高墩、大跨、连拱、大吨位吊装箱型拱桥施工技术.doc

高墩、大跨、连拱、大吨位吊装箱型拱桥施工技术1前言 拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式，它外形宏伟壮观，且经久耐用。近些年来，梁式桥、斜拉桥、吊桥等桥型修建不少，但我国相当长的时间内尚不能提供大量钢材来修建公路桥梁，而钢筋砼拱桥无需高强钢材，跨越能力大，造价较低等特点，符合我国当前的实际情况，尤其在山区公路，仍为设计者之首选。国道*线*高速公路*大桥是一座四跨、五节段吊装箱型拱桥，由*省交通厅公路规划勘察设计院设计，*工程有限公司承建。该桥于1997年11月30日开工，历时三载，于2000年10月30日完工。2工程简况*大桥位于国道*线*高速公路K115+473处，路线在此以2.7%的纵坡跨越*和双河溪。由于地面横坡大，左右线按独立的两座桥设计。左线桥布置为4×16mPC空心板4×132m钢筋混凝土箱形板拱2×16mPC空心板，全桥长671.62m；右线桥布置为2×16mPC空心板4×132m钢筋混凝土箱形板拱2×16mPC空心板，全桥长637.6m，从美观及施工方便考虑，主桥墩、台设在相同平面位置。主桥拱圈为等截面悬链线无铰拱，正拱斜置。L0=132m，F0/L0=1/5，m=1.756，预留拱度12cm（按推力影响线分配）。左右线拱圈各由5片宽1.5m的拱箱预制拼装形成，拱圈宽7.5m，箱高2.2m，顶底板厚0.2m，中肋厚0.4m，边肋厚0.25m，普通横隔板厚0.1m，吊扣点处横隔板厚0.13m。拱上采用双柱式排架墩，大悬臂盖梁；墩（台）上立柱为双柱式空心柱，壁厚0.25m，外形尺寸为2.5m×1.5m，拱箱吊装过程中可作墩扣。拱上桥面板为9.928mPC简支空心板，桥面连续，在每孔墩（台）立柱上设一道伸缩缝。主桥下部5#7#墩采用钢筋混凝土空心薄壁墩，纵横向按1：50往下放坡，按单片拱箱合拢水平推力进行设计；4#、8#台及5#墩采用明挖扩大基础，6#、7#墩采用承台桩基础。引桥设计为柱式墩，台为重力式U型台，基础为明挖扩大基础。该桥设计荷载：汽车-超20级，挂车-120级；桥面净宽：净-2×11m（行车道）1.5m(中央分隔带)2×0.5m（护栏）。该桥的特点是：跨度较大（净跨径132m）、连拱较长（4跨连拱，吊装缆索跨度较大，设计吊装缆索中跨径655m）、桥墩和立柱刚度较低（墩高且为空心薄壁结构，最高墩身为64m（6#墩）、桥位风速较大（设计风速27.9m/s）、吊装重量较大（最大吊重达70t）、设计要求严格控制施工过程的结构受力与变形指标等。该桥是*高速公路上的重、难点工程，*市交通局及*市高速公路建设指挥部十分重视，多次到现场指导工作，并作为*市科技攻关项目。因此“高效、优质、安全”施工意义重大。3施工方案设计该桥施工重、难点是缆索吊装施工。根据该桥地形、地势情况及工程特点，结合本单位施工技术水平、机具设备等，确定该工程总体施工方案及控制要点为：基础采用常规方法施工，重点注意大体积承台混凝土施工控制；空心薄壁高墩采用本单位在诸多空心薄壁高墩施工中开发的“采用钢管爬架倒模新工艺施工空心高墩工法”施工，重点进行模型设计；主拱箱采用缆索吊装施工，重点为缆索吊装系统设计、吊装工序，解决设计要求的主墩只能承受单片拱箱推力而按双基箱合拢施工技术；墩(拱)上排架采用缆索吊装施工，重点注意排架尺寸、吊装连接方式；桥面板采用预制吊装施工，重点注意预制构件的质量。4施工方法4.1基础施工该桥基础包括明挖扩大基础和挖孔桩基础，施工采用常规方法施工。开挖时首先测量放线，复核地面标高。明挖基础施工时据左右线基底标高确定施工次序，开挖至基底时要禁止放炮，避免基础整体性受到破坏，并对放炮振松的岩体清除干净、彻底。挖孔桩基础施工时，要跳孔开挖，施工时孔口设护壁，钢筋笼就地绑扎，桩基检查验收后，浇灌混凝土。桩基完工后，承台基础检底，绑扎钢筋浇灌混凝土。承台混凝土属大体积混凝土，降低水化热，防止混凝土开裂为施控制重点，采取掺部分粉煤灰降低水泥用量，掺高效、缓凝减水剂推迟水化热高峰值，设置两层循环水管帮助散热，灌水养护控制内外温差的施工方法。4.2墩身施工空心薄壁高墩施工重点是解决模板模型、模板安装及拆除方法、混凝土运输等。空心薄壁高墩施工一般采用的施工方法有落地支架提升模板、滑升模板及翻转模板施工方案。落地支架提升模板方案支架材料用量较大，施工速度较慢；滑升模板方案施工速度快，但滑模工艺要求严格，且昼夜连续作业，管理难度较大；翻转模板施工方案用料少，工艺较简单，且速度较快。一般均需配备塔吊、电梯等设备。我单位施工该类型薄壁空心高墩开发了类似翻转模板施工方案的“采用钢管爬架倒模（简称爬模）工艺施工空心薄壁高墩工法”，充分利用常备构件，材料用量少，速度较快，且工艺较简单。经比较，决定采用“爬模”施工方案施工主桥墩身。根据本桥墩身设计特点（空心、多室、内外截面尺寸较大、墩身较高）等，进行方案设计。墩身外模采用5mm的钢板加50×50、50×3mm肋条间焊而成，每块模板尺寸2×3m；内模用P3015型钢模，并特制收坡钢模和圆端角端模，模型间用螺栓拼合而成，内外模间设对拉螺栓。模型提升架采用万能杆件组拼内爬升架，辅以钢板组焊的伸缩式箱型梁形成，手动葫芦提升，其顶设置操作平台，安放提升材料卷扬机，设摇头扒杆吊运钢筋及机具；墩身外围挂钢筋梯，铺木板供人员上下立拆模，内架上左右设三层平台存放内模；模型外围立面用安全网全封闭防护；混凝土用泵机一次输送，泵管利用预埋在墩身上的固定架由下而上安装；施工人员用升降机载运。施工过程中，每一节模板都立在已浇注混凝土的模板上，该节施工完毕后拆除下节模板，再转至上节模板施工，两节模板交替轮换往上安装。墩身钢筋连接用竖向电渣压力机竖焊。墩身施工至顶时，利用提升架支撑梁作支架，现浇施工各墩顶拱座。由于正拱斜置，拱座斜面标高、倾角需认真控制，确保满足设计要求。混凝土输送采用泵送，混凝土强度等级为C30，一般均用中（粗）砂。因地处长江中下游，中（粗）砂产量甚微，开发利用丰富的长江特细砂（60%）掺石灰岩机制砂（40%），即改良特细砂配制高标号混凝土，进行混凝土配合比设计，经工程实践，满足构件特性要求。4.3墩上立柱及盖梁墩上立柱充分利用大吨位缆索吊装索道，主桥5#7#墩上立柱及盖梁采用预制吊装施工。就近各墩位平整场地，预制墩上立柱及盖梁。整根立柱吊重大，分为两段预制，对立柱与墩身顶、立柱与立柱、立柱与盖梁的连接进行加强设计。立柱与拱座、立柱与立柱间连接采用螺栓拧紧，立柱与盖梁连接采用四根钢筋伸入盖梁。墩帽施工毕，高架索道试吊验收后，吊运立柱就位，安装时，先用缆风绳调正轴线，上紧连接螺栓，为调节标高，上下角钢间可垫钢板，并焊接预留钢筋后解除吊点，在间隙处冲填干硬性高强砂浆，外浇接头膨胀混凝土。盖梁抬运就位后，采用水平仪观测标高。必须保证接头钢筋焊接质量，缝隙间砂浆填充密实，接头混凝土捣固密实。主桥4#、8#拱座立柱采用万能杆件搭设支架现浇施工。立柱施工到顶时，预留牛腿支架预留件，支撑槽钢横梁，现浇施工盖梁。4.4缆索吊装设计由于本桥主墩按单片拱箱合拢水平力进行设计，因此相邻孔合拢片数不能大于1。本桥施工的难点在于拱箱吊装，既要满足相邻孔合拢片数不能大于1，又要确保拱箱吊装合拢后的稳定和安全。对吊装施工方案，设计曾考虑了两种方案：将主桥4#8#墩台用钢铰线连结在一起，设两组吊装天线，采用双基合拢，由于桥墩只能承受一片拱箱水平力，另一片拱箱水平力由对拉的钢铰线来平衡。采用修吊桥的方式进行拱箱吊装，即第一孔、第二孔第一片拱箱端段采用墩扣，间段采用塔扣，顶段扣在主索，再吊装第一孔第二片拱箱形成双基合拢。吊装跨序为涪陵岸跨中跨长寿岸跨。因该桥现场实际特点是：4#5#墩跨有二专路跨越，沿桥轴线地形高差5060m，主拱箱预制场无法安排在两台后路基上或4#5#墩间，只能选择在5#6#间，不能按设计吊装跨序施工；设置主墩反抵抗单片拱推力装置设于地面，反拉绳影响拱箱吊装时移梁平车不能进入主缆索下，同时需要设置两付工作索道。经检算单基合拢时主墩抗扭刚度满足施工需要，提出了先吊装左右幅靠路线中心的拱箱，然后用型钢临时联接成格构，既保证拱箱稳定，又不增加桥墩的水平力，并减少吊装设备的施工方案，得到各方同意。以此进行缆索吊装系统设计。本桥缆索总体布置为三跨一组承重天线，长寿端边跨115m，涪陵端边跨145m，中跨度655m，设计吊重为70t，两旁架设两付吊重为5t的工作索道。主索道承重绳选用655日本产密封式钢丝绳，工作索道承重绳选用国产47.5钢丝绳。主索道用于吊装主拱箱、墩上立柱及盖梁以及预制车道板等。工作索道用以解决部分混凝土浇注和材料、机具、人员等运输。两端塔架利用万能杆件组拼，长寿端高56m，涪陵端高66m，两端各布设轻型桩板式地垅一个。4.5主拱箱施工4.5.1主拱箱预制拱箱预制场设在5#6#墩并紧靠6#墩，场内设15个拱胎，3个用于预制中段，6个用于预制次边段，6个用于预制边段。利用万能杆件组拼龙门吊桁车用以运输移存拱箱；为减少场地的租用和大量挖填方，拱箱两层堆码储存。为确保5#6#墩跨拱箱顶段正起吊、正合拢，在该跨跨中位置另设一组与中轴线垂直的储存场。按布置规划的场地，夯实拱胎。施工中准确按标高布设，夯填坚实、牢固，并预留出穿拱箱吊点处吊具、脱模打顶的槽沟位置。主拱箱分五段预制组装，先平卧预制腹板与横隔板，再在拱胎上按常规组装将腹板、横隔板立放在拱胎上焊接成若干格，现浇底板混凝土，再现浇腹板、横隔板间的接缝混凝土使之形成开口箱，最后现浇顶板混凝土，形成封闭箱。组装施工过程严格控制接头倾角、连接角钢位置准确，成型后的弦长误差不超过6mm。养护顶板混凝土强度达设计的100%后用千斤顶顶升脱落，用龙门吊桁车移至储存场。4.5.2主拱箱吊装先吊装左右线相邻最近拱片，合拢后用型钢连锁，形成一个稳定的“桁架拱”结构，辅以横向缆风绳再松开吊扣索，待全桥“桁架拱”形成后，其它辅助箱遵守相邻孔合拢片数相差不大于1的要求依次往外，左、右对称吊装合拢。4.5.2.1横向临时连接结构设计横向临时连接结构是将紧靠桥轴线的两肋拱片固接，并辅以缆风绳，以便形成稳定的“桁架拱”结构后拆除吊扣索，因此设计应有足够的刚度，将两片合拢后的拱肋连接在一起以增强横向刚度，控制两拱箱平面尺寸不变形，及其在风力作用下共同受力达到稳定。据此，上、下均横梁采用222组成“”字构造，上横梁焊在拱肋顶板预埋钢板上，中部采用万能杆件组拼与上横梁形成桁架结构，将两肋拱箱牢固连接。安装在每跨边段顶端与次边段顶端第一个横隔板及中段中央共5处。4.5.2.2扣索系统及扣塔设计该桥主拱箱分五节段吊装，扣索分上扣索、下扣索，扣索索力据绳索整体布置计算结果分别是上扣索为103.5t，下扣索为42t，拟定上下扣索分别采用443和234钢丝绳。拱箱预制场选择在5#6#墩间，墩柱盖梁顶离地高达94m，拱箱起吊过扣索高度较大，无法采用歪拉迈过扣索，只能选择穿扣方案，所以上、下扣索均应设置有一定宽度（2.5m）扩张装置，以利拱箱能从扣索中间提起。长寿岸有小工作索道牵引、起重绳影响，扣索在平面位置上应有能躲过工作索道起重、牵引绳的宽度，且两岸路基上有众多的预制件（拱上立柱及其盖梁），扣索不能直接从地面引出，故扣索对称布置在主索两侧8m处，挂托索轮从塔架上引出。    由于索道跨度大，次边段扣索的水平夹角过小（约为10°），故主墩立柱盖梁上需设扣塔增加扣索角度以减小扣力。据此，在4#8#墩设万能杆件组拼的移动式扣塔，高度8m，以便拱箱能通过扣塔，塔顶设水平撑梁，用以支承及扩张上扣索，墩柱盖梁上设置下扣索支承及扩张装置，上下扣索扩张宽度2.5m，扣塔下部锚固在墩柱盖梁上，顶部四周设15.5缆风绳，拉在相邻墩帽上，扣塔采用工作索道吊运移动。    因拱箱吊装时，箱就位后的平面空隙只有4cm，无法采用传统的捆扎式吊装与扣挂拱箱，拱箱预制时埋设吊孔，开发设计吊扣直接转换的吊带式扣挂系统。     本桥上下扣索均采用从主地垅引出的通扣布置，扣索均用2×1000m绳，采用双头滑车连接。    扣索在拱箱吊装时，因穿塔架的次数较多，且扣索较长，工作量极大，布置时宜尽量减小退绳长度。4.5.2.3缆风系统设计    该桥设计风速27.9m/s，拱箱吊装采用双单基肋合拢，横同风力达44t，稳定性较差。因此设计安全能提供拱箱横向稳定的浪风系统是必不可少的。    缆风设计原则上应尽量少，且对称布置，缆风绳要短，能提供足够的拉力且变形量小，要与桥轴线夹角尽量大与地面的夹角尽量小，且两边长度、角度尽量对称。但该桥桥址地形地貌极差，均无法满足上面关于风缆布置的一般基本要求。    据现场实际情况，布设的左右浪风长度，角度相差较大，且设置于拱箱下，拱箱易扭转，同时长度过长（约250m），受力差，竖角度大（约30°），为此，分别计算各绳索受力情况，施工中采用传感器测设初张力，使每根缆风绳达到设计的初张力，确保拱箱吊装施工系统有较好的稳定作用。单片拱合拢时共设置4对浪风，每对浪风拉力按11t水平力设计，采用219.5钢丝绳。    地垅设计是按每个地垅上设4组浪风，共计拉力76.8t，分4个316预埋环设计预埋。浪风地垅一律采用桩垅，桩径为22.5m， 深度为35m。该桥缆风设计具有如下特点：风速达27.9m/s，风力达44t；地形地貌条件差，左右浪风长度、角度相差太大；浪风设置于拱箱下缘，拱箱易扭转；浪风长度过长（达200多米），受力条件差，竖直角大（达30多度），扣力增加较大。4.5.2.4吊装工艺原则主拱箱吊装原则：不歪拉，不斜吊，正穿扣，正合拢。    拱箱吊装程序：边段拱肋吊装及扣挂，次边段拱肋吊装及扣挂，中段拱肋吊装及合拢。    拱箱扣索布设原则：边段拱肋扣索通过墩上立柱采用通扣，次边段拱肋扣索通过墩柱上移动式扣塔进行通扣。    拱箱吊装跨序：涪陵岸跨（8#7#墩跨）6#7#墩跨长寿岸跨（4#5#墩跨）5#6#墩跨拱箱。    拱箱吊装片序：先吊装左右线相邻最近的两肋拱片，而后依次往外，遵守相邻孔合拢片数相差不大于1的原则左、右对称吊装。    拱箱吊装段序：边段次边段顶段并左右对称。    拱箱合拢原则：严格采用边碰中合拢顺序。浪风绳布置原则：浪风绳与桥轴线水平投影的夹角大于50°，与地面夹角小于20°。拱箱吊装准备：高架索道试吊，按设计吊重的70%、100%、130%进行，对塔架、地垅等缆索吊装系统验收合格后进行主拱箱吊装；预制拱箱从长、宽、高、中线及预埋件进行质量检查；拱座混凝土平整凿毛，标出拱肋安装位置台口线及中线；测量计算拱肋长度与拱座间净跨的施工误差，确定钢垫板厚度；对吊装拱箱在其端头及拱肋顶部作中线观测标记，拱段前端头设高程观测标尺，对合拢段拱箱的纵向中部设水平标尺，以便按三角网布设的设计跨中控制点进行跨中观测。拱箱吊装观测：采用测主缆索跨中垂度以计算主索拉力；应用位移值观测地垅的安全；用经纬仪观测塔架位移；用水平仪观测拱肋高程，一般观测接头和拱顶标高，用以控制合拢过程中拱箱抬高量扣松和合拢；用经纬仪观测拱箱吊装合拢过程中的墩顶水平位移，必须满足设计要求的情况下进行拱箱吊装。主拱箱吊装合拢是施工中的重点、难点。经过工程实践，只要在施工中制定切实可行的安全措施，加强拱肋的横向稳定，稳妥地制定施工工艺和拱箱合拢方案，是可以完成单箱合拢的。4.6拱箱接头与纵缝、垫梁混凝土 单线拱箱合拢后，即可浇注浇注拱箱间纵缝混凝土、拱箱顶板现浇层混凝土（为减轻吊装重量，拱箱顶板减薄10cm）及垫梁混凝土。浇注前应对拱圈的接头、跨中及1/8跨径处的高程全面复核，以对拱箱沉落成拱情况有进一步的了解，并做详细记录。混凝土集中在两端引桥上拌合，用工作索道吊运混凝土浇注。浇注顺序为由两拱脚至拱顶，横向先中间后两边，左右对称，四孔同步，均匀加载，严防拱箱纵向失稳。4.7拱上立柱及帽梁安装拱上立柱及帽梁型号多、数量大、圬工方量小，属细长构件，设计采用搭架现浇施工。为充分利用大吨位缆索吊装系统，经同意后变更为预制吊装施工。按照等强与超强原则，对拱上立柱与垫梁、帽梁接头进行了设计。在两端路基上平整场地预制。利用主索道尾端索吊移立柱至轨道平车上，运立柱及帽梁至主索道下方，两端起吊摆直，垂直运输吊装，从拱脚至拱顶安装。立柱与垫梁、帽梁间接头钢筋必须保证焊接质量，缝隙间填实干硬性高强砂浆。4.8桥面板施工桥面板预制场选在涪陵端路基上，场内设两组墩式张拉台座倒用，每组台座共三线，场内铺设移梁轨道，制作简易龙门吊移存预制板。桥面板预应力钢铰线采用定位板控制平面位置，张拉采用张拉力和伸长值双控，张拉按0超张拉105%20%（测伸长初值）100%（测伸长终值）锚塞锁紧（测回缩值）顺序进行。钢铰线张拉结束后绑扎钢筋，安装空气胶囊，浇注混凝土。待混凝土强度不低于设计强度的80%后，放松预应力钢铰线，移梁桁车运至储存场存放。应注意地是存放期过长，超过3个月，预拱度有可能继续增长，桥面板中桥面铺装在跨中有可能变薄的影响，相差过大，则须预压。拱上立柱及帽梁施工毕，铺设轨道，用平车运输桥面板至索道下方，用主索道吊运安装，先全桥贯通4片后采用汽车吊辅助架设。4.9桥面系施工含护栏、分隔带、泄水管、伸缩缝、桥面铺装等，该部分须确保线条直顺、牢固、美观，桥面排水良好，无阻塞、渗漏、变形、开裂等，保证质量。5施工措施对于如此难度的特大型桥梁工程，制定切实可行地施工安全、工程质量、工期进度控制措施是保证施工顺利必不可少地。5.1施工安全管理针对*大桥的结构、场地、作业环境和机械设备，安全管理工作主要从以下进行。安全组织机构建设。设立“安全领导小组”，设立专职安全员，统一管理、监督、检查安全工作。从严、从细、从实狠抓经常性的安全教育。安全意识人人增强，安全知识人人明白。编制各种安全管理规定、措施。使安全工作有章可循，有法可依。对危险作业场所、作业面、特殊机械设备采取特殊措施。同时加强车辆管理。5.2工程质量控制工程质量总目标是：分项工程评定合格率100%，优良率96%以上，创省部级优质工程。建立健全质量保证体系。设立专职质量检查工程师，成立全面质量管理小组，树立施工现场为工作重点的思想。及时解决施工中遇到的技术质量问题，进行全方位质量控制。激励创优意识。用各种方式激励全体职工的创优意识，使职工从头至尾保持饱满的创优热情。难点科研攻关。攻关内容以优化设计、施工工艺为主。通过科研活动不断优化施工设计，保证技术的先进性，利用新技术、新工艺、新材料、新设备提高工程质量。提高工人技术素质。采取岗前培训，施工前技术交底，施工中技术指导，施工后讲评等方法对施工队伍培养。狠抓施工过程管理。抓好原材料质量检验、工艺操作质量控制、隐蔽工程检查、质量评定和混凝土试件质量评定等四个环节。5.3保证工程进度工程进度主要从下面几方面抓。建立精干高效的工程指挥班子，组建能征善战、有丰富经验的施工队伍。统筹安排，超前计划。编制实施性网络计划，严格控制各分项工程施工时间。突破重点，兑现工序工期。该桥由一道一道工序完成，每道工序的进度都直接关系整个工程的进度，因此每道工序均须详细安排，抓好落实。6结束语高墩、大跨、连拱、大吨位缆索吊装是*大桥的特点，该桥的施工方案是我单位坚持以科研为先导，充分发挥了自身建桥经验和技术特长，推广成熟的施工工艺，开发新技术、新工艺的成果。该桥由*市公路工程质量检测中心与*交通学院分三阶段于2000年12月8日16日对测试跨进行了静、动载试验，符合设计标准，满足使用要求。