128m系杆拱桥钢管混凝土浇筑施工技术

摘 要 本文介绍了128m系杆拱钢管混凝土浇筑施工方案，通过应力叠加原理计算，制订混凝土浇筑顺序，以满足桥梁施工中及成桥后各部分结构内力要求。

关键词 128m系杆拱 拱管内混凝土 浇筑

一、工程概况

包西铁路跨黄延高速大桥中心里程DK513+890，全长319.78m，孔跨形式为1孔32m简支T梁+1孔128m钢管混凝土系杆拱+2孔32m简支T梁+3孔24m简支T梁，因受桥址地形和净空限制，其中跨黄延高速公路一孔为128m预应力混凝土简支箱梁及钢管混凝土系杆拱，结构设计为刚性系梁刚性拱，主梁采用预应力混凝土简支箱梁，横截面为单箱三室截面。主桥设两道拱肋，拱肋采用外径130cm，壁厚δ=26mm的钢管混凝土哑铃型截面，上下弦管中心距2.2m，拱肋截面高3.5m。吊杆的张拉端位于拱肋上端。桥型布置图如图1所示。

图1桥型布置图

二、施工方案

1.总体施工方案。该桥采用先梁后拱的施工方法，主梁采用满堂支架或墩梁膺架法现浇施工。梁体施工完成后，架设拱肋支架。拱肋采用预制吊装在支架上进行组拼拱肋构件并焊接施工，待两片拱肋合拢后，吊装焊接各横撑、K撑，每片拱肋分9段在工厂里加工，每段长约13.5m左右（不含预埋段），吊装重约20吨。安装时要求两道拱肋同时进行，对称拼装。每段拱肋拼装完成后，及时安装相应横撑及K撑。（横撑及K撑安装应以跨中为对称顺序进行），拱肋拼装完成后在钢管拱内灌注混凝土。

2.钢管混凝土、拱管内混凝土浇筑施工方案。钢管内混凝土的灌注一般采用泵送顶升压注法施工，即利用泵送压力使混凝土达到密实的目的。对于跨度不大的钢管混凝土拱肋，由于钢管的直径小，均可采用两拱脚对称一次顶升泵送到位，不需要分段。但对于大跨度钢管混凝土拱肋，由于长度及钢管直径大，一次泵送混凝土用量也大，因而受输送泵压力及拱肋应力、变形的限制，需要分段泵注，以控制拱肋的应力、变形及保证施工的安全性，在分段位置处设置横隔板，并在每段拱肋顶部设置排浆孔。分段的数量视施工能力及钢管拱肋的设计载荷而定。分段太少，一次须灌注的混凝土数量较大；分段太多，则灌注的次数多、每次工程量小而耗费大量时间及人力资源，同时由于施工周期过长且拱肋多次受力而对成拱的受力不利。钢管混凝土拱的混凝土浇筑方案对拱桥施工阶段和最终成桥后的结构内力和各结构杆件的受力性能都会产生重要的影响，浇筑过程是否对施工阶段和成桥结构有利，是钢管混凝土浇筑方案的技术难点。本桥钢管混凝土拱桥式在搭设支架的基础上吊装钢管并焊接，再浇筑钢管内混凝土，浇筑钢管内混凝土实际是对钢管和其他结构杆件的一个荷载和应力施加过程，须对钢管进行强度验算。

强度验算有两种不同的方法，应力叠加法和内力叠加法，这两种方法计算的结果相差甚大。应力叠加法是考虑钢管混凝土浇筑在形成过程中各个阶段的截面特性及荷载情况而分别计算其应力，然后在截面的相应纤维处叠加起来。内力叠加法则不考虑应力的累积历史，而是按验算阶段的所有荷载和当前的截面特性，直接计算当前的应力状态。

在施工过程中，虽然混凝土浇筑后管内混凝土的强度在不断地增长，但在它到达设计强度以前，所分担的荷载有限，荷载主要由钢管承受，钢管与混凝土的应力之比一般在10以上，施工过程中往往以钢管的应力为控制因素。所以，在施工阶段采用应力叠加法，以容许应力验算有其相对合理性。

本项目对混凝土浇筑方案进行计算并比较，计算中采用如下方法及相关的规定：

（1）采用应力叠加法进行线弹性分析。

（2）钢管混凝土单元刚度以下公式计算。

（3）各施工阶段的施工荷载以该阶段混凝土湿重的20%计入。

（4）计算中仅考虑拱箱混凝土收缩、徐变的影响，未考虑温度变化及基础沉降等因素的影响。

因此，本项目钢管混凝土浇筑方案的技术研究是基于应力叠加原理的基础上，根据本桥的特点，提出了两种浇筑方案，见图2。

方案A：在各环内，按照I、III、II的顺序浇筑工作面混凝土。待前一工作面所浇筑混凝土的强度形成后，再进行下一工作面施工；计算时考虑前一工作面所浇筑混凝土以10天强度参与作用。

方案B：在一环内，开始同时浇筑I、II，III工作面中第一工作段的混凝土。待所浇筑混凝土的强度形成后再进行第二工作段施工，如此依次施工第五工作段浇筑完成；计算时考虑前一工作段所浇筑混凝土以7天强度参与作用（与方案A的工期保持大致相同）。

为证实两种方案的合理性，本项目进行了上述基于应力叠加原理的浇筑方案计算对比，通过方案计算比较获得以下结论：

方案A：在施工过程中，钢管应力变化幅度较大，且钢管应力无明显改善，最大钢管压应力超过了300MPa。

方案B：钢管应力在施工过程中变化比较平缓，下弦管最不利状态下压应力比方案A明显降低，最大压应力236MPa。上弦管最不利状态下压应力也降低到到283MPa。

可见，方案B能对上下弦管在最不利状态和成拱后的受力状态有所改善，且施工过程中内力变化平缓，比方案A更合理，故施工中采用B方案。

三、钢管内混凝土的浇注质量控制要点

（1）为保证拱肋安全稳定，混凝土的压注方式采用分段对称加载。在一环内，开始同时浇筑I、II，III工作面中第一工作段的混凝土。待所浇筑混凝土的强度达到50%设计强度后再进行第二工作段施工，依次施工，完成五个工作段浇筑；混凝土浇筑时，预先在各区段制作1.5长的混凝土溢留管，以保证拱顶段混凝土的密实。

（2）每一区段的混凝土浇筑顺序为先下弦管再上弦管，然后腹板混凝土的浇筑顺序。在浇筑上弦管的混凝土时，必须待下弦管内混凝土达80%后方能浇注上弦管混凝土；浇筑腹板区混凝土必须待上弦杆的混凝土达到80%后再浇筑才浇筑腹板区的混凝土。

（3）严格按照C50配合比组织施工，要求混凝土和易性好，水灰比为0.42，粗骨料采用5mm～25mm，坍落度按16cm控制。

（4）砼泵送必须连续作业，必须配置备用的输送泵。

（5）对钢管混凝土内部质量采用超声波进行无损检测，为对管内混凝土匀质性及填充效果进行评价，本桥委托兰州交大建筑材料测试中心对桥进行了检测。全桥布置48个测区，检测结果证明：混凝土均质性良好，无空管、空洞现象；混凝土填充度达到99.4%以上，满足设计要求。

四、结束语

首先，钢管混凝土的浇注过秤是对已有结构的一个继续施加荷载的过程，必须考虑钢管混凝土初始应力对后期浇筑混凝土、拱桥各施工阶段和最终成桥后内力和各结构杆件的受力情况。其次，钢管混凝土浇筑过程的应力叠加原理，充分考虑到钢管混凝土的成形过程对拱桥各施工阶段内力和各杆件的受力影响，可以为施工过程提供参考。再次，通过基于应力叠加原理的浇注方案的理论计算，并配以计算值数值模拟仿真技术，得到了该桥的钢管混凝土合理浇注方案，并在实践中得到验证，可为类似的钢管混凝土拱肋的混凝土浇筑提供参考。