跨龙河钢管混凝土拱桥拱肋施工技术研究

跨龙河钢管混凝土拱桥拱肋施工技术研究

郭瑞瑞

中铁十局集团第八工程有限公司

摘 要：通过对廊坊特大桥1-144m钢管混凝土简支拱桥拱肋施工研究，合理布置了拱肋施工临时支架，并采用Midas civil有限元软件仿真分析拱肋架设过程拱肋和支架的受力及稳定性，检算结果满足规范要求；还详细介绍了拱肋混凝土顶升施工工艺以及注意事项，为后续工程施工提供宝贵经验。

关键词：钢管混凝土拱桥；拱肋支架；有限元分析；混凝土顶升；

ResearchonArchRibConstructionTechnologyofConcreteFilledSteelTubeArchBridgeoverLongheRiver

Abstract: Through the research on the arch rib construction of the 1-144m concrete-filled steel tube simply suppo

rted arch bridge of Langfang Grand Bridge, the temporary supports for arch rib construction are reasonably arranged, and Midas civil finite element software is used to simulate and analyze the stress and stability of the arch rib and the support during the arch rib erection process, and the check results meet the requirements of the specification; It also introduces the arch rib concrete jacking construction technology and matters needing attention in detail, which provides valuable experience for the subsequent construction.

Keywords: concrete filled steel tube arch bridge; Arch rib support; Finite element analysis; Concrete jacking;

0 引言

随着国内外桥梁事业的不断发展，各类优质的桥梁在建设历程中被逐一筛选出，其中钢管混凝土简支拱桥[1]有着多项优点，得以众多桥梁设计师们的青睐，优点如：在结构上，拱肋钢管可作为劲性承重骨架，而且在施工过程中，还可作为模板，有助于混凝土灌注，同时兼有纵向主受力作用和横向紧固的作用，拱肋可分节段吊装，重量轻，操作方便，其焊接工作也比较简单，从而能简化施工工艺，很大程度上缩短施工工期[2]，降低工程成本；往钢管内灌入混凝土，混凝土的膨胀被钢管的径向受压而限制住，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度[3-4]。

本文以廊坊特大桥1-144m钢管混凝土简支拱桥拱肋施工为研究背景，对钢管混凝土拱桥架拱阶段进行计算分析以及拱肋混凝土顶升施工关键技术进行研究分析。

1 工程概况

廊坊特大桥于DK24+816.06～DK24+964.36处跨越龙河，采用1-144m钢管混凝土系杆拱进行跨越，线路与龙河斜交角度为34°37＇。本简支拱梁桥位于直线上，平坡。系梁全长148m，计算跨度144m。矢跨比f/L=1/5，拱肋立面投影矢高28.52米（28.8×cos8），拱肋采用二次抛物线，拱肋面内方程为：y=4×28.8（144x-x2）/1442，拱肋呈提篮式在横桥向内倾8度。顶处拱肋中心距为7.884米，采用尼尔森吊杆体系。拱肋截面为哑铃型钢管混凝土等截面，钢管外径1.3米，截面高度h=4.0米，钢管壁厚20mm，拱管内灌注C55自密实补偿收缩混凝土[5-6]。

结构布置采用刚性系梁刚性拱，梁端（两端各长8.5米）采用矩形截面，桥面宽18.3m，梁高3.0m（桥面板处为2.5米高）。普通段采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面宽17.5m，梁高3.0m（桥面板处为2.5米高），长131米；底板厚35cm，梁端局部厚85cm；箱梁顶板厚35cm，梁端局部厚85cm；横向四腹板，厚35cm，梁端局部厚135cm（边腹板局部厚130cm）；全桥共设置32对吊杆，吊杆间距8米，交叉吊杆的横向中心距为341mm，吊杆夹角在50.8~73.1度之间，横桥向水平夹角为82度。拱肋之间共设7道横撑，拱顶处设1道一字型撑（外径为1.5米的圆形钢管），其余为6道K撑（外径为1.5米及0.9米的圆形钢管），钢管内部不填混凝土，其外表面需作防腐处理

[7]。

2 拱肋支撑架设

2.1 拱肋支架布置

拱肋支架单侧由10组四个钢管支架为一整体的结构支撑，每组钢管支撑架的横向间距为 2.0m，顺桥向间距3.0m，全桥共20组，对称布置。支架采用φ426×9mm钢管搭建，支架顶设置横向2I36b工字钢，下拱肋外部采用I20工字钢支撑，I20工字钢削切后与钢板组成圆形支撑口，钢管支架最高处高度为24.76m，每组钢管支架内部采用2[10槽钢剪刀撑，剪刀撑满布，每组钢管立柱之间采用2[10槽钢横联进行连接加固；钢管立柱与拱肋的连接采用工字钢＋20mm钢板焊接而成的凹型结构，上拱肋采用直径为102mm，壁厚4.5mm的可调斜撑进行稳固。支架布置立面图及平面图如图1、2所示。

图1 支架布置立面图

图2 支架布置平面示意图

2.2拱肋支架布置注意事项

①拱肋支架安装时应尽量避开预应力管道。②钢管立柱顶部2I36b需与钢管立柱顶部钢板满焊连接，并在钢管立柱处设置三道15mm厚三角缀板，加强工字钢的抗剪强度并增加工字钢的整体稳定性。③支架横联需采用2[10，2[10间距10cm，故杆件中间每隔0.8m用厚度为8mm以上的钢板连接。④钢管立柱顶部需要设置水平连接及斜杆连接，尽量减少钢管立柱的顶部自由悬臂长度，两钢管支架顶部不等高时可采用斜杆件连接。⑤钢管柱底部设置14mm加劲板，高度不低于130mm，宽度根据实际情况确定。

2.3 拱脚节段预埋安装

安装定位好拱脚预埋骨架以后，开始绑扎底板的钢筋。拱脚预埋骨架的施工次序：首先焊接拱肋支架，并需要结合图纸给出的拱肋坐标，以免施工出错，再定位拱肋支架根部位置，拱肋支架间距50cm，拱肋顶部2m范围的拱肋支架高出拱肋50cm，方便顶部拱肋定位，拱肋定位准确后将拱肋支架焊接成整体，防止浇筑拱肋混凝土时拱肋上浮、偏移。

图3 钢管拱脚吊装图

2.3 有限元计算分析

2.3.1 荷载统计

（1） 拱肋结构自重

支架自重按照实际重量考虑。根据设计图纸，拱肋重量共计645.55t，拱肋投影长度为142.8m，每米投影重量为2.26t/m，按照仅考虑哑铃型钢管截面的面积为1.838t/m。计算时拱肋自重系数调整为1.23倍。

（2） 横撑自重

横撑重95.85t，共计7个横撑，每个横撑重量为13.69t，每个横撑分配在两个支点上，每个支点处的集中荷载为68.5kN。作用在第2、4、5、6段拱段上。

（3） 风荷载

=0.7×1.3×0.8×0.5

=0.364

式中：

Wk——风荷载标准值（kN/m2）；

μz——风压高度变化系数，取1.3；

μs——风荷载体型系数，取0.8；

Wo——基本风压（kN/m2），取0.5kN/m2。

风荷载对横向的稳定性和受力影响较大，风荷载考虑横向施加。

2.3.2 有限元计算分析

结合Midas civil有限元分析软件，拱肋及支架整体结构采用空间梁单元模拟，考虑各阶段拱肋的安装过程，模型共有6个施工阶段，335个节点，420个单元，计算分析结果如表1所示，最终阶段的支架结构分析模型如图4所示。

图4 支架整体模型图

表1 拱肋架设工况分析结果表

由分析结果表1可知，拱肋支架在架设过程中出现的最大变形是在第六工况为45.66mm，是支架结构的横向变形，小于允许变形：=24750/400=61.88mm，故满足结构刚度要求；弯曲应力最大为工况五的64.21MPa，小于容许应力140MPa，满足强度要求，最大值发生在钢管立柱底部位置，其余工况均发生在接连杆件上，说明在架设拱肋过程中支架间的横联杆件起了很大作用，提高了结构的整体强度及稳定性；结构的整体屈曲分析稳定系数均大于4，满足规范要求，故结构稳定性良好。

3 顶升混凝土施工工艺

3.1泵管连接

在拱脚灌注孔处搭设盘扣式泵管，支架高度为12m，纵、横向间距0.9m，步距1.5m，顺桥向5排，横桥向4排。从梁端水平伸出1道14#工字钢，作为第一道固定泵管的位置，泵管和工字钢采用抱箍连接。其余两道固定盘扣式脚手架。

在1/4拱肋处借用拱肋支架作为泵管支架，将泵管沿拱肋支架布置到梁面，每5m设置一道抱箍将泵管固定在拱肋支架上。将泵管在梁面上平铺开，铺设至拱脚泵管处。地泵和拱脚处泵管连接牢固，地泵固定牢靠。

3.2泵送混凝土

在泵送混凝土前，应该提前将泵送管润湿，可采用先泵送2立方米的砂浆，主要的作用是减小混凝土泵送时候的阻碍。

按照如下步骤及要求进行混凝土泵送顶升：

①在拌制混凝土时，应准确计量各种组合原料，防止混凝土配合比出错。

②应及时向搅拌站退回不合格的混凝土，并立即通知其采取相应调整措施进行控制；混凝土无泌水、离析现象，严禁向罐车内加水，以防引发施工质量事故。

③顶升到1/4拱肋处，顶升压力过大，可换用1/4拱肋处泵管继续顶升。为了避免停泵情况，混凝土的顶升压送应连续进行，当混凝土供应不足时，最好降低压送节奏，防止出现中断。从拱脚注浆孔一次性顶升到位。

④当混凝土压送困难时，泵压升高，管路产生震动时，不应该强制压送，应对管路进行检查，并使泵反转或者放慢压送速度，防止混凝土堵塞。

⑤泵送过程中若出现堵塞情况，人工锤击检查钢管，直到发现被堵塞的节段，并及时关闭阀门防回流截，检查其余管道无堵塞后才可接管。重新压送混凝土时，应打开防回流截止阀再行泵送。待混凝土泵卸压后拆卸堵管管段，取出堵管混凝土杂物；要求拱肋两拱脚混凝土泵排量一致，确保混凝土顶升对称进行，最大不平衡弧长不大于2m。泵送时必须保证两端混凝土顶升速度同步。

⑥如果发现拱顶有浆流出，应该降低泵送的速度，选用人工手持竹竿对排浆口一停一歇的抽插，关闭止回闸阀之前，应该排出混凝土浆内多余的废液和气体，直到溢出干净的混凝土为止，再进行稳压。并及时清洗钢管拱肋的表面和泵送管。

3.3 管内混凝土浇注过程中质量检验

在拱肋节段支架上搭设敲击检查平台，敲击平台每侧设置6个，平台采用14#工字钢接长拱肋支架，在拱肋支架顶部搭设平台，平台底部采用10#工字钢作为纵梁，纵梁之间焊接直径16mm钢筋作为横梁，横梁上铺设脚手板，每道纵梁上均设置3根48mm钢管作为防护栏杆，钢管长度2.0m，顺桥向防护栏杆设置2道扶手，横桥向设置剪刀撑，栏杆外侧挂设防护网。

3.4 管内混凝土浇注后质量检验

1）管内混凝土填充密实度检测可采用人工敲击与超声波检测相结合的办法，并应符合下列要求：

A人工敲击检查可沿钢管周边选取等距离的若干点，从拱脚往拱顶进行。人工敲击检查出现异常结果时，应扩大检测范围及密度，确定超声波检测范围。

B超声波检测发现异常时，应进行钻孔复检。

2）如发现检测的钢管混凝土拱肋脱粘（角度）率大于1/5或者脱粘缝隙厚度大于3mm时，应对脱粘处进行压浆补强处理，压浆时采用同拱肋混凝土强度相同的混凝土。

3）拱肋混凝土浇注实测项目应下表2规定。

表2 拱肋混凝土浇注实测项目及要求

5 结论

本文以廊坊特大桥1-144m钢管混凝土简支拱桥拱肋施工为工程背景，做了以下相关分析研究，并得出结论如下：

（1）阐述了拱肋支架布置以及施工时相关注意事项，对支架结构细部构造做出了详细要求，确保结构的安全性；

（2）结合有限元软件对拱肋支架施工工况进行仿真计算分析，各工况分析结果满足要求，这为拱肋安全施工提供了可靠依据；

（3）详细介绍了拱肋混凝土顶升施工工艺，合理安排施工顺序，严格把控施工中混凝土浇注质量检验，竭力发展先进的施工工艺，保证施工质量。

参考文献

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[2] 徐清.钢管混凝土拱桥拱肋混凝土灌注顺序研究[J].建筑施工，2020,42（05）:816-819.

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[8] 建筑结构荷载规范（GB50009-2012）[S]北京：中国建筑工业出版社，2012.