下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥施工技术

1、(无)锡宜(兴)高速公路京杭运河特大桥下承式钢管混凝土系杆拱桥施工技术1、工程概况京杭运河特大桥是(无)锡宜(兴)高速公路中的一座特大型桥梁,位于锡宜高速公路K10+328.23处(桥梁中心桩号),全长1028m,共43跨。该桥在第19跨内跨越河面宽度约80 m的京杭大运河,其上部结构体系为钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥。跨径为90m, 桥梁与运河呈76.56°交角,拱轴线为二次抛物线,矢跨比为1/5,矢高f=18.0m。设计荷载:汽车超20,挂车120。拱肋在端部10m由圆端形截面变成哑铃形截面,由2根1000mm×14mm的16Mn钢管组成,高2.5m,宽1.0m。钢管和

2、腹板内灌筑C50无收缩微膨胀混凝土,拱脚外包高3.0m、宽1.6m的实心截面C50混凝土。两拱肋间设5道一字形风撑,以保证拱肋的横向稳定。本桥系杆采用Rby=1860MPa的OVMXG15-19可换索式环氧涂层钢绞线束,共12×2束。锚具为OVM可换索式系杆锚具。吊杆采用PES7-73拉索,其中7mm镀锌钢丝Rby=1670MPa,HVMLZM7-73冷铸墩头锚锚固。吊杆间距均为5.0 m。主桥横梁采用预应力混凝土工字梁,共16根,桥面行车道采用5m跨径的钢筋混凝土实心板梁,并与横梁固结。主桥桥墩为钢筋混凝土柱式墩,桥墩纵向宽3.5 m,横向宽2.0 m。基础为1.5m的钻孔桩,承台

3、为6.5m×6.5m×3m的分离式承台,中间用系梁连接。设计通航净空为50m×8m。主桥纵横断面布置见图1。图1拱肋纵断面及1/2横断面示意(单位:cm)由于该桥施工本身具有一定的难度,加上大桥所跨越的京杭大运河是苏南地区水上运输的黄金干道,因此,对大桥施工提出了较高的技术要求:(1)在施工期间,每次断航的时间不得超过6h;(2)施工时间正好是东南风盛行的季节,不利于吊装作业;(3)安装时线形控制难度较大,合龙作业要求准确快速;(4)最大限度节约成本,缩短工期,降低施工难度。2、主桥拱肋施工方案选择拱肋施工的参考方案可以归纳为缆索吊装法;浮吊塔扣法;竖向提升就位法

4、和浮吊吊装法四种方案。(1)缆索吊装法本方案是设计图中推荐的方案。钢管拱肋采用60 t缆索吊机分3段无支架法吊装施工,该工艺对于一般性的拱桥而言,施工工艺成熟,有专用的施工机械设备,有一定的优点:采用强度高、承载力大、延伸量小、变形稳定的低松弛钢绞线作扣索,减少了吊装过程中不稳定的非弹性变形;采用千斤顶张拉系统对斜拉索加卸张力,具有张拉能力大,行程、索力调整准确,锚固可靠等特点;作为施工监测的依据,可以准确计算拼装过程中各阶段的索力、延伸量;对航运影响小,不需要封航。拱肋混凝土采用混凝土输送泵从拱脚压注到拱顶。缺点:施工中需要搭设的临时索塔高达60m,组拼难度较大;空中拱肋对接、线形调整复杂繁

5、琐;临时地锚位于软土地段,耗用的材料较多;工程量大,高空作业多,机械设备造价高,临时设施投入大。鉴于本桥的特点,经专家论证,此方案不宜用于本桥的实际施工中。(2)浮吊塔扣法在一侧的主桥墩上组拼索塔,单根拱肋分成2段制作后,采用2台50 t浮吊吊起一段拱肋就位后,安装扣索并张紧,调整拱肋至设计线形,加设侧向缆风,保证拱肋的侧向稳定,利用相同的办法吊装另一半,焊接合龙端接头,最后安装横撑,形成稳定的两铰拱。此方案与缆索吊比较,在技术上具有一定的优点:节省了临时塔架材料、地锚耗材以及配套的扣索材料;吊装合龙操作简单,便于操作;有利于对高程、中线进行控制。拱肋混凝土采用混凝土输送泵从拱脚压注到拱顶。缺

6、点:整个吊装过程需要在封航的条件下进行;在主墩上组拼的索塔高度约40 m,组拼难度较大;在航道部门规定的时间内,无法完成一段拱肋的吊装工作;拱肋在空中停留的时间长,高空作业量大,危险性大,施工周期长。由于京杭运河上运输繁忙,无法实现长时间的封航,故此方案无法在现场实行。(3)竖向提升就位法将整根拱肋先分成3段制作安装,其中两边段和两边临时横撑考虑在岸边搭悬臂膺架采用少支架法安装,中间段两肋连同临时横撑在岸上拼装,整体浮运到桥位,利用膺架设置提升设备将中段提升到位、合龙;然后解除中段临时横撑。此方案在技术上是可行的,也具有一定的优点,表现在:只需要组拼25 m高的塔架,降低了塔架成本和地锚耗材;

7、拱肋线形容易控制, 安装过程中的稳定性较好,高空作业量小。拱肋混凝土采用混凝土输送泵从拱脚压注到拱顶。缺点:需要封航,且每次的封航时间要超过6h;没有类似工程经验,施工难度较大;工艺复杂,结构体系转换复杂,需要增加提升设备的投入,成本较大。此方案断航时间较长,需连续断航3d以上,难以满足航道部门的要求,故此方案亦难以实施。(4)浮吊吊装法拱肋在工厂先分成4段加工,再在现场分2段拼装,采用3台50 t浮吊分别吊装就位后,空中合龙对接,焊接永久风撑,最后成拱完成体系转换。此方案具有以下特点:技术可靠、经济,不需要扣索塔架和缆索吊机,投入少;每次水上吊装作业的时间均能够满足航道部门的要求,而且施工队

8、伍均有成熟的施工经验,危险性小;改善了操作人员高空作业的工作环境,提高了安全感和工作效率,施工设备的自动化程度得到提高,操作方便灵活,安全性好,可靠性高;施工工序简洁,操作的规范化程度较高,操作规程明确,施工进度迅速。此方案得到了业主组织由东南大学、江苏省交通科学研究院、江苏省交通厅、中交公路规划设计院及设计单位的专家参加的专题方案论证会的认可。经过专家论证认为,能解决施工中的难点,可操作性好,施工快捷,能够满足工期的需要。采用此方案施工与投标采用的设计方案相比降低成本约120万元。因此,决定采用此方案施工。图2 90 m刚架系杆拱施工程序3、主桥施工程序主桥上部90 m刚架系杆拱施工程序见图

9、2。4、拱肋、风撑安装方案4.1方案总体布置采用3台50 t浮吊无支架法安装,即每根哑铃型截面的钢管拱肋在工厂分4段加工制作,在车间验收合格的拼装平台上试拼,使其轴线、平整度及对接接头尺寸符合要求后用汽车运至桥头北岸,汽车吊卸车,在现场的拼装平台上再组拼成1/2拱肋,(单段吊装重量约43 t)。先用2台起吊能力50t拔杆高度40m的1#浮吊和2#浮吊就位南岸拱肋,待拱肋下端与拱脚临时铰接后前端2#浮吊继续吊着拱肋撤出1#浮吊,然后再用1#浮吊和3#浮吊将北岸另一段1/2拱肋吊运至孔位处与其对接。对接时先将下端与拱脚铰接,再空中对接,待空中调整好接头位置时立即对其锁定,最后调整临时拱脚接头,使拱

10、肋轴线,高程符合设计要求,待两侧系好缆风绳,3台浮吊缓缓松钩。两根拱肋全部就位后立即设置3道临时风撑,并安装永久风撑,保证其横向稳定。4.2拱肋安装拱肋安装是本桥施工的一个关键项目,在安装时重点解决好拱肋的稳定问题及拱肋准确合龙问题。吊装方法采用2台浮吊抬吊法安装,吊装采用两点起吊,经计算吊点分别设在距拱肋两端12.5m的位置处。经计算吊点处实际发生的最大弯矩,剪力。根据拱肋组合断面几何特性F=1063.9cm2,W=86136.5cm3和钢板的许允应力,计算出拱肋允许承受18087kN·m的弯矩,大于实际发生弯矩的24.2倍;允许剪力1277kN,大于实际发生剪力的5.94倍。当处

11、于1台浮吊吊着拱肋一端,另一端与拱脚临时铰接状态时,浮吊起吊力最大为F=305 kN,按此选择吊装钢丝绳为6×37+1-47.5-1700,总破段断拉1430kN。拱肋中部最大弯矩,远远小于拱肋允许弯距。4.2.2 拱肋接头合拢图3 空中接头锁定及微调示意图先将南岸1#拱肋节段拱脚临时铰接,并使前端高于设计位置1530cm,然后用2台浮吊将2#拱肋节段的前端往衬管里面插入,再通过设置在端部的接头螺栓拉杆将空中接头铰接,最后对位拱脚临时铰,打入定位钢楔,检查接头符合要求后用钢板立即锁定,继续调整拱肋轴线,最后对接头采用手工电弧坡口焊分34层焊满且略高于母材1mm,并对焊缝采用超声波10

12、0%探伤检测,焊缝符合级焊缝,如有缺陷立即修补。为确保拱肋准确合拢,采取以下措施:为使空中接头安装时调位方便,使其接头处形成上下错口,错开距离约1m;端头设6个M48拉杆螺栓,做临时铰连接;在接头一端的上下管设长20cm内衬管,衬管外径略小于上下钢管的内径23mm,前端5cm作成锥台形,起导向作用;上下管上弧设4个钢盆,打入钢楔紧固端头;合龙前1d,确定合龙温度(每1温度变化对拱肋长度影响1.1mm),实测临时铰之间的弦长,据此条件,现场精确下料长度;合龙时,浮吊的定位采用在水中抛4个定位锚、在岸边拉缆绳来实现。拱肋空中接头锁定及微调见图3。拱肋稳定措施单根拱肋的横向稳定主要采取设置8根缆风绳

13、来保证,当拱肋调整好轴线后立即安装缆风,并用5t手拉葫芦收紧缆风绳。2根拱肋安装后,分别在拱肋1/4、1/2处附近设置3道临时风撑(避开永久风撑位置),然后安装永久风撑,保证拱肋的横向稳定。4.3风撑安装图4风撑安装示意用汽车吊将存放在北岸岸边的风撑装船并运到浮吊跟前,用1台50 t浮吊将风撑就位于设有搁置点的风撑接头上,通过横向加索调整拱肋间距符合要求后立即进行接头焊接。先吊装中间风撑,再吊装两侧风撑。风撑在安装前,复测2根拱肋之间的距离,准确确定风撑的长度。风撑安装示意见图4。5、系杆安装在空中安装长90多m,重约2.5t的系杆是本桥的难点之一。为确保系杆在安装过程中不被损伤,以及确保系杆

14、在分次张拉时不发生滑移现象,除了选用大型专业厂家的带有防脱落装置的OVM可换式系杆锚具外,还选择了“悬挂式栈桥”方案安装系杆。5.1悬挂式栈桥(1)按照拱桥吊杆的间距,在每根拱肋吊杆位置的内外侧,分别安装1根用16mm钢丝绳制作的吊索。吊索的上端通过绳套固定在吊杆上锚头垫板上,下端连接一个花篮螺丝和“U”形卡,花篮螺丝用来调整栈桥的高程,可调整范围为010cm。16mm钢丝绳的长度通过吊杆上锚头垫板高程和下排系杆的底高程来计算。每个吊杆位置处设2根钢丝绳吊索,单根拱肋共32根。(2)采用12号槽钢制作长1.2m的横梁,在距横梁两端10cm处用16钢筋焊接吊耳,人工在拱肋工作平台上把“U”形卡与

15、16 mm钢丝绳吊索连接配套。(3)完成上述步骤后,用绳索从拱肋上放下吊索与横梁就位,使其处于悬挂状态。(4)人工在拱肋上从拱的一端拉一根绳索到另一端,且需穿在2排16钢丝绳的中间;然后,利用绳索在单根拱肋的两侧、2排16钢丝绳的中间各拖拉1根j15.24的钢绞线,并依次穿过所有的16钢丝绳和两端拱脚预埋孔道到另一端。(5)采用24 t千斤顶对每根钢绞线施加50kN的拉力,作为“扶手索”和抗风索,供工人铺设栈桥使用,又可用来维持栈桥的平稳。图5系杆悬挂栈桥示意(单位:cm)图5钢绞线扶手索预留孔道位置示意(单位:cm)(6)在栈桥上顺桥向按25 cm的间距铺4根脚手架钢管,钢管与槽钢和横梁之间

16、采用铁丝捆绑,上铺竹篱笆。(7)钢丝绳吊索和钢绞线扶手索之间用卡子连接成整体,并在两侧挂好安全网,完成悬挂栈桥的安装。系杆悬挂栈桥示意见图5;钢绞线扶手索预留孔道位置见图6。5.2系杆安装要点(1)顺桥向在拱脚外侧(横梁或拱脚下方的地面)固定1台3 t的卷扬机,卷扬机钢丝绳依次穿过拱脚预埋管、悬挂栈桥和另一端的拱脚预埋管。(2)将系杆索盘置于卷扬机对面拱脚处放置的放线盘架上,系杆索一端通过锥形导向,利用连接器与卷扬机钢丝绳连接在一起。(3)启动卷扬机,把系杆索缓慢拉过预埋管、悬挂栈桥,最后穿出另一侧的预埋管。穿索前在预埋管口铺放一层四氟板或麻布垫以保护PE层不被划伤,并安排2名工人在悬挂栈桥上

17、指挥,发现系杆导向头滑到栈桥边缘时立即指挥卷扬机停机,进行纠偏。(4)用手拉葫芦,配合卷扬机将系杆索拉直,并确保能轻轻来回移动;剥除系杆索外露部分以及预埋管内一定长度的PE保护层,并清除其上的油脂和环氧喷涂层。(5)用砂轮切割机割去多余预留系杆索工作长度。(6)安装系杆索两端的锚具、夹片,解除临时固定。5.3系杆张拉系杆张拉选用4台YCW400型千斤顶配ZB500高压油泵两侧对称同步张拉,油压值和伸长量双控。其张拉要求为:系杆分批、分次加载,张拉程序必须符合设计要求;两端同时开机张拉,缓慢加载;要严格控制拱肋、拱脚和墩顶等关键部位的变形在设计允许的范围内;当达到设计吨位后,稳压510 min;

18、系杆张拉完成后,安装减振器,进行锚头的注油防腐工作等,采用的油脂和环氧铁砂砂浆必须满足设计要求,灌筑工艺必须要求密实;张拉设备性能良好,千斤顶和油压表配套标定;张拉工作要对称、同步,读数要准确,记录全面真实,张拉顺序和张拉力符合设计要求。6、吊杆、横梁、纵梁的安装6.1吊杆安装本桥吊杆按设计要求其下料长度在标准温度15、无应力状态下进行控制。短吊杆采用下穿法安装,即用50t浮吊将吊杆上端吊起,下端从拱肋顶部的孔道内将其穿入,并缓缓使其下落,拧上上端锚头螺母即可。对于长吊杆,采用上提法安装,即卷扬机钢丝绳自上而下穿过拱肋吊杆孔道,然后下端钢丝绳套上锚头大螺母并系住吊杆上端,卷扬机将其提升就位,拧

19、紧吊杆上端锚头大螺母。6.2 横梁安装横梁在运河北岸、线路左侧设16个台座集中一次预制完半幅桥的横梁,在预制时已在两端梁下安装有钢轨滑道,只要用千斤顶分别将梁端顶起向梁下安装滑床板,然后两端各用1台5t慢速卷扬机及滑轮组牵引至河边,最后用50t浮吊装船运至浮吊旁边,采用2台50t浮吊按抬吊的方法将船上的横梁吊起,并超过横梁底标高510 cm,人工将吊杆穿入横梁预埋N11钢管内,缓慢提升横梁到一定高度后拧紧下端锚头螺母,然后缓慢地松下吊钩,依次对称安装完剩余横梁,最后用YCW250型千斤顶在拱肋上部调整各横梁顶部标高符合设计要求,拧紧上端锚头螺母,安装减震器,进行锚头的注油防腐工作等。横梁横移拖

20、拉力时,根据F4滑板与钢轨的摩擦系数=0.07及横梁重量480kN,计算得拉力F=33.6kN,拖拉滑道采用2×2根43kg/m钢轨,间距a=35cm;钢轨接头采用专用夹板,轨面打磨光洁后再涂黄油。滑床板下安装4块200mm×100mm×21mm聚四氟乙烯滑板,经计算允许应力=3MPa<=10MPa。6.3 纵梁安装在5#、6#系杆张拉到100%的设计张拉力后,开始安装纵梁。纵梁安装方法采用25t汽车吊直接安装端头纵梁,安装好后,利用该孔桥面作平台,用贝雷梁拼装简易双导梁架桥机安装其它孔纵梁。纵梁安装顺序由17#墩和18#墩方向向跨中对称进行。由于全桥的吊杆

21、和系杆均为柔性材料,因此,在安装纵梁时,必须用型钢将所有的横梁纵向连接在一起,且横梁的底部须用钢丝绳进行连接,只有这样,才能保证安装纵梁时横梁不倾斜,确保纵梁的安装质量。7吊装过程中的观测控制方案7.1轴线中线偏位的控制进行中线偏位观测控制时,首先分别在距拱脚2/3处的两段拱肋内侧,垂直拱肋腹板,焊接一个4m长的、用角钢制作的水平尺架,角钢的两侧表面贴红色尺面。然后分别在主桥相邻边跨引桥的盖梁上各设置2个观测点,观测点距拱肋中线的距离为3m。吊装时通过在4个观测点上的经纬仪,来控制拱肋的轴线偏位。7.2合拢接头的标高控制吊装前,在每根拱肋合拢接头一端的正下方,悬挂1个带有配重的标尺,标尺采用方

22、钢分段制作,每段标尺的接头均采用铰结,便于浮吊起吊时分段安装,同时又能确保其始终处于竖直的状态。方钢外表4个面均贴红色尺面,刻度以拱肋上缘端中线点为零刻度。然后在两侧主墩端横梁的中部,各安装1个水准仪,吊装时通过读取“方钢倒尺”的读数,来控制合拢端的标高。8 拱肋混凝土压注方法8.1 混凝土配合比根据拱肋内压注C50微膨胀混凝土的要求,设计配合比及施工实际使用的原材料为:水泥:P052.5级;砂:Mx=2.5;石子:525mm连续级配碎石;粉煤灰:级干灰;膨胀剂: UEA-D型, 7d限制膨胀率0.034%;缓凝高效减水剂:NF-1H。混凝土配合比各项参数见表1。8.2 压注方法8.2.1 施

23、工设备根据每根拱肋单管混凝土数量86m3、泵送混凝土高度约40m及混凝土的初凝时间,确定混凝土拌和设备的能力和混凝土输送泵的型号为:混凝土拌和设备:JS750型1台;JS500型2台,350型2台。混凝土输送泵:HBT60C型2台。备用发电机:2台75kW内燃型发电机。8.2.2 压注方法采用两级接力式(1台泵安置于地面,另一台泵安置在端横梁顶面)从拱脚上部的压注管按照“匀速对称、间歇低压”的原则逐根向拱肋内压注混凝土。混凝土坍落度为180200 mm,拱肋1/4以下部位两端同时压注,拱肋1/4以上部位两端间歇交错压注。在压注全过程中两端混凝土面高差1 m。当压注增压管排出混凝土后临时停顿10

24、 min,再向拱助内补压少量混凝土后封堵压注管,拆除、清洗管道或压注另一根拱肋混凝土。8.3 压注要求(1)混凝土的坍落度控制在180200 mm。(2)正式压注前拌制同标号的纯水泥浆湿润混凝土输送泵的管道及拱肋的内管壁,以减小压注混凝土时摩擦阻力,水泥浆的体积1m32m3。(3)压注速度:上下管压注速度v25m3/h,腹腔压注速度v20m3/h。(4)压注过程中两端混凝土压注高差1 m。(5)墩顶位移的控制:施工中安排测量人员用经纬仪观察墩顶水平位移,当实测墩顶水平位移超过5mm时停止压注混凝土,并对系杆施加部分预应力后再继续压注混凝土。(6)为了防止腹板撕裂,灌注前对1/4点处以下腹板采用

25、槽钢按50cm间距进行加固。8.4 钢管混凝土的密实性控制(1)压注微膨胀混凝土,靠混凝土顶升时自重密实。在距二次浇筑拱脚混凝土线50cm位置处,(包括上钢管、下钢管及缀板内腔)各焊接一根125mm长100cm且带有插板阀门的压注管,该管与拱肋上缘线和侧面交点处切线呈25°30°夹角,并避开加强钢箍及吊杆位置,拖式混凝土输送泵的管道与压注管的钢管采用管卡对接,并在中间加设橡皮片防止漏浆。(2)采用压浆法保证管内混凝土与钢管密贴。每压注完一根单管或腹腔混凝土后,采用锤击法全面检查该部位混凝土是否与钢管密贴,否则进行12次压注C50纯水泥浆处理。上钢管压注孔设在管顶,下钢管设置

26、压注孔时需在已焊接好腹板面上开洞,然后再在下管顶部开压注孔,进行压浆处理。(3)在拱肋顶部设置2根200 mm的增压管。在拱肋顶部的上钢管、下钢管及缀板内腔设好隔仓板,在隔仓板的两侧50 cm处设直径200mm、长度2m的钢管作为压注混凝土的增压管,当该管冒出正常混凝土后停止压注工作,使得拱顶充满混凝土。(4)设置排气孔。在上管、腹板顶部每2m设置20 mm排气孔,当混凝土浆冒出时立即用木楔封住。在加强箍顶部设置70mm的排气孔,防止加强箍处存在空洞。(5)拱脚法兰线以下的管内混凝土采用开天窗人工捣固法施工。9劳动力安排及主要施工设备主桥施工劳动力组织安排见表2,投入的主要施工机械设备见表3。

27、10 安全组织保证措施拱桥施工很容易出现质量安全问题,就本桥结构而言,施工中必须重视桥墩、拱脚处的应力,以及拱肋的稳定性控制,加之本桥拱肋吊装高度约35m,吊装难度也较大,因此,在安全方面要万无一失。10.1 施工安全控制点(1)在拱肋安装、压注拱肋混凝土、安装横梁三个阶段,要注意拱脚、墩身底部处弯距的控制,否则,将造成该处结构的破坏。(2)压注拱肋混凝土过程中拱肋钢管或腹腔可能胀裂,拱肋可能会发生平面扭曲或冒顶现象。(3)若系杆出现滑丝,则可能造成下部结构及拱脚的破坏。(4)拱肋、横梁吊装过程中浮吊的稳定问题,以及在不同工况下浮吊吊力改变后浮吊的起吊能力问题。(5)吊杆、系杆的防腐,特别是锚

28、固系统不能被雨水侵蚀,否则,后果不堪设想。(6)高空作业防止人员坠落及空中坠物伤及航道行船。10.2 安全措施(1)对全体施工人员进行安全教育,并将本桥施工安全控制点及措施向大家交底。(2)选择专业人员进行施工。(3)对桥墩、拱脚、拱肋进行应力监控,通过系杆分批、分次张拉的方法,控制墩顶水平位移5 mm,拱脚弯距、墩底部弯距小于设计提供的警戒值,确保桥墩安全。(4)吊装前必须检查吊机各关键部件的可靠性和安全性,并进行试吊;吊装过程中不得超负荷吊装;起吊时指派专人统一指挥,其他人员明确分工。(5)在拱肋上设置临时扶手及防滑钢筋,作业人员进行接头焊接时设置笼式吊篮。(6)压注拱肋混凝土及安装横梁时两侧要对称,并严格按照设计提供的各工况顺序施工。(7)系杆、吊杆安装时要小心,不能损伤防护套,并做好锚头防水、防尘。(8)施工人员必须戴安全帽,高空作业人员一律佩带安全带,严禁酒后登高作业。11 结语(1)钢管混凝土拱桥选定方案很大程度上取决于主拱肋的吊装方案,而选定拱肋吊装时关键在于能否保证拱肋安装安全、拱肋轴线、施工环境条件及经济效益。采用浮吊分两段吊装的方法较好解决了本桥施工中的难题,缩短了施工工期,保证了施工质量,减少了河道的封航时间,节约了工程成本,提高了经济效益。(2)压注拱肋混凝土时要两端对称进行,并事先在拱肋上设置排气孔,防止拱肋冒顶及拱肋加劲箍顶端和