1、宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究?桥梁工程?宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究李敏,李振国(中铁三局集团第一工程有限公司,河北霸州065700)摘要:提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥在铁路建设中得到越来越广泛的应用,其施工过程体系多变,受力复杂.以宜万铁路落步溪大桥为背案,分别对大体积拱座混凝土施工,钢管拱骨架缆索吊装及拱肋内灌和外包混凝土浇筑等关键工序的工艺了探讨和工程实践结果表明,本文探讨的施工工艺合理,可行,为今后同类铁路桥梁的建造提供参考和指导.关键词:宜万铁路;钢管混凝土;劲性骨架;拱桥;施工中图分类号:U445.4文献2、标识码:A文章编号:10042954(20l0)08017005钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构,不仅具有强度高,质量轻,延性好,耐疲劳,耐冲击等优越的力学性能,还具有省工省料,架设轻便,施_丁快速等优越的施工性能.国外修建钢管混凝土拱桥的数量少,规模小,相对而言我国修建钢管混凝土拱桥技术己经达到国际先进水平.但到目前为止,钢管混凝土拱桥上仍存在且急需解决的一些问题,如缺乏钢管混凝土拱桥的设计,施工规范,己建成的钢管混凝土拱桥常出现拱背混凝土脱空的现象等.大跨度钢管混凝土拱桥主要采用桁架式钢管拱桥,它是一种自架设体系结构,一般先用缆索吊装或转体施工法架设成桁架式空钢管3、拱桥,在此基础上浇筑缀板,弦杆内混凝土,安装桥道系,浇筑桥面铺装,形成钢管混凝土拱桥.其刚度和强度是逐渐组合形成的,大大了增加了施工的复杂性和风险.本文以宜万铁路落步溪大桥工程建设为背景,对提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺进行探索,以为该类桥梁施工积累经验和提供指导.1工程背景落步溪大桥是宜万铁路25个重点工程之一.由于桥址处山坡陡峻,河谷深窄,因此主桥采用跨越能力较强的拱桥,一孔跨越深谷.桥梁全长252.3m,桥跨组合为主跨1孔178m上承式拱桥,边跨为1孑L24m后张梁和1孔32m后张梁.拱设计为呈提篮式布置的两条拱肋,拱顶内倾3.5m,倾角5.057.,是目前国内跨度最大的上承4、式钢管混凝土劲性骨架铁路提篮拱桥.主拱肋采用单箱单室箱形截面(拱脚以上3m为实体段),拱脚处肋高6.0m,拱顶处肋高3.5m,高度按立特规律变化,拱肋宽为2.5m.拱肋劲性骨架上下弦杆采用+426mm12mm(+426mmx20mm)的无缝钢管,竖杆,上下平联,斜撑采用L140mmx90mm12mm和L80ram80mmx10mm角钢,两拱肋之间横撑采用+203mmx10mm无缝钢管.拱上立柱采用双斜式矩形墩柱,两立柱布置在倾斜的拱肋平面内,两柱间设带空洞的连接板和系梁,采用C30混凝土.拱顶中部47.5m段采用钢筋混凝土框架梁,每隔9.5m设1道横向断缝.框架两端采用514m的等高度(1.85、m)C40钢筋混凝土连续箱梁.落步溪大桥桥型布置如图1图3所示.图1宜万铁路落步溪大桥立面(单位:m)收稿日期:20100517作者简介:李敏(1977一),女,工程师,2001年毕业于内蒙古工业大学材料科学与工程专业,工学学士170针对该桥的设计特点,并结合现场施工条件,整个工艺流程可分为:施工准备,拱座浇筑,劲性骨架安装,主拱混凝土浇筑,拱上立柱浇筑,连续梁施工.其中拱铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)李敏,李振国一宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究图2宜万铁路落步溪大桥平面l8o0图3宜万铁路落步溪大桥跨中截面(单位:m)座6、,劲性骨架及拱肋混凝土是施工的重点和难点,现分别进行探讨.2拱座施工工艺落步溪大桥上部动静荷载通过拱肋传递至两侧拱座.拱座为现浇C25钢筋混凝土,单个拱座混凝土数量为1997.6m,每个拱座预埋+600mmx16lIlm,单根长3.8m钢管.本拱座施工的难点在于:如何实现对大体积的混凝土水化热的控制,以防止大体积混凝土开裂;如何实现钢管的准确定位与安装,以实现劲性骨架的准确合龙.对于大体积混凝土水化热控制,首先从昆凝土配合比考虑,选用矿渣水泥加粉煤灰进行配合比设计,并对其浇筑后产生的温度应力进行计算,水:(水泥+粉煤灰):砂:碎石配合比=190kg(7.76%):(363+64)kg(17.47、%):688kg(28.08%):1145kg(46.73%).其次从施工方法上考虑,采用两次浇筑混凝土施工方法,如图4所示.最后考虑采用外部措施,通过在拱座内布设冷却管来降低混凝土水化热的聚集.(a)拱座结构(b)第1次浇筑(c)第2次浇筑图4拱座混凝土分次浇筑示意(单位:m)冷却管路采用普通+32mm3.25mm焊接钢管,第一次浇筑混凝土时冷却管路沿长度方向水平分层布设,每层位置应在分层浇筑中心处,第二次浇筑混凝土铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)?桥梁工程?时冷却管路沿长度方向平行于拱座斜面布设,每层为单独回路,如图5所示.各层管路进水口皆从拱座较低口进8、入,各层进水口尽量位于线路同一侧,出水口均高于进水口,以确保管内水流饱满.图5拱座混凝土内冷却管布置(单位:m)3劲-陛骨架缆索吊装工艺对于大跨度钢管混凝土(劲性骨架)拱桥而言,空钢管拱肋架设是施工中难度最大,风险最大的关键性工序,主要采用无支架缆索吊装一千斤顶斜拉扣挂法.根据落步溪大桥的现场施工条件,扣索方案采用无扣塔扣索方案,即扣索后锚点利用本桥拱座后方的桥台(进行相应的预应力配束),由于扣索后锚点的高程低于一般的扣塔扣点,势必会引起较大的骨架纵向压缩量,给合龙施工带来了困难.3.1拱肋钢管骨架节段划分及制作整个拱肋共分11个节段,从宜昌侧向万州侧的编号依次为1,2,3,4,5,11,109、,9,8,7,6,各节段长度及质量见表1.各节段采取现场分节段加工,利用缆索吊吊装.各节段质量加上吊装时的临时横撑的质量均不大于62t,此质量是吊装系统设计的一重要参数.表1拱肋钢管骨架分段根据钢拱肋截面形式,将各节段制作分为下料加工,主弦管弯制,平联制作,单拱肋卧拼,拱段立体预拼组装,合龙接头的设置,移出场地至吊装区等7个阶段.3.2钢管骨架的架设方案拱肋骨架无支架缆索吊装系统采用吊,挂分离方案.缆索吊装系统由索塔系,索道系,后锚系群,卷扬机群,抗风系等组成,缆索吊装系统总体布置见图6.钢管拱肋骨架节段施工流程见图7.拱肋的吊装方法采用四点抬吊整体吊装,起吊就位的方法进行.吊装顺序为:宜昌侧10、1,2一万州侧6,171一?桥梁工程?李敏,李振国一宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究图6缆索吊装系统总体布置立面(单位:ITI)万能杆件等设备进场H索塔拼装布置索塔抗风索主索锚碇布置安装塔顶结构布置吊装缆索塔顶结构制作缆索进场缆索系统验收I塑墨曼茎丝室l盏二翌霪霾蜜匮吊,扣索转换图7拱肋骨架节段施工流程挂拉八字抗风索7一宜昌侧3,4,5一万州侧8,9,l0一合龙节11.3.3钢管骨架合龙施工钢管拱合龙成功与否是架设过程中的关键控制点,也是最危险的,此时各种系统均处于受力最大和最不利的状态,保证扣索应力在安全的前提下进行调整,使钢管拱肋高程误差控制在设计允许范围内11、,合龙段长度设计为18m.合龙接头设计大样如图8所示.钢管拱合龙施工的顺序如下.(1)调整两岸各段缆风绳,控制拱肋的横向偏位,调整各段扣索使拱肋各段的拱轴线,高程均满足设计或监控单位的要求.扣索调整时,注意保证每段对应点高程相同,各根对应扣索张力基本相等.(2)在已安装的钢管接头处安装合龙衬管,并使衬管端部与钢管端部齐平,准备合龙时使用.(3)合龙段运至跨中位置时,在两相邻段上端设2台倒链,然后起重绳徐徐下降,下降过程中逐步收紧倒链,确保合龙段不碰撞已安装段,当合龙段降至比控制高程高出50am时,利用倒链调整四个端点的坐标和合龙段的位置,下放吊点.(4)调整钢管位置,使合龙衬管能顺利进入合龙段12、钢管内,检查全桥的拱轴线及高程符合要求后,在合适温度条件下先焊接一端的接头,再用同样的方法焊接另一个接头,焊接完成后,卸除吊点的力,从而完成对钢管拱的合龙施工.(5)全桥所有接头及拱脚焊接完成后,拆除扣索和横向抗风钢绳,完成钢管拱的安装.除拱脚和拱座预埋钢管和4,5段,9,10段的接头以及合龙段接头为合龙后施焊外,其余接头均为节段安装调整高程及拱轴线后焊接.弋12F辛cr骨架弦杆i骨架弦柯IJ莩II1112=eI/弋一I一嵌管N4500【图8合龙接头大样(单位:mm)3.4钢管骨架扣索拆索施工为了保证骨架结构应力的自适应调整,确保拱肋钢管骨架具有良好的恒载应力状态,采用铰接拆索.考虑到一些可能13、的未知因素,拆索时先卸荷50%,观察结构的中线偏移状况,未见异常的情况下再进行下一阶段的索力卸荷.同时在整个拆除扣索的过程中,实时监测结构关键截面应力,确保拆索过程中结构的应力低于强度及稳定应力的要求,保证结构的稳定与安全.具体的扣索索力卸载顺序为:宜昌侧5号扣索卸荷50%一3号扣索卸荷50%一1号扣索卸荷50%一4号扣索卸荷50%一2号扣索卸荷50%(万州侧与此对称)一静停观察1d一5号扣索卸荷100%一3号扣索卸荷100%一l号扣索卸荷100%一4号扣索卸荷100%一2号扣索卸荷100%.具体如图9所示.4拱肋混凝土浇筑工艺探讨落步溪大桥拱肋混凝土的施工包括2个方面:钢172铁道标准设计R14、AILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)李敏,李振国一宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究横撑截面2图9骨架扣索拆除顺序(单位lm)管内混凝土灌注和外包混凝土浇筑,现对其施工工艺分别进行探讨.4.1钢管内混凝土灌注钢管混凝土的灌注采用泵送顶升压注法,利用混凝土输送泵的压力,在拱脚开压注口,在拱顶开出浆孔,将混凝土沿钢管从下往上一次压注完成,保证昆凝土的连续和均匀.混凝土要求具有良好的泵送性能和微膨胀性,满足施工要求和补偿混凝土收缩;充分利用各种外加剂的特性来改善混凝土的性能,以提高混凝土强度,和易性和可泵性来补偿钢管混凝土干缩,温缩.混凝土灌注的工艺流15、程如下.(1)开压注孔,焊接栅阀泵管,开人工灌注孔,焊灌注管,开拱脚底部排渣口,打开排气孔,出浆孔;压力水清洗管内,排渣口排出水及杂物后封闭.(2)人工从灌注孔浇捣压注口以下钢管混凝土,用钢板封闭竖向灌注孔.(3)压注少量混凝土过压注口,从排气孔注入约0.5m水泥砂浆.(4)压注钢管混凝土,拱顶排浆孔排出混凝土后关闭压注口处闸阀;混凝土终凝后拆除闸阀及排气管,出浆管并封闭.(5)对钢管内混凝土的灌注质量进行检查,对未密实处进行开窗补浆.8根钢管分2次压注,第1次压注完成下弦4根钢管,第2次压注完成上弦4根钢管.而且,每次压注结束时4根钢管内的混凝土均不得初凝.第3次灌注横撑钢管(水泥浆).8根16、钢管的具体位置及灌注顺序如图10所示,钢管内混凝土灌注现场布置如图11所示.第2次灌注h弦4根钢管图108根钢管的具体位置及灌注顺序(单位:mm)4.2拱肋外包混凝土浇筑外包混凝土是整个落步溪大桥施工中最复杂,最繁琐,最耗时,周转材料消耗最大的一项工序,均为高铁道标准没计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)备用混凝土搅拌机?桥梁工程?图11钢管内混凝土灌注现场布置空作业,操作空间狭小,安全风险大.拱肋外包混凝土施工时,考虑到全拱均匀加载,完全对称的要求,按分阶段,分区域思路进行,沿竖向分环,沿纵向设多个工作面,即采用三环十三面方法进行.先在支架上施工拱脚3m实心段,其余沿箱17、高分三环,即底板及下倒角为第一环,侧板为第二环,上倒角和顶板为第三环,如图12所示.十三面即将每环沿拱轴分为十三段(十三个工作面).把第一环,第三环混凝土(含横撑)分十三个工作面(奇数段)浇筑;第二环混凝土方量稍少,分十一个工作面进行浇筑.第一环,第三环均按5+4+4工作面分三次浇筑,第二环按6+5个工作面分两次浇筑,具体如图13所示Ij拱脚截面分环lJ拱顶截面分环图例:E第i环施工位置置霾第二环施T位置圈第一环施位置图12拱肋外包混凝土分环示意(单位:cm)5结论本文以落步溪大桥施工为背景,对提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺进行了深入探讨,并进行了工程实践应用.结果表明:(1)背景18、工程的两侧拱座混凝土表面光滑平整,线条清晰,混凝土表面未出现任何裂纹,拱座大体积混173?桥梁工程?李敏,李振国一宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究注:1拱肋外包混凝土第一环浇筑分段图经过25rfl的试验段后优化为上图分段.共分13段,分为3次浇筑;2第一次浇筑一,四,七,十,十三工作段,第二次浇筑二,五,九,十二工作段,第三次浇筑三,六,八,十一工作段.(a)拱肋第一环外包混凝土浇筑示意(b)拱肋外包第二环混凝土分段位置示意没有好的办法的情况下仍采用钢板拼接,二,i环间隔槽均采用1rfl宽度,便于后期凿毛操作空间足够.(b)拱肋外包第三环混凝土分段位置示意图1319、三环十三面施工方案示意(单位:cm)凝土施工质量良好.(2)钢管劲性骨架的制作精度高,缆索吊装安装过程顺利,并实现了合龙段的准确安装,整个安装过程结构的应力及线形变化均在预控范围内.(3)钢管拱内充微膨胀泵送混凝土施工过程顺利,各项指标满足要求;外包混凝土的三环十三面的分阶段,分区域的施工方案,实现了外包混凝土施工过程的对称多点加载,确保了拱肋结构的良好受力性能.总之,本文所探讨的钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺经工程实践证明是合理,可行的,能为今后其他同类工程建设提供重要参考.参考文献:1瞿国钊,刘华全.宜万铁路落步溪大桥178m混凝土拱桥设计174J.铁道标准设计,2005(11).220、蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的最新发展J.土木工程学报,1999(4).3陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工M.北京:人民交通出版社.1999.4杨齐海,夏万军.武汉江汉三桥钢管拱桁架吊装方案的比选J.施工技术,2000(6).5万中茎,徐基伟,李文琪.万县长江大桥劲性骨架的安装C四川省公路学会桥梁学术研讨会论文集.成都:西南交通大学出版社.1996.6王道斌,彭济南,陈佑新,等.莲沱大桥钢管拱肋竖转吊装的方案设计与施工J.桥梁建设,1997(2).7张敏.微膨胀混凝土与钢管拱泵送混凝土施工J.中南公路工程,2000,25(3).8王慧东,李云山,王俊如.大跨度钢管混凝土拱桥施工J.铁道标准设计,1998(8).铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)