以壓注毖須對稱同步進行。如果在澆注前因拼裝、焊接等原因，造成一側的控制點偏高而另一側的偏低，則可以用非對稱方式澆注進行調整．即先從偏高的一側進行壓注混凝土．同時密切觀察拱的變形，當拱兩側的控制點標高基本恢復至設計標高時，兩側開始同步澆注，逐步調整兩側混凝土的壓注量，最后同時壓至拱頂?；炷翂褐凉绊敃r．要繼續壓注，讓混凝土從排氣增壓孔中排出1—2m3．排氣孔不冒氣泡時停止壓注．關閉混凝土止回閥。

4 2．3二級壓注，一次成型

設計要求混凝土的壓注必須連續進行，而本橋扁拱的結構抗變形能力又決定了混凝土必須分兩級壓注。所以我們采取了“二級壓注，一次成型”的壓注方案。方案的關鍵在于二級混凝土之間的連續性。第二級混凝土必須在第一級混凝土的初凝時間內盡早開始，要求工人在兩級混凝土壓注間拼接泵管的速度要快，必須安排熟練工人進行。

4 2．4鋼管混凝土的保溫工作

混凝土和鋼管之間如果產生空隙，微膨脹混凝土的優勢將失去，直接影響拱的承載力。鋼管混凝土的保溫工作不到位是空隙產生的原因。因此，采取將鋼管拱用麻袋包起等措施，盡量減小內外溫差。

5材料要求

5 1水泥，細集料，粗集料，水和附加劑．砼拌和．輸送．養護符合《結構砼工程規范》的規定

5．2導管灌注水下砼還應符合下列要求：

①水泥標號不低于425i初凝時間不低于2．5h

②粗骨料宣選優質級配良好的碎石

③骨料粒徑不得太于導管1，8和鋼筋最小凈距的1／4，同時不得大于40mm．

④砂子選用級配良好的中砂．

⑤坍落度宜為180～220mm．

⑥水灰比在0．5—0 6，水泥用量不少于350kg／m3．

6鋼管混凝土拱橋的施工技術

鋼管混凝土拱橋也有很多施工方法，如轉體施工、纜索吊裝施工、門式膺架吊裝施工等。競論采用哪一種施工方法．在實現設計目標的過程中，都將受到許多確定和不確定因素(誤差)的影響，包括施工設計計算、橋用材料性能、施工精度、荷載大小、大氣溫度等諸多方面在理想狀態與實際狀態之間存在的差異。在施

工過程中要從各種受誤差影響而失真的參數中找出相對真實之值．對施工狀態進行實時識別(監測)、調整(糾偏)、預測，即橋梁施工控制技術．它可保證施工過程中其結構處在絕對安全的控制之中，并且成橋狀態的線型以及受力情況滿足設計要求。橋梁施工控制技術不僅是橋梁施工的重要組成部分，也是實施難度相對較大的部分。對不同體系、不同施工方法、不同材料等的橋梁，其施工控制技術要求也不一樣。施工控制技術的內容包括施工控制前期計算l應力控制，幾何變形控制，穩定控制．安壘控制等。

結語

鋼管混凝土結構由于具有許多特點和優點，已經成為建造大型拱橋具有較強競爭力的結構，但由于鋼管混凝土理論研究滯后于工程實踐及施工技術，工程中出現不少問題。因此，對鋼管混凝土結構施工技術的研究具有實際意義。隨著設計理念和施工技術的發展，各種新型橋梁不斷產生，鋼管與鋼管混凝土復合拱橋是一種很具有發展前景的橋型結構。國外現在研究的鋼管混凝土拱橋主梁采用鋼管，在受剪或受壓大的區域鋼管內填充混凝土，其他部分填充氣泡砂漿，這樣使得整個結構更加合理。采用氣泡砂漿或輕質混凝土填充和采用鋼管套管混凝土．能增加空鋼管段的剛度，提高鋼管內壁的防腐能力并改善剛度急劇變化處的受力情況，增加橋的橫向穩定性，增大跨徑。