琼州大桥钢管混凝土系杆拱施工.docx
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琼州大桥钢管混凝土系杆拱施工
钢管混凝土系杆拱施工
湖南省通盛工程有限公司袁智慧
[摘要]:
本文详述了琼州大桥钢管混凝土系杆拱桥的施工工艺,可供同类大桥施工时借鉴和参考。
关键词:
钢管拱分段钢管拱肋安装预埋拱脚边拱次边拱顶拱管内混凝土灌注吊杆张拉
一、琼州大桥工程概况
琼州大桥主桥为5跨钢管混凝土系杆拱结构,墩中距分别为88、98、108、98、88m,相应的净跨径分别为79、88、98、88、79m。
拱肋为等截面的钢管混凝土结构,钢管混凝土拱肋截面为亚铃形。
拱壁厚度:
拱脚段为16mm,其余为14mm,包括风撑在内,采用Q345D钢板在工厂卷制焊接成钢管,煨弯成设计的拱形,现场拼装成拱。
本文全面介绍钢管系杆拱桥施工工艺,从中总结经验以期进一步提高施工技艺。
二、琼州大桥钢管拱分段
1、钢管拱基本技术数据
琼州大桥系杆拱,设计分3种跨径。
虽然跨径不同,但是,各跨拱轴线都是二次抛物线,净矢跨比都是f/L=1/4.5。
抛物线方程:
y=f-4(f+Δf)X/L2
拱轴线切线角:
tgα=8(f+Δf)X/L2
式中:
f—矢高,跨径108m的矢高
跨径108m的计算矢高为2218.2cm、净矢高2117.7cm、拱顶缘矢高2357.7cm;
跨径98m的计算矢高为2006.5cm、净矢高1955.6cm、拱顶缘矢高2195.6cm;
跨径88m的计算矢高为1812.9cm、净矢高1755.6cm、拱顶缘矢高1995.6cm。
琼州大桥系杆拱主拱圈采取少支架现场拼装成拱。
拱肋在工厂卷焊成管、煨弯成拱,按照施工设计图要求分段制作。
5孔钢管系杆拱,分成3种不同跨径,矢跨比为f/L=1/4.5。
计算矢高:
孔径108m的矢高为2218.2cm;98m的矢高为2006.5cm,88m的矢高为1812.9cm。
相应的孔径的安装预留拱度,分别为10、9、8cm。
2、拱肋安装分段
施工设计图规定,各孔径钢管拱,每孔的拱肋皆分为7段现场拼装,拱脚预埋段与预应力系梁和端横梁浇注在一起,构筑成固结结构,是钢管混凝土系杆拱桥的关键部位。
其余5段采用少支架现场拼装。
三、系杆拱桥安装方法
系杆拱桥受力特点:
既有梁桥的特征,也有拱桥的优势,因此,能跨越较大的跨径。
钢管混凝土系杆拱桥构造特征是:
拱肋是由钢管和混凝土组成;一般先架设钢管,然后,灌注混凝土,最后形成钢管混凝土拱。
钢管混凝土系杆拱桥施工大致分为两种主要类型:
1、第一类施工方法
(1)在桥梁墩台上,将拱脚预埋段拱肋与端横梁和系梁端部节段浇
注在一起,构筑成固结结构;
(2)采取支架施工,安装钢管拱肋,拼装成钢管拱;
(3)视墩台抵抗水平力的能力,在两拱脚之间张拉无粘结力的钢绞
线,平衡钢管混凝土拱肋产生的水平力;
(4)调整好立面位置,即可灌注钢管内混凝土;
(5)安装吊杆、吊杆横梁;张拉吊杆;
(6)以吊杆横梁为支承,现场浇注系梁,张拉预应力钢束、卸架,
最后安装桥面板。
该种施工方法,简单称为先拱后梁法。
其特点:
省浇注系梁的支架,吊杆与系梁上、下位置极易对齐,保持垂直。
2、第二类施工方法
(1)在桥梁墩台上,将拱脚预埋段拱肋与端横梁和系梁端部节段浇
注在一起,构筑成固结结构;
(2)搭设系梁支架,构筑平台,预压支架,支立模板,浇注预应力系梁混凝土;
(3)安装横梁;
(4)张拉系梁预应力钢束;
(5)在系梁上支立少支架,拼装钢管拱;
(6)向钢管内压注混凝土;
(7)安装吊杆,下端锚固横梁,张拉吊杆,卸架;
(8)安装桥面板。
该种施工方法,简单地称为先梁后拱法。
其特点:
施工安全度大,支立少量支架,拼装钢管拱。
但是,吊杆与横梁上、下难以垂直对齐。
此外,还有转体安装法,或整体吊装安装。
琼州大桥钢管混凝土系杆拱桥,采用第二类施工方法,先梁后拱安装方法。
即先搭设系梁支架,构筑系梁平台,支立系梁模板,浇注系梁混凝土,安装吊杆横梁,初步张拉系梁预应力钢束。
待系梁混凝土达到设计强度后,始安装钢管拱肋。
1、拱肋上、下缘纵坐标
琼州大桥钢管拱桥,虽然其拱轴线为二次抛物线,但是因为截面为等截面压力哑铃形,其上、下缘已不是二次抛物线,而是两条不同的高次抛物线。
但是计算起来繁杂,我们采用AutoCAD2000绘图软件,取步距为1mm,成功的绘制出钢管拱上、下缘曲线,实现电脑放样,轻松的到钢管拱任意处的上、下缘坐标,以达到制造和控制钢管安装质量(图1)。
图1跨径108m系杆拱桥构造(尺寸单位:
cm)
图中:
a为吊杆间距,跨径108m的吊杆间距705cm;
跨径98m的吊杆间距682cm;跨径88m的吊杆间距664cm
2、系杆拱桥钢管拱安装顺序
琼州大桥5孔系杆拱桥,先从海口16—17号墩之间的桥孔安装,搭设支架,浇注系梁,依此浇注15—16孔,18—19孔,19—20孔,17—18孔。
相应的钢管拱安装顺序,与上相同。
3、钢管拱安装程序
(1)拼装缆索吊装塔架
在钢管拱拼装之前,在引桥14号墩和23号墩上搭设缆索塔架,架设吊缆,完成缆索吊设备,按吊杆横梁最大吊重300kN试吊观测、测量、控制,保证吊装作业顺利进行;
(2)预埋钢管拱拱脚
支立墩顶横梁和系梁端部模板,安装拱脚预埋段钢管拱肋,并用工字钢、槽钢作支撑,稳固拱脚预埋段,并通过精确测量,控制拱脚坐标符合设计位置;在混凝土浇筑过程中,仔细进行监控,防止在浇注混凝土过程中发生位移;
(3)利用系杆中预埋铁板,用万能杆件配合槽钢在系杆梁上搭设简易支架,支承钢管拱肋拼装的接头,见图2。
用全站仪对接头位置定位定位和测量检验,控制接头位置的坐标高程。
图2系梁上的简易支架
尺寸单位:
cm
完成上述准备工作,着手安装钢管拱肋,按先边段、次边段、中间段次序吊装,镙栓接头。
在吊装过程中,同时进行监控,观测钢管拱肋中线位置和接头高程。
测量监控如付图所示,具体步骤如下:
a.吊装边段拱时,以已测知坐标及高程的三点A,B,D重合边段拱拱身上的对应点A`,B`,D`来调整拱身,并且在稳定桩O上架立全站仪测出C点的坐标高程对应理论数值来验查,然后用千斤顶调整预拱度。
b.同理,以C,D,F为吊装基本位置点,以E点为测量点,监控次边拱,再调出预拱度。
c.在吊装顶拱时,以两个接头的四个点控制检验。
(4)边段拱肋就位
用缆索吊装设施,将边段钢管拱肋吊运至安装孔,通过设置在墩顶横梁上的卷扬机,再将拱肋横移至安装位置,徐徐松驰起重索,使边段拱肋下端与拱脚预埋段管端头对接,临时用镙栓连接。
注意,此时,镙栓不要拧的太紧。
边段钢管拱肋另一端落在支架上(接头1)。
用经纬仪调整钢管拱肋中线,使其左右偏差不大于0.5~1cm,且用水准仪调整上端头接头处标高,使接头比设计高程抬高5~10cm左右,最后松摘吊点,将边段拱肋完全落于千斤顶的支架上。
同一孔一边两个边段拱肋安装完成后,在安装次边段前,应当反复核对接头高程。
然后再进行对应边拱安装。
(5)次边段拱肋就位
重复上前述程序,次边段拱肋横移至安装位置,慢松起重索,与边段拱肋端头对接,用临时镙镙栓连接,也不能太紧,另一端落于支架上(接头2),用经纬仪调整拱肋中线,使其偏差不大于0.5~1cm,并用水准仪观测上端接头,用500kN的千斤顶,调整接头3的标高,将上端接头处预抬高10~20cm,即为接头2的预加高度的2倍,最后松摘吊点,使次边段拱肋完全落在支架3上。
(7)拱顶段拱肋安装
重复前述程序,将顶端拱肋吊装到安装孔。
就位钢管拱肋合拢。
拱肋合拢是钢管拱肋安装作业中的关键工序。
为使钢管拱肋位置符合
设计要求,保证安装质量,必须用两部水准仪,同时观测4个接头(支架3)标高,并用经纬仪观测两条拱肋的中线。
程序如下:
慢松起重索,同时控制住拱肋两端标高,当降至比设计高出1~3cm时,停止松起重索;
按先降边段拱肋,后次边段拱肋顺序,两侧接头处均匀下降,反复循环至与拱顶接头合拢;
用镙栓临时连接拱顶接头;
依次降边段、次边段拱肋起重索,使各接头处标高符合要求;
调整拱肋中线位置,符合设计要求后便固定;
拧紧镙栓,并用薄钢板嵌塞缝隙;
电焊各接头部件。
(8)安装风撑
当一孔钢管拱肋安装完毕,位置调整得符合设计要求后,用缆索吊安装风撑,安装就位,使整孔钢管拱成为一个空间稳定结构。
(9)卸架成拱
卸架成拱次序,先降边段拱肋,然后降次边段拱肋,两条拱肋两边对称、均匀卸架,每次下降高度不超过1cm;
在卸架过程中,同时观测各接头点标高,拱顶及1/8跨截面标高,并随时进行调整。
同时,考虑海口地区温度特点,为保证合拢时温度要求,将合拢时间安排在凉爽的傍晚进行。
四、钢管混凝土施工工艺
1、混凝土配合比设计
⑴拱圈混凝土材料
水泥:
425号普通硅酸盐水泥,广西柳州通峰水泥股份有限公司生产,
各项指标均符合现行国家标准。
砂:
海口南渡江中上游河砂,中砂,视比重γ=2.612,含泥量1.5%,
平均吸水率1.19%。
碎石:
海口永安军企石场生产的碎石,粒径范围5—25毫米,平均含泥
量0.6%,平均吸水率1.55%。
掺和剂:
海口马村电场
级粉煤灰。
外加剂:
江西武冠WG—HEA混凝土防水剂。
⑵拱圈混凝土配合比设计原则
①配制的混凝土抗压强度,满足C40号混凝土的技术要求,比设计标
号,高出一个等级,即C50号;
②水灰比应当小于或等于0.35,坍落度宜在12—18厘米;
③混凝土和易性及初凝时间,应满足每孔管道的压注完毕后,仍有良
好的和易性,为此掺加WG—HEA防水剂,目的改善混凝土的和易性,减少用水量,水化时生成微细颗粒,填充混凝土中孔隙,使管内混凝土更加密实。
⑶拱圈混凝土配合比设计
拱圈混凝土设计标号为C50号,坍落度18—20厘米,适应钢管混凝土灌
注。
经过设计、实验,确定出混凝土配合比,见表1。
琼桥钢管拱内压注混凝土配合比表1
混凝土中各种材料用量
kg/m3
水
水
泥
砂
石
掺合剂
外
加
剂
水
灰
比
砂率
%
抗压强度
MPa
189
470
744
1027
27
43
0.35
42
7
28
重量配合比例
kg
0.40:
1:
1.583:
2.185:
0.057:
0.09
0.35
42
44.7
57.6
2、钢管拱压注施工
注随着工业化水平的不断提高,钢管拱圈混凝土浇注方法,通常都采用
泵送顶升压法,从拱脚一次对称浇注至拱顶。
当压注高、泵送距离远时,也可采取分级泵送。
比较成熟的工艺流程是:
准备工作——压注管内混凝土——关闭压注口处闸阀、稳压——拆除闸阀,完成压注。
(1)压注前准备工作
①安装高压泵,敷设泵送管道
琼桥泵送最远距离100米,最近距离5米,压送最大高程45米。
钢管拱肋的拱脚处,在上下钢管上,分别设置设置一个混凝土进料导管,露出系杆顶面30厘米,顶口处设置法兰盘接头和插板,与输送泵管道相接;塞钢管内法兰盘间缝隙;
②在灌注混凝土前进方向上,每隔30米处设一个排气孔,能使管内的空气排出;在距离拱顶截面30厘米处,两边对称各设一个排孔,分别排除拱顶截面两边的被压缩的空气,以使混凝土能够顺利的灌注满拱肋;
③在钢管上,每隔3.00米,设置一部固定附着振捣器备用,便于浇注边灌边振,保证混凝土密实;
④在灌注前,先注入清水清洗,不得留有油污、锈蚀物;
⑤精心布置,做好人员配置,明确各自的工作岗位和职责。
为保证混凝土泵输送成功,在开始浇注前,应按实际距离和高度,进行泵送和压注模拟试验,检查设备运转是否正常,也使每个工作人员做到心中有数,确保准工作无误,使压注作业顺利进行。
(2)压注钢管混凝土方法
在灌注钢管混凝土时,先灌注拱圈下钢管混凝土,采取顶升法灌注,从两拱脚向拱顶压注。
灌注混凝土的速度,拱顶两边的压注速度要匀速、对称,采取慢速抵压的方式,两端混凝土顶面高差不大于1米。
当压注的混凝土顶面,接近拱顶截面时,要避免出现一边压注过快现象,绝对避免越过拱顶截面,引起钢管骨架纵向振动而失稳。
压注工作业要一次完成拱圈下环混凝土的压注,然后用插板堵死送料开口,防止混凝土外溢。
待下环混凝土强度达到设计强度的80%,再采用同样方法,灌注拱圈上横撑钢管内混凝土,直至钢管拱圈形成。
在压注作业过程中,应派实验人员在拌和站监督、检查配合比是否按设计的规定作业,外加剂使用的是否得当,坍落度是否符合要求。
工程技术人员应在现场监测拱座的位移,发现不正常情况,及时反馈信息,采取适当措施。
(3)钢管混凝土压注的技术措施
压注压注作业正式实施前,应先泵入水泥浆进行观测,是否有异常现象,
一切正常后再连续泵入混凝土。
压注钢管灌注时,环境气温应不低于5°C;当环境气温高于40°C时,钢
管内温度高于60C时,应采取措施降低温度,或选择应考虑在天气凉爽时灌注。
四、钢管混凝土质量检测
按照《公路工程质量检验评定标准》(JTJ071—94)的规定,应对钢管混凝土浇注质量进行检测,其检测项目,见表2。
钢管拱肋混凝土浇注质量实测项目表2
项次
检查项目
规定值或允许值
检查方法和频率
1
混凝土强度(MPa)
在合格标准内
按JTJ071—98的附录D检查
2
混凝土填充度
≥98%
在拱顶、L/4
3
轴线横向偏移
(mm)
拱顶
1/5000
用经纬仪检查
L/4
1/6000
4
拱顶、拱脚及接头高程(mm)
+20,-0
用水准仪检查
表2中的第1项检测项目,钢管内的混凝土强度,通常是严格控制通过
实验确定的混凝土配合比,按规定规定预留的混凝土试块,作事后检测。
表2中的3、4项检测项目,通常用仪器观测确定。
表2中的第2项检测项目,《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041—2000)规定,应以超声波检测为主,人工敲击为辅。
在钢管混凝土施工中,时常出现的缺陷有以下几种:
(1)空腔由于在灌注过程中,拱肋内排气不良,或灌注间断而残留在
混凝土内的空气造成的;
(2)收缩缝由于混凝土的水灰比过大,水泥用量过高,微胀量不足造
成的;
(3)混凝土与管壁粘结不良由管内壁锈造成的;
(4)混凝土离析由混凝土配料不佳,骨料堆积或采取抛投灌注造成的;
(5)混凝土不密实由于泵力不足,或灌注速度过快造成的。
混凝土灌注程序和注意事项:
(1)先灌注下环钢管拱肋混凝土,待下环混凝土达到设计强度90%以上,才能用同样方法浇上环钢管拱肋。
(2)泵送混凝土时,钢管拱肋两边泵送速度应协调一致,对称顶升,特别是接近拱顶时,要避免上升过快,切忌避免任一边混凝土超过拱顶。
以免引起钢管拱肋纵向振动:
(3)灌注混凝土时,要对拱轴线变形进行观测,用经纬仪测量横向偏位,用水准仪对1/4跨、1/8跨及拱顶各点进行观测。
灌注钢管内混凝土要注意:
1.严格控制混泥土拌送过程,保证一次性升顶成功。
2.浇筑过程中应时刻敲击测定混泥土容量。
3.对于混泥土散热,应及时养生保护。
五、吊杆安装张拉
钢管内的混凝土达到设计强度后,开始安装吊杆,并张拉,左右拱圈吊杆同步作业。
1、吊杆张拉
(1)吊杆第一次张拉,使系梁脱离模板支架;以跨径108m为例,各个吊杆张拉数值,见表3。
(注:
由海口至琼山方向编号1—7)单位:
KN
跨径108m为例吊杆第一次张拉数值表3
吊杆标号
3号
6号
4号
1号
5号
7号
2号
张拉数值
820
800
780
780
780
780
780
(2)吊杆第二次张拉,使桥面达到高程;各个吊杆张拉数值,见表4。
跨径108m为例吊杆第二次张拉数值表4
吊杆标号
3号
6号
4号
1号
5号
7号
2号
张拉数值
980
960
950
950
950
950
950
(3)吊杆第三次张拉,使使系梁达到高程要求;各个吊杆张拉数值,见表5。
每次张拉都以吊杆中线(即横隔板中线)为测量高程控制点。
跨径108m为例吊杆第二次张拉数值表5
吊杆标号
3号
6号
4号
1号
5号
7号
2号
张拉数值
1250
1250
1220
1150
1020
970
970
2、由于吊杆张拉位置特殊,导致施工危险性增加,在施工中,施工人员都配备高空作业用具如保护索,安全帽等,以保证施工人员的安全。
六、桥面板按装
在完成钢管拱安装,钢管混泥土浇筑,吊杆张拉以及吊杆横梁和T型梁吊装后,根据施工方案安排,我们开始桥面工程施工,按设计图纸绑扎钢筋,同时吊装人行道板,现浇15cm厚的桥面,安装泻水孔。
七、 结束语
在钢管拱安装过程中,最关键的一点,笔者认为是钢管拱肋拼拢的过程,需要把握住每一个细节:
具体细节:
1、预拱度的把握,根据经验适当控制,用千斤顶调整。
2、合拢过程中,随时比较对照各段的下降情况,保证顺利衔接。
3、在合拢下降时,测量控制中线位置,保证拱身不发生错位,扭转等危险情况。
参考文献
1、黄绳武. 桥梁施工及组织管理. 北京:
人民交通出版社,1993.
2、公路桥涵施工规范(JTJ041—058).北京:
人民交通出版社,2000.
3、公路工程水泥混凝土试验规程JTJ053-94·北京:
人民交通出版2000·
4、《公路桥涵设计手册》——基本资料.1993年.人民交通出版社
5、交通部第一公路工程总公司主编.《公路施工手册桥涵施工手册》.
北京:
人民交通出版社,2000.
6、《混凝土强度评定标准》(JTJ053—94).北京:
人民交通出版社,
7、陈宝春编著《钢管混凝土拱桥设计与施工》.北京:
人民交通出版社,2000.
8、《公路工程质量检验评定标准》(JTJ071—94).北京:
人民交通出版社,2000.
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