钢管混凝土拱桥施工工艺
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作者: 王 曦
摘要：本文首先对钢管混凝土拱桥进行了简单的概述，介绍了国内外钢管混凝土拱桥的研究现状；其次在钢管混凝土拱桥施工中钢管可作为劲性骨架，又可以起到混凝土模板的作用．施工非常方便、快捷，从而可以缩短工期，降低工程造价，并论述了钢管混凝土拱桥设计施工方法、技术要点厦存在问题。
关键词：钢管混凝土
拱桥
施工工艺
拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式。它外形宏伟壮现．且经久耐用。拱桥作为压弯结构随着跨径的增大，高强材料的应用受到稳定问题的制约：而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大．施工架设问题突出。高强材料的应用和无支架施工的困难制约了拱桥的发展。将钢管混凝土应用于拱桥能同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的两大问题。
钢管混凝土结构自20世纪60年代初就已引入我国，最近几年我国在钢管拱应用方面发展较快，许多大跨度的桥梁设计采用了钢管拱技术。因其具有以下优点：形态优美．跨度大．施工简便．抗震、抗压、抗裂性能显著提高。钢管拱混凝土充分利用了钢管的套箍作用，采用了微应力混凝土，其抗压、抗裂性能显著提高。三向应力混凝土的主要特性是强度高，变形性好．在外荷载作用下，由于钢管约束其内部核心混凝土的横向变形，使在三向应力作用下的核心混凝土的强度比普通浇注的混凝土提高了2―3倍。普通混凝土受压的压缩应变>0．002时，出现纵向裂缝而破坏。三向应力作用下的混凝土可看作弹塑性材料，当压缩应变达0．002时，不但仍有承载能力，而且表面不发生裂缝它是一种很好的抗震材料。
1国内外钢管混凝土拱桥的研究现状
国内钢管混凝土拱桥在桥梁工程中开始得到研究和应用是在20世纪80年代。自1990年10月在四川省旺苍县首先采用缆索吊装、无支架拖工法建成跨度115m的我国第一座钢管混凝土拱桥以来，短短10多年间，钢管混凝土拱桥如雨后春笋，在各地破土而出。钢管混凝土在国外桥梁工程中的应用已有100多年的历史。钢管混凝土应用于拱桥结构，始于20世纪30年代末期，前苏联著名桥梁专家Perededy教授用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河跨度101m的拱一梁组合体系。与此同时．1939年IRaenovekiy教授在西伯利亚也用钢管混凝土建造了一座跨度达140m的铁路拱桥。法国已建的凯泽莱尔桥．主跨为220m的下承式拱桥。总的来说．国外修建钢管混凝土拱桥的跨径较小．数量也不多，相关报道较少。
2钢管混凝土拱桥的发展及其优缺点
随着现有桥梁结构缺陷的突显和投入桥梁建设及维修费用的增加，促使人们不断探索构造成本低，施工方便及耐久性良好的新型桥梁。
于是钢管混凝土拱桥应运而生。拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式．在我国有深厚的文化基础。其结构轻巧．表现力丰富，形式多样。在我国的云贵川渝桂地区．多山丘沟壑．地形复杂，地质良好，适合修建拱桥。随着交通的迅速发展，对拱桥的性能提出了新的要求。在高科技发展的今天，新材料，新技术的运用使得拱桥焕发出新的光彩。
苏联最早建设了钢管混凝土拱桥。自我国1990年建成第一座钢管混凝土拱桥一四川旺苍大桥以来，现已建成上百座。钢管混凝土拱桥在短短的几十年时间里，能得以飞速的发展．就其本身而言．钢管混凝土拱桥具有以下优点：
1)跨越能力强，承载能力大。
已建桥结构形式以中下承式为主，跨径在100m左右．最大跨径360m。
2)承载能力大．施工快捷
钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性，又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥，具有很高的抗压强度和抗变形能力，非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时．钢管充当很好的模板．无需额外的脚手架和模板，又起到劲性骨架的作用。
3)对地基的适应能力强，可做成有推力的钢管混凝土拱桥．也可做成无推力的系杆拱。
4)振动小，建设和维护费用低，适合我国的经济建设要求。
5)造型优美
3钢管混凝土拱桥主要施工方法
钢管混凝土拱桥的主要施工环节包括：钢管拱肋的加工制作，钢管拱肋的吊装架设及钢管混凝土的灌注等。
3．1钢管拱肋的加工制作
钢管拱肋的加工质量对于全桥来说是至关重要的．为了保证加工质量，钢管拱肋通常在工厂制作。首先应根据设计要求．先由定尺的钢板卷制成长150～180cm(分段长度视材料、工艺：运输、吊装条件而定)的单节直管，再根据设计拱轴线形，预留拱度等进行放样，组焊成拱肋。出厂前在刚平台上进行1：1的精确放样．然后进行大样总拼装．验收合格后进行初级防腐．然后分段出厂。
31 1钢管拱肋的架设
钢管混凝土拱桥通常是先架设空钢管形成裸拱．再在其内以泵送顶升压注混凝土，形成钢管混凝土拱，或再将其作为劲性骨架．在其外部包上钢筋混凝土形成复合拱肋。钢管拱肋的架设可以根据不同的施工条件采用不同的施工方法，主要有支架施工法，缆索吊装法，平转法．竖转法以及竖、平转结合几种方法综合应用的施工方法。
31 2支架施工法
支架施工法就是在桥位处先按钢管拱肋的设计拱轴线形和预留拱度值，拼装好膺架，在膺架上就位拼装，焊接成拱的施工方法．膺架可以采用满堂式或分离式．或两种方式相结合。采用有支架施工时，膺架的基础沉降，弹性和非弹性变形等应事先计算出．并预留拱度．膺架顶部设置微调装置，如千斤顶、丝杠等．以便对拱肋的标高和平面位置进行调整。在拱肋吊装过程中，应不断观测各支撑点的沉降．发现问题及时调整。有支架施工法通常在拱肋离地面不高、桥下无水或水不深及施工条件较好的情况下采用，是比较经济和合理的。
3．1．3缆索吊装施工法
缆索吊装施工法就是根据缆索吊机的吊装能力，先将拱肋分段预制，缆索吊机再吊装两拱脚段就位，并用扣索固定，再依次吊装其余各段并与先吊段对接．直至吊装完毕。吊装时应跟踪监控．要求对位准确．焊接可靠，拱轴线形满足设计要求。分段原则按照跨度大小．根据缆索的吊装能力确定适当分段数。缆索吊装法特别适用于跨越峡谷、深水河槽的大跨度拱桥的施工，拱肋及材料运输较为方便，索塔塔身无需太高，较为经济，不足之处是拱肋空中对接精度较难控制，拱轴线形难以精确控制，分段越多，质量和工期控制难度越大．因此根据条件应尽量提高缆索吊机的吊重能力，减少分段数，加快施工进度，尽快合拢拱肋。
3．1 4平转施工法
这是1979年我国首创成功的一种新型施工方法，其施工要点是：将拱圈分为两个半拱，分别在两岸偏离桥位的位置，利用岸坡或引桥的桥墩设置膺架，拼装拱肋和拱上立柱．形成半拱．然后水平转体就位(其转体角度小于或等于1800)，再拼装合拢段成拱。转动牵引系统主要包括上转盘和张拉千斤顶，以采用ZLD自动连续牵引系统为好。平衡防倾系统主要包括保险支腿和平衡重(一般可用低标号砂浆的浆砌片石)，在转体过程中，必须使转动部分的重心恰好。
与转盘轴心重台，以便启动时环道受力均衡，避免其偏心受压，为此
需要利用桥台自重及临时除拱顶外，不宜在其余部位设置隔仓。泵送混凝土要求和易性好，坍落度宜在18～20cm．为了减少混凝土收缩，可以加人适量的减水剂(具有早强和缓凝作用)。掺量由试验确定，并采用微膨胀混凝土，掺墨以能补偿混凝土收缩为宜。
3．2不足之处及存在问题
3．2 1管内混凝土难以保证密实．尤其是小直径钢管特别不便于施工，一般仅在大直径管混凝土中使用。
3 2．2混凝土浇灌方面，质量的保证难度大．相对普通钢筋混凝土结构施工管理要求更高，更难操作。
3．2．3钢管混凝土拱桥受到应用限制的主要因素是钢管加工困难，构件运输的自然环境条件差，大型预制构件不易到达桥位处，加之某些区域的环境因素影响．使钢管混凝土养护维修成为主要问题，从而限制了钢管混凝土在山区桥梁设计中的发展。
4施工工艺及技术要点
4．1施TT艺
4．1 1二级压注．一次成型
由于钢管为扁形，加劲肋布置较远，且矢高较大，根据混凝土所能产生的压力及扁钢管的抗变形能力计算(采用有限元结构分析软件分析计算)，若混凝土从拱脚一直压到拱顶，则混凝土的压力将把扁钢管的直线部分压弯．所以采取“二级压注，一次成型“的方法，即除原有拱脚底预留焊接的泵管接头外，在拱高1，2处(拱高含拱顶排气管1 5m)，两边对称．增设型号一致泵管接头，在紧靠拱项吊杆位置两侧设两根中20cm，高1．5m的排气增压钢管。
4．1．2施工中钢管拱的观测
为了获得较完整的测量数据，混凝土压注过程要进行全程观测。混凝土压至每一个控制点，都对拱轴线及标高施测一次，并将测量结果绘制成随时间或工况变化曲线图，根据这一曲线，可以较直观地了解钢管拱在泵送混凝土各阶段变化情况。
4 1 3压注顶升旌工程序
灌注前认真检查泵管及输送泵的各个接头．接头之间应垫像皮圈防止漏气、漏浆。开启止回闸润K1、K2，用与混凝土相同品种及标号的水泥搅拌的砂浆润滑泵车与泵管，以减小混凝土泵送时的摩阻力．砂浆必须在钢管拱外排出。对称进行灌注混凝土，同时有专人观察拱内混凝土的泵送情况，两台泵灌注的速度尽量保持一致，如有不对称现象应及时调整。最简单而实用的观察办法就是“锤击法”，即用铁锤敲击钢管拱，听到清脆的声音和沉闷的声音交界处就是混凝土已压注到的位置。这一观测能确保混凝土的对称同步浇注。如果发现两侧的压注速度不一致，应及时与泵车指挥人员联系，进行调整。小部分偏载造成的钢管拱弹性变形可以完全恢复，有效的保证了拱轴线符合设计耍求。当混凝土灌注至超过K3、K4压注7L时，停止泵送，立即关闭K1、K2闸板阀．已最快的速度将泵管接至K3、K4压注孔，打开K3、K4闸板阀．开始第二级混凝土的压注。当混凝土从排气孔冒出时，控制灌注速度．改两台泵同步对称泵送为交替泵送，继续压注1―2m3混凝土，确保钢管拱内混凝土压注密实。然后关闭止回闸阀，避免混凝土倒流，清洗泵管、泵车。灌注完成后要做好钢管混凝土的保温工作。
4．2技术要点
4．2．1混凝土配合比的优化
该混凝土要求早强、高流态、缓凝、自密性及可泵性非常好。最为关键的问题是该钢管混土为微应力混凝土。混凝土内掺膨胀剂，满足补偿收缩耍求，坍落度要求到达作业面18―20cm，初凝时间根据压注速度计算，要求控制在6h以上。设置微应力．可提高构件的承载力及改变普通混凝土灌注造成的混凝土和钢管问有间隙的现象。在配合比设计中确定微膨胀率是关键因素i钢管内部混凝土质量对工程结构安全影响很大，稍有不慎，就会出现质置事故．造成泵送困难、内有空气、不饱满、混凝土和钢管间有收缩空隙等现象。因此，对此种混凝土的配合比要多做实验，控制好膨胀率。
4．2 2混凝土的压注要两侧对称同步进行
对混凝土的压注过程中进行全程观测，结果显示：拱下半部混凝土灌注时第一至三段标高明下降，第五段至拱顶段标高明显上升。相反。当拱顶部分泵送完混凝土后，拱顶标高明显下降，而第一段至第三节段标高自动得到回升。
混凝土的自重对钢管拱线形影响比较明显。所以压注毖须对称同步进行。如果在浇注前因拼装、焊接等原因，造成一侧的控制点偏高而另一侧的偏低，则可以用非对称方式浇注进行调整．即先从偏高的一侧进行压注混凝土．同时密切观察拱的变形，当拱两侧的控制点标高基本恢复至设计标高时，两侧开始同步浇注，逐步调整两侧混凝土的压注量，最后同时压至拱顶。混凝土压至拱顶时．要继续压注，让混凝土从排气增压孔中排出1―2m3．排气孔不冒气泡时停止压注．关闭混凝土止回阀。
4 2．3二级压注，一次成型
设计要求混凝土的压注必须连续进行，而本桥扁拱的结构抗变形能力又决定了混凝土必须分两级压注。所以我们采取了“二级压注，一次成型”的压注方案。方案的关键在于二级混凝土之间的连续性。第二级混凝土必须在第一级混凝土的初凝时间内尽早开始，要求工人在两级混凝土压注间拼接泵管的速度要快，必须安排熟练工人进行。
4 2．4钢管混凝土的保温工作
混凝土和钢管之间如果产生空隙，微膨胀混凝土的优势将失去，直接影响拱的承载力。钢管混凝土的保温工作不到位是空隙产生的原因。因此，采取将钢管拱用麻袋包起等措施，尽量减小内外温差。
5材料要求
5 1水泥，细集料，粗集料，水和附加剂．砼拌和．输送．养护符合《结构砼工程规范》的规定
5．2导管灌注水下砼还应符合下列要求：
①水泥标号不低于425i初凝时间不低于2．5h
②粗骨料宣选优质级配良好的碎石
③骨料粒径不得太于导管1，8和钢筋最小净距的1／4，同时不得大于40mm．
④砂子选用级配良好的中砂．
⑤坍落度宜为180～220mm．
⑥水灰比在0．5―0 6，水泥用量不少于350kg／m3．
6钢管混凝土拱桥的施工技术
钢管混凝土拱桥也有很多施工方法，如转体施工、缆索吊装施工、门式膺架吊装施工等。竞论采用哪一种施工方法．在实现设计目标的过程中，都将受到许多确定和不确定因素(误差)的影响，包括施工设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载大小、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异。在施
工过程中要从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实之值．对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测，即桥梁施工控制技术．它可保证施工过程中其结构处在绝对安全的控制之中，并且成桥状态的线型以及受力情况满足设计要求。桥梁施工控制技术不仅是桥梁施工的重要组成部分，也是实施难度相对较大的部分。对不同体系、不同施工方法、不同材料等的桥梁，其施工控制技术要求也不一样。施工控制技术的内容包括施工控制前期计算l应力控制，几何变形控制，稳定控制．安垒控制等。
结语
钢管混凝土结构由于具有许多特点和优点，已经成为建造大型拱桥具有较强竞争力的结构，但由于钢管混凝土理论研究滞后于工程实践及施工技术，工程中出现不少问题。因此，对钢管混凝土结构施工技术的研究具有实际意义。随着设计理念和施工技术的发展，各种新型桥梁不断产生，钢管与钢管混凝土复合拱桥是一种很具有发展前景的桥型结构。国外现在研究的钢管混凝土拱桥主梁采用钢管，在受剪或受压大的区域钢管内填充混凝土，其他部分填充气泡砂浆，这样使得整个结构更加合理。采用气泡砂浆或轻质混凝土填充和采用钢管套管混凝土．能增加空钢管段的刚度，提高钢管内壁的防腐能力并改善刚度急剧变化处的受力情况，增加桥的横向稳定性，增大跨径。
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