【摘 要】本文首先闡述了鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定理論以及鋼管混凝土的四個(gè)特點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)例著重介紹公路橋梁建設(shè)中鋼管混凝土拱橋的施工技術(shù)、施工工藝及施工要點(diǎn)，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】拱橋施工；鋼管混凝土；技術(shù)要點(diǎn)

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的大量投入，橋梁事業(yè)也隨之快速發(fā)展，許多橋梁在設(shè)計(jì)施工時(shí)均采用了鋼管拱橋技術(shù)。因其具有以下優(yōu)點(diǎn)：形態(tài)優(yōu)美，跨度大，施工簡(jiǎn)便，抗震、抗壓、抗裂性能顯著提高。鋼管混凝土充分利用了鋼管的套箍作用，采用了微應(yīng)力混凝土，其抗壓、抗裂性能顯著提高。三向應(yīng)力混凝土的主要特性是強(qiáng)度高，變形性好，在外荷載作用下，由于鋼管約束其內(nèi)部核心混凝土的橫向變形，使在三向應(yīng)力作用下的核心混凝土的強(qiáng)度比普通澆注的混凝土提高了2～3倍。普通混凝土受壓的壓縮應(yīng)變≥0.002時(shí)，出現(xiàn)縱向裂縫而破壞。三向應(yīng)力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)0.002時(shí)，不但仍有承載能力，而且表面不發(fā)生裂縫，它是一種很好的抗震材料。

2 鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定理論

橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。局部失穩(wěn)是指部分子結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或個(gè)別構(gòu)件的失穩(wěn)，局部失穩(wěn)常常導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)在外力增加到某一量值時(shí)，穩(wěn)定性平衡狀態(tài)開始喪失，稍有擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，使結(jié)構(gòu)失去正常工作能力的現(xiàn)象。拱橋的失穩(wěn)分為面內(nèi)屈曲和面外屈曲。拱橋的面內(nèi)屈曲有兩種不同形式，第一種形式是在屈曲臨界荷載前后，拱的撓曲線發(fā)生急劇變化，可看作這是具有分支點(diǎn)問題的具體形式，橋梁結(jié)構(gòu)中使用的拱。在體系和構(gòu)造上多是對(duì)稱的。當(dāng)荷載對(duì)稱地滿布于橋上時(shí)，如果拱軸線和壓力線是吻合的，則在失穩(wěn)前的平衡狀態(tài)只有壓縮而沒有彎曲變形；當(dāng)荷載逐漸增加至臨界值時(shí)，平衡就出現(xiàn)有彎曲變形的分支，拱開始發(fā)生屈曲。第二種屈曲形式是在非對(duì)稱荷載作用下，拱在發(fā)生豎直變位的同時(shí)也產(chǎn)生了水平變位。隨著荷載的增加，兩個(gè)方向的變位在變形形式?jīng)]有急驟變化的情況下繼續(xù)增加。當(dāng)荷載達(dá)到了極大值，即臨界荷載之后，變位將迅速增加，這類失穩(wěn)稱之為極值點(diǎn)失穩(wěn)，也稱第二類失穩(wěn)。求解這類穩(wěn)定問題的極限荷載，需要采用非線性分析方法。如果拱的側(cè)向剛度相對(duì)較小，當(dāng)荷載達(dá)到一定臨界值，拱也可能先離開其受載的平面向空間彎扭形式的平衡狀態(tài)過渡，發(fā)生面外屈曲。

3 鋼管混凝土特點(diǎn)

3.1 鋼管混凝土拱橋其實(shí)是套箍混凝土，所以比一般混凝土強(qiáng)度高、塑性好、質(zhì)量輕、耐疲勞；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能由于內(nèi)填了混凝土，在高溫情況下．與空鋼管相比它的軟化溫度將極大的提高，而在急驟降溫(消防沖水)時(shí)又不會(huì)像鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)那樣爆裂，因此，其防火性能應(yīng)比鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還具有較好的耐沖擊力和動(dòng)力性能。

3.2 拱橋以受壓為主，面內(nèi)面外均存在著穩(wěn)定問題。圓鋼管截面各向抗彎慣矩大，相對(duì)的長(zhǎng)細(xì)比減小，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高。同時(shí)圓鋼管截面相對(duì)于箱形截面抵抗局部屈曲的性能要好。對(duì)于寬跨比較小且處于風(fēng)力較大的沿海或山谷地區(qū)的拱橋，圓形拱肋承受的橫向風(fēng)力較小，有利于提高拱的橫向穩(wěn)定性。

3.3 鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，故澆筑混凝土?xí)r可省去支模、拆模等工序；鋼管本身又是勁性承重骨架，在施工階段可起勁性鋼骨架作用，在使用階段又是主要的承重結(jié)構(gòu)，因此可以節(jié)省腳手架，縮短工期，減少施工用地，降低工程造價(jià)；鋼管混凝土具有剛度大、承載能力大、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)和橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝相結(jié)合，可以解決轉(zhuǎn)體質(zhì)量大與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度的矛盾。

3.4 在受壓構(gòu)件中采用鋼管混凝土，可大幅度節(jié)省材料。理論分析和工程實(shí)際都表明，鋼管混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比，在保持結(jié)構(gòu)自重力相近和承載能力相同的條件下，可節(jié)約鋼材約50％，混凝土和水泥用量以及構(gòu)件自重也相應(yīng)減少l／2。此外，鋼管混凝土拱橋還有造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，但是由于鋼結(jié)構(gòu)外露，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能比鋼筋混凝土弱，與鋼結(jié)構(gòu)一樣需要采用有效的防腐措施。

4 工程概況

本橋設(shè)計(jì)橋?qū)?8.5m，橋梁總長(zhǎng)585.56m。主橋部分由五孔無風(fēng)撐、雙承載面下承式的鋼管混凝土系桿拱組成(64m十64m+72m+64m+64m)。拱的矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線，拱肋采用圓端形扁鋼管結(jié)構(gòu)。拱肋高度72m跨為0.9m，64m跨為0.8m，寬均為1.8m，鋼管內(nèi)填充C40微膨脹砼。拱肋鋼管材質(zhì)Q345D，厚度為16mm。截面見圖1。

5 準(zhǔn)備工作

5.1 方案比選

5.1.1 方案一：采用連續(xù)拋落無振搗澆注混凝土的施工方法，混凝土由拱頂連續(xù)拋落。但對(duì)距拱頂4m以下的混凝土仍需開天窗用插入式振動(dòng)器進(jìn)行振搗，且所澆注混凝土不易密實(shí)，施工難度較大。

5.1.2 方案二：壓注頂升法。即在距離拱腳1.5～2m處的拱軸線處，兩側(cè)對(duì)稱各開壓注孔，利用混凝土輸送泵的壓力將混凝土從壓注孔處焊接好的泵管連續(xù)不斷地自下而上壓入鋼管拱內(nèi)，并達(dá)到砼自密實(shí)的效果。這種施工工藝簡(jiǎn)便易行。但必須選用壓力大、性能好的輸送泵。施工時(shí)采用方案二，即壓注頂升法施工，取得了滿意的效果，并總結(jié)出施工中需注意的一些問題。

5.2 施工前的觀測(cè)

觀測(cè)的目的是為了確定拱軸線、控制點(diǎn)的標(biāo)高是否正確。如果軸線有偏差可用預(yù)先設(shè)置好的風(fēng)攬進(jìn)行調(diào)整；如果因焊接、拼裝等原因造成一側(cè)的控制點(diǎn)高程偏大，而另一側(cè)的高程偏小，則可在壓注混凝土的過程中調(diào)整。

5.3 機(jī)具

泵送頂升施工需要有較大的泵送壓力，混凝土輸送泵的選擇是混凝土頂升壓注成功與否的關(guān)鍵。本工程選用了3輛三一牌HBT-50B型拖泵，其中1臺(tái)備用。此泵出口泵壓可達(dá)6.3MPa，對(duì)混凝土的適應(yīng)性較強(qiáng)。為確保泵送壓注頂升的連續(xù)進(jìn)行，施工時(shí)根據(jù)混凝土拌和站的位置和泵送速度，每臺(tái)泵車配備了3輛混凝土運(yùn)輸車，并有1輛備用。混凝土拌和站應(yīng)做好攪拌機(jī)的檢查、維修工作。

6 施工工藝

6.1 二級(jí)壓注，一次成型

由于鋼管為扁形，加勁肋布置較遠(yuǎn)，且矢高較大，根據(jù)混凝土所能產(chǎn)生的壓力及扁鋼管的抗變形能力計(jì)算(采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件分析計(jì)算)，若混凝土從拱腳一直壓到拱頂，則混凝土的壓力將把扁鋼管的直線部分壓彎，所以采取“二級(jí)壓注，一次成型”的方法，即除原有拱腳底預(yù)留焊接的泵管接頭外，在拱高1/2處(拱高含拱頂排氣管1.5m)，兩邊對(duì)稱，增設(shè)型號(hào)一致泵管接頭，在緊靠拱頂?shù)鯒U位置兩側(cè)設(shè)兩根＆20cm，高1.5m的排氣增壓鋼管，具體見圖2。

6.2 施工中鋼管拱的觀測(cè)

為了獲得較完整的測(cè)量數(shù)據(jù)，混凝土壓注過程要進(jìn)行全程觀測(cè)?；炷翂褐撩恳粋€(gè)控制點(diǎn)，都對(duì)拱軸線及標(biāo)高施測(cè)一次，并將測(cè)量結(jié)果繪制成隨時(shí)間或工況變化曲線圖，根據(jù)這一曲線，可以較直觀地了解鋼管拱在泵送混凝土各階段變化情況。

6.3 壓注頂升施工程序

灌注前認(rèn)真檢查泵管及輸送泵的各個(gè)接頭，接頭之間應(yīng)墊橡皮圈防止漏氣、漏漿。開啟止回閘閥K1、K2，用與混凝土相同品種及標(biāo)號(hào)的水泥攪拌的砂漿潤(rùn)滑泵車與泵管，以減小混凝土泵送時(shí)的摩阻力，砂漿必須在鋼管拱外排出。對(duì)稱進(jìn)行灌注混凝土，同時(shí)有專人觀察拱內(nèi)混凝土的泵送情況，兩臺(tái)泵灌注的速度盡量保持一致，如有不對(duì)稱現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)調(diào)整。最簡(jiǎn)單而實(shí)用的觀察辦法就是“錘擊法”，即用鐵錘敲擊鋼管拱，聽到清脆的聲音和沉悶的聲音交界處就是混凝土已壓注到的位置。這一觀測(cè)能確?；炷恋膶?duì)稱同步澆注。如果發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的壓注速度不一致，應(yīng)及時(shí)與泵車指揮人員聯(lián)系，進(jìn)行調(diào)整。小部分偏載造成的鋼管拱彈性變形可以完全恢復(fù)，有效的保證了拱軸線符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)混凝土灌注至超過K3、K4壓注孔時(shí)，停止泵送，立即關(guān)閉K1、K2閘板閥，已最快的速度將泵管接至K3、K4壓注孔，打開K3、K4閘板閥，開始第二級(jí)混凝土的壓注。當(dāng)混凝土從排氣孔冒出時(shí)，控制灌注速度，改兩臺(tái)泵同步對(duì)稱泵送為交替泵送，繼續(xù)壓注1～2m3混凝土，確保鋼管拱內(nèi)混凝土壓注密實(shí)。然后關(guān)閉止回閘閥，避免混凝土倒流，清洗泵管、泵車。灌注完成后要做好鋼管混凝土的保溫工作。

7 技術(shù)要點(diǎn)

7.1 混凝土配合比的優(yōu)化

該混凝土要求早強(qiáng)、高流態(tài)、緩凝、自密性及可泵性非常好。最為關(guān)鍵的問題是該鋼管混凝土為微應(yīng)力混凝土?；炷羶?nèi)摻膨脹劑，滿足補(bǔ)償收縮要求，坍落度要求到達(dá)作業(yè)面18～20cm，初凝時(shí)間根據(jù)壓注速度計(jì)算，要求控制在6h以上。設(shè)置微應(yīng)力，可提高構(gòu)件的承載力及改變普通混凝土灌注造成的混凝土和鋼管間有間隙的現(xiàn)象。在配合比設(shè)計(jì)中確定微膨脹率是關(guān)鍵因素。鋼管內(nèi)部混凝土質(zhì)量對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全影響很大，稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量事故，造成泵送困難、內(nèi)有空氣、不飽滿、混凝土和鋼管間有收縮空隙等現(xiàn)象。因此，對(duì)此種混凝土的配合比要多做實(shí)驗(yàn)，控制好膨脹率。

7.2 混凝土的壓注要兩側(cè)對(duì)稱同步進(jìn)行

對(duì)混凝土的壓注過程中進(jìn)行全程觀測(cè)，結(jié)果顯示：拱下半部混凝土灌注時(shí)第一至三段標(biāo)高明顯下降，第五段至拱頂段標(biāo)高明顯上升。相反，當(dāng)拱頂部分泵送完混凝土后，拱頂標(biāo)高明顯下降，而第一段至第三節(jié)段標(biāo)高自動(dòng)得到回升混凝土的自重對(duì)鋼管拱線形影響比較明顯。所以壓注必須對(duì)稱同步進(jìn)行。如果在澆注前因拼裝、焊接等原因，造成一側(cè)的控制點(diǎn)偏高而另一側(cè)的偏低，則可以用非對(duì)稱方式澆注進(jìn)行調(diào)整，即先從偏高的一側(cè)進(jìn)行壓注混凝土，同時(shí)密切觀察拱的變形，當(dāng)拱兩側(cè)的控制點(diǎn)標(biāo)高基本恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，兩側(cè)開始同步澆注，逐步調(diào)整兩側(cè)混凝土的壓注量，最后同時(shí)壓至拱頂。混凝土壓至拱頂時(shí)，要繼續(xù)壓注，讓混凝土從排氣增壓孔中排出1～2m3。排氣孔不冒氣泡時(shí)停止壓注，關(guān)閉混凝土止回閥。

7.3 二級(jí)壓注，一次成型

設(shè)計(jì)要求混凝土的壓注必須連續(xù)進(jìn)行，而本橋扁拱的結(jié)構(gòu)抗變形能力又決定了混凝土必須分兩級(jí)壓注。所以我們采取了“二級(jí)壓注，一次成型”的壓注方案的關(guān)鍵在于二級(jí)混凝土之間的連續(xù)性。第二級(jí)混凝土必須在第一級(jí)混凝土的初凝時(shí)間內(nèi)盡早開始，要求工人在兩級(jí)混凝土壓注間拼接泵管的速度要快，必須安排熟練工人進(jìn)行。

7.4 鋼管混凝土的保溫工作

混凝土和鋼管之間如果產(chǎn)生空隙，微膨脹混凝土的優(yōu)勢(shì)將失去，直接影響拱的承載力。鋼管混凝土的保溫工作不到位是空隙產(chǎn)生的原因。因此，采取將鋼管拱用麻袋包起等措施，盡量減小內(nèi)外溫差。

8 結(jié)語

鋼管混凝土拱橋施工中需要研究的問題還很多，需要我們廣大工程技術(shù)人員積極探索，不斷完善，使這一先進(jìn)技術(shù)在公路交通設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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