《钢管混凝土拱桥》
-----钢管混凝土拱桥的施工方法
福州大学土木工程学院 2014年06月16日
钢管混凝土拱桥的施工方法
摘要：
钢管混凝土拱桥以其强度高、跨越能力大、施工便捷、经济效果好、桥型
美观等优点在我国桥梁中得到了广泛应用。钢管混凝土结构，是桥梁建筑业发展的一项新技术。在桥梁方面，已以各种拱桥发展到桁架梁等结构形式，并发展到钢管混凝土作劲性骨架拱桥。其施工方法发展很快，已经应用的有无支架吊装法，支架吊装法，转体施工法等。
1、引言
钢管混凝土拱桥的发展与应用在我国仅有十余年的历史，但发展很快，已遍及全国广大地区，目前已经建成的就达80余座，在建的也有30余座。这主要是因为钢管混凝土组合材料的优越性决定的。关于钢管拱肋的加工、拼装、成拱、吊装工艺，对此类结构的施工技术、施工规范、质检和监理程序与指标、施工定额及管理等方面的研究和经验虽然有所积累，但仍不多见。广泛交流施工经验，研究制定和完善该类桥梁统一可行的规范规程，探讨其施工经济技术指标，是目前建造此类桥梁急待解决的课题之一。
从目前国内的钢管混凝土拱桥的施工实践来看，其施工方案主要有：无支架缆索吊装；少支架缆索吊装；整片拱肋或少支架吊装；吊桥式缆索吊装；转体施工；支架上组装；千斤顶斜拉扣索悬拼。以上除千斤顶斜拉扣索悬拼施工外其余施工安案都与普通混凝土拱桥安装类似，本文主要介绍钢管混凝土拱大桥的施工方法及其注意事项。
2、钢管混凝土拱桥的施工方法及其注意事项
钢管混凝土拱桥施工的主要环节包括：钢管拱肋的加工制作、钢管拱肋的架设、钢管混凝土的灌注、安装桥面系等。 2.1 钢管拱肋的加工制作
为了保证加工质量，拱肋通常在工厂制作。首先由定尺的钢板卷制成长(分段长度视运输条件而定)的单节直管，再根据设计拱轴线、预留拱度等进行放样、煨弯、焊接组成拱肋。出厂前在刚性平台上进行大样拼组，验收合格后进行初级防腐，然后分段出厂。应钢管焊接采用坡口焊，焊管对接的纵缝及上下钢管的环节均需错开。焊接时及时对焊缝收缩及日照温差引起的误差进行修正，以防误差积累。对每条焊缝要进行严格的探伤检查，发现问题及时处理，确保拱肋加工质量。
2.2 钢管拱肋的架设
钢管混凝土拱桥通常是先架设空钢管形成裸拱，再在其中灌注混凝土形成钢管混凝土拱；或再将其作为劲性骨架，在外部包上钢筋混凝土形成复合拱肋。钢管拱肋的架设可以根据不同的施工条件采用不同的施工方法，主要有搭支架施工法、无支架缆索吊装法、平转法、竖转法、以及多种方法的综合运用的施工方法。
2.2.1 搭支架施工法
搭支架施工法就是在桥位处按照钢管拱肋的设计线型加预拱度，拼装好支架，在支架上就位拼装、焊接成拱的施工方法。支架可采用满堂式、或者分离式、或者两种方式的结合。如：三峡莲沱大桥的两边跨、天津彩虹大桥等。 支架的设置按拱肋的轴线和段接头位置及高程，在精确定位后，就每个段接头的高度设计相应的支架高度（该高度考虑了支架、支承结构的变形和施工预拱度），经计算确定支架的形式和材料，满足强度、稳定及刚度要求，支承处圆弧和坡度应和该处的拱肋设计完全吻合，以保证较大的支承面积和钢管拱肋的稳定。吊装时用索道吊运到位初步控制合格后，拱肋的一端采用焊搭板螺栓联接，另一端用两道临时缆风护设稳定，合拢段在准确测量出实际的长度和待合拢段拱肋的长度根据实际将多余的长度割掉后按吊装顺序吊装，到位后两端精确对位连接。吊装顺序如图1所示。
图1 有支架吊装顺序示意图
采用有支架施工时，应注意控制支架自身的弹性、非弹性变形、支架基础的沉降、预留拱度，支架上安置微调装置，以便对拱肋的标高和平面位置进行调整。在拱肋安装过程中，应不断观测各支撑点的沉降和拱肋标高，发现问题应及时调整。这种施工方法无须大型的起吊设备，拱轴线型容易控制，不足之处在于，接头较多，空中焊接工作量大，焊接施工难度大且焊接质量不易保障，工期长，对桥下地形、地基等条件要求较高，在支架费用不太高时可以考虑。
2.2.2 无支架缆索吊装施工法
缆索吊机斜拉扣挂悬拼法施工是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。施工理论成熟，施工体系结构简单，施工调整与控制较方便。但这种方法起吊端要有一定的施工场地，缆索跨度较桥跨要大，用缆索较多，主塔架与扣索塔架相互分开，存在受压杆稳定要求塔高不能过高，并且要设置各种缆风索而占地面积较大。
2.2.2.1 整体（或大段）吊装施工方法
整体吊装施工方法也称为三大段吊装施工方法。主跨分三段，边段利用鹰架悬臂拼装或采用龙门吊机与起吊塔架共同起吊就位，同时调整好拱肋空间位置，中段两肋连同横撑在岸上拼装，用临时拉杆拉住，整体浮运到桥位，利用鹰架和主拱拱肋悬臂段设置提升设备将中段提升就位，解除中段临时系杆，然后合拢，如图2所示。
图2 整体吊装法示意图
这种施工方法，美国的弗里蒙特桥曾采用，该桥为最长跨度悬臂系杆拱桥主跨为382.65m，1973年建成。
三段吊装法，工期短，将大量的现场工作转移到工厂内，能确保拱轴线及质量，不受桥头拆迁控制，占地较少，对城市建桥尤为重要；与引桥施工不发生干扰，机具设备少，临设材料可以大量回收，节省投资；技术可行，且施工不复杂，安全度校高。但该施工方法，长大段钢管拱肋的运输受水位及河道的限制；工厂制造需要有较大的场地和下河码头等。这种施工方法在国内尚无先例。
2.2.2.2双塔缆索吊机法
该缆索吊机塔架之缆塔和扣塔合二为一，并于前塔上附加后塔形成空间框架结构，故称为双塔缆索吊机施工法。如图3：
图3 双塔缆索吊装示意图
这种施工方法，塔架刚度较大，可不设缆风。吊装操作方法为：①拼装缆索吊和塔架，安装缆索吊机缆索及机械部分，试吊合格后投入使用；②工厂内制造钢管拱桁架节段并予以试样，合乎要求后按顺序下河运到桥轴位处抛锚定位；③对称按序逐节段起吊、对位、扣索、连接、调整拱肋空间位置，挂锚索，对称同步张拉相应扣、锚索；④调整与控制塔架水平位移调整与控制拱肋各节段的高程及平面位置；⑤全面检查与调整拱肋轴线控制点高程及平面位置。焊接各节段接头处外包钢板。这种施工方法为缆索吊机的特例，具有一般缆索吊机施工方法的优点，但因不设缆风索，可大幅压缩桥址区红线外征地，节省投资。但是缆塔和扣索塔合二为一，使两者之间的变形连为一体，相互影响，施工调整与控制较为不便，体系构造复杂，受力不很直观。我国江汉三桥下承式钢管拱桁架系杆无铰拱桥采用此方法施工，主跨280m。
缆索吊装在跨越峡谷的“V\"形地貌，由于塔架塔身无须太高，在拱肋材料运输方便的条件下是很经济的施工方案。其不足之处在于空中对接精度较难控制、拱轴线型的控制有一定难度，分段越多，质量和工期控制越难；因此应尽量提高起吊系统的起吊能力，减少分段数，就能在保障质量的前提下，加快工程进度。
2.2.3 平转施工法
平转施工法就是将拱圈分为两个半拱，分别在两岸偏离桥位的位置，拼装拱肋和拱上立柱，形成半拱，然后水平转体就位，再合拢成拱。如：三峡的黄柏河大桥、下牢溪大桥、安阳文峰路立交桥、江西德兴太百桥、贵州北盘江大桥。水平转体施工的技术关键为球铰系统、转动牵引系统、平衡防倾系统等。
（1）有平衡重转体施工，平衡重转体主要由平衡体系，转动体系（转轴及环道）和位控体系三部分组成。其平衡体系一般利用桥台或配重来平衡主拱，转动体系为拱脚后的球铰；同时在球铰周围布置千斤顶或卷扬机使转动轴转动，转动轴上的半跨拱肋随之徐徐转动，直到就位。如图4所示。我国的黄柏河、下牢溪大桥，跨径均为160m采用此法施工，转体重量达36000KN。
图4 平衡重转体施工法示意图
（2）无平衡转体施工，是采用锚碇体系平衡悬臂主拱，取消平衡重，而节省材料。锚碇体系由作为压杆的主柱，作为撑梁的引桥主梁以及后锚等部分组成，
如图5所示。
图5 无平衡重转体施工法示意图
水平转体施工主要适合于单跨拱桥，主要优点在于充分利用两岸的地形和地质条件，吊装、焊接容易，焊接质量有保障，施工中不影响桥下通航，施工安全，工程进度快。不足之处在于球铰加工技术复杂、质量要求高、不适合多跨拱桥。
2.2.4 竖转施工法
竖转施工就是先在拱顶附近将主拱圈一分为二，并以拱址为旋转中心，将设计拱轴线沿竖平面垂直向下旋转一定角度，将拱顶合拢端置于较低的地面或浮船上，便于安装，待两段拱肋拼接完成后，分别提起对接合拢，如图6所示。其中新安江望江大桥、三峡莲沱大桥、丫髻沙珠江大桥等均采用了竖转吊装施工法。
图6 无平衡重转体施工法示意图
竖转施工法的技术关键为旋转系统、起吊平衡系统、批扒杆地锚系统等。其主要优点是只有一个合拢接头。合拢容易，精度高，不足之处在于要求桥下具有较宽敞的施工场地，若使用浮船时，对水流的速度应有所要求。
2.2.5 双向转体施工法
当桥位处地形不允许拱肋在桥位的设计平面或轴线竖面预制时，可采用竖转加平转施工。其转动设竖向转轴和平转体系满足双向转体施工。我国的河南安阳文峰路立交桥采用竖转加平转法施工，主跨为135m的钢管混凝土刚架系杆拱；广州丫髻沙大桥，主跨为360m带悬臂的中承式刚架系杆钢管混凝土拱桥。 2.3 灌注管内混凝土
灌注管内混凝土通常采用泵送混凝土，对于跨度不大的拱桥，有时也采用吊斗输送混凝土的方法，但泵送混凝土的质量容易得到保证。泵送混凝土要求和易性好，收缩率小，管内混凝土要求密实、饱满、达到设计强度。
泵送混凝土时两边泵送速度应注意加强协调，尽量对称顶升，特别是接近拱顶时要注意避免一边上升过快越过拱顶，引起钢管骨架的纵向振动。
人工浇灌时，混凝土从浇注段的上端灌入，但混凝土落差不宜太大以免混凝土离析。在钢管上开浇灌孔，孔径一般为φ200mm，通过漏斗下料，振动可用插入式振动棒振捣。为此应在钢管上开设振捣孔，一般振捣孔和浇灌孔相隔设置，振捣孔直径视振动棒大小而定，一般为150mm；浇灌孔开孔距离不应大于振动器的有效工作范围和2~3m的水平距离。
混凝土通过振动孔和浇灌孔时可稍溢出，然后在开口盖板原位点焊，使混凝土强度达到设计强度的50%后，再按设计要求进行补焊。混凝土在灌注时，钢管内混凝土温度控制在60℃以下，以免微膨胀混凝土失效。钢管内灌注混凝土的密实度可采用敲击钢管和超声波检测。若混凝土不密实的部位，应采用钻孔压浆法进行补强。当缺陷较小时，压环氧树脂；当缺陷较大时，可压高标号砂浆，压浆后将钻孔补强焊牢。 2.4 安装桥面系
对于钢管混凝土的施工，安装桥面系的阶段包括安装立柱、立柱横梁、吊杆横梁、行车道板、人行道板以及施工桥面铺装等施工工序。要求加载对称、均衡、施工标高到位。
3、吊杆的施工和索力调整
3.1 吊杆的安装
吊杆一般用在钢管混凝土拱桥中承式和下承式桥中，常用材料有圆钢、高强钢丝和钢绞线，锚头用冷铸锚或镦头锚，夹片群锚使用较少。吊杆的构造同斜拉桥中的斜拉索构造均用定型成套产品。钢管拱肋在制作时将吊杆上端的导管、螺旋钢筋、垫板一并设置在拱肋中，吊杆下端的导管、垫板应预埋在吊杆横梁中。 为了保证桥面标高的正确位置，待拱肋架设调整完成后，准确测量拱肋上垫板的标高，然后计算吊杆的下料长度，在工厂加工成型运到工地进行安装。 3.2 索力调整
钢管混凝土拱桥是超静定结构，吊索索力大小将影响全结构的内力和桥面标高。理论上，吊索在施工阶段或运营阶段都可以再次进行张拉，调整内力以改善结构受力，这称为索力调整。但是系杆拱桥在结构完成后都将吊索锚头封固，在营运后不再进行调索，因此，所说的调索是指施工阶段的索力调索。
3.2.1 索力调整目的
吊索安装并初张拉后，又经主梁落架、桥面板安装及桥面铺装等施工工序至主体结构完成，其索力希望等于设计所设定的索力，使结构处于最佳受力状态。理论上讲，设计中所给出的吊索初张拉值，是经过计算分析使得后续施工工序所增加的索力加上原有初张拉值应等于设计所要求的最终恒载索力。但实际施工中，由于结构尺寸、材料弹性模量、索力张拉误差等原因，实有索力与设计索力总不相符合，因而调索是必需的工序。具体的说，要求经过调索后的索力等于设计所给定的索力。
调索丁序需多次安装张拉千斤顶并限值张拉，是一项细致且麻烦的工作，为便于施工，要求调索次数愈少愈好，并希望能一次调索达到要求。调索过程中，要对结构进行监测，注意并量测各索索力变化和结构挠度变化，防止出现异常情况使结构遭到损坏。
3.2.2 索力调整量的计算
先用索力测定仪实测各索实有索力，设有n根索，记录的T’1、T’2、…T’n,与设计所要求索力T1、T2、…Tn比较，得出各索索力调整值△T1、△T2、…△Tn记作｛△T｝。如图7所示。
图7 调整影响系数计算简图
在索力调整过程中，张拉任何一索，不但直接改变所张拉索的索力，而且由于结构变形，也会影响其余各索的索力。要计算调整时各索的张拉值需先计算调索各索的影响值。如图7的拱结构，当张拉1#索且张拉索力增加值为单位力时，对各索的影响值可由一般平面杆系计算求得
δ11、δ21、...δi1...δ
n1 这样从l#索逐索计算，可以得到各索张拉索力增加单位力时，对其余未张拉各索的索力影响矩阵：
[δ]中所有元素δ11、δ21、...、δii、...、δ
nn11212122i12i2n2ni1n1i2n2iiniinnn都为1。
令各索在调整张拉时所需张拉索力增值为F1、F2、...Fi...Fn，记作｛F｝。 ｛F｝可由下式计算而得
FT
即
FT1
调整计算实际上仅是线性方程组的求解过程。
调索过程实际操作时，调整任何一索，不论该索原索力值为多少，只是张拉各索使其索力增加值为｛F｝，待所有各索都调整后，最终各索索力将各调整｛△T｝值，达到调索目的。应当注意，｛△T｝和｛F｝各值是可正可负的。
索力调整过后，再次用索力测定仪量测所有各索的实际索力。实际索力与调索要求肯定还会有一定量的出入。若以这一实测索力为基础，重复再次调索，调索后的索力仍不一定能完全一致。这种现象产生，不但因为张拉有误差，而且计算假定也并非十分准确。再者多片拱之间的互相影响在按平面杆件计算中并未反映出来。但即使如此，每调索一轮回，可以肯定结构是朝结构内力改善方面推进，内力状态逐渐接近设计所期望的状态。调索过后，要确定是否还有再次调索的必要性，这需要根据调索后实测索力对结构进行全面验算的结果而定。按实测索力验算结构，说明结构足够安全且结构挠度也符合要求，才能认为调索完成。
4、小结
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。在 最近十多年的工程实践中，通过桥梁设计人员和工程建设者们共同努力，积累了 丰富的设计和施工经验，然而与之相关的理论研究目前还比较滞后，尤其是对于 钢管混凝土拱桥的施工关键技术的系统研究工作较少，钢管混凝土拱桥在设计、计算理论以及施工和施工控制诸如控制理论、参数识别、温度影响等方面，尚需要更深入的研究和完善；还存在很多值得去研究和探讨的工作，改进计算理论和研究方法中的不足之处还要花费很多的工作量，这需要在实践中不断总结和完善。
致 谢
历时将近一个学期的钢管混凝土拱桥课程即将结束，感谢刘君平老师和所有同学在一个学期来给我的指导和帮助，在上课的过程中遇到了无数的问题，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的老师—刘君平老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的进行教导，是他们教会了我有关钢管混凝土拱桥专业知识，教会了我如何学习。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝刘君平老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下!
参考文献：
[1] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M ].北京:人民交通出版社,2007. [2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究发展[J ].公路, 2008.
[3] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构(修订版)[M ].北京:人民交通出版社,2007.
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