下承式钢管混凝土系杆拱桥施工技术

1 工程概况
蕴藻浜大桥是A5嘉金高速公路一期一标一座主线大桥，A5高速公路是上海高速公路网中南北向连接嘉定、青浦、松江、金山4个经济较发达区域的主要快速通道，A5高速公路一期工程将加快建设速度，以与F1国际赛车场同步建成。本工程由同济大学建筑设计研究院设计、上海建工集团总公司承建。蕴藻浜大桥主桥是一座下承式钢管混凝土系杆拱桥。系杆拱桥分上下行两副桥梁。单副桥宽17.6m、跨径87.88m、计算跨径L=85m、矢高f=17m、矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线。桥面标高为15.444m、拱顶标高32.515m、河面最高通航标高3.5m；系杆拱桥桥面（中横梁及系梁）吊装净标高为12m，钢管拱吊装净标高为20.515m。
2 工程结构特点及难点
蕰藻浜大桥钢管拱结构工程主要包括钢管拱肋4片、风撑7×2道、拱脚8处、吊杆锚固64套、横向抗震限位8件，钢结构总吨位454t。该下承式系杆钢拱桥采用先拱后梁、先系梁后横梁的无支架施工方法，工序多、工艺复杂、现场施工场地复杂，吊装条件较差。钢管拱肋采用哑铃型断面，上下钢管直径为φ900mm，腹部宽度为512mm、高度360mm，壁厚为16mm，拱肋高2000mm，宽900mm。钢管拱肋曲线长约84.2m，重量为65.8t，内部吊杆处加劲板重量约8.4t，每片拱肋的起吊重量为74.2t。风撑采用箱型断面，单根起吊重量8.0t左右。考虑到单片拱肋较重，拱肋的安装采用1台110T浮吊进行安装。蕰藻浜大桥上部砼结构主要包括预制系梁、预制中横梁及系梁与中横梁间砼湿接头现浇段施工，全桥有4根箱型系梁（每根系梁分为7根9m长系梁预制段共28根），13.6m长预制T型中横梁共32根。系梁采用箱型断面，高为1600mm，宽1400mm，吊杆处为实心断面，预制段标准长度为9000mm，起吊重量约30t。预制中横梁为T型断面，高1450mm、宽3000mm，预制段长13.6m、起吊重量60.5t。
3 主要施工技术方案
3.1 施工流程
1）①主桥桥墩钻孔桩、承台、立柱施工；②桥墩处支架搭设，现浇拱脚及端横梁；③砼达到设计强度后张拉端横梁预应力钢束。
2）①施工现场钢管拱成型，采用吊装法单片吊装就位；② 钢管拱拱脚处的连接处理；③单片钢管拱之间的七道风撑的连接；
3）①安置系梁内的上缘4根钢绞线，外套塑料加劲波纹管作为施工的临时水平拉索；②由拱脚向钢管拱内泵送微膨胀砼；③同时调整水平拉索，控制拱脚的水平位移在控制范围之内；④钢管拱内砼达到设计强度后安装吊杆。
4）①预制系梁节段采用驳船运输至桥下；②利用钢管拱吊装系梁预制段并使吊杆安装就位；③吊装预制系梁节段时同步调整水平钢索的拉力，控制其水平位移。
5）①现浇系梁预制节段间的湿接头；②砼达到设计强度后张拉系梁内的预应力钢束。
6）①安装中横梁预制节段，现浇中横梁与系梁间的湿接头；②现浇横梁间的桥面板；③调整吊杆内力，控制结构线形达到竖曲线要求。
7）桥面系的施工并拆除拱脚处的支架。
3.2 钢管拱安装技术方案
钢管拱安装关键在于机械的选择和工艺的确定。根据以往经验，初步确定为单机浮吊起吊，但由于起吊高度较大且起吊重量达74t左右，单机起吊要求浮吊吨位太大，而蕴藻浜河道宽度和深度均不能满足其作业要求，因此最后确定了钢管拱的安装技术方案用驳船将钢管拱运至安装位置然后采用两台浮吊双机抬吊安装就位。
3.3 钢管拱砼顶升技术方案
钢管拱砼的顶升对砼级配要求高，要连续放料不得间断，顶升过程中钢管拱受力复杂，既要保证砼的顺利顶升同时要保证钢管拱在砼顶升过程中不被损坏。为了保证拱脚位移不能大于设计数值及全桥受力均匀，这就要求钢管拱两端四趾必须同时均匀地进行砼顶升，顶升过程中要求根据拱脚的位移对水平索进行张拉。总的来说，钢管拱内砼的顶升是一个相当复杂的工艺流程，必须面面俱到、万无一失，才能保证全桥的施工质量，因此钢管拱砼顶升技术方案确定为：钢管砼管内采用微膨胀缓凝商品砼，利用固定泵四趾同时顶升砼。
3.4 系梁安装技术方案系梁安装由于受安装钢管拱和临时索的限制，安装存在较大的难度，无法一次提升到设计标高，然而设计提议要求利用已经安装的吊杆安装系梁无法满足现场实际情况。最后采用两次吊装的施工技术方案，即先利用浮吊将其提升至一定高度，然后接长的吊杆临时固定系梁，最后利用浮吊第二次提升至设计标高。
3.5 中横梁安装技术方案中横梁安装时由于钢管拱及系梁都已安装完毕，施工限制较多。开始打算利用卷扬机吊装中横梁，但卷扬机吊装中横梁工期较长。最后根据现场实际情况，确定了中横梁安装技术方案：利用浮吊在跨内捆绑吊装近岸中横梁，利用浮吊跨外捆绑安装中间4根中横梁，利用贝雷架临时固定中横梁。
4. 主要施工工艺及方法
4.1 钢管拱安装钢管拱在工厂内预制后分三段运至现场，由于场地的限制拼装场地选在离施工现场近800m的蕴藻浜岸边空地上。拼装时将钢管拱两头封闭，然后将其吊入河中，利用其自身浮力并用拖船将其拖至起吊现场。由于桥位西边4m处有一座旧桥，浮吊只能停靠在桥位东边工作，考虑到施工方便，拱肋安装按照横桥向从西到东顺序依次进行。钢管拱肋采用1台110t浮吊、1台80t浮吊安装。浮吊停靠在桥位东北侧河岸边，浮吊通过前后4根锚固于河岸地垄的钢丝绳临时固定，启动浮吊上的卷扬机牵引钢丝绳可以控制浮吊的移动方位。浮吊吊钩钩住拱肋吊点钢丝绳缓慢起吊，拱肋吊在空中时浮吊依靠钢丝绳牵引缓慢转身，使其正面朝向桥位西侧，然后再启动移位装置，浮吊朝着桥位西边缓慢移动。在拱肋靠近拱脚正上方约50cm，待浮吊稳定后将拱肋缓慢下放，此时利用拱肋上的绳索通过1t手拉葫芦缓慢牵引拱肋靠近拱脚，直到拱肋缓慢插入拱脚并顶住拱脚，拱肋一端插入后另一端再采用同一方法插入。浮吊扒杆放松，拱肋两端均顶住拱脚。拱肋两端插入后，拱肋三分点处4根与拱轴线大约成45o的缆风绳分两侧拉紧，缆风绳采用φ21.5mm钢丝绳，用3t手拉葫芦进行收紧。拱肋初步定位后对拱肋进行垂直度、拱肋轴线的贯通测量，确保吊装过程中拱轴线不会出现偏差。如有偏差应通过缆风绳调整，拱肋经调整达到设计要求后进行拱脚处连接钢板的焊接。
4.2 钢管拱砼顶升
4.2.1 工艺流程钢管拱的预制及吊装→钢管拱脚手架的搭设→设置排气孔和灌浆孔及分仓板→砼输送泵及泵管安装就位→清除管内污物→湿润内壁→安装压注头和阀门→压注管内砼→从拱顶排气孔中排除相同的混凝土→关闭压注口阀门→砼强度达到50%后拆除闸阀完成灌注。
4.2.2 施工要点
1）C50微膨胀缓凝混凝土要求进行配合比试验，各项指标满足设计要求后方可施工。
2）混凝土输送管应避免转弯角度过小及弯头过多，输送管支撑架要求稳定，在泵管对接前仔细检查管内壁是否清洁、结构和密封圈是否完好，以确保不会在泵送过程中发生堵塞、爆裂和泄露现象。对接好后要逐节检查输送管以确保管节接口严密，杜绝混凝土顶升过程中发生脱管现象。为防止意外发生在现场配备同样长度数量的泵管、弯头和密封圈一套作为备用，对备用管道的更换要先行试验、熟练掌握。
3）混凝土顶升时应做到连续放料，不得间断。
4）排气孔冒出混凝土时要求输送泵稳住压力，然后关紧阀门，在确定阀门不漏浆的前提下拆除泵管。
5）施工期间要求配备两台高压水枪，以便混凝土从排气孔冒出后及时清洗钢管拱。
6）混凝土的顶升应该高压、低速，两台迸速度及压力应尽量保持一致。
4.3 系梁安装技术方案
系梁预制段标准长度为9.0m，对应的起吊重量约30t。构件预制时应考虑到吊钩安装方便，预制构件上预埋光圆吊环钢筋应露出混凝土面不小于20cm，吊环钢筋间距也不小于20cm。每个预制构件预埋4根吊环钢筋，对称分布于构件上。因为考虑到体外预应力布置于系梁上侧，为了便于起吊，系梁构件预制好后按照安装顺序将各构件分布于桥位的北岸，纵桥向按两端对称的原则进行，横桥向按从西边桥位到东边桥位的原则进行。系梁构件同样采用1台110t浮吊吊装，浮吊先将预制构件吊放入150t的驳船上，驳船将构件运输到设计位置的正下方，浮吊依靠钢丝绳牵引移位到驳船边，浮吊扒杆吊钩从体外预应力束之间穿下去，吊住系梁构件缓慢提升，提升至离设计标高1.5m处，然后利用加工好的工具将吊杆延长，利用延长的吊杆临时固定系梁。然后进行两次起吊至设计标高，工人从旁边将吊杆从上向下穿出，同时测量预制构件顶面标高，在误差允许范围内即可将吊杆螺母拧紧，当预制构件的两根吊杆螺母均调整到位后放松浮吊吊钩，让吊杆承受预制构件荷载重量。
4.4 中横梁安装技术方案
中横梁预制节段长为13.6m，为了安装方便，横梁两端向内50cm腹板中心处各预留一个φ50mm的孔洞用于捆绑吊装，设计吊钩用于临时固定。在每片横梁上方安装单排单层2×6片贝雷桁架，全桥共需384片贝雷桁架，贝雷桁架搁置于系梁上吊杆边50cm高方木墩上。安装横梁之前必须安装贝雷桁架，用1台110t浮吊进行安装。安装西边贝雷桁架时浮吊停靠在东边桥位拱肋间；安装东边贝雷桁架时浮吊停靠在东边桥位东侧。由于边吊杆处拱肋下缘与系梁上缘之间的净空仅为1.7m，安装贝雷桁架需要的高度为2.0m，故此处系梁上无法安装贝雷桁架。因此采用图1中所示方法，在边吊杆拱肋上堆放方木，方木采用22＃槽钢固定，槽钢与拱肋间采用麻布袋保护拱肋以免受损，槽钢之间采用焊接方式连接，贝雷桁架放置于方木上，采用钢管支架固定贝雷桁架以免桁架侧倾。中横梁构件预制好后按照安装顺序将各构件分布于桥位南北河岸，浮吊将横梁构件吊放入150t的驳船上，驳船将构件运输到设计位置的正下方，将钢索从贝雷架中穿过，捆绑中横梁，慢慢提升至设计标高。利用φ32钢筋固定中横梁。
5 工程实施中技术问题
施工技术方案的确定解决了总体施工的主要问题，但在实施过程中仍然存在大量的技术问题必须解决，主要包括以下几点。
5.1 整个钢管拱的运输问题由于钢管拱长度较长，普通驳船无法满足其运输要求，而太大的驳船无法驶进蕴藻浜，如何将其运至距离拼装场地800m的施工现场成了一个技术问题，最后决定利用钢管拱自身浮力，用驳船拖至施工现场。
5.2 钢拱肋吊点的确定每片拱肋采用两点对称捆绑吊装，根据钢管拱肋的几何特性建立模型，考虑拱肋自重及吊杆处加劲板重量，取吊点水平间距为25m对拱肋进行计算分析，计算得出： Μmax＝337.64t.m；σs=95.73 ＜210 ，σx＝95.30 ＜210 ； δx＝21.2cm（向内）， δy＝11.1cm（向下），计算结果详见图2、图3，计算表明吊点水平间距可取25m，但最终应以设计单位或施工控制单位提供的数据为准。
5.3 混凝土输送泵的选择
砼顶升时要求混凝土输送泵的额定速度v>1.2Q/t，其中Q为要灌注的混凝土量，t为混凝土终凝时间。由于混凝土顶升不得中断要求，在顶升时配备备用砼输送泵，输送泵压力： pa=1.2[p工程+γ（h+hm+hf）] 式中p工程为工程大气压，γ为要顶升的混凝土容重，h为砼输送泵和最高顶升面的高差，hm为局部水头损失，hf为沿程水头损失。 hm=ζv2/2g ，ζ为局部阻力系数；hf=λ（l/d）v2/2g ，λ为沿程阻力系数。
6 工程实施情况
本工程自2003年6月开工后在业主、设计、监理和有关各方面的大力支持下于9月完成了拱脚的施工，12月完成了钢管拱、系梁及中横梁的制作，并于2004年4月完成所有构件的吊装工作，2004年6月竣工。经过精心组织、精心策划节约了吊装时间，减少了封航时间，积累了丰富可贵的施工经验。