跨航道混凝土拱肋系杆拱桥施工技术

  李  文，陆海军

  （中交一公局第三工程有限公司，北京  101102）

[摘要]结合连申线航道整治桥梁3标下承式混凝土拱肋系杆拱桥跨航道施工，重点对总体施工方案比选，系杆拱构件预制研究，支架设计与施工，构件安装研究等进行了详细介绍。通过合理装配施工顺序进行拼装，减少了支架体系工程数量，钢管桩基础的可靠性和支架的整体性得到保证，加快了施工进度，提高了安全系数。

[关键词]桥梁工程；系杆拱桥；跨航道；混凝土拱肋；系杆拱；施工技术

[中图分类号]U448. 22+5；U445.4 [文章编号]1002-8498(2016)05-0038-06

1  工程概况

 连申线航道整治工程桥梁3标共有7座桥梁，其中4座主桥为下承式混凝土拱肋系杆拱桥，分别为黄蒲大桥（主跨80m）、八角井大桥（主跨82. 2m）、加力桥（主跨80m）和搬经桥（主跨82. 2m）。黄蒲大桥跨如海运河，后3座桥跨如泰运河。

 系杆拱属梁拱组合结构，拱片主体由刚性系杆（预应力混凝土梁式构件）、刚性拱（钢筋混凝土拱构件）和柔性吊杆组成，两侧系杆之间由横梁和行车道板组成桥面结构，两拱肋之间通过风撑连接增加结构的整体稳定性（见图1）。

 80m主跨系杆拱桥，拱轴线为二次抛物线，计算跨径78. 2m，矢跨比为1/5，矢高15. 64m；拱片间净宽8. 0m；拱肋采用等截面工字形结构，高1.4m，宽1. 2m；系杆采用等截面箱梁，高1.6m，宽1.2m。82. 2m主跨系杆拱桥，拱轴线为二次抛物线，计算跨径80. 3m，矢跨比为1/5，矢高16. 06m；拱片间净宽 12. 0m；拱肋采用等截面工字形结构，高1.6m，宽1. 2m；系杆采用等截面箱梁，高1.8m，宽1.2m。

  2  总体施工方案比选

 混凝土拱肋系杆拱桥总体施工方案主要有2种，一种是支架现浇，即先搭设支架进行拱脚、系杆施工，再往上接长支架进行拱肋施工；另一种是预制安装，即构件先分段预制，再往支架上吊装，现浇湿接头成桥。根据支架的疏密程度，预制安装又分为多支架安装和少支架安装。

 上述方案各有利弊。对于支架现浇施工来说，优点是少占用施工场地，缺点是施工周期较长。对于预制安装来说，优点是构件预制和支架搭设可同步进行，施工周期短，缺点是需要投入专门的预制场地。多支架安装适用于没有通航、通车要求的桥跨；少支架安装适用于有通航、通车要求的桥跨，但对构件的跨越能力有较高要求。

 本项目4座系杆拱桥采用支架现浇，若一次性投入4套支架，则4座桥可同时施工，工期能充分保证，但支架投入较多；若投入2套支架进行流水施工，支架费用能节省，但工期不能保证。因此，本项目总体施工方案首先否定支架现浇方案。考虑到桥梁施工时桥下通航不能中断，故最终确定采用少支架预制安装的总体施工方案。

3  系杆拱构件预制研究

3.1  预制场地规划

 本项目4座系杆拱桥，前期策划时做过系杆拱构件分桥预制和集中预制的比选。分桥预制可以省去构件运输的费用，但在每个桥位均要征地设置预制场，一方面征地难度大，场地建设费用较高；另一方面由于桥位分散，管理难度增加。经综合对比分析，本项目系杆拱构件集中预制，和引桥空心板梁统一集中设置预制场（如海运河西岸，旧334省道南）。预制场南北走向，长170m，龙门轨道宽42m，设置2台提梁门式起重机，跨度42m，单台门式起重机最大起重量80t;设置1台工作门式起重机，跨度42m，最大起重量5t。靠近河边12m宽区域规划为系杆拱构件预制区，以方便浮吊对构件翻身和起吊装船（见图2）。

 对于系杆、拱肋、拱脚，因其立面投影为曲线（拱肋、拱脚为异形构件），若采用立式预制，不利于钢筋、模板的安装，质量难以控制，同时安全风险也相应增大。为此，系杆、拱肋、拱脚均采用平卧分段预制，采用分散放样（相对于整体放样）的方式设置台座。预制场规划时，拱肋预制区设置在最南端，拱肋预制台座6个；拱脚预制区在拱肋预制区中间，拱脚预制台座4个；系杆预制区在拱肋预制区北侧，系杆预制台座6个。每批同时预制2座桥的系杆、拱肋、拱脚构件，2个循环即可预制完成。

 一般系杆拱构件均采用双层叠加预制，如拱片整体放样的，在第1层已经预制完的构件顶面再砌筑1层台座，上面进行第2层拱片构件的预制。这样做的好处为：2层拱片完全一样，便于施工控制；仅需1层拱片的场地。本项目系杆拱构件集中预制，有门式起重机可以倒运构件，故系杆、拱肋等均可单层预制，这样可以减少叠加预制时台座制作费用。因拱脚为异形构件，且非常短，2台门式起重机无法抬吊，故拱脚仍采取双层叠加预制的方式。

3.2  系杆拱构件预制技术

3.2.1  预制台座施工

 拱肋、系杆分段均按照设计图纸，施工前认真核对系杆轴线及拱轴坐标。系杆、拱肋和拱脚均采用卧式预制，预制台座高30cm。台座施工前先用计算机绘制放样图，然后采用全站仪现场放出构件边线，同时放出吊杆中线、风撑和中横梁位置，用红砖砌出台座胎心，胎心内填筑混凝土。风撑、中横梁截面处预留孔洞，孔洞内填塞黄砂并压实，同时在台座内预留模板拉杆孔。胎心外面用砂浆抹光，严格控制台座的平整度，并保证线形平顺。底模面板采用硬塑料板，硬塑料板和胎心表面用胶水粘牢，风撑、中横梁预留孔洞黄砂顶面铺竹胶板，竹胶板预留钢筋孔，方便风撑、中横梁预埋钢筋插入。台座制作完成用全站仪对台座中线进行检测，同时检测台座边线形及表面平整度。

3.2.2钢筋制作安装，吊杆导管安装

 钢筋制作安装在此仅介绍钢筋补强及构件接头钢筋预留，常规内容不再赘述。系杆、拱肋在吊杆导管通过处，上、下2个面主筋均需要截断2根，处理方法是设置补强钢筋，补强钢筋与主筋规格相同，单根长320cm，上、下2个面主筋的里侧均放置4根补强钢筋。设计文件中各构件接头预留钢筋均为55cm，构件安装时，这么长的接头预留钢筋将要相互冲突（湿接头宽60cm），预制时所有钢筋接头预留长度均取28cm，构件安装时，接头钢筋通过双面帮条钢筋连接。

 吊杆导管采用ɸ180×8镀锌钢管，无论拱肋还是系杆，均需准确控制吊杆的位置。一方面通过全站仪放样控制吊杆导管顺拱肋、系杆轴线方向的位置和角度；另一方面控制吊杆导管中心和拱肋、系杆横向中心一致，即吊杆导管中心距台座顶60cm（系杆、拱肋均卧式预制，竖向高度均为120cm）。吊杆锚垫板和导管焊接，锚垫板和导管轴线垂直，锚垫板中心和导管中心一致。吊杆导管待钢筋骨架安装固定后放置进去，并和钢筋骨架固定。注意提前将螺旋筋套在锚垫板下导管外面。

3.2.3模板安装

 系杆、拱肋和拱脚外侧模采用15mm厚竹胶合板，支撑面板的横向小楞采用5cm×10cm方木，因为模板需要顺着构件线形弯曲，故方木平行于竹胶板布置。支撑小楞的竖向大楞采用2[10，间距50cm，顶部设1道拉杆，底部设l道横穿台座的拉杆，拉杆采用ɸ 16圆钢。模板拼装后整体检验模板线形，发现偏差及时调整模板间支撑杆件及外侧拉锚。

 系杆内模板采用专业厂家生产的实心泡沫芯模（高密度，强度满足要求），其尺寸按照图纸尺寸统一订货。内模在底板（即系杆内侧腹板）混凝土浇筑完毕抹面后再从顶板安装（即预先在系杆外侧腹板钢筋上留芯模安装工作孔）。芯模预先切割并编号，确保能够准确快速安装。安装完毕后从工作孔中放入8cm×60cm竹胶板长条，间距50cm横向水平放置在泡沫芯模上，再在竹胶板上安放ɸ28钢筋压杆，压杆两端与模板外竖向槽钢焊接固定。确保芯模在浇筑过程中不发生上浮现象，同时保证钢筋保护层厚度。钢筋压杆在顶板（外侧腹板）浇筑完毕后收面时去除。

  4  支架设计与施工

  4.1支架设计

 如海运河现状属六级航道，如泰运河现状属等外级航道，临时支架设计以安全、可行、方便、工期短和对航道影响小为原则。系杆、拱肋分3段，再加上两头的拱脚，顺桥向共有4个接头，在每个接头位置设置1个临时支墩。整个支架分左、右两幅，每幅4个支墩，临时支墩采用钢管格构柱结构，由钢管、型钢和贝雷梁组成。系杆拱桥施工期间需保持通航，临时支架中跨作为通航孔，4座桥通航孔净跨径均为19m。本项目支架通航孔上方均设置了贝雷梁，原因是通过拉开中间2个支墩距离保证通航孔宽度后，需要设置贝雷梁以安装中间段系杆（长度不够，不能直接支承于临时支墩）。当通航孔跨度要求不大时，中间段系杆可直接支承于临时支墩。以八角井大桥为例，支架立面、平面如图3所示，剖面如图4所示。

 单个支墩采用4根ɸ630×8钢管立柱，需要注意立柱布置在系杆两侧，同时要避开中横梁位置。中间支墩立柱顺桥向中心间距2. 6m、横桥向中心间距2. 7m，系杆位置下方采用[20a设置2道平联，平联之间采用[ 16a设置剪刀撑。系杆支墩立柱顶顺桥向设2140a分配梁，分配梁顶横桥向设4140a盖梁（左、右支墩通长设置，增强支架稳定性）。通航孔上方架设2组3排单层贝雷梁，支承在中间支墩顶盖梁上。在贝雷梁上系杆接头位置前、后侧设置2128a分配梁，分配梁上放置落梁砂筒，以支承系杆构件。边支墩下部采用[ 20a设置2道平联，平联之间采用[ 16a设置剪刀撑。系杆支撑横梁采用2140a，焊接在钢管立柱内侧，接头位置下方设置三角加劲板。系杆支撑横梁上面放置落梁砂筒，一道支承拱脚，另一道支承系杆边段。边支墩立柱直接接长至拱肋底部，在系杆支撑横梁上方顺桥向支墩钢管立柱间采用[ 20a设置2道平联，平联之间采用[ 16a设置剪刀撑。支墩采用钢管桩基础，和支墩立柱相连，钢管桩埋深通过基础承载力计算确定。

 通航孔布置4处防撞钢管桩，每处防撞桩3根ɸ630 x8钢管，彼此间采用[20a连接形成整体。防撞钢管桩上设安全警戒设施。

 中间拱肋支墩由系杆支墩立柱直接往上接长，立柱之间设置4层平联、2道剪刀撑。左、右幅支墩间采用I28a，[16a制成的桁架（128a为上、下弦杆，[ 16a为竖向和斜向腹杆）设置1道平联，高度位置同拱肋支墩上2道平联。拱肋边支墩即系杆边支墩，钢管已接长至拱肋底部，横桥向支墩钢管间用[ 20a设置1道平联，顺桥向支墩钢管间用2[20a设置1道斜拉杆，钢管顶部横桥向设2140a盖梁。

4.2支架施工

4.2.1系杆支架施工

 系杆支架施工，所有边支墩钢管桩插打均属于陆上施工，即岸边平整场地，采用汽车式起重机施工。中支墩施工，最先施工的黄蒲大桥采用了浮吊法。浮吊法有其优点，即浮吊可直接在河道中施工，比较方便。但采用浮吊支架也有缺点：①浮吊占用较大水域，对通航有影响；②浮吊作为水上移动式平台，受水流、波浪影响，钢管就位相对困难，平面位置和垂直度控制精度相对差一些；③费用相对较高。对此，在后续3座桥中支墩施工时进行了改进，将水上浮吊施工全部变更为起重机陆上施工，起重机站位的平台根据现场情况分2种情况进行处理，八角井大桥采用支架平台，搬经桥和加力桥处原状河床较窄，填土筑岛作为施工平台。

 钢管桩下沉采用悬打法施工，用浮吊或汽车式起重机配合振动锤施打钢管桩。在钢管桩施打过程中要检测桩位与桩的垂直度，发现偏差要及时纠正。钢管桩接长时接头必须满足支架设计要求，接头质量检查合格后方可继续施打钢管桩。现场钢管桩插打以控制贯人度为主，设计深度作为校核。钢管桩基础下沉到位后接长系杆支墩立柱，安装平联和剪刀撑，安装系杆支承结构。设置好支架防撞墩，防撞墩表面贴反光膜并设置警示灯及导航灯带。限宽、限高标志采用反光标志牌，固定于贝雷梁上。

4.2.2拱肋支架施工

 黄蒲大桥、八角井大桥拱肋支架施工基本按照既定施工方案进行：安装系杆及第1批中横梁后进行拱肋支架施工。但黄蒲大桥和八角井大桥拱肋支架施工略有区别，因黄蒲大桥没有水中施工平台，为减少浮吊吊装费用，其拱肋支墩在岸边场地上先组拼成整体，待拱肋吊装浮吊进场后，利用浮吊一次性将拱肋支墩吊装完成；八角井大桥支架施工平台一直保留，采用汽车式起重机吊装拱肋支墩钢管立柱，将其底部和系杆支墩顶连接，控制其垂直度和标高，安装顶部分配梁和盖梁，之后给拱肋支墩安装[ 20a平联和[16a剪刀撑，接着在左、右拱肋支墩之间安装型钢桁架使之相互联系。

 拱肋支墩底端一定要形成刚接。系杆支墩钢管顶开顺桥向槽口放置顺桥向分配梁，分配梁与系杆支墩钢管满焊，分配梁悬挑部分下翼缘与系杆支墩钢管用三角钢板加劲。拱肋支墩钢管底与系杆支墩钢管顶及分配梁顶焊接，钢管接头之间设置加劲板，系杆支墩分配梁悬挑部分上翼缘与拱肋支墩钢管用三角钢板加劲。

 搬经桥、加力桥系杆支架搭设完成后发现，由于吊装设备紧张，系杆支架施工结束后不能及时进行第1批构件吊装，故直接进行了拱肋支墩施工，一方面避免了支架施工人员窝工，另一方面系杆第1批构件施工结束后可直接进行拱肋吊装，不用再等待拱肋支墩施工。

5构件安装研究

5.1构件吊点（支点）设置与受力性能研究

 构件采用卧式预制，再翻转直立的施工工艺，但构件截面尺寸和配筋具有较强的方向性，卧式起吊、翻身时为受力最不利工况。采用如图5所示实际吊点位置进行2个方向截面高度及配筋的建模验算，经验算构件受力性能及裂缝均满足现行规范要求，施工过程中构件安全。

 前面“总体施工方案比选”中提到少支架安装对构件的跨越能力有较高要求，在于构件直立吊装就位后，两端支承于支墩的工况下，构件自身必须安全。根据实际支点位置进行直立方向截面高度及配筋建模验算，经验算构件受力性能及裂缝均满足现行规范要求。

5.2构件运输、翻转

 每座桥系杆和拱肋分2批预制，第1批预制后转移至存放区，第2批存放在预制台座上。拱脚双层预制，全部存放于台座上。安装前，构件在预制场如海运河港池通过浮吊吊装至驳船，运抵桥位后用浮吊起吊安装。

 对于系杆，装船之前翻身，翻身后装船，运抵桥位后即可进行安装。

 对于拱脚，原来考虑先翻身直立再装船。第1座吊装的黄蒲大桥就是按此思路实施。由于构件自重相对于货船载重要小很多，货船吃水很浅，同时由于拱脚高度较大，导致货船高度超过了运输线路上桥梁的净空高度。为了解决此问题，立即租用了甲板驳，拱脚水平装船，运抵桥位后先翻身直立再吊装。

 对于拱肋，如果只采用1台浮吊空中进行拱肋翻身，则非常危险；若直接在构件下方支垫方木后地上翻身，则翻身后构件两头受力，构件中部下缘受力大，极易开裂。为了使拱肋翻身安全，同时构件翻身后支点受力合理，考虑在构件支点位置用砂袋垫高，砂袋上垫枕木，将拱肋构件水平放置于枕木上，用浮吊直接翻身，这样构件两头不会着地，支点保持不变，受力仍然合理。经过实践，砂袋很难码放整齐，构件翻身后易侧翻，改进采用“土坝”法，“土坝”需要用挖掘机提前堆好。

5.3构件安装

5.3.1  吊装准备

 根据构件形状、大小及最大构件质量确定浮吊吨位，本项目系杆拱桥上部预制构件吊装采用150t浮吊船。浮吊起重作业前，用竹竿探明作业区域水深是否满足要求，若水深不够，用挖泥船对作业水域的河床进行清淤疏浚。实际每座桥吊装之前航道都进行了疏浚，甚至系杆吊装时已疏浚，但到拱肋吊装时，河床底又淤积，从而需要再次疏浚。

 吊装所用的卡环（卸甲）、钢丝绳、绳卡、手拉葫芦等进行充分准备，所有吊具应性能良好，对裂纹、断丝等影响吊具荷重的缺陷仔细检查，一经查出坚决淘汰，确保吊具具有足够的安全系数。所有构件均采用钢丝绳捆绑起吊，捆绑吊装时对捆绑位置进行包装，防止损坏构件边角。

 吊装前，主墩盖梁上放出支座中心线、拱脚边线和端横梁前缘轮廓线；在支架上放出系杆边线，安排工人做好限位；控制好各支撑点标高。

5.3.2拱脚、系杆、横梁安装

 安装时首先安装端横梁和拱脚，先在主墩盖梁上放出端横梁位置，放置砂箱将端横梁简支在主墩盖梁上并固定，然后吊装拱脚。吊装时要精确就位，待位置固定后将端横梁与拱脚连接的骨架钢筋焊接好，使之连接成整体，确保整体稳定。拱脚就位过程中，项目部测量人员需全过程控制，根据已弹出的拱脚轮廓墨线，精确调整拱脚位置，并确保其垂直。

 系杆安装时，用浮吊起吊构件达到一定高度后缓慢平移至安装位置后慢慢落座。横桥向位置通过支架上限位进行控制，顺桥向位置通过吊杆孔中心的间距进行控制。当单片构件坐标、高程和垂直度符合要求后，开始焊接部分系杆接头连接钢筋。系杆构件吊装就位后，在构件上支点处设置沉降观测点观测支架沉降情况。支架沉降稳定后测量系杆标高，如标高不符合要求，则通过千斤顶进行调整，然后焊接剩余大部分的湿接头钢筋。

 系杆预制时，在系杆内侧中横梁位置预埋125a牛腿；中横梁预制时，在中横梁端部预埋125a托梁。中横梁安装前在系杆上安装吊篮作为人员操作平台，测量系杆内侧中横梁搁置牛腿的顶标高，准确量取中横梁预埋托梁的相对位置，确定托梁与牛腿间的支垫厚度。吊装中横梁，控制其平面位置，然后落梁。

 连接系杆、横梁预应力管道，焊接系杆、横梁湿接头连接钢筋。湿接头连接钢筋焊接完成后，安装湿接头模板，浇筑湿接头混凝土。湿接头混凝土强度、龄期满足要求后进行预应力钢束张拉。

5.3.3拱肋、风撑安装

 拱肋预制构件安装顺序从两端向中间进行，先安装两头拱肋边段，再安装中间。拱肋吊装前对搭设好的支架全面检查其牢固性及稳定性，并对支撑点进行坐标和水准复测。和系杆一样，也要在支架上焊接拱肋限位。拱肋翻身并安装好防护支架后即可起吊安装。

 拱肋横向位置通过限位控制，纵向位置采用全站仪复核吊杆中心坐标进行控制，同时从拱肋吊杆中心往下吊线锤和系杆吊杆中心校核。还有标高和垂直度的控制，必须注意拱肋接头之间的线形要顺畅，必要时适当牺牲标高进行接头间线形调整。拱肋合龙后及时安装风撑，使拱肋有足够的横向稳定性，其安装方法同中横梁。之后进行拱肋、风撑湿接头施工。

5.3.4  吊杆安装、张拉

 作业人员利用拱肋防护平台到达拱肋顶部进行吊杆安装工作。由于吊杆外套钢管已安装，吊杆索的安装从系杆底部固定端向上穿入套管，再由拱肋顶面张拉端穿出，水上区域由小船拖运吊杆索。

 吊杆分2次张拉，第1次张拉前拱肋支架必须卸落，吊杆第1次张拉后进行行车道板安装。现浇桥面整体化混凝土后进行吊杆第2次张拉，吊杆第2次张拉为终张拉，张拉之后吊杆张拉力需要和设计吻合。现场张拉按照图纸给定的张拉顺序和张拉力进行张拉，但全部张拉结束索力监控后，会有吊杆张拉力跟设计存在偏差现象，如果某些吊杆的张拉力偏差超过了允许范围，则需要再次张拉调整。直到吊杆所有索力满足要求，吊杆第2次张拉才真正结束。

5.3.5支架拆除，行车道板安装，成桥

 吊杆张拉前先卸落拱肋支架，吊杆第1次张拉完毕后将拱肋支架拆除。

 在吊杆第1次张拉之后安装行车道板，采用吊车上桥从一端往另一端安装，考虑结构受力平衡，行车道板安装过程中一直让系杆支架受力。行车道板安装结束再卸落拆除系杆支架，之后把受系杆支架影响未能安装的行车道板安装好。

 行车道板安装完毕，现浇中横梁二期混凝土，再次张拉系杆钢束，现浇桥面整体化混凝土，第2次张拉吊杆，最后浇筑防撞护栏，进行沥青混凝土桥面铺装施工，成桥。

6结语

 2013年4月，系杆拱构件开始预制，6月开始支架施工，8月开始构件安装，至2013年年底，4座系杆拱桥主桥主体结构全部完成。在前期方案策划及施工过程中，针对总体施工方案选择、构件预制、支架设计与施工、构件安装等进行了研究，采取了一系列经济、实用的方法和措施，克服了施工过程中各种困难，确保了安全、质量目标，按照既定工期完成了施工任务。对跨航道混凝土拱肋系杆拱桥施工总结如下。

 1)采用少支架，充分利用预制构件的受力性能，同时通过合理的装配施工顺序进行拼装，减少了支架体系工程数量。

 2)在系杆、拱肋的分段处插打钢管桩，往上接长钢管，形成系杆的格构式临时支墩（少支架）；再往上接长钢管，形成拱肋支架；系杆、拱肋支架钢管和钢管桩基础一体，基础的可靠性和支架的整体性得到保证。

 3)顺桥向两中支墩之间满足船舶通航净宽要求，保证施工期间船舶在航道内正常通行。在中支墩外侧，航道两侧设置防撞墩，确保施工期间支架安全。

 4)系杆拱构件预制和支架施工同步进行，相比于支架现浇施工，可以节省时间，加快施工进度。

 5)由于构件全部采用预制，能减少现浇施工大量的高空作业，提高了安全系数。