铁路大跨度下承式钢管混凝土系杆拱桥施工技术分析

2022-05-07何杰

工程与建设 2022年2期

何杰

(中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽合肥 230022)

1 工程概况

宁西铁路上行线跨江淮运河大桥位于合肥市肥西县，为2×24 m简支箱梁+1×128 m系杆拱+3×24 m简支箱梁，桥梁全长268.07 m，如图1所示。宁西上行铁路采用1×128 m系杆拱跨越规划中的江淮运河，梁底至最高通航水位之间净高大于10 m，全桥墩台基础均采用钻孔桩基础；梁部均采用支架现浇法施工，简支梁采用单端张拉法施工，128 m系杆拱采用先梁后拱法施工，拱肋钢管在系梁上搭设支架安装。

图1 全桥布置图

2 系杆拱设计参数简介

2.1 拱肋

梁全长130.6 m,计算跨长为128 m，矢跨比为f-=1/5，拱肋平面内矢高25.6 m，拱肋采用悬链线线形。拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.4 m,钢管直径为1 200 mm,由厚18 mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用δ=16 mm的腹板连接。上、下钢管及腹腔均为钢-混组合结构，钢管及腹腔内填充C55自密实补偿收缩混凝土。

2.2 系梁

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱双室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽13.2 m,梁高2.5 m。底板、顶板和中腹板厚度均为30 cm,边腹板厚度为35 cm。

2.3 拱脚

拱脚顺桥向7.3 m范围内设成实体段，截面渐变处设倒角或过渡段。实体段内设12-7φ5的横向预应力筋，分上下两排布置分批张拉完成。

2.4 吊杆

吊杆布置采用尼尔森体系[1]，在吊杆平面内，吊杆水平夹角在52.28°～71.16°。吊杆间距为8 m，两交叉吊杆之间的横向中心距为340 mm。

2.5 横撑

两拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X形撑，拱顶至两拱脚间设4道K形横撑。横撑由φ600 mm、φ500 mm和φ360 mm的圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土，其外表面均需做防腐处理。

3 施工总体顺序

步骤一：主孔基础及墩身施工，搭设系梁支架并预压,安装拱脚段预埋钢拱肋及其定位钢构件。

步骤二：支架现浇系梁及拱脚混凝土，混凝土需养护不小于10 d且强度及弹性模量达到设计值的100%后，张拉第一批纵向预应力索，交错张拉横向预应力索。

步骤三：在系梁上搭设支架，支架预压，在支架上对称安装第一段拱助钢管，K撑及辅助临时定位撑的安装，调整拱肋线形，焊接拱脚接头焊缝。

步骤四：对称安装第二、三、四段拱肋钢管，调整拱肋线形至设计标高，安装临时定位撑及永久横撑，焊接二、三、四段接头焊缝。

步骤五：安装合拢段拱肋钢管，检查、校核、调整各接头点的标高，安装、焊接各接头处焊缝，安装拱顶横撑；泵送拱肋上管管内混凝土，待拱肋上弦管内混凝土达到设计强度的90%后，泵送拱肋下管管内混凝土；待拱肋下弦管内混凝土达到设计强度的90%后，分仓、对称均匀灌注拱肋腹板板内混凝土。

步骤六：管内混凝土达到设计强度的90%后，拆除系梁上临时支架，安装吊杆并张拉。

步骤七：拆除系梁支架，安装桥面线上设备(二期恒载)，检测并调整吊杆力至设计值，施工拱脚二次混凝土。

步骤八：钢管外表面涂装，施工完成。

4 施工准备工作

4.1 组织准备

对所有参加系杆拱施工的人员进行明确分工，加强组织，进行技术、安全交底，分班组作业，明确各组人员职责。

4.2 技术准备

(1)对现场情况进行复核，内容包括地基承载力、硬化面高程、宽度、支架布设平面位置、垫石高程、垫石平面位置复核等。

(2)完成系梁施工方案编制，并召开专家论证会；安排好相应的技术负责人员，并对施工工序技术控制进行交底。

(3)对参与系杆拱施工的所有施工人员进行交底，召开施工交底会。

4.3 现场准备

(1)施工用电：接入500 kV变压器作为施工用电，现场用电采用“三相五线制”进行拉线，采用地埋方式布设到每个作业区设三级配电箱并设警示标志。

(2)混凝土供应：新建混凝土拌和站1座，120 m3/h搅拌机1台，混凝土拌和站采用强制式混凝土搅拌机进行拌和，拌和站设工地试验室，保证混凝土供应。

5 施工方法及质量控制

5.1 方案概述

桥梁桩基采用旋挖钻机施工，系梁采取先梁后拱的施工工艺，支架法现浇，预留的度汛门洞支架由螺旋钢管、贝雷梁、工字钢等组合而成，纵向用贝雷梁作为承重梁。系梁浇筑完成后，张拉系梁第一批预应力钢绞线。

在系梁顶面搭设拱肋支架，进行拱肋、横撑安装；拱肋混凝土压注采用混凝土地泵自拱脚向拱顶压注；拱肋混凝土压注完成后用汽车吊安装吊杆，并按照设计要求张拉吊杆，在吊杆张拉完成后，张拉系梁剩余部分预应力钢绞线，支架拆除，施工桥面附属工程，检测调整吊杆力至设计值，施工拱脚二次混凝土，最后钢管涂装。

5.2 施工工艺流程

施工工艺流程为：支架搭设→支架预压→支座安装、铺设底模、外模→拱脚预埋、钢筋绑扎、安装预应力管道、钢绞线穿束→安装内模及顶模、绑扎顶板钢筋、安装预应力管道、钢绞线穿束→系梁混凝土浇筑(养护)→系梁第一批预应力索张拉、压浆→拱肋安装→拱肋压注混凝土→吊杆安装及张拉→系梁第二批预应力索张拉、压浆→系梁支架拆除→检测并调整吊杆索力至设计值→拱脚二次混凝土浇筑→钢管涂装。

5.3 系梁施工

5.3.1 支架总体设计

2#～3#墩为1×128 m系杆拱桥，系梁采用单箱双室截面，沿纵向每隔8 m设置横向横隔板，箱梁高2.5 m，等截面结构。

支架形式：支架采用盘扣式满堂支架，基础为原地面地基处理和桩柱式贝雷支架基础两种结构，如图2所示。靠近3#墩边18 m采用螺旋钢管贝雷梁组合支架作为平台[2]，其他基础采用原地压实后浇筑混凝土硬化面。

图2 钢管贝雷组合支架横截面

5.3.2 支架预压[3]

(1)预压荷载。满堂支架部分按1.1倍最大施工荷载进行加载预压，钢管贝雷组合支架部分按1.2倍最大施工荷载进行加载预压。

(2)加载方案。支架预压加载和卸载应按照对称、分层、分级的原则进行，严禁集中加载和卸载。预压按照分级、分段加载并观测记录变形，每段预压重叠长度为2排纵向支架，其预压加载按照最大施工荷载的60%、80%、110%三级加载。堆载采用预制混凝土块，砂袋调平，并对其重量进行称重记录。

(3)预压监测。支架预压时应进行竖直和水平位移监测，内容包括：基础沉降变形、支架竖向位移、支架顶面水平位移。监测断面每10 m布置一组，每组5个点。

预压荷载卸除时，按加载预压时的分次分级逐步卸载。支架预压完成后，应根据监测数据计算分析基础沉降量和支架弹性变形量、非弹性变形量及平面位移量，确定立模标高、结合设计预拱度，作为预拱度设置的主要依据。

5.3.3 钢筋及预应力管道安装

钢筋及预应力管道安装采用在模板内现场绑扎，底模调整时应注意预拱度的设置，模板高程及平面位置确定无误后方可进行钢筋的绑扎。

预应力管道采用金属波纹管成孔，梁段内设置定位钢筋网片，固定管道位置。焊接管道定位钢筋时，应采取防护措施，避免管道被电焊渣烧伤，排气孔设在管道曲线的最高点位置。

5.3.4 混凝土浇筑

1×128 m系梁为单箱双室，每隔8m设一道横向横隔板，混凝土标号为C50，整跨一次性浇筑。

(1)浇筑顺序。系梁混凝土立面浇注顺序：底板→腹板→顶板(拱脚)；顺桥向采用斜向分段水平分层法浇筑，其斜度在30～45°，纵向分段长度取15 m，水平分层厚度不大于30 cm。纵向浇注混凝土顺序：两端→中间，最后在桥跨约1/2处合龙。

(2)温控措施[4]。系梁施工期间经过夏季，要考虑拌制原材和混凝土运输过程的温度控制。混凝土的入模温度不宜高于28 ℃。混凝土浇筑时预埋测温探头,采用数显式温度仪进行测温,每次测量3个读数，以平均数值作为本次的标准温度值。混凝土芯部温度与表面温度之差不应大于20 ℃。

采用泵送混凝土时，混凝土浇筑层厚度不大于50 cm，混凝土浇筑面进行二次抹压处理。

5.4 拱部施工

5.4.1 拱部施工工艺流程

桥梁拱部结构安装采用原位支架法，总体施工步骤为：拱段车间制作→构件运输→拱脚安装→拱肋承重支架搭设→拱肋及风撑安装→混凝土灌注→拱肋承重支架拆除→吊杆安装→面漆涂装。

5.4.2 拱肋加工[5]

通过对系杆拱的结构形式和现场施工条件进行综合分析，对拱肋分段位置进行了合理划分，单侧拱肋共划分为9个节段，具体划分如图3所示。

图3 拱肋分段图

5.4.3 涂装及防腐

钢管钢结构，横撑、腹板外表面涂装前要求二次除锈-喷砂到Sa3，粗糙度要求到Rz40～80 μm，底层为特制环氧富锌防锈底漆(2道，50 μm/道)，中间层为棕红云铁环氧中间漆(1道，40 μm/道)，面层为氟碳面漆(2道，40 μm/道)。底层及中间层出厂前完成涂装。

5.4.4 拱肋吊装步骤及工况分析[6]

拱肋及横撑安装采用200 t汽车吊在系杆拱桥面进行施工，根据现场实际情况，采用1台350 t汽车吊将1台200 t汽车吊吊至桥面。由350 t汽车吊汽车起重性能表得出：350 t汽车吊自重84 t，配重107 t，支腿全伸，全方位作业，臂长31 m，幅度12 m，理论起重量90 t。200 t汽车吊自重为55.2 t(含吊装钢丝绳)。安全系数为：90 t/55.2 t=1.63。

汽车吊工作时最不利的情况是3点着地，也就是3个支腿支撑着整个吊车的重量(包括自重和吊重)，由350 t吊车性能参数得知吊车自重84 t，配重107 t；吊车支腿下钢板箱尺寸为：长2.8 m×宽3.0 m×高0.3 m。200 t汽车吊含吊装用钢丝绳总重量54.9+0.3=55.2 t。

P=N/A≦[fa]

式中：P为基底平均压应力；N为短期效应组合在基底产生的竖向力；A为基础底面面积。

N=1.2×(84+107)×10+1.4×55.2×10=3 065 kN

A=2.8×3.0×3=25.2 m2

P=N/A=3 065/25.2=122 kN/m2=122 kPa

考虑到邻近既有线施工，取1.2倍的安全系数，则地基承载力为fa≥1.2P=146.4 kPa≈147 kPa。

因此350 t汽车吊工作时地基承载力的要求为不小于147 kPa，吊装前必须经过动力荷载试验确定承载力满足计算要求后，方可进行吊装作业。

(1)在系梁上搭设端部承重支架，安装拱肋GL2、GL3，安装K撑FC1，调整拱肋线形，焊接相应构件焊缝。

图4 拱肋GL2、GL3安装示意图

(2)在系梁上搭设另侧端部承重支架，安装拱肋GL2′、GL3′，安装K撑FC1′，调整拱肋线形，焊接相应构件焊缝。

图5 拱肋GL2′、GL3′安装示意图

拱肋 GL2/GL2′吊装工况分析：按作业半径12 m、臂长26.2 m 计算。取 200 t吊车的“69 t全配重、支腿全伸、作业工况”，额定起吊重量为48 t，大于39 t，安全系数为1.23，满足吊装要求。

拱肋 GL3/GL3′吊装工况分析：按作业半径10 m、臂长34.8 m 计算。取 200 t吊车的“69 t全配重、支腿全伸、作业工况”，额定起吊重量为54 t，大于29.2 t，安全系数为1.85，满足吊装要求。

(3)安装拱肋GL4′，调整拱肋线形到设计标高，安装K撑FC2′，焊接GL3′、GL4′段接头焊缝。

安装拱肋GL4，调整拱肋线形到设计标高，安装K撑FC2，焊接GL3、GL4段接头焊缝。

拱肋 GL4/GL4′吊装工况分析：按作业半径10 m、起吊高度39.1 m 计算。取 200T 吊车的“69T 全配重、支腿全伸、作业工况”，额定起吊重量为40.5 t>33 t，安全系数为1.23，满足吊装要求。

(4)安装合龙段拱肋GL5，检查、校核、调整各接头点的标高，安装、焊接各接头处焊缝，安装拱顶横撑FC3。

图6 合龙段拱肋GL5安装示意图

合龙段拱肋 GL5 吊装工况分析:按作业半径10 m，臂长39.1 m 计算。取 200 t吊车的“69 t全配重、支腿全伸、作业工况”，额定起吊重量为40.5 t>24.5 t，安全系数为1.65，满足吊装要求。

合龙段的施工顺序为：精确测量两侧拱段前端净间距→根据测量数据对已加工的合龙段长度进行切割修正→提升就位→温度平稳时临时固结→焊接合龙。

在合龙拼装前，根据当地气象部门提供的3～5 d气象预报，选择其中1～2 d进行24 h气温观测，确定一天当中气温较低且平稳的时间。据此为参考，确定合龙段施工的临时锁定时间。并根据测试的最大温度和温度变化时拱段端里程变化情况，确定温差对合龙段长度的修正系数。

5.4.5 风撑安装

本桥从拱脚到拱顶依次共设五道5撑，其中有4道K形撑，由于K形撑结构的特殊性，从现场安装方便的角度来考虑，对其结构进行优化，将K形撑拆分成1道横撑与2道斜撑，斜撑与主拱肋连接的2个牛腿取消，采用贯口直接连接，拱肋安装时同步安装横撑，横撑精确定位后与拱肋直接进行焊接。

图7 系杆拱风撑设计结构

5.5 拱肋混凝土灌注

5.5.1 注浆管与出气孔设置

根据设计要求，在每一分仓段低点设灌注孔管，高点设出气孔管。在拱肋侧面设φ125 mm 的注浆孔，孔管水平，与泵管连接；在拱肋侧面设φ100 mm 的出气孔，以利于排气，孔管朝上。

5.5.2 拱肋混凝土施工控制措施[7]

(1)C55自密实补偿收缩混凝土和C50钢纤维混凝土施工前要严格按照要求进行配合比试配工作。

(3)压注时，在拱脚、1/4L、1/2L等位置监测拱肋线形的变化。压注时，及时清理拱肋表面的混凝土灰浆，保证钢管拱表面的清洁。

(4)同侧的混凝土必须在3 h以内(混凝土初凝以前)压送完毕。

压注完成后，钢管内混凝土应饱满密实，在浇筑7 d后、28 d前进行超声波检测，应选取拱脚、拱顶、1/4跨和3/4跨等主要断面，每个断面对称测8个点,每个点不少于3次。

5.6 吊杆安装及张拉

(1)准备工作。吊杆安装时，在拱肋上端吊杆处设计搭设一个施工平台，以便穿索时使用；吊杆较短，可以直接用汽吊吊装辅助穿索；对所需张拉设备进行标定。

(2)放索。将吊杆两端锚头拆开包装，检查螺纹是否旋入自如，将吊杆两端的螺母旋出，待用；检查连接装置并剥除包装带。

(3)吊杆安装、张拉。调节标高及索力：按设计及监控要求分批依次张拉吊杆。

依次安装、张拉吊杆，张拉顺序为(2#、2′#)→(4#、4′#)→(6#、6′#)→(8#、8′#)→(10#、10′#)→(12#、12′#)→(3#、3′#)→(5#、5′#)→(7#、7′#)→(9#、9′#)→(11#、11′#)→(13#、13′#)→(14#、14′#)→(1#、1′#)，采用四顶同步张拉。