(1.21)--苏北通榆河上混凝土系杆拱桥的预制装配施工.pdf

苏北通榆河上混凝土系杆拱桥的预制装配施工提 要 在苏北通榆河沿线新建的数十座公路桥中，有十余座采用了混凝土系杆拱结构。在施工时，对系杆、拱肋等构件先在工厂预制，然后在现场按一定程序安装拼接，并施加预应力，形成内部超静定、外部静定的系杆拱结构体系。关键词 系杆拱桥，预制装配，预应力工艺Prefabrication and Assembly Construction for Concrete TiedArch Bridges over Tongyu RiverCUI Shaoyan（Yancheng Water Conservation Construction Engineering Department，Jiangsu，224002）Abstract There are several dozens highway bridges newly built across Tongyu River in the north area of JiangsuProvince.More than a dozen of them are concrete tied arch bridges.During construction，components such asties，concrete arch ribs and so on were prefabricated in the factory and then the site installation and splicingwere carried out according to the certain procedure.Pre-stressing technologies were performed accordingly toform an internally statically-indeterminate and externally statically-determinate concrete tied arch structure.Keywords concrete tied arch bridge，prefabrication and assembly construction，pre-stressing technology1 引 言通榆河是江苏东部沿海南北走向的人工运河。沿岸为苏北经济较为发达的海滨市县和乡镇。为沟通两岸的交通，通榆河沿线新建了数十座公路桥梁。由于该河道地处沿海，桥基地质类型为海相沉积层，地基土质松软，易变形。考虑到通航孔的桥跨净宽和净高必须满足通航要求，在桥型的选择上，主跨选择了既能适应地基不均匀沉降、梁的建筑高度小，又能满足跨径要求的系杆拱结构。这是一种外部静定、内部超静定的下承式拱桥型式。系杆拱桥采用预制拼装的方法施工。拱肋和系杆先为分段预制的钢筋混凝土构件，在现场再分别连接为整体。采用该型式系杆拱结构，在通榆河上先后建成双圆大桥等十余座公路桥梁。由于该桥型外部为静定结构，对地基适应性好，下承式梁的建筑高度又小，故能较好地满足使用功能要求；这些桥的跨径较大，外形美观大方，横跨在沿线的河面上，成为通榆河上的一道道亮丽风景线。采用预制拼装的方法施工，施工方便，缩短了造桥的工期，因此也达到了经济实用的目的。现以双圆大桥为例，说明其施工方法和工艺。2 工程概况双圆大桥位于通榆河桩号 CS55+400m 处，桥跨与河道正交，桥梁总长 175m，桥跨布置为25m+25m+70m+25m+25m。中孔通航孔为跨径 70m 预应力混凝土刚性系杆刚性拱的结构型式。边中孔和边孔均为跨径 25m 预应力混凝土 T形梁。下部结构的中墩为钢筋混凝土柱式桥墩，边中墩、边墩和桥台均为钢筋混凝土桩柱式墩台，墩台基础采用直径 120cm 钢筋混凝土钻孔灌注桩。桥梁汽车荷载等级按公路-级。桥跨布置如图 1。图 1 双圆大桥桥跨布置图3 施工方法和工艺流程3.1 施工方法中孔的系杆拱结构包括拱肋、系杆、吊杆、风撑、底横梁和桥面板。系杆和横梁为预应力混凝土构件，吊杆采用高强钢丝束，其余均为普通钢筋混凝土构件。系杆、横梁等构件预应力筋的布置如图2。系杆拱的施工采用有支架预制拼装的方案，即在桥梁基础灌注桩和桥墩台等下部结构施工的同时，在混凝土构件预制厂进行系杆、拱肋等构件的预制；然后在桥孔内搭设支架，进行系杆、拱肋等构件的安装拼接，浇筑湿接头混凝土；再进行系杆、横梁等预应力构件的后张法预应力工艺，形成系杆拱受力体系，最后进行桥面板的安装和桥面铺装等桥面系的施工。图 2 系杆、横梁预应力筋布置图3.2 工艺流程系杆拱桥预制装配法施工工艺流程如下：系杆、拱肋等构件分节工厂预制，同时进行桥孔内支架搭设系杆分节安装、系杆湿接头处钢筋焊接、湿接头二期混凝土浇筑横梁安装、横梁湿接头处钢筋焊接系杆钢绞线穿束、张拉系杆第一批钢绞线浇筑横梁湿接头混凝土拱肋、风撑及吊杆套管安装，焊接拱肋、风撑湿接头处钢筋，浇筑拱肋、风撑湿接头混凝土横梁钢绞线穿束、张拉横梁 S3，S4 两束钢绞线至 0.5k吊杆预应力筋穿束、首期张拉吊杆高强钢丝束铺设桥面板和人行道板第二期张拉吊杆高强钢丝束，第三期（补）张拉吊杆高强钢丝束松动系杆支架，张拉横梁 S1，S2 两束钢绞线张拉系杆全部钢绞线拆除系杆支架，张拉横梁 S3，S4 二束钢绞线至控制应力预应力孔道清孔、压浆、封锚桥面系施工。3.3 系杆及吊杆预应力分期分批张拉控制原则 在系杆拱桥施工过程中，由于恒载是分批施加，系杆拱也是从单一构件逐步形成体系的，因此在系杆、吊杆预应力施工中，预应力钢束的张拉亦需分期分批进行。本工程系杆预应力筋随施工的工况分两批张拉，吊杆预应力钢丝分三期张拉。在预应力施工中，系杆及吊杆预应力分期分批张拉的控制原则，系杆预应力施加与施工中分期增加的拱脚水平推力同步，以使系杆中产生的恒载09Structural Engineers Vol.22，No.4 Engineering Construction拉力与预加应力相互平衡，活载所需永存预应力在二期预应力中施加；吊杆预应力分期同样随恒载的增加而逐级施加预应力，吊杆预应力钢束第三期张拉是在恒载加完后，调整各杆的预应力，使杆中储备的压应力均匀。系杆、吊杆随施工的不同工况分期分批施加预应力，避免过度集中施加预应力造成压杆失稳、截面压应力超限及截面局部开裂等问题。4 系杆拱构件的预制预制构件包括系杆、拱肋、风撑、横梁、桥面板以及栏杆等混凝土构件。4.1 预制工厂（场）的选择为了预制构件运输和安装的方便，预制工厂（场）宜选择在离桥位较近、交通便利处，且场地面积须与构件预制施工组织设计要求的场地相适应。如桥位附近本来就有预制构件厂，则首先考虑就在该工厂内预制。一般可在桥位附近设立临时预制厂（场），但要按结构形式和构件重量对预制场地作恰当处理，确保预制构件施工时底模板不发生不均匀沉降。混凝土可使用商品混凝土，亦可现场设立混凝土拌和站生产混凝土。4.2 系杆、拱肋等混凝土构件的分段预制系杆和拱肋截面为箱形或工字形截面，系杆截面外形尺寸为 80cm 140cm，拱肋截面为 80cm100cm，混凝土强度等级为 C50。预制采用整体放样，分段预制，平卧叠浇的方法。分段的数量需与安装机械的起重能力相适应。本工程每根系杆分为 5 段预制，第 1、第 5 段拱脚处系杆与拱肋整体预制，拱肋分为 7 段预制。系杆、拱肋分段如图3 所示。系杆、拱肋预制时均设置预拱度，设置预拱度时应考虑张拉吊杆时引起的挠度影响，从而决定系杆与拱肋预拱度之差值。预制施工时，采用在预制场 1:1 实地放样。要确保构件几何尺寸准确。插入系杆中的横梁内普通钢筋、吊杆钢套管等预埋件必须位置准确。埋设件安装时，需采取固定措施。预应力筋预留孔道使用波纹管或橡胶抽拔芯模。混凝土浇筑后，必须加强养护。混凝土季节性施工：夏季施工时预制场内可搭设棚罩遮阳，冷天施工时可设立暖室加温。图 3 系杆、拱肋分段示意图5 系杆拱构件的现场安装系杆拱预制构件达设计强度后，即进行安装和拼接。其工作内容包括搭设安装支架，构件吊装就位，拼接成整体。5.1 支架搭设支承结构根据桥位处的地形及地基情况确定，一般可采用型钢或钢管桩，支架基础一般采用混凝土、桩基础。支承及其基础必须根据结构计算和地基承载力计算确定，确保支承结构在荷载作用下不产生变形和沉降。支架一般采用建筑用钢管搭设。在系杆湿接头位置处设置支承点。5.2 系杆拱构件安装根据桥位处地形和结构构件的重量选择安装机械及安装的方法。在平坦的地面上，一般可采19工程施工 结构工程师第 22 卷第 4 期用汽车起重机、桅杆起重机安装；在已有的河道上建桥可采用浮船、缆索等安装。5.3 构件的拼接系杆拱预制构件吊装就位后，经反复校准高程和平面位置，待符合设计要求后，即可进行构件的拼接，即湿接头的施工。主要内容包括非预应力钢筋连接、预应力筋预留孔道连接和湿接头混凝土的浇筑。湿接头混凝土按二期混凝土施工工艺要求实施。6 预应力工艺双圆桥系杆设置 20 束 J15.24mm 钢绞线，采用 OVM15-7 锚具；横梁5 束 J15.24mm 钢绞线，钢绞线编号如图 2。吊杆设置 54s5mm 高强钢丝，采用 DM5A-54 型锚具。系杆及横梁钢绞线等级为低松弛 270 级，Rg=1860MPa，吊杆高强钢丝 RYB=1600MPa。根据系杆拱各组成构件分部件预制和构件安装的程序，按一定的程序对组合结构施加预应力，使其形成系杆拱结构受力体系，是预制装配混凝土系杆拱桥施工的一项重要内容。本桥的预应力工艺按以下步骤和方法实施：（1）横梁第一批预应力张拉。在横梁预制完毕，安装前张拉横梁第一批钢绞线（S5 束），张拉机具使用 YCW-250 型千斤顶和 ZB4 500S 型高压油泵配套。采用两端张拉，同时进行应力控制和伸长值校核的预应力工艺。（2）系杆第一批预应力筋张拉。在系杆安装完成、系杆湿接头混凝土强度达到设计强度，系杆形成连续梁，横梁安装就位并焊接横梁湿接头处非预应力钢筋后，进行系杆第一批预应力钢绞线的张拉。控制应力k=1209MPa，超张拉1.05k，系杆最大张拉力 1244kN。张拉工艺同横梁，但需注意桥两侧系杆每两束轮流对称张拉。（3）横梁第二批预应力筋首次施加预应力。在拱肋和风撑安装完毕，拱肋、风撑湿接头混凝土强度达设计强度后，拆除拱肋支架，使其形成单拱。支架拆除后，对横梁进行第二批预应力筋第一次施加预应力。即张拉 S3，S4 两束钢绞线到0.5k，即 562.5 MPa。为使结构受力均衡，在桥轴线方向上，间隔张拉横梁。（4）吊杆预应力施工。吊杆预应力施工分为三期，在横梁第二批预应力施工完毕，施加吊杆第一期预应力。吊杆钢丝束采用单端张拉工艺，吊杆最大张拉力 480kN，第一期张拉力为 200kN，张拉机具使用 YC-60 型千斤顶和 ZB4500S 型高压油泵，同样要注意对称和均衡施工。在桥面板和人行道板安装完毕后，进行吊杆第二期预应力施加，张拉力至设计吨位，即 480kN。（5）横梁第三批预应力筋张拉。在吊杆第二期预应力施工完毕后，对横梁进行第三批预应力筋，即张拉 S1，S2 两束钢绞线至控制应力。（6）系杆第二批预应力筋施工。横梁第三批预应力筋张拉完毕，对系杆进行第二批预应力筋施工。张拉 S13 S20 计 8 束钢绞线到控制应力。（7）横梁第二批预应力筋张拉至控制应力。系杆张拉完毕后，拆除系杆支撑，进行桥面铺装施工。桥面铺装施工完毕，进行横梁第二批预应力筋张拉，施加预应力至控制应力。7 预制装配系杆拱桥施工要注意的问题7.1 关于混凝土材料混凝土系杆拱桥为预应力混凝土结构，混凝土强度等级一般较高，双圆桥系杆及拱肋为 C50。必须按高强混凝土的要求控制材料质量，对组成混凝土的各项原材料进行质量控制，通过试验室设计混凝土配合比，控制现场混凝土的拌制、浇筑质量。湿接头二期混凝土可设计掺入早强减水剂，以缩短建桥的施工周期。7.2 拱肋、系杆线型的控制在系杆拱桥预制装配法施工中，必须做好拱肋、系杆线型的控制，以使其受力条件符合设计模型，结构外型流畅美观。线型的控制包括构件预制中的线型控制和安装过程中的线型控制。在拱肋、系杆预制中，按系杆拱的设计图纸，通过施工计算，确定控制坐标，在预制厂采用系杆、拱肋整体实地放样，放样比例采用 1:1，确保系杆、拱肋线型和几何尺寸的准确；在拼接安装过程中，用经纬仪、水准仪精确测量定位，同时进行临时支架承载力设计计算并做好支架的预压，防止构件安装就位后的沉降，还要设计计算和合理设置预拱度，在构件安装就位、湿接头浇筑和预应力施加的过程中，加强施工观测，发现问题及时调整解决。7.3 关于预应力张拉系杆拱桥整个预应力体系的施工，须严格遵29Structural Engineers Vol.22，No.4 Engineering Construction照对称、同步、均衡和荷载均匀上升的原则。8 实施效果在新疏浚的通榆运河上兴建的数十座系杆拱桥，适应当地的地质条件，便利了两岸的交通，满足了河道通航等级的要求。该地区多座系杆拱桥采用节段预制装配的施工方案，其技术经济效果十分显著。（1）施工简便，质量容易保证。对同一荷载等级的跨通榆河桥梁，系杆拱结构采用的是基本相同的设计图纸，施工程序清楚，构件的预制工厂化、程序化，施工质量容易保证，在已完建的数十座桥中，优良工程占 80%以上。（2）节省工期。采用预制装配的施工方法，在桥梁的基础灌注桩和下部结构承台、立柱、帽梁施工的同时，即可进行系杆、拱肋等上部结构的分节段工厂预制；在下部结构承台、立柱、帽梁施工的同时，即可进行临时支撑支架的施工；在下部结构墩台帽梁施工完成后，即可进行预制件的拼装。采用该施工方法一般比现浇法可节省工期一个月以上。（3）设施投入经济。构件的分段与安装机械的吊装能力相适应，一般用 30t 的吊车即可满足安装要求，避免大型起重机械对施工场地道路要求较高的缺点；采用分节段预制安装的方案，比现浇法施工的支架工作量小，定制模板亦可重复周转使用，提高利用效率。9 结 语系杆拱桥的预制装配施工，要按照设计程序进行各组成构件的装配拼接和施加预应力，重点做好构件预制、安装就位、湿接头施工和预应力工艺等关键工序，确保系杆拱体系的形成。参考文献1 公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）.2 顾安邦，孙国柱.公路桥涵设计手册 拱桥.北京：人民交通出版社，1997（上接第 88 页）层麻袋，且遮盖严密，以保湿保温。薄膜的搭接不得小于 150mm，麻袋的搭接不得小于 100mm，且上、下层麻袋搭接位置必须错开。墙柱插筋之间狭小空间必须特别注重保温措施。麻袋的湿润以喷雾代替洒水，以避免混凝土内外产生过大温差造成的副作用。混凝土浇筑后用钢管架搭设 50cm 高悬空架，按50m2一盏碘钨灯照射混凝土表面，进行加热。3.3 信息化施工及监控本工程温度监测由专业的监测单位承担，采用日本进口的 TQS-303 型数据采集仪，配合采用 W2C-010 铜热电阻和温度检测记录仪，通过温度曲线图分析得出最高温度出现在中心点（深度 1.5m），且最高温度出现在浇筑后 3 5d，最高温度达 64，与混凝土温度预测值基本相近，通过对混凝土表面采取了一定的保温措施，最终混凝土内部与表面温度差最大在 23，小于 25满足规范要求，养护 14d 结束后，经过对底板混凝土表面检查，无明显的温度裂缝，达到了预期结果。4 小 结近年来，随着大体积混凝土愈来愈多地应用在众多实际工程中，对大体积混凝土的研究也在不断深入。随着建筑水平的不断进步，建筑新材料的推广应用，对大体积混凝土的认识也取得了新的进展。大体积混凝土施工期间的裂缝主要是温度裂缝，对温度裂缝的控制以前较多采取单一化控制，即主要由施工单位单方面采取温控方案进行控制，而设计单位多关注结构在使用期间的裂缝情况。本文也主要是从施工措施方面研究了预防混凝土因温度应力引起的开裂。但要真正实现大体积混凝土的裂缝控制，应从设计、施工两个环节同时抓起，做到事前与事中控制，这就要求设计与施工结合起来，从设计阶段就要考虑大体积混凝土施工中的裂缝情况，从设计、材料、施工等方面进行全方位控制、系统控制。参考文献1 朱清贵.大体积混凝土的裂缝控制.山西建筑，20052 张岫文，叶列平，吴佩刚.基于成熟度的大体积混凝土早期温度应力场有限元分析.建筑结构，20053 刘忠华.大体积混凝土温度与收缩裂缝的防治措施.山西建筑，20054 朱惠伟.浅谈大体积混凝土结构裂缝的控制.混凝土，20045 朱宏平，宋焕宇，邝青.大体积混凝土结构无缝施工技术的应用研究.华中科技大学学报（自然科学版），200439工程施工 结构工程师第 22 卷第 4 期