不平衡大跨度拱加劲连续刚构上部结构施工关键技术研究

胡晓东

(中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230041)

1 工程概况

景洪澜沧江大桥位于大理至瑞丽的铁路桥，横跨澜沧江两岸，地形十分复杂，建设施工难度极大。效果图如图1所示。该桥设计为拱加劲预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为(70+200+70)m，桥梁上部结构为预应力混凝土连续刚构与钢管混凝土拱组合结构。混凝土主梁为单箱单室、变高度、变截面箱梁，标准截面底宽9.8m、顶宽13m，设计纵、横、竖三向预应力体系，采用C55高性能混凝土。全梁划分为93个节段，边跨为18个节段、1/2中跨为26个节段及1个合龙段。

图1 景洪澜沧江大桥全桥效果图

其中边中跨不平衡长度达30m，中跨不平衡施工节段8个。加劲钢管拱跨度L=200m，矢高f=40m，矢跨比1/5，拱轴线采用二次抛物线。钢管拱采用平行拱肋，横桥向中心间距11.2m，单榀拱肋为等高哑铃型截面、高度为4.3m，上、下弦圆管外径均为1200mm，壁厚分别为24和32mm。拱脚11m范围为实腹段，其余为空腹段，靠箱型腹杆和吊杆锚箱连接，两榀拱肋间设置9道米字横撑。拱肋及横撑为Q345qD钢材，箱型腹杆及锚箱为Q345qE钢材，上、下弦管内填充C55微膨胀混凝土(腹板及风撑不填充)，共划分21个安装节段(不含拱脚预埋段)。单榀拱设19对平行竖直吊杆，间距为(19+9×9+19)m，全桥共设38组吊杆，每组吊杆由2根M.GJ15—19钢绞线整束挤压型拉索组成。

2 总体施工方案

总体采用“先梁后拱”施工方法[1-2]。首先，2个主墩T构采用菱形挂篮节段对称悬浇施工混凝土主梁，待边跨合龙后分阶段锚固，继续施工中跨不平衡节段，直至全梁合龙。然后，采用“矮支架+竖直提升结合法”安装钢管拱，顶升法灌注钢管混凝土。最后，安装并张拉吊杆，完成上部结构施工。

2.1 混凝土主梁施工方案

混凝土主梁施工流程：0#段托架安装及预压→0#段分次浇筑→挂篮拼装及预压→挂篮对称悬臂施工1(1a)#～18(18a)#节段→边跨支架法施工19#节段(边跨合龙)→挂篮施工中跨不平衡19a～26a#节段(边跨分阶段平衡配重)→施工27a#段(中跨合龙)→拆除挂篮及支架→完成主梁施工。

2.2 钢管拱施工方案

钢管拱采用“矮支架+竖直提升结合法”施工[3]。根据钢管拱安装高度将拱肋划分为两侧拱脚段和中跨段，两侧拱脚段采用矮支架原位安装，中跨段在梁面矮支架拼装为整体，设置水平对拉钢束控制变形，再利用提升塔架和同步连续千斤顶将拱肋竖直提升至设计高度，最后利用塔架顶部横桥向位移装置，将提升段嵌入两端原位拼装拱肋间，完成合龙。然后采用一级泵送顶升法，先下弦管、后上弦管，分批次灌注拱肋混凝土。最后安装吊杆，分级调整索力，完成钢管拱施工。

3 上部结构施工关键技术

3.1 不平衡大跨度混凝土主梁关键施工技术

本桥梁位于西双版纳州景洪市自然保护区内，为V型河谷，主跨200m跨越澜沧江五级通航河道，两岸边跨跨越既有主干道路，当地全年分为旱季和雨季，最低温度在35℃以上，旱季(10月—来年4月)为施工黄金季节，雨季(5—9月)降水量占全年的80%、且持续35℃以上高温。

因此，为了在节段悬浇施工中节约时间、提高效率，文章采用新型挂篮一体化工装及中跨不平衡段施工技术，确保能够按时完成施工任务[4]。

3.1.1挂篮一体化工装

为了克服当地环境和气候不利条件，针对本工程节段挂篮悬浇施工特点，对挂篮进行工装创新，综合运用一体化工装，在保证质量和安全的基础上，达到全天候施工目标。挂篮一体化工装实景图如图2所示。

图2 挂篮一体化工装实景图

(1)设计悬臂吊V型河谷应用于挂篮主桁。本桥边跨70m、主跨200m，主墩处常规塔吊无法全覆盖所有施工节段，这有效解决了塔吊不能覆盖节段吊装运输的难题。根据实际施工需要，设计悬臂吊参数，再根据悬臂吊对挂篮主体结构进行设计。

(2)对挂篮底部设计兜底防护棚。这有效解决跨河、跨路施工过程中，高空坠物安全隐患[5]。同时，兼做废浆、废水收集容器，避免对澜沧江水体及周边环境造成污染。

(3)对菱形挂篮主桁设计折叠式雨棚。这不仅降低下雨对施工的影响，而且兼做遮阳棚，改善作业环境，达到防暑降温的目的。

(4)设计“之”型人行通道。连接挂篮梁面与底板作业平台，确保人员通行安全和作业效率[6]。梁体高度最大11m，利用挂篮外侧模桁架，采用槽钢加工悬挑横担及斜撑、利用槽钢和钢板加工楼梯、转角平台，组装为“之”型通道。通道底端支撑于下部作业平台、但分离设计，不影响挂篮底模系统脱模及走行。

(5)将悬挑式作业平台应用于挂篮前端、后端及内模，需要作业的地方均有标准化平台，确保施工安全。平台均采用槽钢、角钢、钢管焊接制作，铺设厚木板、设置标准护栏及踢脚板，具有足够刚度、强度，便于安装和拆除，利用内模背带焊制作业平台并适当向后悬挑，便于拉杆安拆、布料及振捣、接茬缝外观修复等。

3.1.2中跨不平衡段施工技术

桥梁主跨200m，边跨仅70m，不平衡长度达30m，在同类型桥梁中尚不多见，结构受力复杂，其中跨不平衡节段施工技术难度大[7]。

本文采用提前与设计单位对接边跨配重措施的方法，采取桥台预埋钢束，分阶段张拉锚固，解决中跨不平衡段施工难题[8]。桥台钻孔桩和承台考虑锚固措施后加强设计，并处理好桩基钢筋笼与承台的连接，确保主体结构安全。采用预应力钢绞线束锚固，充分发挥材料特性，减少预埋对主体结构的影响。采用低松弛无粘结预应力钢绞线，延缓施工期发生锈蚀，确保锚固质量，预埋钢管成孔，确保孔道竖直。匹配锚具组件加工厚钢板，确保锚固受力，同时确保梁体局部抗压安全。配套夹片限位板，确保锁定牢靠，降低预应力损失。结合施工情况，单端桥台处设计6束M15-12钢绞线，分3个阶段张拉锚固，每个阶段对称张拉锚固2束，每束张拉力为1250kN。待二期恒载施工完毕后，对称逐根拆除。

3.2 边、中跨合龙段关键施工技术

3.2.1边跨合龙段施工方法

本桥边跨无单独合龙段，边跨现浇段施工完成即合龙边跨，边跨现浇段总长度7.4m，端部实心加厚段长度5.9m(2×1.6m人孔)，混凝土方量为325.8m3。边跨合龙段下方均为岩质边坡，且梁底距离原地面不足2m，故采用混凝土垫层基础+型钢支架进行施工[9]。

在支架施工时，利用砂箱预留足够脱模空间，在底模板与型钢分配梁间加设四氟滑板，确保梁体能够纵向自由变形。边跨为实心段，且梁端为纵向预应力束锚固区，钢筋及孔道密集。利用BIM技术，建立三维可视化模型进行空间碰撞检查与优化，制定各构件安装顺序，确保施工节点不受影响。加工定型梳齿板钢模作为梁端预应力束张拉槽口，优化槽口钢筋、便于后期封端处理。在整个施工期，需持续观测梁体和温度变化，提前进行混凝土浇筑施工组织交底和部署，在夜间温度最低时段，快速、连续浇筑混凝土，进行边跨合龙。做好混凝土温控及养护措施，确保实体质量。

3.2.2中跨合龙段施工技术

中跨合龙段长2m、高4.5m，截面形式为单箱单室结构，采用C55微膨胀混凝土44.6m3。一侧挂篮适当前移，采用底、侧模进行合龙段施工。将另一侧挂篮后移一个节段，并适当配重，根据监控量测数据，调整梁段两端中心线及标高。在合龙口腹板上下倒角位置间利用钢管支撑和千斤顶施加顶推力(顶推力按设计指导意见，结合应力、位移、温度监测实际情况确定)，采用工字钢结合前一个节段预埋钢板进行焊接锁定合龙口(先焊完同一端焊缝，当天最低温时，施加顶梁力并焊接另一端焊缝，焊接要对称、快速，确保受力均匀)锁定工字钢位于梁面和底板顶面、靠近腹板对称设置，形成体外支撑，卸载千斤顶完成体系转换。按设计意见上下交替张拉临时锁定束锁定合龙支架。利用上一节段预埋吊点，采用精轧螺纹钢锁定安装合龙段底、侧模，安装钢筋、预应力管道，安装内模、埋设跨中应力计等。根据温度监测指导，在一天温度最低时段，快速、连续浇筑合龙段混凝土，完成全梁合龙。合龙段混凝土浇筑后及时保湿保温养护，由于跨度大、梁体受日照温差影响大，养护期间采取对梁体分区洒水降温，控制梁体内外及温差。

3.3 大跨度钢管拱安装关键施工技术

3.3.1拼装支架设计

拼装支架分为2部分，靠近拱脚节段原位拼装支架，中跨提升段拱肋拼装矮支架，如图3所示。承重支架是保证拱肋架设顺利进行的重要临设项目，承担各个拱段的自重荷载和外部荷载，属重要受力结构，必须具有足够的刚度、强度和稳定性[10]。根据拱肋现场架设需求，在拱段对接位置设置承重支架，并按作业要求设置安全操作平台。

图3 拼装支架设计总图

拼装支架采用装配式格构柱形式，标准节高3.0、2.5、2.0m。连接系也采用格构柱形式，截面均为1.5m×1.5m，标准节连接均采用法兰螺栓连接。立柱φ180mm×6mm钢管，横联直管159mm×5mm，横联斜撑60mm×5mm。支架体系现场主要采用汽车吊配合进行，采用螺栓法兰连接，并保证支架底部固定质量和安装精度。支架顶部安装双拼I22a型钢作为承重分配梁，并安装定位鞍座，鞍座两侧设置水平和竖向千斤顶，上拱肋两侧设置手拉葫芦，可对拱肋进行三向位移精确调整，里程调整采用相邻节段口焊制临时马板，安放千斤顶完成。如图4所示。

图4 拱肋定位鞍座及三向调节

综合考虑拱肋自重、施工荷载及风荷载，采用Midas Civil 2016对拼装支架进行建模仿真计算分析[11]。结果得出，结构最大应力值约为100MPa，最大竖向变形出现在支架与横向桁架中间处、变形为2.66mm，结构未出现明显的局部振动，水平向及竖向整体稳定性较好，稳定系数为45.63。最终表明，拼装后整桥结构强度、刚度和稳定性均满足要求。

3.3.2提升塔架设计

提升塔架：采用钢管桁架形式，梁面预埋支架锚板基础，精轧螺纹钢锁定加强。钢管立柱底部采用箱型钢板分配，立柱采用φ1000mm×10mm钢管，连接系采用φ420mm×8mm钢管。顶部分配梁采用HN1000mm×300mm双拼H型钢，提升平台受力横梁采用321型贝雷片，横桥向布置7片为一榀(中间1片调节片，两端各3片贝雷片)，纵桥向每组11榀、间距22.5cm。贝雷梁顶面纵桥向铺设I 12.6工字钢，间距1.0m，工字钢间距内密铺10cm×10cm方木+3cm木板进行标高调节，使其与I 12.6工字钢顶面平整，共同作为走行台车钢轨轨枕。工字钢顶面铺设P60钢轨、单根20m整长，单侧布设2组轨道、间距1.5m、双侧共4组，钢轨与工字钢顶面采用焊接“Z”型钢板卡密贴压制固定；钢轨顶部安装走行台车，然后铺设纵横向型钢分配梁，最后安放提升千斤顶。如图5所示。

图5 钢管拱提升塔架设计

提升塔架综合考虑提升拱段自重、风荷载，结合负载走行和偏心受力等各种工况设计，经过计算，提升支架应力最大为83.70MPa，反力最大值为1563KN，挠度最大为21.85mm，满足验算要求。

3.3.3对拉和提升施工

在提升段拱肋在正投影矮支架上拼装完成后，需要在两端安装对拉和提升临时拱脚。临时拱脚由抱箍钢板、对拉钢板、加强筋板组焊而成。为减少对拱肋主体焊接，采用抱箍栓接，对拉索和提升索均采用钢绞线束。每片拱肋处设置2束对拉索组，共4束、每束10根钢绞线组成，每束对拉索布置1台150t油缸及底锚支架。4个吊点共各布1束提升索，共4束、每束15根钢绞线组成，每束提升索布置1台350t油缸及底锚支架，每处塔架两台泵站采用计算机自动监测的同步提升系统，确保整体同步提升。如图6所示。

图6 对拉和提升临时拱脚设计

提升索和对拉索拉力必须根据提升工况设计值同步分级加载。80%以前按20%逐级加载，80%及以后按5%逐级加载至100%，同步检查支架自身及拱肋脱架情况，拱肋未全部脱架时，继续按5%加载直至拱肋全部脱架。加载过程中，检查拱肋锚点结构、塔顶锚点结构和对拉索锚点结构，检查底锚钢绞线和底锚锁紧螺丝情况情况，对主塔架垂直度进行监测。全部脱架后，锁定提升索和对拉索，全面检查提升系统，做好拱肋揽风固定措施，静载12h，期间拆除空间影响部分拼装矮支架。根据实际提升拉力，调节提升泵站系统压力，使得系统压力大于负载压力3～5MPa，开始正式拱肋提升。提升过程中监控进索量，宜1m/15min控制，同时监控各个提升油缸的载荷变化，每15min检查一次塔顶偏移情况，塔顶偏移控制在15mm内。拱肋提升至距离设计高度300mm时，降低提升速度，按50mm每级逐步提升，直至初步到达设计位置。

3.3.4钢管拱合龙施工

利用千斤顶自锁功能锁定提升索，对合龙口进行监控量测，监测气温与设计合龙指导温度相近时，驱动塔架上部台车，提升系统负载缓慢走行，使提升段拱肋嵌入两端拱脚已拼装定位好的拱肋间，必要时通过对拉索调节。根据监控量测数据指导进行微调，使得提升段拱肋与两端拱肋精确对接，合龙口临时马板固定，提升段拱肋与塔架刚性连接固定，然后根据温度情况，适时、对称、均匀、同步施焊，最后完成拱肋合龙。

通过计算，对拉索最大支反力为3165kN，提升索的最大反力为1736kN，上述钢绞线束布置满足要求。拱肋组合应力48.2MPa、自身最大变形15mm，拱肋强度及刚度满足要求。对拉和提升临时拱脚采用Ansys建模进行有限元分析，最大应力为171.9Mpa，最大变形为2.5mm，强度及刚度满足要求。

3.4 钢管混凝土灌注关键施工技术

3.4.1配合比设计及优化

混凝土具有良好的和易性、流动性，利于泵送，具有良好的微膨胀性，部分补偿收缩，利于填充密实[12]。拱肋填充混凝土为高性能C55微膨胀混凝土，需达到免振捣、自密实、补偿收缩等功能。单根下弦管216m3，单根上弦管231.1m3，全桥共计894.2m3。单管在拱顶设隔板，两端拱脚一级泵送顶升法，同步灌注混凝土。根据单次灌注数量、拌和站生产能力、地泵泵送能力，结合运距、气温、原材料实际情况，综合设计配合比，使钢管混凝土既能满足设计强度，又能满足泵送施工性能。确保原材料质量、选用高效外加剂，并对配合比进行验证和优化。混凝土5d强度需达到设计强度的90%，28d需达到设计强度的100%；初凝时间大于12h，终凝时间小于16h，塌落度190～220mm，3h后塌落度大于170mm。

3.4.2灌注施工组织

钢管混凝土灌注施工工艺较为成熟，技术难度不大，重难点是如何确保混凝土快速、连续灌注。

(1)施工准备。上下弦管拱顶部均设置隔舱，两侧各1个出浆孔，出浆位置高于拱顶1.5m。拱脚每根管设置1个灌注孔、距离梁面高约4m，在高度28m位置设置备用灌注口，排渣孔设置在每根弦管根部最低位置，在钢管拱内废渣清理完成以后及时用与钢管拱相同型号的钢板等强焊接封堵。在灌注孔上设置止流阀、防止混凝土回流，并对压浆管与拱肋钢管及止流阀接口焊缝进行加强处理。阀板洞口尺寸不小于泵送管道的内径，以避免增加泵送压力。双机HZD120型拌和站经过保养和调试，原材料、外加剂数量足够、质量稳定、符合使用要求。地泵连接并调试良好，泵管、截止阀、弯头、密封垫圈等足够备用。泵送应选择日气温稳定且在当日温度较低时段进行，灌注气温应高于5℃，同时控制钢管表面温度不高于30℃。

(2)资源配置。根据JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》[13]，选用混凝土输送泵作为灌注主要设备，泵管直径选用125mm，4个拱脚各布置1台，两岸拱脚各备用1台，合计投入6台。综合运距、生产及泵送能力等，考虑备用，共配置10台8m3以上混凝土运输车作为前后场往返运输设备。施工现场按灌注作业需求，单个拱脚作业工点配置混凝土灌注班6人、同步顶升控制班2人、监控测量班2人、现场试验员2人、质检员1人、普工2人，4个拱脚共配置作业人员60名，拌和站试验人员2人、搅拌机操作手2人、罐车司机10人、材料员2人，小计16人。前后场现场协调指挥各1人、技术和安全负责人各1人、专职安全员2人、专业电工2人、地泵维修工2人，小计10人。上述参与人员合计86名。

(3)钢管混凝土灌注。对于钢管混凝土灌注，工程先压入清水、充分湿润管道，后压注适当水泥浆、充分润滑管壁，最后压注混凝土。

灌注前检查每车混凝土情况、测试塌落度、确保工作性能。严格控制两侧拱脚混凝土泵送方量及速度，统一指挥，使拱肋混凝土对称、均速顶升。各司其职，前后场加强联系，确保混凝土及时供应、确保灌注连续，且使混凝土在运输车内最短停留、保留最优性能，单管混凝土必须在首盘初凝时间前灌注完成。适时对拱肋应力及变形情况进行监测和分析，确保施工安全。尽量在低温时段完成施工，无法避免高温时，采取对钢管外表面通水降温。混凝土压注到拱顶，确认出浆口流出同等混凝土后，方可停止泵送。

3.4.3密实度检测与补救

泵送过程中，安排有经验的质检人员采用敲击法、通过声音差异鉴别填充情况[14-15]，如有空隙及时采用体外加震法等措施解决。混凝土达到设计强度后，应用超声波检测密实度情况；检测频次宜为3次，浇注7d后、28d后和验收前。先采用人工敲击法检查，沿钢管四周选取等距离点位，重点拱顶区域及单管上缘部位进行检查。人工敲击检查结果异常时，采用超声波复检，确有脱空时，应加大检测密度和范围。超声波检测判定脱空处，应进行钻孔核查，当检测发现钢管混凝土脱黏(角度)率大于20%或脱黏空隙厚度大于3mm时，对脱粘处压注环氧树脂高强水泥浆等补强处理。

4 结语

景洪澜沧江大桥设计为拱加劲预应力混凝土连续刚构，是刚性梁、柔性拱组合体系。其结构设计十分复杂，施工技术难度较大，采用“先梁后拱”的施工方法。主要创新有：为了达到全天候施工的目的，采用新型挂篮一体化工装及中跨不平衡段施工技术；为了解决中跨不平衡段施工难题，采用边跨配重措施，采取桥台预埋钢束，分阶段张拉锚固。

本桥混凝土主梁和钢管拱施工进展顺利，施工质量符合设计和验标要求，施工安全和进度得到保障，并取得良好的经济和社会效益，可为今后类似工程建设提供借鉴和参考。