钢管混凝土拱桥施工关键技术*

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

1 工程概况

金鸡河辅道桥主桥是昆山中环线工程跨越金鸡河上90 m跨径的下承式钢管混凝土拱桥。金鸡河辅道桥主桥分为南侧辅道桥和北侧辅道桥，全桥宽18.5 m。拱肋拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/5，矢高18 m，两端通过支点作用在边墩上，如图1所示。

图1 主桥上部结构一般构造示意

上部结构拱肋采用哑铃形钢管混凝土结构（图2），每个钢管外径90 cm，拱肋高为220 cm，钢管壁厚1.2 cm，缀板壁厚1.4 cm，由Q345d钢板焊接而成，钢管内及腹腔内填充C40微膨胀混凝土；系杆为混凝土箱形截面，高220 cm，宽150 cm，壁厚35 cm；吊杆采用扭绞形平行钢丝束，顺桥向吊杆间距5.4 m，每根吊杆由85 根φ7 mm的镀锌高强钢丝组成，吊杆上端为张拉端，下端为锚固端，全桥共布置30 根吊杆，拱桥向拱肋由2 道I字形和4 道K形风撑焊接而成，系杆由中横梁连接而成，系杆和中横梁均为预应力混凝土结构。

拱桥下部结构横向共设2 个墩柱，墩柱均为矩形截面，下设4 根钻孔灌注桩，桩高1.5 m，承台高3 m。

图2 哑铃形钢管构造

金鸡河辅道桥主桥采用先梁后拱施工，必须先完成系杆和中横梁的混凝土现浇施工；钢管拱肋分为5 段吊装，空中焊接成拱，为此需要搭设拱肋临时支架。金鸡河桥位处场地紧凑，北侧辅道桥旁与高压线较贴近，使得拱肋吊装难度较大。

2 钢管拱肋加工制作

钢管拱肋采用以直代曲、短管划分的原则，每节短管长度约为2 m，确保短管矢高不超过5 mm，短管接头不在吊杆位置，纵缝埋弧焊形成钢管，环缝焊接形成钢管拱肋。

钢管拱肋制作分短管加工、钢管接长、拱肋节段制作、拼装、整体拱肋预拼等几部分，其中钢管接长、拱肋节段制作、拼装、整体拱肋预拼均在厂内专用胎架上完成。

钢管拱肋制作工艺流程：放样→下料→零件加工→卷圆→钢管纵缝拼接→校圆→钢管接长→校验→拼焊吊杆锚箱及零部件→节段预拼报验→整体预拼报验→装焊临时连接件→涂装报验→存放。

2.1 短管制作

钢管拱肋拱肋线为二次抛物线，以多节直线短管拼装而成。短管制造质量直接影响拱肋的成桥线形、几何形状和尺寸精度。因此短管卷圆的失圆度、纵缝焊接预留反变形、控制焊接收缩量、校圆是短管制作的难点。

短管拱肋制作工艺流程：放样→下料→加工坡口→滚圆→纵缝拼焊→校圆。

经计算机1∶1放样后的短管零件采用数控切割，以保证尺寸精度。所有用于卷制短管的钢板纵缝、环缝位置的开坡口再用打磨机打磨平整。钢板卷制时坡口朝外，卷管方向与钢板的压延方向一致。

短管纵缝的装配、焊接是在专用的胎架上完成的，为控制纵缝的间隙，焊接前设置跨缝码，焊后冷却至常温。纵缝按节段相互错开，经专用的检查样板校圆后，标明节段号、零件号以备待用。

2.2 拱肋节段制作

考虑到拱肋加工制作、运输、现场安装及吊杆的具体位置等因素，单片拱肋分为7 段，其中2 段为拱肋预埋段，和端横梁一起施工，其余5 段均在工厂内焊接拼装。每段长度约17 m，质量约13 t，如图3所示。钢管拱肋节段制作组装顺序为：单根弦管单管接长组焊→上下弦管用缀板组焊成节段。

图3 拱肋节段划分

2.2.1 弦管单管的制作

弦管单管制作即短管接长，采用组装修整结合的组装原则，由节段中心管节向节段两端依次组装，组装时各短管严格按地样线排序，同时各环缝留有相应的焊接收缩量。组装完成后，按由中心而两端的焊接顺序依次焊接。

2.2.2 节段制作

节段制作即将制作的上下弦管通过缀板组成一个整体节段，先将同一节段的上下弦管置于水平节段组装胎架定位，相应调整节段的水平度，纵向放样定位缀板和相应的吊杆。缀板和吊杆的平整度合格后，在水平胎架上将拱肋翻身组成另一面的缀板，同样要保证缀板的平整度，待所有平联杆件组装完及水平度调整完成后统一焊接。

2.3 钢管拱肋节段预拼

拱肋节段预拼对于控制成桥拱轴线、端口几何形状和拱肋尺寸精度、接口间隙、相邻接口的精确匹配具有重要的意义。

在地样线上合适的位置摆放钢墩，钢墩的布置应以方便测量为宜。每个拱段节段布置4 个钢墩支撑，钢墩应具有足够的承重能力，按照工地现场拱肋节段吊装顺序，依次从拱脚段吊至钢墩上，利用千斤顶微调精确定位。微调时首选以吊杆位置作为定位基准，辅以其他各测点，依据地样线测量相邻节段环缝两侧的吊杆间距，确定节段接头余量的修割量，余量修割时每条环缝加放3 mm的焊接收缩量，安装节段接口处的法兰及临时连接等，预拼完成后打上定位测量标记，以便工地现场吊装合格时复位检查。

2.4 除锈、涂装

喷漆工艺流程：喷砂除锈Sa2.5级→吸砂吸尘→无机硅酸锌底漆→喷涂环氧封闭漆→喷涂环氧云铁中间漆→检查油漆干膜厚度、附着力→涂层损坏修补→聚氨酯面漆→检验合格、存放。

拱肋节段外露部份油漆干膜总厚度为240～260 μm，主要分为底漆、中间漆、面漆3 道。涂装采用高压无气喷涂，当天使用的涂漆必须当天配置，并不得随意添加稀释剂，若按规定层次达不到最小膜厚度时，还须增加层数使其达到规定厚度，同时还将等上一层漆干透后，再可涂下一层漆，涂装时环境温度控制在15～30 ℃之间，相对湿度不大于85%。

2.5 钢拱肋制作的质量控制要点

进行焊接工艺评定试验，确定合理的焊接工艺，保证焊缝的熔透性，控制焊接变形。

按1∶1放实样，确定拱肋节段位置，以保证拱轴线平顺、尺寸精确，提高安装精度。

每片拱肋做1 块试板进行抗拉、屈服强度、低温冲击韧性、冷弯试验，检验试板焊缝的机械力学性能，以保证制作中焊缝接头的机械性能质量。

拱肋纵、环缝对接焊缝按I级焊缝要求进行超声波探伤，X射线拍片，拱肋缀板熔透角焊缝按Ⅱ级焊接要求进行超声波探伤，以确保焊接熔透及内在质量。

3 拱肋吊装

金鸡河南北辅道桥主桥拱肋总体安装方案为：在南、北桥位现场搭设拱肋临时支架，采用1 500 kN汽车吊依次由两拱脚端向拱顶对称吊装，搁置于拱肋临时支架上，通过精确定位，各段拱肋接口环缝对接成拱。

3.1 吊装施工工艺流程

拱肋吊装流程为：技术交底→定位放线→拱肋临时支架搭设→将拱肋吊至支架上→千斤顶微调定位→复测后节段环缝对接。

3.2 拱肋临时支架

拱肋临时支架采用φ300 mm钢管及各类型钢拼接而成的钢管格构支架，支架顶部搭设平台，作为拱肋节段定位、固定等施工操作平台，支架基础为C25混凝土现浇扩大基础，考虑到拱肋的分段长度及现场吊装的实际情况，中间2 个支架顺桥向长度为8 m，边上2 个支架顺桥向长度为4 m；横桥向支架的拼装宽度均为4 m。拱肋临时支架水平和垂直方向用槽钢连结成剪刀撑以增加支架的刚度和稳定性。支架的钢管与基础顶面预埋的钢板焊接成整体。

3.3 拱肋起吊

根据计算，拱肋节段的长度约为17 m，每段质量约为13 t，拱肋吊装采用两点吊。拱肋节段起吊前，在确定的吊点处捆绑好钢丝绳，钢丝绳外径为56 mm。在吊点位置拱肋钢管外上下半圆包宽1 m橡胶块，橡胶块外包钢板，钢板宽1 m。钢丝绳系好后，汽车吊起吊，缓慢平稳吊至理论就位处，垂直落架、就位，用千斤顶微调精确定位。

3.4 拱肋吊装的测量控制

拱肋吊装过程中的测量控制主要是指拱轴线的偏位和高程控制，在拱肋节段制作时，拱顶背面用冲钉定出拱顶中心线作为控制点，拱轴线的复测方法为：在拱轴线延长线两端离拱脚2 m处布置2 点，架全站仪能通视，在拱肋上实测控制点坐标，根据测点坐标计算安装拱轴线与设计拱轴线吻合差值。若有差值，则利用支架平台上的千斤顶调整偏位、高程，在满足要求后，临时固定拱肋连接端，待复测后，统一焊接。

4 拱肋混凝土浇筑

南北辅道主桥共为4 片拱肋，共计280 m3混凝土，钢管拱内混凝土采用泵送顶升压注施工，根据对称平衡加载的原则，从两拱脚至拱顶，对称均匀一次连续泵送完成上下钢管及腹腔内混凝土[1,2]。为此配置5 台高压输送泵，其中1 台作为备用。在拱脚端设置泵送混凝土压注管，管径125 mm，管上设置截止阀；在拱顶设置混凝土增压管，增压管高2 m，管径200 mm，在上下钢管、缀板分别设置排气孔，排气孔φ5 mm，孔距不等，错位布置，泵送混凝土顺序依次为下钢管、缀板、上钢管。

4.1 拱肋泵送混凝土配合比确定

钢管混凝土采用C40微膨胀混凝土，针对拱肋混凝土泵送顶升施工特点：混凝土必须具备良好的流动性、初凝后膨胀和收缩互补、可泵性好、早强等工作性能，结合拌和站拌和能力、运输能力及现场泵送装备配置等条件，确定混凝土坍落度为200 mm±20 mm，为此和有关单位研制了配合比，具体为：水∶水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶碎石∶外加剂=160∶300∶80∶80∶840∶870∶6.90。

4.2 泵送混凝土浇筑

拱肋混凝土浇筑前利用高压固定泵泵入适量的水泥浆，以湿润管壁，每端泵入的水泥浆按0.5 m3控制，然后再浇筑混凝土，混凝土由拱脚浇筑孔自下而上推向拱顶，浇筑过程中，混凝土泵送速度基本相同，始终保持拱肋两端的压力平衡，将混凝土注入拱肋中的高差控制在2 m左右，接近拱顶时，混凝土顶升面高差控制在1 m以内，待拱顶冒浆孔射出水泥浆后，停止浇筑，稳压5 min，然后适当加大泵送压力再次泵入混凝土，让混凝土再次从冒浆孔流出，经3 次反复，直到冒浆孔流出的混凝土浓度和泵送的混凝土浓度相同，浇筑完毕。

4.3 混凝土质量

本桥泵送混凝土共计280 m3，4 片拱肋分为2 次浇筑，每片拱肋混凝土浇筑用时将近4 h，均为一次性连续浇筑而成，根据施工技术规范要求，拱肋混凝土取抗压强度试件4 组，28 d平均值为42.3 MPa，混凝土浇筑完14 d后，用超声波对浇筑质量进行了探测，混凝土均为密实。

4.4 泵送混凝土施工控制

4.4.1 结构水平位移控制

由于本桥采用先梁后拱的成桥施工方案，尽管在成拱桥系杆中已施加预应力，但边墩永久支座的固定约束已解除，由于拱肋在混凝土泵送顶升施工中，将对边墩产生水平推力，有可能对拱梁组合结构中墩的位移带来一定的影响，为此在混凝土泵送前，对两边墩采取临时固定措施。混凝土浇筑过程中，通过墩两侧事先布设的测点，用全站仪随时观测，由于准备工作较充分，事先考虑比较周全，整个施工中，拱梁组合结构及墩位未发生位移现象。

4.4.2 高程控制

为正确反映泵送混凝土时，拱肋结构的高程变化，拱肋顶面顺桥向1/8跨、1/4跨、拱顶及各临时支架处分别布置了高程测点，在1/4跨截面布置了应力测点，由上述各结构监测点的测试数据表明，拱上结构测点变位及内力与设计基本吻合。

5 结语

钢管混凝土拱桥因结构情况及施工环境不同而有多种安装方法[3-6]，本桥采用拱肋临时支架分段安装拱肋的方法，经工程实践证明，实施效果良好，可供以后有类似情况的工程参考借鉴。