芷江舞水大橋鋼管混凝土拱橋關(guān)鍵施工技術(shù)

周海峰

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)通盛工程有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概況

芷江縣舞水大橋是芷江縣城跨越舞水河的第四座橋梁,系跨河三跨連續(xù)下承式鋼管混凝土系桿拱橋梁,位于芷江三橋上游大約200m,是芷江老城到新開(kāi)發(fā)區(qū)之間的便捷通道。該工程上部結(jié)構(gòu)是20 m(空心板)+69.5m(下承式拱)+88m(下承式拱)+69.5m(下承式拱)+20m(空心板),全長(zhǎng)278.0m。中跨計(jì)算跨徑88m,邊跨計(jì)算跨徑68m,中跨拱肋寬1.1m,邊跨拱肋寬0.95m。拱矢跨比1/4,拱軸系數(shù)是1.167,為等截面鋼管混凝土懸鏈線無(wú)鉸拱。下承式拱上部由剛性拱、剛性縱梁、柔性吊桿組成。拱肋采用等截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu),中跨拱肋截面高2.5m,寬1.1m;邊跨拱肋截面高2.2m,寬0.95m;中、邊跨兩條拱肋中心間距均是18m。中跨每條拱肋斷面高由2根Φ1100mm鋼管組成上、下弦桿,上、下弦桿之間用綴板相連,綴板外距30 cm;邊跨每條拱肋斷面由2根Φ950 mm鋼管組成上、下弦桿,上、下弦桿之間用綴板相連,綴板外距30 cm。鋼管、綴板均采用16Mn鋼,厚12mm鋼管在工廠卷制,施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝,主拱肋設(shè)計(jì)采取分五段拼裝作業(yè),在鋼管及綴板內(nèi)都灌注C50微膨脹混凝土。

2 總體施工方案

該下承式鋼管混凝土系桿拱橋因設(shè)計(jì)而采用了“先梁后拱”的施工方案。由于該橋位地處城市邊緣,周?chē)课萁ㄖ芗?施工場(chǎng)地狹窄,地形局限性很大,無(wú)法采用纜索吊或大型龍門(mén)吊等方法來(lái)施工。系桿(縱梁)和端、中橫梁混凝土需采用臨時(shí)支架多次現(xiàn)澆完成,三跨縱、橫梁全部澆筑并按設(shè)計(jì)對(duì)系桿預(yù)應(yīng)力張拉完成后,才能進(jìn)行鋼管拱安裝等工序施工。經(jīng)過(guò)多種施工方案比選,最終確定了“支架+棧橋法”施工的實(shí)施方案。即縱、橫梁混凝土采用搭設(shè)臨時(shí)墩鋼管樁+貝雷桁架支架現(xiàn)澆,同時(shí)沿橋梁縱向中心軸線搭設(shè)一座貫通全橋的貝雷梁施工鋼棧橋,用大噸位吊車(chē)在棧橋上來(lái)吊安鋼管拱節(jié)段和輔助施工縱、橫梁及橋面系。

2.1 支架施工

2.1.1 縱橫梁混凝土現(xiàn)澆支架

因采用“先梁后拱”的施工工藝,混凝土現(xiàn)澆作業(yè)量很大,支架從開(kāi)始搭設(shè)到最后拆除的時(shí)間很長(zhǎng),故河中支架的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量非常重要。

在支架設(shè)計(jì)階段,基本思路必須很清楚,對(duì)支架上面承受的各種施工荷載必須全部考慮進(jìn)去,以確保支架結(jié)構(gòu)受力和安全性均能滿足施工要求。河中支架根據(jù)各排臨時(shí)墩受力大小的不同,分別采用了Φ630mm、Φ800mm和Φ1 000mm三種規(guī)格的鋼管樁來(lái)作為臨時(shí)墩,每排臨時(shí)墩鋼管樁上面橫橋向安放雙拼I30 a工字鋼,其上順橋向再安放10組(2排/組)貝雷桁架作為承重縱梁。其中,上、下游系桿(縱梁)下面各布設(shè)3組6排貝雷桁架,縱梁貝雷桁架上方鋪設(shè)I20b工字鋼橫梁后,上面再安放竹膠板底模。

支架施工時(shí),為防止發(fā)生洪水沖毀支架的安全事故,河中所有的鋼管樁臨時(shí)墩混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)均采用圍堰法開(kāi)挖并現(xiàn)澆混凝土施工,所有的鋼管樁內(nèi)部全部灌滿了砂卵石,其頂部以下50 cm高度管內(nèi)還用C30混凝土現(xiàn)澆做了局部補(bǔ)強(qiáng)處理。此外,為增強(qiáng)各排臨時(shí)墩鋼管樁之間的橫向穩(wěn)定性和防止漂浮物撞擊,各橫排鋼管樁之間均設(shè)了滿足受力要求的型鋼剪刀撐。

全橋三孔縱橫梁支架僅對(duì)第一孔支架進(jìn)行了沙袋堆載預(yù)壓試驗(yàn),通過(guò)預(yù)壓觀測(cè),取得了支架承壓后所需的各種試驗(yàn)成果數(shù)據(jù),對(duì)后續(xù)施工時(shí)在支架上準(zhǔn)確預(yù)留系桿和支架預(yù)拱度等起了很好的指導(dǎo)作用。

2.1.2 鋼管拱安裝支架

本方案由于鋼管拱節(jié)段空中焊接量較大,故對(duì)安裝所采用的鋼管拱安裝支架的縱橫向穩(wěn)定性要求較高。本橋鋼管拱安裝時(shí)先后采用了2種不同的支架形式,分述如下。

1)1#～2#墩之間的68m跨徑鋼管拱安裝采用的是搭設(shè)滿堂鋼管支架施工。

在實(shí)施第1孔(1#～2#墩)支架安裝時(shí),其搭設(shè)高度雖僅到了15m,也按規(guī)定加設(shè)了較多的縱、橫向和水平剪刀撐,但由于支架橫向?qū)挾炔蛔?.5 m,支架高寬比太大,鋼管柔性也過(guò)大,支架的縱橫向整體穩(wěn)定性在鋼管拱安裝施工時(shí)仍然很差,且鋼管拱吊裝節(jié)段的定位施工難度大,導(dǎo)致鋼管拱安裝進(jìn)度很慢,故該孔鋼管拱安裝完成后便棄用該支架形式來(lái)施工后續(xù)孔的鋼管拱。

2)在2#～3#和3#～4#兩孔的88m和68 m鋼管拱安裝施工中,則采用了雙排臨時(shí)墩鋼管樁排架式支架。即在兩段鋼管拱吊裝接頭前后兩側(cè),采用兩排4根規(guī)格為Φ270～Φ630mm的鋼管樁作為臨時(shí)墩,每排臨時(shí)墩樁頂上面安放雙拼I25 a工字鋼橫梁,橫梁上面預(yù)先焊好鋼管拱定位裝置。因鋼管樁自身剛度很大,且各排臨時(shí)墩縱橫向還采用了14#槽鋼或Φ270mm的鋼管平聯(lián)和剪刀撐,故而本類型支架的縱橫向整體穩(wěn)定性很好,加之預(yù)先施做了定位裝置,保證了鋼管拱節(jié)段的安裝施工進(jìn)度和安全。

2.2 縱橫梁混凝土澆筑施工

因本橋三孔縱梁連續(xù),但一次現(xiàn)澆的縱橫梁C50混凝土數(shù)量仍然較多,故縱橫梁混凝土施工時(shí)對(duì)其進(jìn)行了分段施工。經(jīng)過(guò)受力計(jì)算分析,全橋三孔縱橫梁分成了八段來(lái)施工,分段濕接縫位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)力最小,對(duì)梁體最安全的地方。每段澆筑的縱橫梁混凝土數(shù)量需控制好,澆筑時(shí)應(yīng)一次性連續(xù)澆筑完成。縱梁(系桿)采用箱型截面,內(nèi)外模均采用定型鋼模,內(nèi)外模板裝好后,一次性澆筑完成。端(中)橫梁也采用定型鋼模裝模,與縱梁混凝土一起澆筑?？v橫梁混凝土澆筑時(shí)采用兩套小型混凝土拌合站拌制,利用輸送泵泵送入模?；炷翝仓r(shí),必須合理安排澆筑順序,并保證連續(xù)施工,防止?jié)仓r(shí)間太長(zhǎng)而形成施工縫痕跡。

2.3 鋼管拱現(xiàn)場(chǎng)安裝

總體吊裝方案:

本橋施工為環(huán)境條件所限,鋼管拱節(jié)段采用在施工棧橋上用吊車(chē)分段吊裝,吊裝鋼管拱支架按照鋼管拱肋的設(shè)計(jì)線形和預(yù)拱度值先后采用滿堂鋼管支架或鋼管樁臨時(shí)墩排架式支架搭設(shè),吊裝的鋼管拱節(jié)段采用在支架上就位拼裝,逐段吊裝后再焊接成拱的施工方法。

由于受施工鋼棧橋和汽車(chē)吊吊裝能力所限(吊重≤10 t),在鋼管拱加工時(shí)對(duì)其節(jié)段重新進(jìn)行了劃分,增加了節(jié)段數(shù),即使單段節(jié)段吊裝重量控制在10 t以內(nèi)。具體為:1#～2#和3#～4#兩孔鋼管拱肋采用分七段吊裝,而2#～3#孔鋼管拱肋采用分九段來(lái)吊裝,拱肋分段時(shí)注意不要影響到吊桿位置。

制造拱肋拼裝節(jié)段精度滿足設(shè)計(jì)要求的拱軸線型,拱腳段吊裝完成后固定(臨時(shí)固定)調(diào)整好拱軸坐標(biāo)中心線和標(biāo)高,其余各節(jié)段在支架上。

鋼管拱肋的吊裝方案及順序是:先吊本岸拱腳處第一段,臨時(shí)固定→吊對(duì)岸拱腳第一段,臨時(shí)固定→對(duì)岸第二段,臨時(shí)固定→吊本岸第二段,臨時(shí)固定→………→吊中間合龍段,單側(cè)拱肋吊裝完后,另一側(cè)同法施工。

因采用有支架施工,支架的基礎(chǔ)沉降、彈性和非彈性變形等應(yīng)事先算出,并預(yù)留拱度,支架頂部設(shè)置微調(diào)裝置,如定位胎座,以便對(duì)拱肋的標(biāo)高和平面位置進(jìn)行調(diào)整。在拱肋吊裝過(guò)程中,應(yīng)不斷觀測(cè)各支撐點(diǎn)的沉降,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。

拱腳第一段鋼管拱安裝時(shí)非常關(guān)鍵,安裝時(shí)間也較長(zhǎng),必須認(rèn)真吊安,并準(zhǔn)確控制好縱橫軸線及管口高程。隨后的其余吊裝節(jié)段拱肋,在第一段的基礎(chǔ)上,將其在事先搭設(shè)的支架上拼裝,安裝時(shí)必須符合設(shè)計(jì)拱軸線位置,再固接臨時(shí)接頭,焊接拱段接頭,最后方可卸離支架形成拱圈。

2.3.1 拱肋運(yùn)輸

鋼管拱節(jié)段在工廠加工成型并經(jīng)驗(yàn)收合格后,將拱肋分段從湖北武船重工通過(guò)汽運(yùn)運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。在施工現(xiàn)場(chǎng),根據(jù)安裝的節(jié)段位置,用17 t吊車(chē)吊放到一平車(chē)上面,再用裝載機(jī)牽引運(yùn)送到汽車(chē)棧橋上,然后采用60 t的汽車(chē)吊來(lái)安裝節(jié)段。

在拱肋運(yùn)輸時(shí),應(yīng)定好拱肋的支墊位置,并且支墊牢固,防止運(yùn)輸過(guò)程中拱肋發(fā)生變形及其他安全事故。

2.3.2 鋼管拱肋的安裝

結(jié)合本橋的實(shí)際情況,拱肋安裝時(shí),先安裝上游,再安裝下游;單側(cè)拱:先安拱腳段和其余節(jié)段,最后安合龍段。待上下游拱肋節(jié)段安裝完畢且調(diào)整好拱軸線和標(biāo)高后,再進(jìn)行上下游鋼管拱之間橫撐的吊安。

鋼管拱肋的安裝采用60 t汽車(chē)吊、滿堂鋼管或排架式鋼管樁支架以及手動(dòng)葫蘆相結(jié)合的方法進(jìn)行施工。

2.3.3 拱肋的吊安

拱肋吊安按單拱合龍的方式進(jìn)行。先吊安拱腳段和邊段,最后吊安合龍段。吊安時(shí)每段接頭置于臨時(shí)胎座上,節(jié)段之間側(cè)向采用工字鋼臨時(shí)穩(wěn)固。單側(cè)拱肋的每?jī)啥挝恢谜{(diào)整到符合要求后,用楔木將其與支架楔緊定位,再施焊拱肋節(jié)段之間的接頭。

拱腳段吊安:拱肋運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后,經(jīng)檢查拱肋無(wú)變形及其他異常情況,即可用60 t吊車(chē)進(jìn)行起吊,緩慢移動(dòng)拱肋至指定位置,然后通過(guò)調(diào)節(jié)起上下吊繩長(zhǎng)度使拱肋兩端高差符合設(shè)計(jì)要求,緩慢下降拱肋使拱腳端與預(yù)埋拱肋段實(shí)現(xiàn)對(duì)位,對(duì)位成功后用工字鋼將拱腳段焊接好,并搭設(shè)鋼管支架穩(wěn)定拱肋節(jié)段,以防止拱肋節(jié)段下滑;調(diào)整另一端拱肋軸線和標(biāo)高,待軸線和標(biāo)高調(diào)整好后,固定好拱肋,準(zhǔn)備下段吊裝。

合龍段吊安:合龍段吊安前,進(jìn)行合龍段的實(shí)地測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定合龍段的余量切割長(zhǎng)度。合龍段的實(shí)地觀測(cè)應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體氣溫情況進(jìn)行,觀測(cè)時(shí)間不少于24 h,以確定最佳的合龍溫度并報(bào)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)。然后在批準(zhǔn)的合龍溫度下進(jìn)行合龍段余量的劃線切割,并焊好接頭焊縫。

合龍段安裝前,預(yù)先量測(cè)合龍段的位置和長(zhǎng)度,隨后在現(xiàn)場(chǎng)將合龍端重新切割符合實(shí)際,用吊車(chē)將合龍段吊起,從上方位置緩慢落下降至與前后鋼管拱節(jié)段高度位置,確定對(duì)好后,實(shí)現(xiàn)整跨單拱鋼管拱合龍,單拱吊安完成。

用同樣的方法完成另一側(cè)拱肋的吊安,最后吊安橫撐。

2.3.4 段間接頭焊接

合龍后拱肋分段間接頭環(huán)縫采用手工焊進(jìn)行,接頭環(huán)縫的焊接從拱頂?shù)焦澳_對(duì)稱進(jìn)行,同時(shí)在施焊各個(gè)接頭時(shí),必須采用上、下、左、右同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行,以克服由于高溫的影響及焊縫的收縮而造成拱肋軸線的改變。

2.4 鋼管拱混凝土壓注施工

2.4.1 混凝土配合比與設(shè)備

本橋鋼管拱肋混凝土設(shè)計(jì)為C50微膨脹混凝土,工程數(shù)量為810m3。

鋼管拱泵送時(shí)采用2臺(tái)輸送泵放在施工棧橋上,從拱腳往拱頂壓注混凝土。

采用2臺(tái)中聯(lián)重科生產(chǎn)的BHT80混凝土輸送泵進(jìn)行鋼管拱混凝土澆注施工,每次澆筑時(shí)至少配備3臺(tái)混凝土罐車(chē)進(jìn)行混凝土運(yùn)輸,完全可以滿足鋼管拱肋混凝土的灌注施工。

為了確?；炷恋馁|(zhì)量和施工要求,混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)摻入適量的膨脹劑以抵消混凝土的收縮變形。為提高混凝土的和易性和可灌性,應(yīng)摻入緩凝型減水劑,坍落度應(yīng)控制在18～20 cm。

2.4.2 鋼管拱肋混凝土灌注

為確保安全,在鋼管拱混凝土正式灌注前,首先進(jìn)行了壓水試驗(yàn),即用輸送泵往鋼管內(nèi)壓水,直至水從拱頂排漿管冒出后停止。通過(guò)壓水試驗(yàn),對(duì)拱腳第一、二兩根吊桿進(jìn)行了加固處理,將該2根吊桿鋼管內(nèi)打入直徑略小的圓木,防止泵送壓力過(guò)大,將吊桿處鋼管空腔擠壓變形后導(dǎo)致管內(nèi)已壓注的混凝土倒流出來(lái),導(dǎo)致質(zhì)量事故發(fā)生。

混凝土灌注從兩拱腳同時(shí)向上對(duì)稱進(jìn)行灌注,采用2臺(tái)輸送泵同時(shí)進(jìn)行,灌注時(shí)應(yīng)保持灌注速度(混凝土數(shù)量)均勻一致,當(dāng)灌注至拱頂橫隔板位置時(shí),2臺(tái)輸送泵同時(shí)對(duì)鋼管拱肋(單管)向橋跨中央對(duì)稱泵送混凝土,混凝土泵送時(shí)必須統(tǒng)一指揮,對(duì)稱均勻連續(xù)進(jìn)行灌注,避免拱肋產(chǎn)生不均勻受力和變形。當(dāng)灌注至拱頂排漿孔完全溢出混凝土為止,確保管內(nèi)混凝土密實(shí)。

混凝土灌注時(shí)先灌注兩盤(pán)與混凝土等強(qiáng)度的水泥砂漿,待混凝土壓至拱頂時(shí),再將砂漿由拱頂排漿孔排出,以保證管壁與混凝土之間的潤(rùn)滑及混凝土泵送的順利。整個(gè)拱肋混凝土灌注的時(shí)間要求在混凝土初凝之前完成,該橋拱肋混凝土應(yīng)該控制在4 h之內(nèi)灌注完畢,避免混凝土因時(shí)間過(guò)長(zhǎng)流動(dòng)度減少而造成灌注困難。

2.4.3 混凝土質(zhì)量檢測(cè)

混凝土的質(zhì)量主要采用2種方法進(jìn)行檢查,首先用敲擊鋼管的方法對(duì)鋼管進(jìn)行普遍檢查,用超聲波完整性檢測(cè)法檢測(cè)混凝土的質(zhì)量和混凝土與鋼管內(nèi)壁的密貼性。

2.5 吊桿施工技術(shù)

該橋吊桿采用柳州歐維姆PES7—73吊桿,外包PE防護(hù),冷鑄墩頭錨具。吊桿間距:拱端為6.5m,梁端為5m,全橋共有80根。

1)吊標(biāo)存放。吊桿自工廠將成品索進(jìn)行編號(hào)運(yùn)至工地,用吊車(chē)提升臨時(shí)存放在橋面上。

2)吊裝設(shè)備。采用17 t吊車(chē)在棧橋上進(jìn)行安裝。

3)安裝工藝:

①吊桿自跨中向兩側(cè)進(jìn)行安裝。首先吊起吊桿上端,去掉錨圈(螺母),把錨固端冷鑄錨從拱肋下緣開(kāi)口處穿入索導(dǎo)管,錨頭伸出錨板,安上螺母,使錨固端冷鑄錨固定在拱肋錨板上。再吊起吊桿下端,從箱梁頂面穿入箱內(nèi),錨頭超過(guò)錨板,安上螺母,完成吊桿組裝。

②在索導(dǎo)管與吊桿之間安裝密封圈。

③吊桿張拉。吊桿張拉自跨中向兩端逐個(gè)吊桿對(duì)稱進(jìn)行張拉,使箱梁逐步脫離支架,轉(zhuǎn)換為拱肋受力。設(shè)計(jì)吊桿初始張拉索力800 kN,采用YCW 150液壓千斤頂進(jìn)行張拉。張拉以橋面高程為主并核對(duì)吊桿張拉力,如有出入,找出原因進(jìn)行調(diào)整,滿足設(shè)計(jì)對(duì)橋面線型、吊桿張拉力的要求。吊桿張拉端設(shè)在拱頂箱內(nèi),張拉人員、張拉設(shè)備在鋼管拱安裝支架上進(jìn)行吊桿張拉作業(yè)。三孔吊桿張拉完成后,監(jiān)控單位需再次進(jìn)行索力測(cè)試,進(jìn)行最后微調(diào),滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土拱橋橋型美觀、結(jié)構(gòu)新穎,作為城市橋梁可增加一道城市景觀,具有許多優(yōu)點(diǎn),但該類橋梁造價(jià)和技術(shù)含量高、施工難度大、施工精度要求也很高,其中支架搭設(shè)、縱橫梁混凝土澆筑、鋼管拱肋安裝、縱梁和鋼管拱節(jié)段上的吊桿預(yù)埋管安裝精度、系桿超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力施加、吊桿張拉力控制和調(diào)索均是關(guān)系全橋施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵。因此,在以上關(guān)鍵工序施工過(guò)程中必須精心組織、精細(xì)施工,在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制好各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo),確保最后的成橋質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的精度。

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