大跨度钢管拱桥线型控制技术 张振华 （中铁十七局集团二公司承德项目） 【摘 要】大跨度钢管拱混凝土桥梁的受力状况主要由拱轴线的情况决 定，因此施工中拱轴线在施工中的变形控制是保证成桥拱轴线和设计 要求相吻合的基础和前提。本文结合工程的实际情况，分别从预拱度 设置、合拢段、填芯混凝土压注期、支架拆除期、桥面粱板吊装期以及施 工全过程的线型监控等方面描述了线型控制的原理、对象、方法，并经 重作用下的变形，以及支架拆除时效引起的偏压变形。 （四）第二期加载的控制。是指吊杆横梁、桥面板安装和桥面 系现浇等加载过程，钢管拱的弹性变形，以及由于加载过程荷载偏 压引起的拱轴线变型。 三、合拢拱轴线的确定 工程实践证明，该项技术控制线型非常成功，效果良好，在以后同类桥 梁施工中有推广价值。 【关键词】大跨度；钢管拱桥；线型；控制技术 （一）预拱度的确定。１、预拱度影响因素：（１）结构自重、二期 恒载产生的竖向挠度；（２）混凝土收缩、徐变产生的竖向挠度；（３） 温度下降产生的竖向挠度；（４）墩台位移产生的竖向挠度；（５）支架 在荷载作用下产生的弹性变形和非弹性变形。 一、工程概况 ２、预拱度的计算：（Ｉ）结构自重、二期恒载产生的竖向挠度按 钢管混凝土拱弹性变形计算。 （２）混凝土收缩徐变按ｌ８个月计算。 （３）合拢温度确定在２Ｏ±５℃，由此和设计确定平均温度的温 差为１５℃，按Ｏ．１７５×１０ 线膨胀系数计算温度引起的竖向挠度。 （４）由于拱座基础按台阶型设计基底面，基底又为微风化砂砾 岩，大大提高了基础的抗滑性能，由此引起的竖向挠度为０。 （５）每个军用支墩采用９根竖向立柱，按高锰钢弹性模量计算 其弹性变形；非弹性变形包括支架节点相对位移和基础下沉二部 分变形，支架节点按每个节点ｌｍｍ计算相对位移，基础地基按无 承德市南环桥主桥结构形式为单跨中承式钢管混凝土拱桥， 跨径１７０ｍ，桥面宽２８ｍ。拱肋拱轴线采用ｍ＝１．３的悬链线，矢高 ３６ｍ，矢跨比ｆ／Ｌ＝１／４．７２。钢管混凝土拱共包括二榀，每榀由４根 ７５０主弦管组成（上、下弦各２根），上弦之间和上弦之问分别由间 距为５２０ａｍ的２块缀板相联接。二榀之间采用７根桁架式钢横撑 ｒ相联接，在拱与桥面交叉处设置２根钢箱梁。上下主弦管内、缀板 间、钢箱梁底部￣ｐ４００联接钢管内均要注压Ｃ４５微膨胀混凝土。 钢管拱的安装采用了门式支架支承、２台７５吨吊机抬吊的安 装方法进行安装，采用千斤顶和导链进行垂直、水平平调整就位， 在钢管拱合拢后按有支架法进行注压填充混凝土。待混凝土强度 达到设计强度后再拆除拱下支架。 钢结构材料均为Ｑ３４５ｑＥ，涂装体系为无机水性富锌底漆 环 氧云铁中间漆一聚铵脂面漆。桥面系采用吊杆吊住预制Ｃ５０砼横 梁，其上纵置Ｔ型Ｃ３０先简支后连续的桥面板，吊杆为３８根 ７ｍｍ×１０９镀锌高强钢丝索。 二、钢管拱桥线型控制技术线路 （一）预拱度的设置。如图１所 下下卧软弱层的砂卵石地基计算荷载作用下的沉降量。 根据上述指标和相应的公式进行计算，本桥预拱度设置时考 虑结构自重产生的弹性压缩和混凝土收缩、徐变共１０ｃｍ，支架弹 性变形２ｃｍ，支架非弹性变形２ｃｍ，温度下降５ｃｍ，墩台位移为０，最 后预拱度△ｆ＝１９ｃｍ。 （二）合拢拱轴线的计算。预拱度值的分布是在设计拱轴线基 础上按双余弦曲线进行增加，具体详见下列计算公式： 设计拱轴线计算公式： ＝［ｆ／（ｍ～１）］Ｘ（ｃｈｋ’§一１） 示，由于设计要求的拱轴线为成桥后， 在三十年内历史记录平均气温条件下 合拢拱轴线计算公式：７＝［（什△ｆ）／（ｍ—１）］×（ｃｈｋ’§一１） 式中：仁３６ｒｎ，Ａ仁１９ｃｍ，ｍ＝１．３４７，ｋ’＝ｅｎ［ｍ＋（Ｉｎ２—１） ］， §为拱轴线上各点横坐标与Ｌ／２的比值，Ｌ＝１７０ｍ。坐标原点位于 图１预拱度设置图 的拱轴线，因此在钢管拱制作阶段的 拱轴线为空载下的拱轴线，由于钢管 拱采用分段制作和吊装的施工方法， 跨中拱轴线中心处，竖直向下为Ｙ的正方向，水平向拱脚为横坐标 ｘ的方面，横坐标ｘ按１．５ｍ间距分别列表计算出相应的Ｙ值，做 为施工中的控制点。 四、施工中线型控制技术 制作期钢管拱段为空载自由段，不受气温的限制。吊装期由于施 工方案采用有支加法吊装，拱轴线不考虑钢管拱自重的影响，因此 钢管拱吊装期和制作期拱轴线相同。而设计拱轴线是在施工方 （一）钢管拱吊装期线型控制技术。钢管拱分段制作期按合拢 拱轴线进行放样和控制，横坐标控制点间距为１，５ｍ，而吊装期的控 制点分布为各支架上支承点的位置，由于钢管拱自身刚度大大超 出钢管拱空载时要求的刚度，因此各支墩间拱部不进行变形控制， 如图２所示，吊装线型控制点为各支架上的支承点。 法、施工顺序、静载、气温、墩台变型等条件影响下的拱轴线，这样 两者之间存在一定的差值，为了保证成桥拱轴线符合设计要求，钢 管拱制作期和吊装期的拱轴线就应在设计拱轴线基础上考虑预拱 度的设置。 （二）合拢期的线型控制。合拢期线型控制对象主要是合拢气 温和合拢工艺的控制，合拢气温不同将直接影响到成桥拱轴线的 各控制点的竖向坐标按合拢拱轴线公式和支承点位横坐标进 行计算标高控制值，控制部位为钢管拱下弦标高，钢管拱竖向断面 存在的制作误差按理论拱轴线为准上下平均分配，所以各支承点 的控制标高为：Ｈ＝ｈ＋／ｘｈ／２，ｈ为主拱下弦理论标高，△ｈ为钢管拱 制作误差；同理，钢管拱横向制作误差按拱轴线为准左右平无分 配。主拱上弦位置采用垂线法通过控制其垂直度确定上弦位置。 吊装时支承点处（一个支墩上二个支承点问为钢管拱段接头） 线型调整和固定包括横向和竖向两个系统，竖向标高调整主要是 第一次就位时支承点比控制标高低２０ｃｍ左右，然后采用自制马鞍 误差，虽然合拢期在支承支架，但经过温差和内应力直接影响成桥 拱轴线。合拱工艺不合理，不仅导致钢管拱产生内应力，而且合拱 期过长将导致合拢气温的较大变化。 （三）第一期加栽的线型控制。第一期加载包括二个阶段，第 一个阶段是压注混凝土时不对称偏压引起的钢管拱变形，完成后 考虑钢管拱和填芯混凝土自重作用下，支架的弹性变形和支架基 础沉降；第二个阶段指钢管拱支架拆除后，考虑钢管拱混凝土在自 １ｌＯ （四）填芯混凝土压注期线型控 上游 ．．卜—一下游 ———— 制技术。填芯混凝土压注期为钢管 拱的第一次加载，施工组织原则为对 称均匀加载，主弦管压注顺序为“先 下后上、先内后外”，具体详见图７。 每根主弦管混凝土压注按从二拱脚 图２钢管拱吊装支架布置图 下的穿心式千斤顶上调到控制标高，如图３所示。横向线型调整 开始同时、对称、连续、匀速进行加 注：混凝土压注顺序依次为Ｉ、 注，同时性控制组织二组人工和二套 ＩＩ、ＩⅡ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ、ＶＩＩ、Ｖｌｆ ｌ设备分别从二拱脚同时进行压注；对 称性控制从混凝土压注量和人工锤 图６钢横撑安装示意图 回蠲 和固定能过上部门架和导链实现，如图４所示。整套调整和固定 方法称为“下承上挂法”。 为了保证各分段问线型的顺接性，避免接头错位误差，在已安 装就位的钢管拱端部各管口底部呈品字形设置三块加劲承压板， 击钢管避检查混凝土压注进度，保证二端混凝土高差小于ｌｍ；连 续性控制采用机械设备、电源、压注口均考虑备用方案实现；匀速 性控制通过压注前先用水冲洗内管避、压０．５ｍ］砂浆润避、混凝土 初凝时间大于８小时和坍落度为２００ｒａｍ、混凝土泵速均按低档作 业等措施保证。 （五）支架拆除期线型控制技术。支架拆除期线型控制的对象 在管口两侧分另固定一块联接板，接头位置调整完成后用螺栓进 行临时联接，在钢管拱接焊接完成后进行割除和磨光。 主要为支架拆除时间和拆除顺序，支架拆除时间主要考虑混凝土 的强度值，为了保证施工的连续性，在填芯混凝土配合比中掺人适 １ ０ｍ ￡ 钢板 量的早强剂，根据实验可知，３天强度为设计强度的８０％，７天强度 为设计强度的１００％，因此确定支架拆除时间为填芯混凝土压注完 成后７天以上。 支架拆除主要是控制割除支承处马鞍，剩余军用支架随时进 行，支架拆除为钢管拱的第二次加载，根据加载原则为“对称均 匀”，如图２所示，现场采用的马鞍割除顺序ｌ、２、３、４、５，二榀对应 竖向标高调整 下承马鞍结梅 位置同时进行割除，这样一次进行割除４个马鞍。割除方法采用 图３钢管拱接头竖向线型调整固定图 气割，４个点安排４个人用对讲机控制同时进行松马鞍。 （六）梁板吊装期线型控制技术。梁板安装包括吊杆横梁安装 和桥面板安装，为钢管混凝土拱的第三次加载，线型控制的主要对 象是加载的顺序，为了保证钢管混凝土拱对称均匀加载，防止偏压 引起拱轴线不均匀沉降和扭曲变形，吊装顺序如下所述。 １、吊杆横梁安装顺序。安装顺序依次为１、２、３、４、５、６、７、８、９、 ｌ０、ｌ１、ｌ２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９，就位时左右两端下锚头同时落实 和锚固。 ２、桥面板安装顺序。桥面板的安装顺序为从两侧拱脚向跨中 Ｉｌｌ封● ■ Ｉ １逐孔同时进行安装，同一孔的桥面板先安装桥中心板，再依次对称 地由中间向两侧进行安装。每安装一块板，及时将板纵横向连接 钢筋进行焊接。 五、施工中线型监控 钢管拱合拢后，分别在每榀拱的拱脚、１／２跨、１／４跨处设置线 型监控点，每榀拱５个，全桥共１Ｏ。监测工具为高精度全站仪，监 测内容为监控点的平面坐标和标高，监测频率为分别在合拢后检 图４钢管拱接头横向线型调整固定图 图５钢管拱分段接头临时固结件图 （二）钢管拱合拢期线型控制技术。合拢期控制对项主要是温 度和内应力，由于合拢期为２００５年３月份，当地气温为０～２５℃， 昼夜温差较大，而合拢温度要求按２Ｏ±５℃，这样合拢必须在白天 １０：Ｏ０～１６：Ｏ０共六个小时范围内完成合拢段的吊装、对位、调整、 固定和接头焊接等作业项目，根据这种情况，在技术可行性分析后 采用了“瞬间合拢”的方法，控制内应力的方法采用了“低温下料、 高温施焊”的方法。 （三）钢横撑安装期主拱线型控制技术。钢横撑安装的控制对 象是防止钢横撑焊缝过度收缩引起二榀主拱向内收，使拱轴线偏 测１次；填芯混凝土压注时根据混凝土压注面在拱脚、１／４跨、１／２ 跨各检测１次；支架拆除时每拆除４个马鞍测１次；吊杆横梁吊装 时分二个阶段分别测１次；桥面板安装完成后测１次；桥面系铺装 完成后测１次。每次监测时同时测当时气温，根据所监测数据绘 制钢管拱线型动态控制图，通过各阶段的设计拱度和实测拱度的 比较，及时掌握施工期线型的变化情况，发现异常现象及时查找问 离设计位置，如图６所示，二榀主拱间共七道钢横撑，安装顺序随 离弦管安装进度从拱脚向跨中对称安装。若焊缝小钢横撑无法就 位，若焊缝大钢横撑将过度收缩，引起主拱向桥中心轴线收缩，为 题，调整施工方法，确保拱轴线的变化在规范要求以内。 经以上施工全过程线型控制技术的实施，成桥时，拱轴线和设 计要求相符，控制结果良好。 【参考文献】 ［１］《拉萨钢管拱大桥施工技术》 此我们采用了钢横撑“瞬间合拢”的技术进行安装。具体为安装钢 横撑时预留出４００ｍｍ连接段，在温度允许范围内及时安装４００ｍｍ 连接段并进行焊接，钢横撑连接焊缝间隙控制在２ｍｍ以内进行全 熔透焊接，与主弦管的连接采用脚焊缝挤紧进行焊接。 ［２］《东莞水道大桥施工技术》．