钢管混凝土系杆拱桥施工技术难题及对策

1、引言
近年来，钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结构轻、造型美、省建材等优点，被广泛应用于公路工程。但该桥型技术复杂，施工难度大，已经暴露和潜在的问题还很多，亟待广大工程技术人员在实践中不断探讨和完善，本文将结合工程实践就有关问题做简要阐述。

2、钢管混凝土系杆拱桥施工技术难题及对策
2.1支承系统
2.1.1功能
系杆拱桥支承系统宜选用WDJ齿碗扣型多功能支架，该系统具有支架竖向组合微调功能，主要以工具支架和特制微调座组成。
2.1.2地基处理
WDJ齿碗扣型多功能支架必须搭设在经处理的坚实地基上，地基须高出原地面0.5~0.8m，做好防水，避免雨季浸泡。在立杆底部铺设垫层和安放底座，垫层可采用厚度≥20cm的混凝土或厚度≮10cm的钢筋混凝土或厚度≮5cm的木板。
2.1.3预压
支架使用前须全程预压，不能以一孔预压取得的经验数据推概全桥。静压5d(120h)以上及达到沉降稳定状态2d(48h)以上，沉降稳定标准：24h沉降不超过1mm。
2.2主拱肋拱轴线控制系统
2.2.1以激光照准和精密测标组成定位系统；监测项目为拱肋的线形变化、拱脚位移和拱脚沉降。
2.2.2建立测量控制网
在每节拱肋端头设置固定的测量控制点，控制点设在拱肋中线位置。施工放样及检查都采用全站仪进行，每架设一节段拱肋，对全部控制点都要进行观测。此外，对拱座的偏位进行观测。钢管拱对温度，特别是日照影响非常敏感。为了减少温度和日照对线形控制的影响，标高的测量包括合拢时间都安排在凌晨。
2.2.3施工控制
(1)在扣索塔架顶部设有扣、锚索调整装置千斤顶，通过改变扣索的张力，并采用在拱段之间的内法兰盘接头处抄垫钢板的方法，来实现拱段接头标高的调整(跨径较小的拱肋可利用WDJ支撑系统高度及其竖向微调功能实现)。
(2)设置临时横撑固定拱肋。每架设一节拱肋，就利用钢管拱的横联钢管临时焊接固定上下游拱肋，特别是在合拢段基肋端一定要设置临时支撑。
(3)在焊接拱肋接头外包板时，对称布置的焊缝，采用成双焊工对称施焊，这样可使各焊缝所引起的变形相抵消；非对称焊缝，先焊缝少的一侧，这样可使先焊的焊缝变形部分抵消。
(4)为保证钢管拱在吊装过程中的横向稳定性，在每吊装一节段拱肋时，采用通过对称设置两道浪风绳来调整和控制拱段就位中线位置，减少拱肋自由长度，增大横向稳定。控制浪风绳长度基本相同。
2.3钢管混凝土配制
2.3.1选材
(1)设计高性能微膨胀混凝土应选择525R早强型水泥为主体，其用量不宜过大，初凝时间以8~12h为宜。
(2)配制高性能微膨胀混凝土须使用干净的河砂并严格控制云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎值，一般选用细度模数2.6-3.1的中砂为宜。不宜用砂岩类山砂、机制砂、海砂，此类砂对混凝土的膨胀率影响极大。
(3)粗骨料石质对高性能微膨胀混凝土影响很大，主要体现在骨料一砂浆界面粘结强度、骨料弹性模量和骨料强度。在考虑混凝土可泵性的同时，要考虑混凝土的早强性和后期强度。碎石需二次破碎，使其基本无棱角，并减少针片状颗粒的含量。选用时应严格控制含泥量、强度、弹性模量和粒径≤30mm。
(4)粉煤灰与水泥“二次水化反应”产生的凝胶封堵了混凝土的毛细管路，增强了密实性，提高了耐久性。“二次水化反应”只有Ⅰ级粉煤灰和磨细粉煤灰可以彻底完成：“使混凝土升温降低 15%~35%；应严格控制粉煤灰SO3含量，以0.5%~1.5%”为宜；粉煤灰应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定。
(5)选择外加剂一定要经过多次试验。试验表明，缓凝型减水剂会降低混凝土膨胀率，所以应反复试验，膨胀率合适才可使用；高效减水剂还应具有缓效凝作用和缓凝剂掺配作用，且是非引气型、低气泡减水剂；其质量应符合现行标准《混凝土外加剂》规定。
(6)膨胀剂在有钢管约束条件下，在结构中建立0.2~0.3MPa预应力，可抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，从而提高抗裂能力。选择时一定要多试验几个品种，膨胀剂应对混凝土后期强度及质量无害，与所用水泥适应性好。我国主要使用U型膨胀剂、复合膨胀剂及明矾石膨胀剂。
2.3.2设计高性能膨胀混凝土的三个问题
(1)混凝土施工可按一般高性能混凝土设计方法进行配制强度计算，不必计算后将强度提高一个等级作为配制强度，关键在于施工配合比的施工现场验证。设计时应严格控制水灰比，将其确定为定值。
(2)混凝土是采用钢管中顶升灌注，粗骨料在顶升过程中不能因自身重力而下落，否则会造成顶升压力过大而失败。在设计混凝土配合比过程中碎石应稍微呈悬浮状态，不能下沉。所以该种混凝土的砂率可提高一些。
(3)许多工程实践认为钢管混凝土设计为微应力时，限制膨胀率28天内应控制在(2~6)×10-4的范围内是合理的。
2.4主拱肋钢管的拼装
2.4.1钢管拱肋的制作
(1)钢管拱主弦管直径>600mm采用螺旋焊管。
(2)宜选用具有CAD加工设计技术和成功经验的厂家；单元阶段制造好后在工厂进行平面和立面组拼检查；螺旋焊管弯曲成型在中频弯管机上进行，采用埋弧自动焊；腹板安装采用CO2气体保护焊；单元阶段焊接完成后，若与理论线形不符，可用“火工矫正法”矫正。
(3)钢管拱单元阶段制好后运至工地组焊成吊装段，运至施工现场，最后用跨墩龙门吊机或其它起重设施将吊装段吊上桥组装。
(4)为便于调整拱肋预埋段制造、温度引起的偏差，钢管制造在工厂时，拱脚预埋段与拱中段之间预留80mm调整量；拱肋合拢锁定温度为10~15℃。
2.4.2钢管拱肋单元构件的防护
预拼成型的安装节段必须对接口进行地面预接和必要的技术处理，拱肋每一个吊装阶段之间采用内法兰连接，法兰间可抄垫钢板进行微调；单元制造阶段之间采用临时外法兰连接。
2.4.3钢管拱肋的悬拼
(1)拱肋吊装采用悬拼和扣挂施工。拱肋作完后，首先在制作场地进行预拼，合格后方可吊装。
(2)拱肋吊装前应安装好拱脚临时铰，悬拼过程中允许拱肋绕铰转动。每吊装一个阶段除安装好横撑及临时横撑外还要设置横向浪风索。以利调整拱轴线和保证横向稳定。
(3)两阶段接头端面先用螺栓对接，安装合拢段前应预先通过扣索调整拱肋横向位置，然后再安装拱顶合拢段。
(4)两条拱肋全部合拢后，再全面校核一次拱轴线坐标，并调整至误差容许范围内。再对焊主拱钢管、烧掉螺栓，用加劲钢板补焊拱肋钢管接头，以保证受力连续。
(5)用钢管焊接封死拱脚临时铰，浇注拱座预留槽口C50混凝土，形成无铰钢管桁架拱，待拱脚混凝土达到强度后拆除扣索；
(6)泵送压注填充管内C50微膨胀混凝土。
2.4.4跨径较小的桥梁可用WDJ支撑系统配合吊车、揽绳完成拱肋组拼。
2.5波纹管堵塞
系杆拱桥横梁、系梁多为群锚后张预应力混凝土，于是防治波纹管堵塞，避免钢铰线局部拉伸率、应力超标是施工中不容忽视的大问题。对此我们的预防措施是：
(1)波纹管固定后，将半硬性塑料管穿入波纹管内，其外径小于波纹管内径8~10mm，长度大于波纹管长4~6m；
(2)指派专人，在浇筑混凝土过程中不停抽动塑料管至混凝土浇筑完毕；
(3)抽出塑料管，清除其表面灰浆，擦净备用。抽动半硬性塑料管法，可从根本上解决波纹管堵塞问题。
2.6支座垫石钢板悬空
预埋支座垫石钢板下混凝土悬空，既影响下部结构受力，又危害上部结构荷载均匀传递和受力平衡，也就是说，出现这种现象是很危险的，其主要原因是混凝土在浇筑流动过程中，预埋钢板下的气体无法排除，形成了空洞，为避免该现象的发生，可在钢板中心用电钻打一个直径5mm的“排气孔”，浇筑预埋钢板处混凝土时，浓水泥浆由“排气孔”冒出即可。
2.7拱脚混凝土空洞
2.7.1拱脚混凝土振捣
拱肋与系杆节点——拱脚之钢筋构造纵横交错、交叉重叠，混凝土浇筑困难，振捣棒无法正常工作，混凝土密实成了问题。一般采用刚度较大的钢模，浇筑混凝土时，先用一巨型扁铲(其宽度≥ 振捣棒直径)在振捣棒插入处，临时将钢筋间距拨宽，至振捣棒顺利插入、正常振捣为止，可确保混凝土振捣密实；待振捣棒拔出后，开启固定于模板两侧的附着式振动器，一方面有助于被拨动的钢筋恢复原来位置，另一方面可避免混凝土漏振，有助于混凝土密实、均匀。
2.7.2拱脚混凝土预防裂缝
为预防拱脚混凝土裂缝，可选用钢纤维混凝土，钢纤维用量一般为60kg/m3。
2.8空腹式端横梁浇筑工艺
端横梁为封闭式变断面空心梁，其施工有两种方法：一种方法是采用木模或其它一次性芯模，不考虑翻番周转，此类模板只侧重考虑其强度，满足混凝土几何尺寸需要即可；另一种方法是采用钢模或其它可周转性芯模，浇筑混凝土时在梁顶预留“天窗”，待拆除芯模后再二次浇筑混凝土，将天窗堵死，但应注意两期混凝土的结合牢固问题。
2.9钢管混凝土“紧箍效应”落空
由于施工工艺和混凝土收缩，混凝土总是无法完全充满钢管，使得“紧箍效应”无法实现，混凝土达不到三轴压缩的理想效果。防治该问题的一般方法有两种：
(1)预防。微膨胀混凝土随着龄期增长，混凝土的收缩仍然不可避免，为防止这类问题发生，在混凝土配合比设计时，在添加 UEF微膨胀剂的同时增添“聚丙烯腈纤维”。
(2)处置。待混凝土大于28d龄期后，用小锤对拱肋进行全面敲击检查，发现空隙，则确定准确位置，钻孔并压注环氧树脂水泥浆进行补救。
2.10其它问题
近年来，系杆拱桥普遍出现系梁混凝土于吊杆处裂缝、吊杆护套提前开裂、下端预埋管进水、锚头及钢丝提前腐蚀和拱肋钢管腐蚀等严重问题，危及桥梁的安全。
2.10.1防腐
(1)拱肋防腐可用经济、实用，便于现场施工和后期维护的方案——有机环氧富锌涂料，分为3层，底层富锌涂料、中层环氧云铁、面层聚胺酯喷涂。涂装时环境温度宜控制在5℃~35℃之间。
(2)防腐钢绞线应用较多的有镀锌钢绞线和环氧喷涂钢绞线，前者，经镀锌处理后，机械性能均有所下降，且一旦被刮伤则伤处的阴极反应会使腐蚀速度加快；后者，机械性能与原钢绞线基本上没有差别，而且在生产过程中进行了充分的表面处理和再次稳定处理，其抗拉强度和延伸率较普通钢绞线稍有提高。故此应尽量用环氧喷涂钢绞线。
2.10.2吊杆处系梁纵向钢筋的处理
系梁钢筋是通长的，而结构设计需要吊杆穿过系梁，如此以来，系梁纵向通长钢筋就必然被截成数段，势必影响结构受力，为解决这一矛盾，可采用于吊杆处设置“方形环筋”，系梁纵向钢筋截断后分别与其焊接，吊杆在其方形环筋中穿过。这样，即可以保证系梁纵向通长钢筋的连续，又可以保证吊杆与系梁联结位置准确。
2.10.3横撑与拱肋节点处应力集中的预防
为避免钢管横撑与主拱肋结合部，在使用环境中开焊，影响桥梁整体性能，一般采用在其结合部增设4个加强联结钢板，按90o间隔均匀布设，焊接牢固。

3、结语
钢管混凝土系杆拱桥施工中需要研究的问题还很多，这就需要我们广大工程技术人员积极探索，不断完善，使这一先进技术在公路交通设施建设领域发挥更大作用。