中铁六局集团广州工程有限公司 广东广州 511400
摘要：随着国内铁路建设的高速发展，钢管混凝土拱逐渐被广泛应用，具有外形美观，抗侧倾覆性强等优点。本文结合珠机城际铁路金海特大桥136m钢管混凝土拱为背景，重点介绍了钢管拱安装的施工工艺、施工顺序，并对施工重点测量控制进行了详细叙述。
关键词：钢管混凝土；拱肋；安装；施工技术
1工程概况
新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目横琴至珠海机场段站前工程（含金海公路大桥代建工程），其中HJZQ-1标起点DK17+000横琴长隆站末端，终至DK28+599.86金海特大桥82#桥墩（含），管段线路长11.600正线公里。金海特大桥（64+136+64）m连续梁拱桥（2#-5#墩）位于广东省珠海市横琴新区，桥址范围内地势平坦，横跨环岛西路，起讫里程DK023+585.500~DK023+851.100。
1.1桥式结构
其中跨环岛西路的136m钢管拱3#和4#桥墩基础为钻孔灌注桩基础，桥墩为双线矩形实体墩，本桥设计采用预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构。主梁采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高3.5m，中支点处梁高7.0m，梁高按圆曲线变化。上部结构采用先梁后拱法施工，先采用挂篮悬臂浇筑法完成连续梁施工，待连续梁合龙张拉完成后，在梁面拼装拱肋支架，逐节安装上部钢管拱，然后按设计要求逐根安装吊杆，并进行张拉。金海特大桥布置如图1所示：
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图1 桥梁整体布置示意图
1.2钢管拱结构
（64+136+64）m连续梁拱桥中跨钢管混凝土拱，全长136m，拱肋采用悬链线，矢跨比f/1=1：5，横截面采用哑铃型钢管混凝土，钢管外径80cm，本桥拱的结构体系为刚性拱，吊杆采用PES（FD）7-91型低应力防腐拉索（平行钢丝束），顺桥向间距8m，由14对吊杆组成，两拱肋间共设置9处钢结构横撑。
拱肋：
拱肋为钢管混凝土结构，均采用施工拱轴线制作和拼装。拱肋设计为等高度哑铃形截面（详见图3），截面高度2.8m。拱肋弦管直径Φ800mm，由16mm（28mm）厚的钢板卷制而成，弦管之间用δ=16mm厚钢板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土，两榀拱肋间横向中心距11.lm，拱肋钢管在工厂分段制作后，运至现场进行拼装，为便于运输，每榀拱肋划分为13个节段运输（不含预埋段），节段最大长度小于13.5m。拱肋管节接口避开吊杆位置，每榀拱肋上下弦管分别设一处灌注混凝土隔仓板和28道加劲钢箍；腹板内设3处灌注混凝上隔仓板，沿拱轴线均匀设置加劲拉筋，加劲间距为0.5m。拱肋分段示意图如图2所示：
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图2 拱肋分段示意图
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图3 拱肋位置及截面示意图
横撑：
两拱肋之间共设9道横撑，横撑均采用空间桁架梁，各横撑由4根Ф450×16mm主钢管和32根Ф250×10mm连接钢管组成，钢管内部不填充混凝土。
吊杆：
吊杆顺桥向间距8m，全长共设14对吊杆。吊杆采用PES（FD）7-91型低应力防腐拉索（平行钢丝索），外套符合不锈钢管，配套使用LZM7-91型冷铸墩头锚。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座、下端锚于吊杆，横梁下缘固定底座。各吊杆上端均设置一个光纤压力环传感器，用于检测吊杆力。
2拱肋支架设计
施工前对拱肋支架的强度、刚度及稳定性进行检算。经过计算选用拱肋支架为直径273mm壁厚8mm的钢管柱，拱肋支架布置在钢管拱分节接头处，在顶部焊接型钢托架用来临时固定钢管拱。
设计顺桥向共布设12排独立拱肋支架体系，每排2个独立拱肋支架体系，均为4根钢管柱，横桥向对称布置。在梁体施工时提前预埋20×475×475mm钢板，共96块，每块预埋钢板下面设置8根Φ16的钢筋，以便于钢管柱焊接。拱肋支架与预埋钢板之间采用角焊缝焊接，焊高为8mm，并均匀布设焊接8块加劲板进行加固，确保其稳定。为便于吊装作业，钢管柱≤12m的采用一次吊装，超过12m按倍数分次焊接检查合格后，吊装上桥，依次进行拼装，拼装之间采用法兰进行连接。
顺桥向3至10排拱肋支架之间设置连接系，采用[16a槽钢进行横联。每个拱肋支架钢管柱之间均采用[14槽钢进行连接。（拱肋支架立面布置图和横断布置图详见图4和图5）
图5 拱肋支架横断布置图
3起重设备
根据施工现场实际条件，0#桥台与隧道相连，由于隧道未施工完成，且隧道口山体较陡峭，因此造成吊装设备均无法直接运输至桥上，结合现场情况从安全、经济进行起重设备的合理选型。
3.1桥上吊装设备
拱肋距梁面高度最大为28m，拱肋最大吊装节段重量为15t，结合吊装站位，选用80t汽车吊完成拱肋节段吊装，吊装作业半径为6m，臂长36m，可吊装22t，考虑0.75的吊车载荷系数，22t×0.75=16.5t＞15t，选择的吊机能满足要求（详见表1）。
表1 80t汽车吊起重机性能参数表
3.2桥下吊装设备
桥面至现场地面高度为20m，桥上选用80t汽车吊自重为50t，结合吊装站位，选用300t汽车吊完成80t汽车吊吊装上桥，吊装作业半径为7m，臂长35.9m，可吊装80t，考虑0.75的吊车载荷系数，80t×0.75=60t＞50t，选择的吊机能满足要求（详见表2）。
表2 QAY300全地面起重机性能参数表
4施工工艺
4.1拱肋支架
4.1.1拱肋支架安装
连续梁施工完成后，先进行钢管拱的拱脚施工，拱脚采用L63×10mm角钢进行支撑定位，最后浇筑混凝土，待拱脚施工完成后，再利用300t汽车吊在4#墩~5#墩之间的路面上吊装80t汽车吊上桥，进行拱肋支架安装工作。
在梁体施工时预埋拱肋支架的预埋钢板，提前在4#、5#墩附近场地将拱肋支架进行制作连接成单体，再用80t汽车吊吊装支架并与预埋件焊接。在拱肋支架侧面用直径16mm的圆钢每隔30cm焊接一道爬梯，以供操作人员上下使用。每一单元拱肋支架顶部设置作业平台，采用型钢焊接而成，并满铺木板固定牢固，平台四周设置护栏，高度1.2m，设置踢脚板，悬挂密目网，以保证施工人员安全。
拱肋支架拼装焊接完成后，采用梁面80t汽车吊将其吊装上桥，预埋钢板上及支架钢管柱底部提前做好十字线并进行刻痕，便于对中连接时能够快速有效完成，并采用吊线或全站仪控制支架钢管柱顺桥向及横桥向的垂直度，待完全满足设计要求后，再对钢管柱与预埋钢板进行焊接。吊装时采用垂直吊装，在支架钢管柱顶部设置起吊点，起吊及对中过程中为防止钢管柱在空中摆动，在钢管柱底部设置风揽，便于就位。由于拱肋支架高度不等，因此≤12m一次吊装，＞12m分次进行加工，分层进行吊装，先吊装底层标准节，待全部底层标准节就位安装完成后，拼装标准节之间的纵向连接系，再按顺序进行后续节段的吊装作业。拱肋支架拼装必须严格按照设计图纸进行施工作业，使其具有足够的强度、刚度和稳定性来支撑钢管拱。
4.1.2拱肋支架安装步骤
考虑桥梁整体的受力均衡、稳定，拱肋支架采用对称安装。
步骤①：拱脚安装，拱脚布置如图6所示。
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图6 拱脚布置示意图
利用3#、4#墩位置既有的塔吊进行拱脚定位安装，拱脚采用L63x10的角钢进行支撑定位，拱脚定位如图7所示。
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图7 拱脚布置示意图
步骤②~④：
a在浇筑连续梁混凝土前埋设钢板预埋件；
b利用汽车吊将拱肋支架吊至桥面，将1#~3#拱肋支架及平台按设计位置从两端依次向跨中对称进行拼装，所有钢管柱底部均采用三角加劲板加固，拱肋支架1#~3#吊装定位图如图8所示。
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图8 拱肋支架1#~3#吊装定位图
步骤⑤~⑦：
a利用汽车吊将拱肋支架吊至桥面，将4#~6#拱肋支架及平台按设计位置从两端依次向跨中对称进行拼装，所有钢管柱底部均采用三角加劲板加固，拱肋支架4#~6#吊装定位图如图9所示；
b安装纵向连接系。
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图9 拱肋支架4#~6#吊装定位图
拱肋支架安装完成后，梁面上汽车吊需要进行一次模拟站位，来观测支架标高是否受吊机移位的影响。
4.2钢管拱
依据设计图纸拱肋采用Q345qD钢，横撑采用Q235qD钢，材质符合《桥梁用结构钢》（GB/T714-2008）标准。在工厂内进行各节段制作加工，经验收合格后，运至施工现场。每榀钢管拱划分为13个节段，桥梁中心线两侧对称各设1榀，全桥共26个钢管拱节段，每榀节段编号分布为节段1~节段6—节段7（合龙段）—节段6~节段1。钢管拱分段安装顺序：依据设计从两端对称按预拼编号顺序吊装，待拼装完成及线型调整合格后，再进行合龙段的吊装，每一节段均按照起吊→落位→调整→对位→定位焊接的顺序进行施工。
4.2.1钢管拱安装
拱肋支架安装和钢管拱安装同时进行，依然采用桥面上80t汽车吊进行吊装作业。吊装前汽车吊在梁面上进行模拟站位，用全站仪进行数据采集，分析梁体受汽车吊自重和钢管拱节段重量的情况下，拱肋支架顶部马鞍的高度及平面位置变化情况，提前进行调整。
每节段钢管拱上方设置2个吊点，吊装使用千斤绳，并拴好溜绳，先进行试吊，检查没有问题后正式开始吊装作业，缓慢将钢管拱提到拼装位置，放置在马鞍上，通过测量仪器观测数据采用5t倒链葫芦与30t千斤顶进行平面位置与高程微调。经过调整后位置满足设计要求，立即对马鞍进行调整焊接加固，并焊接三角加劲板补强（详见图10所示）。钢管拱节段拼装接头均设置连接衬管，弦管对接时留2mm间隙，并且连接处管壁制作成坡口，采用CO2气体保护焊进行焊接，焊接完成在外侧安装加强瓦管，使其两个节段更有效连接成整体。
钢管拱最后进行合龙段安装时，应在设计温度下进行无应力合龙，根据工地现场多次测量后，修割合龙段长度方向余量。待合龙段吊装对位后，焊接合龙段与相邻节段之间的临时加劲肋，刚性约束拱肋合龙段。依次进行合龙段接头处焊接。
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图10 钢管拱安装图
4.2.2钢管拱安装步骤
步骤①~⑥：
利用桥面上的80吨汽车吊完成两侧节段1~节段6安装工作（每节段为4组），并完成节段1与拱脚节段间的全熔透环焊缝对接。吊机旋转半径7.3m，吊臂长度18m，额定吊重29t，节段重11.2t，负荷率39%，安装如图11所示。
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图11 钢管拱节段1安装图
步骤⑦：
利用桥面上的80吨汽车吊完成两侧2组节段7（合龙段）安装工作，并完成节段7与节段6间的全熔透环焊缝对接。吊机旋转半径6m，吊臂长度30m，额定吊重25t，节段重12.1t，负荷率48%。安装如图12所示。
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图12 钢管拱节段7安装图
步骤⑧：
利用桥面上的80吨汽车吊完成9组横撑安装工作，并完成横撑与拱肋间的全熔透T接焊缝。至此，钢管拱安装完成，参数如表3所示。
表3 80t吊车吊装钢管拱参数表
4.2.3钢管拱制作安装质量标准
根据设计文件要求，采用GB 50923-2013钢管混凝土拱桥技术规范，具体质量标准如表4：
表4 钢管拱制作安装质量标准
注：L为跨径。
5施工监控
5.1拱肋线形控制
为确保成桥后拱轴满足设计要求，在拱肋下料、安装时需设置预拱度，根据施工方案中支架形式、施工步骤等要求，经理论计算得到制作预拱度，再结合施工过程中各控制截面的高程变化，以便于有效控制拱肋的安装定位在合理允许范围内。
为便于有效动态控制施工过程中拱肋的平面位置及竖向高程发生变化的情况，在每节段拱肋的前端位置上下边缘各设置变形观测点，观测时采用反光棱镜，通过全站仪对观测点进行监控，以便于得到观测点水平位置及竖向高程变化情况。拱肋变形监测点布置如图13所示：
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图13 拱肋变形监测点布置示意图
5.2拱肋应力监测
根据拱肋的受力特点，选取拱肋的拱脚附近断面、1/4跨断面、3/4跨断面和1/2跨断面为测试断面，拱肋应变测试布置示意如图14所示，拱肋断面应变测点布置示意如图15所示：
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图14 拱肋应变测试布置示意图
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图15 拱肋断面应变测点布置示意图
5.3对线形和应力的测量
①拆架前后进行测量；
②拼接安装过程中进行测量；
③拱管内压注混凝土过程中进行测量；
④桥面铺装过程中进行测量；
⑤吊杆张拉过程中进行测量。
5.4拱肋温度测试
拱肋温度测试控制截面同拱肋应变监测截面，温度测试采用应变传感器上自带的温度传感器测试。
6拱肋混凝土的灌注
（1）拱肋混凝土的灌注采用由低处向高处的泵送顶升法，两墩各设工作输送泵一台，输送泵选用三一混凝土输送泵，其工作压力不小于16MPa，工作能力即输送量大于50m3/h。
（2）弦管内混凝土采用一级泵送，缀板内混凝土采用两级泵送。泵送混凝土所选用配合比及外加剂必须经过审批合格后方可使用，并在进行混凝土灌注前要对弦管及缀板内压入清水，对管壁进行润湿，再压入水泥砂浆，以便减小混凝土泵送的阻力，经过以上准备就绪后，方进行泵送微膨胀混凝土。
（3）泵送混凝土的速度应协调一致，遵循对称、均匀的原则。泵送顺序为先泵送上弦管，再下弦管，最后为缀板，并且必须在上一循环混凝土强度达到设计强度的90%后，方可进行下一循环的混凝土泵送。
（4）混凝土泵送过程中，专职质检人员可采用敲击的方法来判断管内混凝土的填充情况，如有空隙应立即采用体外加震法处理。当拱肋混凝土达到设计强度后，采用超声波对填充情况进行探查，如出现不符合规范要求必须采用钻孔压浆法进行补强。
7结论
钢管拱空中定位拼装，难度大，精度高，依据钢管混凝土拱设计图纸，结合工程实际情况，通过采取上述施工方法实践证明能够满足设计及规范要求，以便为今后同类型桥梁工程施工提供一定的借鉴和参考。
参考文献：
[1]GB 50923-2013，《钢管混凝土拱桥技术规范》.北京：人民计划出版社.
[2]莫继禄.钢管拱混凝土提篮拱施工技术探讨.科技与生活，2012（04）：133.
[3]朱勇.曹俊.大跨度钢管混凝土拱桥拱肋安装及测量技术[J].交通科技，2008（05）：18-20.