钢管混凝土拱桥施工_浅谈钢管混凝土拱桥施工方法
时间：2019-05-28 03:20:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
【摘要】本文主要对钢管混凝土拱桥的施工方法及施工要点进行了研究说明，结合钢管混凝土拱桥的理论基础，对钢管混凝土拱桥的施工方法进行了理论和计算方法的阐述。 【关键词】钢管混凝土 拱桥 施工
【 abstract 】 this paper mainly to the concrete filled steel tube arch bridge construction method and construction points are the study shows that, combined with the theoretical foundation of the concrete filled steel tube arch bridge, the construction method for concrete-filled steel tube arch bridge theory and calculation method of exposition.
【 key words 】 concrete filled steel tube arch bridge construction
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、绪论
钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种组合材料，它一方面借助内填混凝土增强钢管的稳定性，同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使其具有更高的抗压强度和变形能力。
钢管混凝土在桥梁工程中的应用已有一百多年的历史。早在1879年，英国的Severn铁路桥建设中就采用了钢管桥墩，当时在管中灌注混凝土，主要用来防止内部锈蚀并承受压力。20世纪30年代末期，前苏联用钢管混凝土建造了跨度101m的公路拱桥和跨度140m的铁路拱桥。我国从1959年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用，进入20世纪80年代，钢管混凝土在桥梁工程中的应用开始得到研究，据不完全统计，在20年内，建成了200余座不同跨径、不同结构体系的钢管混凝土拱桥，2005年建成的重庆巫山长江大桥，主跨达460m。钢管混凝土拱桥之所以得到如此快的发展，归纳起来有以下几个方面的原因：
（一）跨度适应能力强；
（二）承载能力大，施工快捷；
（三）地基适应性好；
（四）造型优美；
（五）有较成熟的施工技术作支撑。
钢管混凝土拱桥工程实例
二、钢管混凝土拱桥施工要点
（一）钢管拱肋制作
钢管拱肋制作是钢管混凝土拱桥施工中的重要工序和施工质量控制的关键环节。钢管拱肋制作属于钢结构加工部分，钢管切割、焊接技术要求高，一般应由具有较强钢结构加工能力的单位完成，焊接工人应持证上岗。
钢管拱肋制作方法有工厂制作和施工现场制作两种方式，究竟选择何种制作方法，应根据桥梁的结构特点、施工单位的技术水平、施工现场的运输条件、钢管拱肋的安装工艺和经济指标等综合确定。
工厂化制作的好处在于：能使产品制作处于较稳定的生产流水线上，人员、生产设备和检测设备配置等方面能得到保证；工厂制作受温度变化、湿度、粉尘等不利环境的影响较现场制作要小得多；可以按照规范的作业程序进行日常生产组织管理；场地建设和制作加工所需的设备运输费用低。不足之处在于：成品或半成品的构件需通过陆地或水运运输到安装现场，运输费用高，出现部分损伤和损坏的风险性较大。现场加工制作需要较大的生产场地，受现场施工条件局限，大型加工设备投入、试验检验手段、环保和安全及职业健康管理等方面不如加工化制作完善，运输成本较低，但增加了场地建设费用和较多的辅助施工费用。
用于钢管混凝土拱桥拱肋中的钢管有螺旋焊钢管、直缝焊钢管和无缝钢管三种。管径较大的弦管和腹杆通常采用有缝钢管，管径小的钢管宜采用无缝钢管。螺旋焊接加工费用较低，管节较长（一般为12~20m），成管焊缝质量容易控制，也有利于钢管与混凝土的共同作用。
将拱肋弦管加工成曲线的方法有热加工和冷加工两种方式，即热煨弯成型技术和以直代曲多段短钢管对接拟合拱轴线成型技术。钢管弯曲应按《铁路钢桥制造规范》（TB 10212-2009）规定执行。以直代曲方法适合于直管焊接的钢管来加工制作拱肋弦管，这种方法具有工艺简单、设备投入少、加工速度快、对钢材损伤小、施工成本低等优点，但直管连接处有凸点，拱轴线形不连续。当直缝焊接管管节较长时，也应将其弯成弧形。
钢管弯制完成后，与已经加工好的其他部件进行组装，形成单节段拱肋。单节段组装方式有卧式拼装和立式拼装两种。卧式拼装是将钢管拱肋侧向翻转90°，把立面改成平面进行加工制作。国内钢管拱肋桁架的拼装，通常用于采用无支架缆索吊装、支架安装工艺的钢管拱桥。卧式拼装方式降低了钢管拱肋节段重心位置和拼装作业高度，便于施工操作和控制，能充分利用自动焊接和起重设备进行作业，起到了提高焊接质量和降低安全风险的作用。立式拼装是按照钢管拱肋曲线搭设拱形工作支架，使钢管拱肋节段保持立面姿态进行零部件组装的方式。采用该方式加工制作时，由于钢管拱肋节段中心高，稳定性较差，高空作业量增加，作业难度大，故在安全技术方面需要制定相应的措施保证拱肋在立式姿态下稳定；同时工作支架也需要专门设计，耗用的施工辅助材料较多，成本较高。立式拼装主要用于受场地使用要求限制或受安装工艺限制的钢管拱桥。
图一 拱肋焊接
（二）拱肋安装
适用于钢管拱肋架设的方法较多，有缆索吊装法、转体法、少支架法和整体提升法等。
缆索吊装是钢管拱肋安装最常用的施工方法，如图1所示为某拱桥按五段吊装合拢成拱，图中数字为节段安装顺序，其中图1中每条拱箱（肋）的节段吊装顺序为：
1、吊装左端的端段1就位，将工作处与墩、台帽直接抵接牢靠。上部用扣索扣好，下面将风缆索拉好，然后松去吊索。
2、吊运次段拱箱2并与端段1相接。将接头处用螺栓固定，上部用扣索扣好，下面用缆风索拉好，然后松去吊索。
3、再按上面的程序吊装右端的端段3和中段4。
4、最后吊运合拢段5至所吊孔的上空，徐徐降落并与两中段2、4的上接头相接，然后慢慢松扣，合拢成拱。
5、当拱圈符合设计高程后，即可用钢板楔紧接头，松扣、扣索，但暂不去掉，带全部接头焊接牢固后，方可全部去掉扣、吊索。
6、按同样的程序，进行下个拱箱6~10段的吊装合拢。
采用缆索吊装法施工关键在于扣索索力和节段预抬量的计算，而这些计算又与拱肋线形控制方法有关。目前，拱肋线形控制方法有一次扣索张拉法和多次调索张拉法两种形式。一次扣索张拉法利用扣索的弹性伸长来满足节段高程的变化，使松索成拱后的拱轴线性满足设计要求，因此在安装过程中需要预先抬高或降低节段高程；多次调索张拉法是每安装一个节段或横向联结系，都将已经安装的节段调整到设计控制位置，节段和横向联结系全部安装完毕。随着拱肋节段数的增多，多次调索张拉法需要调索的数量也急剧增加，每调整一根扣索都会对其他扣索产生影响，计算量和扣索调整量都相当大。现大多采用一次扣索张拉法进行拱肋线形的控制。
用于钢管混凝土拱桥拱肋安装的转体方法有平转法、竖转法以及竖转与平转相结合的施工方法。当跨径较大的钢管混凝土拱桥采用竖转法施工时，由于钢管拱肋自重较大、悬臂较大，故要求牵引力较大、牵引索也较多，有时除了悬臂自由端设置拉索外，还要增加拉索组数。
无论采用何种方法架设，都要经过合拢和体系转换才能成为无铰拱。钢管拱肋合拢应尽可能选择在设计合拢温度下合拢。由于钢结构必须在无应力状态下焊接，因此，必须采用临时锁定措施，将拱肋锁定。
完成主拱合拢和拱脚固结后，浇筑拱座剩余部分混凝土，达到设计强度后便可进行松索成拱施工。松索成拱应对称、均衡、分次由拱顶至拱脚进行，一般分为3~4次。理论上，松索成拱后的拱肋变形应与裸拱在自重作用下的变形一致。
图二 拱肋吊装
（三）管内混凝土的灌注
管内混凝土灌注应采用泵送顶升压注法施工，从两拱脚至拱顶对称均衡一次性压注完成。除在拱顶设置隔仓板外，其余部位一般不宜再设置隔仓板。但对于大跨径钢管混凝土拱桥，当一次性连续泵送有困难时，可设置隔仓板，采用接力泵送灌注。在拱顶设置排气孔，以保证将泵送混凝土的前端不良部分排出并使拱顶段有一定的压力，减小其收缩量，增加密实性。
管内泵送混凝土除满足强度要求外，应具有低泡、高流动性、微膨胀补偿收缩、低水化热、缓凝和早强等工作性能。坍落度不宜小于15cm，粗集料最大粒径在3cm以内，管内的混凝土强度等级一般在C40~C60之间。
管内混凝土压注前应先清洗管内污物，润湿管壁，泵入适量水泥浆后再压住混凝土，直至钢管混凝土顶端排气孔排出合格的混凝土为止。管内混凝土密实度的检测方法应以超声波为主，人工敲击为辅。
管内混凝土的灌注有先下（弦管）后上（弦管）、先上（弦管）后下（弦管）和上（下）
与下（上）弦管交错灌注等多种顺序。混凝土灌注过程中，由于摩阻力存在，必然造成输送压力的损失，所以管内各点的压力是不同的。
现以半径 的直通管为例，取距输送管的排出口为 和 之间的微段圆柱体，以灌注过程中作用于微段的力的平衡状态分析混凝土灌注过程中的压力损失和管内输送压力。
设输送管内 处的压力为 ， 处的压力为 ，则作用于 上的压力为： 。
根据 上的力平衡条件，与上述力平衡的力有：管壁的摩阻力，混凝土的惯性力及重力，混凝土与管道的摩擦力为 。所以，单位输送管上的压力损失： 。
式中： —输送管半径；
—管内混凝土速度；
—混凝土的密度；
—重力加速度；
—直通管与水平面的夹角；
近似任意位置上混凝土流动速度相同，则对上式积分得到距输送管排出口 处的管内输送压力：
以上是混凝土在满足可泵性要求，在管内形成流动的条件，推导出灌注过程中输送管内的压力损失和管内输送压力的理论计算公式。
管内混凝土应在达到设计强度85%左右时方可灌注下个钢管混凝土，使先前灌注的管内混凝土具有一定的强度和刚度，参与受力。
图三 拱肋混凝土灌注
（四）钢管防腐
长期裸露在大气中的钢结构桥梁，受到大气中潮湿气体和雨水等腐蚀介质影响，不断发生电化学反应，导致钢材腐蚀。因此，必须使用高质量的涂料防腐体系，延缓钢结构的腐蚀体系，延长钢结构桥梁的使用寿命并提高结构安全性。
目前，我国的钢管拱桥防腐体系主要采用金属热喷涂防护技术、高性能涂料和高分子复合材料防腐体系，其中以金属热喷涂防护在钢管混凝土拱桥中应用最为广泛。
图四 拱肋涂装
三、结语
钢管混凝土拱桥是一种结构轻巧、形式多样、美学效果良好的桥梁结构，加之钢管混凝土拱桥较好地解决了拱桥施工中所需安装重量轻和承载能力大的矛盾，因此，一经出现便得到迅速推广，成为大跨度拱桥一种比较理想的结构形式，此外，大直径钢管卷制工厂化，也有利地促进了中国钢管混凝土拱桥的发展。但是，钢管混凝土拱桥的设计、计算理论以及施工和施工控制等，尚需更深的研究和完善。
【参考文献】
[1]《桥梁工程》 顾安邦、向中富 人民交通出版社
[2]《桥梁工程》 范立础 人民交通出版社
[3]《浅析钢管混凝土拱桥施工方法》[B] 黄延青
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
