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1、宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究?橋梁工程?宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究李敏,李振國(中鐵三局集團第一工程有限公司,河北霸州065700)摘要:提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋在鐵路建設中得到越來越廣泛的應用,其施工過程體系多變,受力復雜.以宜萬鐵路落步溪大橋為背案,分別對大體積拱座混凝土施工,鋼管拱骨架纜索吊裝及拱肋內灌和外包混凝土澆筑等關鍵工序的工藝了探討和工程實踐結果表明,本文探討的施工工藝合理,可行,為今后同類鐵路橋梁的建造提供參考和指導.關鍵詞:宜萬鐵路;鋼管混凝土;勁性骨架;拱橋;施工中圖分類號:U445.4文獻2、標識碼:A文章編號:10042954(20l0)08017005鋼管混凝土結構是由混凝土填入薄壁鋼管內而形成的一種組合結構,不僅具有強度高,質量輕,延性好,耐疲勞,耐沖擊等優越的力學性能,還具有省工省料,架設輕便,施_丁快速等優越的施工性能.國外修建鋼管混凝土拱橋的數量少,規模小,相對而言我國修建鋼管混凝土拱橋技術己經達到國際先進水平.但到目前為止,鋼管混凝土拱橋上仍存在且急需解決的一些問題,如缺乏鋼管混凝土拱橋的設計,施工規范,己建成的鋼管混凝土拱橋常出現拱背混凝土脫空的現象等.大跨度鋼管混凝土拱橋主要采用桁架式鋼管拱橋,它是一種自架設體系結構,一般先用纜索吊裝或轉體施工法架設成桁架式空鋼管3、拱橋,在此基礎上澆筑綴板,弦桿內混凝土,安裝橋道系,澆筑橋面鋪裝,形成鋼管混凝土拱橋.其剛度和強度是逐漸組合形成的,大大了增加了施工的復雜性和風險.本文以宜萬鐵路落步溪大橋工程建設為背景,對提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝進行探索,以為該類橋梁施工積累經驗和提供指導.1工程背景落步溪大橋是宜萬鐵路25個重點工程之一.由于橋址處山坡陡峻,河谷深窄,因此主橋采用跨越能力較強的拱橋,一孔跨越深谷.橋梁全長252.3m,橋跨組合為主跨1孔178m上承式拱橋,邊跨為1孑L24m后張梁和1孔32m后張梁.拱設計為呈提籃式布置的兩條拱肋,拱頂內傾3.5m,傾角5.057.,是目前國內跨度最大的上承4、式鋼管混凝土勁性骨架鐵路提籃拱橋.主拱肋采用單箱單室箱形截面(拱腳以上3m為實體段),拱腳處肋高6.0m,拱頂處肋高3.5m,高度按立特規律變化,拱肋寬為2.5m.拱肋勁性骨架上下弦桿采用+426mm12mm(+426mmx20mm)的無縫鋼管,豎桿,上下平聯,斜撐采用L140mmx90mm12mm和L80ram80mmx10mm角鋼,兩拱肋之間橫撐采用+203mmx10mm無縫鋼管.拱上立柱采用雙斜式矩形墩柱,兩立柱布置在傾斜的拱肋平面內,兩柱間設帶空洞的連接板和系梁,采用C30混凝土.拱頂中部47.5m段采用鋼筋混凝土框架梁,每隔9.5m設1道橫向斷縫.框架兩端采用514m的等高度(1.85、m)C40鋼筋混凝土連續箱梁.落步溪大橋橋型布置如圖1圖3所示.圖1宜萬鐵路落步溪大橋立面(單位:m)收稿日期:20100517作者簡介:李敏(1977一),女,工程師,2001年畢業于內蒙古工業大學材料科學與工程專業,工學學士170針對該橋的設計特點,并結合現場施工條件,整個工藝流程可分為:施工準備,拱座澆筑,勁性骨架安裝,主拱混凝土澆筑,拱上立柱澆筑,連續梁施工.其中拱鐵道標準設計RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)李敏,李振國一宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究圖2宜萬鐵路落步溪大橋平面l8o0圖3宜萬鐵路落步溪大橋跨中截面(單位:m)座6、,勁性骨架及拱肋混凝土是施工的重點和難點,現分別進行探討.2拱座施工工藝落步溪大橋上部動靜荷載通過拱肋傳遞至兩側拱座.拱座為現澆C25鋼筋混凝土,單個拱座混凝土數量為1997.6m,每個拱座預埋+600mmx16lIlm,單根長3.8m鋼管.本拱座施工的難點在于:如何實現對大體積的混凝土水化熱的控制,以防止大體積混凝土開裂;如何實現鋼管的準確定位與安裝,以實現勁性骨架的準確合龍.對于大體積混凝土水化熱控制,首先從昆凝土配合比考慮,選用礦渣水泥加粉煤灰進行配合比設計,并對其澆筑后產生的溫度應力進行計算,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%).其次從施工方法上考慮,采用兩次澆筑混凝土施工方法,如圖4所示.最后考慮采用外部措施,通過在拱座內布設冷卻管來降低混凝土水化熱的聚集.(a)拱座結構(b)第1次澆筑(c)第2次澆筑圖4拱座混凝土分次澆筑示意(單位:m)冷卻管路采用普通+32mm3.25mm焊接鋼管,第一次澆筑混凝土時冷卻管路沿長度方向水平分層布設,每層位置應在分層澆筑中心處,第二次澆筑混凝土鐵道標準設計RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)?橋梁工程?時冷卻管路沿長度方向平行于拱座斜面布設,每層為單獨回路,如圖5所示.各層管路進水口皆從拱座較低口進8、入,各層進水口盡量位于線路同一側,出水口均高于進水口,以確保管內水流飽滿.圖5拱座混凝土內冷卻管布置(單位:m)3勁-陛骨架纜索吊裝工藝對于大跨度鋼管混凝土(勁性骨架)拱橋而言,空鋼管拱肋架設是施工中難度最大,風險最大的關鍵性工序,主要采用無支架纜索吊裝一千斤頂斜拉扣掛法.根據落步溪大橋的現場施工條件,扣索方案采用無扣塔扣索方案,即扣索后錨點利用本橋拱座后方的橋臺(進行相應的預應力配束),由于扣索后錨點的高程低于一般的扣塔扣點,勢必會引起較大的骨架縱向壓縮量,給合龍施工帶來了困難.3.1拱肋鋼管骨架節段劃分及制作整個拱肋共分11個節段,從宜昌側向萬州側的編號依次為1,2,3,4,5,11,109、,9,8,7,6,各節段長度及質量見表1.各節段采取現場分節段加工,利用纜索吊吊裝.各節段質量加上吊裝時的臨時橫撐的質量均不大于62t,此質量是吊裝系統設計的一重要參數.表1拱肋鋼管骨架分段根據鋼拱肋截面形式,將各節段制作分為下料加工,主弦管彎制,平聯制作,單拱肋臥拼,拱段立體預拼組裝,合龍接頭的設置,移出場地至吊裝區等7個階段.3.2鋼管骨架的架設方案拱肋骨架無支架纜索吊裝系統采用吊,掛分離方案.纜索吊裝系統由索塔系,索道系,后錨系群,卷揚機群,抗風系等組成,纜索吊裝系統總體布置見圖6.鋼管拱肋骨架節段施工流程見圖7.拱肋的吊裝方法采用四點抬吊整體吊裝,起吊就位的方法進行.吊裝順序為:宜昌側10、1,2一萬州側6,171一?橋梁工程?李敏,李振國一宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究圖6纜索吊裝系統總體布置立面(單位:ITI)萬能桿件等設備進場H索塔拼裝布置索塔抗風索主索錨碇布置安裝塔頂結構布置吊裝纜索塔頂結構制作纜索進場纜索系統驗收I塑墨曼莖絲室l盞二翌霪霾蜜匱吊,扣索轉換圖7拱肋骨架節段施工流程掛拉八字抗風索7一宜昌側3,4,5一萬州側8,9,l0一合龍節11.3.3鋼管骨架合龍施工鋼管拱合龍成功與否是架設過程中的關鍵控制點,也是最危險的,此時各種系統均處于受力最大和最不利的狀態,保證扣索應力在安全的前提下進行調整,使鋼管拱肋高程誤差控制在設計允許范圍內11、,合龍段長度設計為18m.合龍接頭設計大樣如圖8所示.鋼管拱合龍施工的順序如下.(1)調整兩岸各段纜風繩,控制拱肋的橫向偏位,調整各段扣索使拱肋各段的拱軸線,高程均滿足設計或監控單位的要求.扣索調整時,注意保證每段對應點高程相同,各根對應扣索張力基本相等.(2)在已安裝的鋼管接頭處安裝合龍襯管,并使襯管端部與鋼管端部齊平,準備合龍時使用.(3)合龍段運至跨中位置時,在兩相鄰段上端設2臺倒鏈,然后起重繩徐徐下降,下降過程中逐步收緊倒鏈,確保合龍段不碰撞已安裝段,當合龍段降至比控制高程高出50am時,利用倒鏈調整四個端點的坐標和合龍段的位置,下放吊點.(4)調整鋼管位置,使合龍襯管能順利進入合龍段12、鋼管內,檢查全橋的拱軸線及高程符合要求后,在合適溫度條件下先焊接一端的接頭,再用同樣的方法焊接另一個接頭,焊接完成后,卸除吊點的力,從而完成對鋼管拱的合龍施工.(5)全橋所有接頭及拱腳焊接完成后,拆除扣索和橫向抗風鋼繩,完成鋼管拱的安裝.除拱腳和拱座預埋鋼管和4,5段,9,10段的接頭以及合龍段接頭為合龍后施焊外,其余接頭均為節段安裝調整高程及拱軸線后焊接.弋12F辛cr骨架弦桿i骨架弦柯IJ莩II1112=eI/弋一I一嵌管N4500【圖8合龍接頭大樣(單位:mm)3.4鋼管骨架扣索拆索施工為了保證骨架結構應力的自適應調整,確保拱肋鋼管骨架具有良好的恒載應力狀態,采用鉸接拆索.考慮到一些可能13、的未知因素,拆索時先卸荷50%,觀察結構的中線偏移狀況,未見異常的情況下再進行下一階段的索力卸荷.同時在整個拆除扣索的過程中,實時監測結構關鍵截面應力,確保拆索過程中結構的應力低于強度及穩定應力的要求,保證結構的穩定與安全.具體的扣索索力卸載順序為:宜昌側5號扣索卸荷50%一3號扣索卸荷50%一1號扣索卸荷50%一4號扣索卸荷50%一2號扣索卸荷50%(萬州側與此對稱)一靜停觀察1d一5號扣索卸荷100%一3號扣索卸荷100%一l號扣索卸荷100%一4號扣索卸荷100%一2號扣索卸荷100%.具體如圖9所示.4拱肋混凝土澆筑工藝探討落步溪大橋拱肋混凝土的施工包括2個方面:鋼172鐵道標準設計R14、AILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)李敏,李振國一宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究橫撐截面2圖9骨架扣索拆除順序(單位lm)管內混凝土灌注和外包混凝土澆筑,現對其施工工藝分別進行探討.4.1鋼管內混凝土灌注鋼管混凝土的灌注采用泵送頂升壓注法,利用混凝土輸送泵的壓力,在拱腳開壓注口,在拱頂開出漿孔,將混凝土沿鋼管從下往上一次壓注完成,保證昆凝土的連續和均勻.混凝土要求具有良好的泵送性能和微膨脹性,滿足施工要求和補償混凝土收縮;充分利用各種外加劑的特性來改善混凝土的性能,以提高混凝土強度,和易性和可泵性來補償鋼管混凝土干縮,溫縮.混凝土灌注的工藝流15、程如下.(1)開壓注孔,焊接柵閥泵管,開人工灌注孔,焊灌注管,開拱腳底部排渣口,打開排氣孔,出漿孔;壓力水清洗管內,排渣口排出水及雜物后封閉.(2)人工從灌注孔澆搗壓注口以下鋼管混凝土,用鋼板封閉豎向灌注孔.(3)壓注少量混凝土過壓注口,從排氣孔注入約0.5m水泥砂漿.(4)壓注鋼管混凝土,拱頂排漿孔排出混凝土后關閉壓注口處閘閥;混凝土終凝后拆除閘閥及排氣管,出漿管并封閉.(5)對鋼管內混凝土的灌注質量進行檢查,對未密實處進行開窗補漿.8根鋼管分2次壓注,第1次壓注完成下弦4根鋼管,第2次壓注完成上弦4根鋼管.而且,每次壓注結束時4根鋼管內的混凝土均不得初凝.第3次灌注橫撐鋼管(水泥漿).8根16、鋼管的具體位置及灌注順序如圖10所示,鋼管內混凝土灌注現場布置如圖11所示.第2次灌注h弦4根鋼管圖108根鋼管的具體位置及灌注順序(單位:mm)4.2拱肋外包混凝土澆筑外包混凝土是整個落步溪大橋施工中最復雜,最繁瑣,最耗時,周轉材料消耗最大的一項工序,均為高鐵道標準沒計RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)備用混凝土攪拌機?橋梁工程?圖11鋼管內混凝土灌注現場布置空作業,操作空間狹小,安全風險大.拱肋外包混凝土施工時,考慮到全拱均勻加載,完全對稱的要求,按分階段,分區域思路進行,沿豎向分環,沿縱向設多個工作面,即采用三環十三面方法進行.先在支架上施工拱腳3m實心段,其余沿箱17、高分三環,即底板及下倒角為第一環,側板為第二環,上倒角和頂板為第三環,如圖12所示.十三面即將每環沿拱軸分為十三段(十三個工作面).把第一環,第三環混凝土(含橫撐)分十三個工作面(奇數段)澆筑;第二環混凝土方量稍少,分十一個工作面進行澆筑.第一環,第三環均按5+4+4工作面分三次澆筑,第二環按6+5個工作面分兩次澆筑,具體如圖13所示Ij拱腳截面分環lJ拱頂截面分環圖例:E第i環施工位置置霾第二環施T位置圈第一環施位置圖12拱肋外包混凝土分環示意(單位:cm)5結論本文以落步溪大橋施工為背景,對提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝進行了深入探討,并進行了工程實踐應用.結果表明:(1)背景18、工程的兩側拱座混凝土表面光滑平整,線條清晰,混凝土表面未出現任何裂紋,拱座大體積混173?橋梁工程?李敏,李振國一宜萬鐵路落步溪大橋提籃式鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝研究注:1拱肋外包混凝土第一環澆筑分段圖經過25rfl的試驗段后優化為上圖分段.共分13段,分為3次澆筑;2第一次澆筑一,四,七,十,十三工作段,第二次澆筑二,五,九,十二工作段,第三次澆筑三,六,八,十一工作段.(a)拱肋第一環外包混凝土澆筑示意(b)拱肋外包第二環混凝土分段位置示意沒有好的辦法的情況下仍采用鋼板拼接,二,i環間隔槽均采用1rfl寬度,便于后期鑿毛操作空間足夠.(b)拱肋外包第三環混凝土分段位置示意圖1319、三環十三面施工方案示意(單位:cm)凝土施工質量良好.(2)鋼管勁性骨架的制作精度高,纜索吊裝安裝過程順利,并實現了合龍段的準確安裝,整個安裝過程結構的應力及線形變化均在預控范圍內.(3)鋼管拱內充微膨脹泵送混凝土施工過程順利,各項指標滿足要求;外包混凝土的三環十三面的分階段,分區域的施工方案,實現了外包混凝土施工過程的對稱多點加載,確保了拱肋結構的良好受力性能.總之,本文所探討的鋼管混凝土勁性骨架上承式拱橋施工工藝經工程實踐證明是合理,可行的,能為今后其他同類工程建設提供重要參考.參考文獻:1瞿國釗,劉華全.宜萬鐵路落步溪大橋178m混凝土拱橋設計174J.鐵道標準設計,2005(11).220、蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新發展J.土木工程學報,1999(4).3陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工M.北京:人民交通出版社.1999.4楊齊海,夏萬軍.武漢江漢三橋鋼管拱桁架吊裝方案的比選J.施工技術,2000(6).5萬中莖,徐基偉,李文琪.萬縣長江大橋勁性骨架的安裝C四川省公路學會橋梁學術研討會論文集.成都:西南交通大學出版社.1996.6王道斌,彭濟南,陳佑新,等.蓮沱大橋鋼管拱肋豎轉吊裝的方案設計與施工J.橋梁建設,1997(2).7張敏.微膨脹混凝土與鋼管拱泵送混凝土施工J.中南公路工程,2000,25(3).8王慧東,李云山,王俊如.大跨度鋼管混凝土拱橋施工J.鐵道標準設計,1998(8).鐵道標準設計RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(8)