钢管混凝土拱桥施工技术应用研究

2022-09-06蒙永升

工程建设与设计 2022年16期

蒙永升

（广西路桥工程集团有限公司，南宁 530000）

1 钢管混凝土拱桥施工技术要点

1.1 钢管混凝土拱桥的组成

钢管混凝土拱桥的构成部分主要包括拱肋、横向联系及悬挂结构。拱肋部分采用钢管混凝土。提篮式拱可以增强横向拱肋的稳定性，其拱轴线通常采用二次抛物线，还可以采用悬链线。拱肋通常采用无铰拱，拱肋矢跨比为1/7～1/4。拱桥的横向联系一般可做成横撑、对角撑以及空格式构造。悬挂结构的吊杆有柔性吊杆与刚性吊杆两种，行车道系由桥面板和纵、横梁组成。

1.2 吊杆选型

钢管混凝土拱桥中，柔性吊杆是采用高强钢丝绳与冷压粗圆钢做成的，承担轴向力，采用柔性吊杆要注重后期的防锈处理，以提高吊杆的耐久性。刚性吊杆的截面通常呈矩形，杆件在长期荷载下会有徐变影响，结构混凝土的龄期为τ 时，可以计算出结构内任意点在t时刻的总应变，计算公式如下：

式中，ε（x，y）为总应变，x、y分别为x轴、y轴；φ（t，τ）为滞后弹性徐变系数；σx，y为沿x与y轴双向拉伸产生的应力；E为核心混凝土弹性模量，MPa。

在对龄期调整时，需考虑弹性模量，有效弹性模量Ec（τ）的调整可以按照式（2）计算：

式中，E（τ）为混凝土28 d 龄期的弹性模量，MPa；x（t，τ）为龄期系数。

同时，刚性吊杆的截面比上下节点位置构成的局部弯矩要小，截面尺寸在顺桥方向设计较小，以此减少刚性吊杆的承受弯矩。横桥方向设计的截面尺寸比顺桥方向要更大，可以增加拱肋的稳定性。

1.3 预压作业

桥梁支架预压作业是为了检测支架与地基的强度及稳定性，避免桥梁支架在混凝土施工之前出现非弹性变形等情况[1]。预压作业首先要确定内模结构，然后在完成支架及底部模板铺设的基础上开展预压作业。支架预压后浇筑混凝土，混凝土浇筑由跨中向两边的方向进行，预压可以使用水袋或沙袋。预压采用分步推进的方法，第一次加载到总加载重量的50%，第二次加载到总加载重量的75%，第三次加载到总加载重量的100%，每次加载完成后均静置2 h，测量观察点的高程并记录，如果不满足要求，应采取加固措施，再重复加载步骤直到符合要求为止。如果测量结果达标，则静置48 h，然后分步全部卸载。

1.4 泵送顶升技术

泵送顶升就是在钢管底部打孔，等钢管安装就位后，从钢管底部打入混凝土，向上逆顶浇筑，直到顶升到拱顶位置。泵送顶升是钢管混凝土拱桥施工中一项至关重要的技术，与传统的浇筑方式相比，泵送顶升技术不搭设高空脚手架，施工更加简便安全，利用混凝土泵送压力能够一次性完成压注，浇筑速度快、效率高，顶升挤压密实，不容易出现气孔。泵送顶升技术实施期间，要求能做好钢管拱肋混凝土浇筑检测，检测项目、方法与允许偏差见表1。

表1 钢管拱肋混凝土浇筑检测内容

采用泵送顶升技术应注意以下技术要点：

1）针对出浆孔的制作，在骨架合龙后，拱顶位置的钢管上部应设置出浆孔，出浆孔的直径大约为0.12 m，出浆孔处需外焊钢管，外焊钢管的长度约为0.12 m，并设置厚度为1.2 cm 的钢板作为加劲板。

2）针对孔、头的设置，为了填充混凝土停止泵送顶升浇筑后产生的回落空隙，在钢管的顶部应当开设排气泄压孔，也可设置溢流泄压孔，孔的截面积大于或等于混凝土泵送管的截面积，这样可以防止回落空隙情况的出现。

3）混凝土在钢管中流动时会受到一定的空气阻力，阻碍混凝土向上流动。为了更好地查看混凝土的流动情况，需要沿着钢管在竖直方向设置排气孔，排气孔与排气孔之间的间距为30 m。当排气孔中流出混凝土时，利用螺杆封堵排气孔。除此之外，为了保证混凝土的连续均匀与密实，在向钢管内浇筑混凝土的过程中，必须连续无间断地进行，中途不得有停顿。如果必须出现中断的情况，中断时间应控制在30 min 之内。

4）在第一级混凝土浇筑完成之后，紧接着开始第二级压注，压注可以采用多点对称压注方法，顺序为从上至下，从大钢管到小钢管。加载设计通常分两步进行压注，第一步是对下弦压注，接下来是对上弦压注，压注4 根钢管的时间不能超过15 h。

5）混凝土顶升浇筑到钢管顶部位置的时候，会从排气孔中溢出，此时不再进行混凝土输送，等待混凝土向上沉实大约7～8 min，用振捣器振捣混凝土，再继续泵送顶升操作，等待混凝土再次从排出孔溢出，钢管内的混凝土沉积密实，混凝土顶升浇筑结束。

6）混凝土顶升浇筑之前，要用胶皮将注浆管上的孔洞遮盖住，设置管卡卡紧，让混凝土浆没有外漏的空隙。在结束泵送顶升浇筑后，先拆除浇筑混凝土之间在孔洞上设置的胶皮及管卡，然后撤除混凝土上输送管。同时，阻流装置内应打入圆钢，钢筋的间距不能超过混凝土中石子的直径，通常设置为1.5 cm，这样能够有效阻挡混凝土回流，提高混凝土上输效率。

2 钢管混凝土施工技术质量控制要点

2.1 科学控制混凝土配合比

根据实际施工要求配比混凝土是提高钢管混凝土施工质量的关键工作。混凝土的坍落度为17～21 cm，结合压注速度可以算出混凝土初凝所花费的时间。影响混凝土配合比的重要因素是微膨胀率，因此，首先要科学计算混凝土的微膨胀率，再根据要求进行砂、石、水的配比。如果配合比设计不科学，就有可能出现泵送困难、出现空隙等现象，合理把控混凝土配合比，是提高施工质量的关键性因素[2]。

细骨料的密度、松散堆积密度、吸水率、含泥量与细度模数需分别控制为2.63 g/cm3、1.48 g/cm3、1%、0.6%、2.6；粗骨料的密度、松散堆积密度、吸水率需分别控制为2.71 g/cm3、1.53 g/cm3、0.58%，要求Cl-的含量不能超过0.06%，且最大粒径需控制在输送管径的1/4～1/3。在高性能混凝土中粉煤灰参量一般为水泥含量的5%～10%，要求粉煤灰性能指标需符合表2 要求。

表2 粉煤灰性能指标

2.2 钢管微膨胀混凝土配制

采用搅拌车运输钢管高性能微膨胀混凝土，使用混凝土车载泵泵送，确保钢管微膨胀混凝土可泵性较高，要求目标坍落度为180～220 mm，电通量控制在＜1 000 ℃。确定钢管拱C55 混凝土配制强度，可根据式（3）计算：

式中，fcu,0为混凝土配制强度，MPa；fcu,k为混凝土设计强度，MPa；σ 为混凝土强度标准差。

在对水灰比进行确定时，需使用（4）计算：

式中，W为水的质量，kg；C为水泥的质量，kg；fce为水泥在28 d 时的抗压强度实测值，MPa；αα、αb为回归系数。

2.3 采取钢管混凝土养护措施

1）对拱肋进行养护。对拱肋的养护，要求在施工完成后的午后进行，避免在夏季高温时间进行。在具体操作中，需在脱粘处上下各钻一个孔，将φ10 mm 钢管焊接在下孔处，连接钢嘴与压浆嘴；下孔送风需使用空压机进行，连通的条件是上空出风；制备好的压浆材料需使用压浆机输送。

2）拱座的养护。当拱座与裸露的钢管混凝土交界段以上露出的钢管表面，如果土层有龟裂等问题时，对于混凝土的包裹时长可适当延长；当外包混凝土有裂纹等情况时，但没有明显的变形时，可以涂抹水泥砂浆，并定期观察；及时排除拱座处积水，保持干燥。

3）吊杆系统的养护。吊杆、锚具等是吊杆的主要组成部分，桥梁的耐久性、承载能力会受到吊杆系统质量的影响。在养护期间，需做好防水防锈工作，经常涂抹润滑油到丝扣上以起到防腐作用。同时也要涂漆到吊索系统，补刷防锈漆。

4）桥面系的养护。收集桥面上已经出现松动的矿料，等温度达到15 ℃以上时，需及时喷洒沥青，喷洒量为0.8～1 kg/m2，然后将石屑均匀撒在上面，要求石屑粒径为3～6 mm。

2.4 稳定性分析

在跨径增大的过程中，钢管混凝土拱桥的拱圈横向刚度、宽跨比会减小，这样就会使拱桥在横向出现失稳。当拱圈宽度在跨境的1/20 以内时，需要对拱圈的横向稳定性进行验算，确保桥梁的稳定性满足要求。影响钢管混凝土拱桥稳定性的因素有矢跨比、支撑形式、横撑刚度、拱肋刚度等，所以，需结合工程实际情况合理选择矢跨比，一般情况下矢跨比需控制在1/5～1/3。另外，采用横撑形式能确保拱桥的稳定，可以选择“K”字形或“米”字形横撑，提升拱桥横向刚度确保拱桥稳定性。横撑的刚度也会影响拱桥的稳定性，且横撑的刚度与屈曲安全系数为线性关系。