系桿拱橋施工技術

概述

系桿拱是一種無推力的拱式組合體系，通過將主要承受壓力的拱肋和主要承受拉力的系桿組合起來，共同承受荷載，這樣就充分發揮被組合的簡單體系的特點及組合作用，以到達節省材料和降低對地基的要求的目的。

系桿拱橋是外部靜定結構，兼有拱橋的較大跨越能力和簡支梁橋對地基適應能力強的兩大特點，因此在橋面高程受到限制而橋下又要求保證較大凈空〔橋下凈跨和凈高〕，或當墩臺根底地質條件不良易發生沉降，但又要求保證較大的跨度時，要優先采用系桿拱橋。

系桿拱結構

系桿拱橋一般由拱肋、吊桿、系桿、橫梁、橋面系等組成。結構見圖1。拱肋一般為鋼筋砼或鋼管拱結構。系桿一般為型鋼或預應力鋼筋砼結構。吊桿一般為預應力鋼筋砼、圓鋼或高強鋼絲束。

圖1

系桿拱結構

系桿拱橋施工工藝

3.1

系桿拱橋常用施工方法

系桿拱橋根據拱肋和系桿相對剛度不同，分為柔性系桿剛性拱〔EI拱/EI系＝80～100〕、剛性系桿柔性拱〔EI拱/EI系<1/80〕、剛性系桿剛性拱〔EI拱/EI系＝1/80～80〕。對于柔性系桿剛性拱橋，由于系桿只承受拉力，施工時抗彎能力較差，多采用就地現澆法施工；對于剛性系桿柔性拱，由于剛性系桿作為偏心受拉構件，有抵抗拉力和彎矩的能力，可采用就地現澆法施工或預制裝配法施工；對于剛性系桿剛性拱橋，由于系桿和拱肋剛度大，均能承受軸力和彎矩，施工中可采用就地現澆法施工、整體拼裝施工或整體拖拉〔頂推〕施工。實際施工中，由于場地和其它條件限制，多種方法可交叉使用。

下面介紹常用的系桿拱橋施工方法：先梁后拱的施工方式，設臨時支墩，拖拉架設支架粱，在支架梁上立模現澆系梁，張拉局部預應力索，再在系梁上搭設支架安裝并焊接鋼管成鋼管拱，然后由拱腳向拱頂對稱泵送無收縮混凝土形成鋼管混凝土拱肋，安裝并張拉吊桿，撤除系梁支架，調整好吊桿力，施工二期恒載及橋面系，復測并調整吊桿索力至設計值，至此，系桿拱橋施工完成；

3.2

施工工藝

3.2.1

施工工藝框圖〔見圖2〕

臨時支墩安裝

支架梁組拼

支架梁拖拉就位

系桿施工

在系桿上搭設支架

在支架上安裝拱肋及橫向連接

拱肋砼澆筑

安裝吊桿

撤除支架梁

安裝橫梁

橋面系施工

局部預應力張拉

圖2

系桿拱橋施工工藝框圖

3.2.2

臨時支墩施工

臨時支墩在橋孔內設置，拖拉時要承受拖拉的反力、縱橫向風載、支架梁上下墩和墩頂移動時的水平荷載及拖拉中產生的沖擊力，系桿現澆時要承受系桿的自重及施工荷載，因此要具有足夠的強度和剛度。臨時支墩由根底、墩身、頂面滑道及上墩下墩設施等組成。根底一般為樁基，墩身用萬能桿件或貝雷架組拼。上墩下墩設施采用牛腿及千斤頂：在支架梁前端焊一牛腿，在臨時支墩墩頂及牛腿間設置千斤頂。千斤頂底座下布設小滾軸，一面頂起一面移動，直到支架梁的上滑道到達支墩頂面受力后，再撤除千斤頂。

3.2.3

支架梁組拼

支架梁為連續梁，既要保證拖拉時不變形，又要保證作為系梁現澆時的支撐，要具有足夠的剛度。根據計算支架梁采用單層雙片式**式軍用梁拼裝而成。長度為：跨度＋12米。支架梁的拼裝在事先搭好的平臺上進行，寬度為10米，長度不小于35米。用設在平臺兩側的龍門吊將桿件吊至平臺上，當拼裝長度到達30米后，開始拖拉，拖拉一段，拼裝一段，直到到達設計長度。

3.2.4

支架梁拖拉

支架梁前端布置牽引系統，包括錨錠、定滑車組、動滑車組、穿繞的鋼絲繩等。牽引動力為單卷筒慢速電動卷揚機。鋼絲繩通過轉向滑車接入卷揚機。下支架梁前方設置制動系統，包括與牽引系統相同的滑車組、鋼絲繩和卷揚機等。

3.2.4.1

滾移設施和滑道的設置

滾移設施和滑道的結構見圖3。

圖3

滾移設施和滑道的結構

⑴滑道設置

對設在支架梁底面和支墩頂面的上下滑道，要求有充分的長度，外表平整，剛度大，能均勻分布反力，結構簡單，拆裝方便，兩端易于吞吐輥軸或滑塊。對于支架梁底面的上滑道由縱向墊木、枕木、滑道鋼軌及吊枕幾局部組成。縱向墊木與支架梁等寬，滑道鋼軌一般選用38公斤以上的鋼軌，1-3跟并列，用道釘反釘在橫木上，鋼軌間距15-16毫米。支墩頂下滑道與上滑道相對，鋼軌數目比上滑道多1-2跟，一般為2-4跟。下滑道長度依據順橋向寬度決定。

⑵滾滑設施

滾滑設施包括滑板、輥軸、滾輪箱、走輪和聚四氟乙烯滑塊等。滑板一般采用較厚的鋼板，在鋼板兩側焊接角鋼作為導向，滑道頂面涂潤滑油。輥軸一般可采用圓鋼截鋸使用，荷載較大時須經過鏇削加工并經過熱處理。

3.3.4.2　牽引設施

牽引設備采用單卷筒慢速電動卷揚機。牽引動力按下式計算

F=KΨQ＋GQ

F：牽引力

Ψ:滑道摩擦系數

Q：下支架梁自重

G：坡度

一般將F取為下支架梁自重的5％。在施工實踐中為了便于控制下支架梁前進方向和速度，要設置制動設施，制動設施所需牽引力為：

F=K(0.4AW-ΨQ+GQ)

K：平安系數，一般為3-5

A：下支架梁橫向受風面積

W：風荷載強度

Ψ:滑道摩擦系數

Q：下支架梁自重

G：坡度

3.3.4.3　下支架梁拖拉

開動卷揚機，緩慢牽引下支架梁前移，下支架梁沒上第一個支墩前，要保證下支架梁的重心在拼裝平臺上。為改善在牽引過程中，出現的脈沖式跳躍前進現象，需盡可能縮短鋼絲繩長度，加粗鋼絲繩直徑，換用大功率的滑車組。為保證拖拉方向，需在下支架梁外側安裝導向角鋼；在支墩兩側安裝側向支架，內置千斤頂調整下支架梁橫向位置。在拖拉過程中，要做好中線的觀測工作，遇有偏斜時隨時糾正。糾正方法是打斜局部輥軸，使下支架梁轉移。糾正時不要操之過急，否那么會發生搖晃、滑道變形等情況或事故。

3.2.4　系桿施工

3.2.4.1　系桿鋼筋砼施工

下支架梁拖拉就位后，在上面即可進行系桿現澆鋼筋砼施工。系桿一般為預應力鋼筋砼結構，斷面為工字型。施工順序：立模→鋼筋綁扎→砼澆筑。

3.2.4.2　系桿預應力張拉要領

預應力鋼束的張拉一般應分期分批進行。由于施工過程中的一期和二期恒載是通過拱肋逐步傳遞給系桿的，即拱肋傳遞給系桿的推力是隨工況逐步增加的，所以，預加應力宜與施工中逐步增加的拱腳水平推力同步，以使系桿中產生的恒載拉力與預加應力相互平衡，防止過度集中施加預應力時可能出現的壓桿失穩、截面壓應力超限及截面局部開裂。對應于一期和二期恒載，預應力鋼束可分為兩期張拉，每期張拉又可劃分為與工況對應的批數。

一期預應力需考慮的內容有：

a.一期恒載產生的系桿拉力。即形成系桿拱體系后，拱脅、系桿〈縱梁〉、橫梁及行車道板的自重在拱腳部位產生的水平推力。

b.平衡一期恒載的系桿縱梁〉彎曲拉應力。

c.一期預應力損失。

d.一期預應力儲藏量。

一期預加應力總值表示為

Ny1=NG1

+

NM1

+

Ns1

+

△Ny1

⑴

二期預應力是在系桿拱的外部靜定體系形成以后張拉。此時，一期恒載產生的拱腳推力已與一期預應力抵消，應力損失較大。二期恒載產生的拱腳水平推力、系桿〈縱梁〉彎曲拉應力，活載所需之永存預應力等都必須在二期預應力中施加。同時由于一期預應力是隨工況的進展而逐步施加的，故對拱肋內力一般無明顯影響；但因系桿拱的拱軸系數沒有多少選擇余地,裝配成形的拱肋在其自重作用下必然存在一寇數量的正彎矩，故需在二期預應力施加過程中對拱肋彎矩進行調整。通常是在二期預應力施加過程中，有意識地加大張拉噸位，使系桿〔縱梁〕產生壓縮變形，造成兩拱腳對稱地向跨中相對移動微小位移，從而在拱肋中形成附加的負彎矩，以便抵消拱脅自重產生的正彎矩。因此，二期預應力總值表示為

Ny2

=

NG2

+

NM2

+

NS2

+

△Ny2

+

Ny

⑵

在式⑴

和⑵中：

Ny1、Ny2

—一

一期和二期預應力總值；

NM1、NM2

一一

為平衡一期、二期恒載在系桿〈縱梁〉中產生的彎曲拉應力所需之預應力；

NG1、NG2

一一

為平衡一期、二期恒載作用下拱腳水平推

力所需之預應力；

NS1、NS2

一一

一期和二期預應力損失；

Ny

一一

抵抗活載的永存預應力；

△Ny1、△Ny2

一一

一期和二期預應力儲藏量。△Ny2中還應

包括使兩拱腳向路中產生相對位移所需之預應力。

3.2.5　鋼管拱肋施工

3.2.5.1　鋼管拱肋加工

鋼鋼管拱在工廠內加工，采用組對預拼一體化施工，即在1:1大樣場地上組對，一個單元體完成后，不運走，下一個單元體組對過程中兼顧對口情況，這樣，一個單元體出臺后，即可發運安裝，不必集中預拼運輸，節約了場地，減少了工作量，為安裝爭取了時間。

為保證加工質量，加工前制定了詳細的工藝流程如下：

材料復檢→放樣劃線→檢查→切割下料→刨邊坡口加工→檢查→肋管卷制→焊接→檢查→肋管組對、焊接→檢查→腹板拼焊→檢查矯圓

3.2.5.2　支架施工

根據拱肋分段，在每個接頭處設一支架墩，支架墩支在已澆筑成型的系梁上。支架墩采用萬能桿件拼裝。支架墩兩側向埋設專用地錨，將支墩頂部拉住，加強穩定，縱向也以鋼絲繩拉住，以抵抗架拱時的縱向推力。結構見圖4。

圖4

支架結構

3.2.5.3

鋼管拱肋安裝

單元體運至現場后，即可開始安裝，安裝采用纜索吊。纜索吊采用拉固在墩位的橫向拉索充當臨時纜風。扣索通過2×4米萬能桿件單懸臂臨時塔架〔扣塔〕，錨固到纜吊主錨位置的預留索位上〔即：通扣〕。預留索與塔扣之間通過滑輪組連接，卷揚機提供收纜動力。

根據墩帽施工要求，先將拱腳段安裝，然后再安裝其他單元體，安裝順序為：

施工準備→拱腳安裝→立柱柱腳→安裝橫撐→安裝第二單元體→安裝立柱柱腳→安裝橫撐→安裝第三單元體→安裝立柱柱腳→安裝橫撐→安裝第四單元體〔合攏段〕→安裝立柱柱腳→安裝橫撐→安裝斜撐→防腐油漆→工程驗收

⑴拱腳段安裝

根據鋼管拱拱腳部位的結構形式，為保證安裝精度，拱腳在墩帽澆筑前進行安裝，拱腳安裝前，在墩身平臺上安裝板凳支座，墩身頂面已在相應位置預埋了鋼板，板凳支座與預埋鋼板焊接牢固，拱腳段前端臨時支墩上搭好平臺，平臺上放置活動支座。

拱腳吊裝前，分別在板凳支座及活動支座放出該段的安裝中心十字線，點焊擋板，并調整相應標高，然后將拱腳段吊裝就位，進行拱管中心線及拱管標高的測量、調整，到達要求后，在下端以型鋼斜撐將拱腳固定。固定時在拱管兩側各加一根Ib25工字鋼，以固定左右位置，在腹板兩側與腹板平行方向各加一根Ib40工字鋼，Ib40工字鋼上部頂在N1板內側，下端在預埋鋼板上，以防止拱肋的軸向位移。同時在下管下緣加一根Ib40工字鋼，以增加垂直受力點，防止下管因受力過大而變形。這樣，拱腳下端就完全固定，使拱肋架設時不會因溫度和加載的影響導致拱腳向下位移及左右偏位，在拱腳段上端以倒鏈、鋼絲繩固定，然后即可開始安裝柱腳及橫撐，見圖4。

⑵單元體安裝

根據安裝順序，廠內按編號發運單元體，單元體安裝前，在接口處的臨時支墩上搭好平臺，平臺距拱肋下緣的距離控制在0.5-1m之間，放好臨時活動支座。

單元體吊裝時，在兩端各掛兩個倒鏈，根據其安裝角度，將導鏈長度調整至根本適宜的范圍內，以減少空中工作量。使用纜索吊將單元體吊至安裝位置，平穩下落，在即將到位時，調整倒鏈，使前端稍高，后端與已安裝段對口，然后再下落，將前端落至準確位置，臨時支座焊接牢固。整個安裝過程中，測量要跟蹤作業，保證安裝位置準確。調整完成后，以鋼絲繩、倒鏈固定，開始焊口整形。一組單元體安裝好后，及時將該段內的橫撐安裝，以增大剛度，抵抗溫度變形。橫撐裝好，開始拱肋接口焊接。

⑶立柱柱腳及橫撐的安裝

柱腳是橫撐安裝的固定點。先在拱背上準確放出柱腳的位置，然后吊裝就位。橫撐分兩段安裝，安裝時，在纜索吊橫梁下再吊一根扁擔梁，Ⅰ段懸于扁擔梁上，吊至安裝位置，將扁擔梁固定在柱腳上，纜索吊移走，調整Ⅰ段的位置。Ⅱ段先安裝上、下兩節管，然后上腹板。Ⅱ段一般預留100m余量，根據實際量測量結果再修正。為防止焊接引起拱肋收縮變形，每單元體橫撐安完后，應在下一組單元體及其橫撐安裝完成后，再焊接。

⑷合攏段的安裝

墩帽砼強度到達80%方可進行合攏段的安裝。合攏段是鋼管拱形成的關鍵，起到調整全拱單元體焊接收縮、熱膨脹、線型等重要作用，并完成體系的轉換，因此必須制定詳細的方案，準確量取數據。

首先，對環境溫度進行連續測量至少48小時的數據，確定合攏的最正確時間。本橋的合攏溫度為10-15℃，因此決定在夜間最低溫度時進行，同時，測量合攏口的距離，與確定的合攏溫度時合攏段長相比擬，留出適當間隙量，切割下料，一次切出坡口打磨合格，每根管的測點不少于8個，以保證數據準確。

考慮合攏的對稱性，半幅兩條拱肋必須連續完成，以免溫度變化時造成拱肋偏移。根據合攏操作所用的時間，決定每晚合攏兩條拱肋即半幅。晚上派專人觀測溫度變化，一矣氣溫降至合攏溫度，馬上開始作業，操作過程應平穩進行，第一個合攏段就位后，馬上進行第二個合攏段吊裝，同時進行第一個合攏段的修口、固定、點焊。兩條拱肋全部合攏后，四個接口每個接口兩個電焊工同時開始對稱連續作業，直至全部焊完。之后，測量中線、標高與設計安裝軸線進行核對，合格后安裝橫、斜撐。

3.2.5.4　拱肋砼灌注

鋼管拱全部合攏驗收合格后，即可落架。落架前，將各拱肋的觀測數據做好，便于以后比照。將拱上荷載近似按均布考慮，根據其變形曲線和支架布置情況，決定落架順序為：首先將拱腳處兩支點同時解除，第二步將中間的支架同時解除，最后是L/4附近的支架解除，完成落架。每半幅的兩條拱肋要同時落架。落架后，觀測拱肋的變形，本橋跨中最大下沉量在2-3cm之間。

拱管混凝土為C50無收縮砼，要求較高。為滿足設計要求，制定了施工工藝如下：

復測→安裝注漿管、泵→兩邊同步壓注腹板砼〔先壓水泥漿潤濕管壁，以下同〕→兩邊同步壓注下管砼→兩邊同步壓注上管砼→再次復測→砼填充度檢查

砼壓注時，為使砼壓注過程中排氣及上端離析砼的溢出，在每個壓注單元最高處開孔，以φ80mm鋼管接出。

腹板壓注砼時其上間隔1m加裝φ28拉桿，以抵抗混凝土的側壓力。

每個拱腳處布有三個壓漿孔，要盡量錯開布置，不得位于同一橫截面上。壓漿管與拱管的夾角小于30°，泵管連接簡潔，盡量減少彎頭，以減小砼的壓注阻力。壓漿口的切割應根據30°投影以樣板劃線切割，一次成型。壓漿管要伸入拱管內10--20cm，焊接牢固，泵管的連接牢固緊密，不漏漿。

混凝土的壓注由拱腳向拱頂對稱均勻連續進行壓注，兩邊的砼壓注量盡量保持一致，防止拱肋偏壓變形，壓注要一次完成。壓注砼前，先壓入一定量的水泥漿，以潤滑管壁，減少砼失水造成坍落度損失。壓注過程中，人工隨時敲打管壁，觀察壓漿速度，當發現一方過快時，應暫停，待另一側壓至同一位置時，再繼續壓注，另外，要密切注意泵壓，當發現泵壓突然增大時應立即停止壓漿處理。砼壓滿時，從排氣孔中溢出，此時應繼續壓注，將離析漿液排出，待溢出均勻的時，即可認為已壓滿。壓漿后，泵壓保持，以氣焊烘烤壓漿管，使管內砼速凝干硬，待完全固化后，撤除泵管。

3.2.6　吊桿施工

吊桿采用預應力混凝土吊桿，施工時在拱肋中預埋穿束管道，墩頭處設置錨墊板，錨墊板下設數層水平鋼筋網，以便將錨頭集中力迅速傳至混凝土截面中。對于拱肋頂板的預留孔洞，待全橋完成后，需要作便于檢修及調索的遮蓋。吊桿下端應將鋼筋伸進系桿混凝土內，以保證受力效果。

吊桿施加預應力是系桿拱進行體系轉換的關鍵工序，一方面具有裸拱加載的特點，另一方面是橋面行車道系從彈性地基梁轉換成梁端彈性固結、吊點彈性支撐的彈性支撐連續梁，從而完成系桿拱的體系轉換及受力特點。為了保證拱肋縱向和橫向的穩定性，同時由于結構特殊性和體系轉換時重量較大，因此吊桿預應力的張拉工序遵循了慢、細、嚴的準那么。慢：吊桿預應力總值并不大，但分為三期加載，使加載時間拉長，體系轉換緩慢進行。第三期為復核張拉，使一期與二期預應力總和乘以1.02～1.10的提高系數。細：每批張拉都仔細地做了四項工作：〔1〕雙控張拉；〔2〕加載分期加密，縮小步長；〔3〕測量縱梁的水平位移，觀察鋼絞線的變化。嚴：張拉一、二期預應力時，吊桿分批加載，順序嚴格以拱頂分別向兩側推進。吊桿一、二期預應力每批張拉是先中片后邊片。第三期預應力那么順序相反，先邊片后中片，每片中吊桿張拉順序也與前兩期順序根本相反。第三期為復核張拉，以檢查和補足一、二期預應力的總值，并調整縱梁下沉吊桿。第三期復核張拉結束后，拱肋與縱梁上的吊桿預留孔和吊桿套管內，均用砂漿壓實并封錨，吊桿套管與拱肋、縱梁連接處焊牢。

4　施工考前須知

4.1在支架上安裝鋼管拱時，支架與拱的聯結不宜過強。支架的縱向剛度一般不會太大，拱的軸向剛度較大，因而縱向溫度力很大，如聯結過強，那么導致支架前傾，不利于穩定，所以聯結應適度，使拱肋前端自由變形，掌握其規律，加以控制。架設單元體時，應根據時間、溫度確定其溫度變形的方向，預設一反向預偏量，保證其方向在合攏溫度時正確，否那么其調整相當困難，另外在單元體安裝時，應有意識地向橫向外側預留一預偏量，以抵消橫向聯結系焊接時向內的收縮；

4.2關于拱管與腹板連接的焊接問題，應以等強為原那么。此處的焊縫受力狀態是不利的，焊縫過強其作用并不大，而且還損傷拱管，在壓漿時腹板上加拉桿以平衡砼的壓力，因此，焊縫高度以拱管厚度控制為宜；

4.3鋼管拱壓漿結束后，無論拱管內的壓力有多大，砼凝固后在拱頂部位仍存在一定的空隙，這是由于砼的自然沉落密實等原因造成的，實踐中發現與摻膨脹劑的關系也不太大，為保證拱管內的密實，應鉆孔補漿。