装配式墩台施工

7　桥梁结构工程施工

本章导读：

●基本要求　通过本章的学习,要求学生在熟悉内容的基础上,能够针对施工现场的具体要求和性质,选择合适的施工机械、施工方法,并能进行质量控制和检查验收。

●重点　装配式桥梁施工中构件的预制、运输,构件的架设方法。预应力混凝土梁桥悬臂施工中施工挂篮的结构构造及结构的主要特点、梁段的浇筑程序、梁段合拢的临时支承及施工要点、分段吊装系统的设计与施工、接缝的类型与技术处理。拱桥施工中拱架的设计、施工预拱度的设置；有支架拱桥拱圈混凝土的浇筑程序；劲性骨架拱肋的构造及特点；钢管混凝土拱桥混凝土浇筑施工工艺；缆索吊装系统的组成以及吊装系统的设计。

●难点　掌握现代桥梁常用的施工机械和施工方法。

7.1　桥梁墩台施工

桥梁墩台是桥梁的重要结构,它不仅起到支承上部结构荷载的作用,而且可将上部结构荷载传递给基础,还要受到风力、流水压力以及可能发生的冰压力、船只和漂流物的撞击力作用,还要连接两岸道路,挡住桥台台背的填土。

桥梁墩台的施工方法通常可分为两大类：一类是现场浇筑与砌筑,另一类是预制拼装的混凝土砌块、钢筋混凝土或预应力混凝土构件。浇筑与砌筑的墩台工序简便,所采用的机具较少,技术操作难度较小,但施工工期较长,需耗费较多的劳动力与物力。预制拼装构件其结构形式轻便,既可以确保工程质量、减轻工人劳动强度,又可以加快工程进度、提高工程效益,主要用于山谷架桥、跨越平缓无漂流物的河沟、河滩等桥梁,尤其是在缺少砂石地区与干旱缺水地区,以及工地干扰多、施工现场狭窄的墩台建造,其效果更为显著。

7.1.1　石料及混凝土砌块墩台施工

石砌墩台在砌筑前,应按设计放出实样挂线砌筑。形状比较复杂的墩台,应先做出配料设计图(见图7.1),注明砌块尺寸；形状比较单一的,也要根据砌体高度、尺寸、错缝等,先行放样配备材料。

图7.1　桥墩配料大样图
h—石料高度；b—石料尺寸；c—错缝尺寸

7.1.2　混凝土及钢筋混凝土墩台施工

混凝土及钢筋混凝土墩台的模板主要有固定式模板、拼装式模板、整体吊装模板(组装方法为：根据墩台高度分层支模和浇筑混凝土,每层的高度应视墩台尺寸、模板数量和浇筑混凝土的能力而定,一般为2～4m；用吊机吊起大块板扇,按分层高度安装好第一层模板,其组装方法同低墩台组装模板；模板安装完成后在浇筑第一层混凝土时,应在墩台身内预埋支承螺栓,用以支承第二层模板和安装脚手架)、组合式定型钢模板。

1)混凝土及钢筋混凝土墩台施工

①墩台施工前,应在基础顶面放出墩台中线和内外轮廓线的准确位置。

②现浇混凝土墩台钢筋的绑扎应与混凝土的浇筑配合进行。

③浇筑混凝土的质量应从准备工作、拌和材料、操作技术和浇筑后养生4个方面加以控制。浇筑混凝土应连续进行,如因中途停止,应按施工缝进行处理。在明挖基础上浇筑混凝土墩台第一层混凝土时,要防止水分被基础所吸收或基顶水分渗入混凝土而降低强度。

④注意掌握混凝土的浇筑速度。若墩台面积不大时,混凝土应连续一次浇筑完成,以保证其整体性；若墩台面积过大时,应分段分块浇筑。

⑤在混凝土的浇筑过程中,应随时观察所设置的预留螺栓、预留孔、预埋支座的位置是否移动,若发现移位应及时校正；还应注意模板、支架情况,如有变形或沉陷,应立即校正并加固。

2)特殊外形墩台混凝土施工

特殊外形墩台包括V形、Y形和X形等形式墩台,其施工方法与桥梁结构体系密切相关。

(1)V形墩台施工

施工步骤如图7.2所示：

①将斜腿内的高强钢丝束、锚具与高频焊管连成一体并和第1节劲性骨架一起安装在墩座及斜腿位置处,浇筑墩座混凝土,如图7.2(a)所示。

②安装平衡架、角钢拉杆及第2节劲性骨架,如图7.2(b)所示。

③分两段对称浇筑斜腿混凝土,如图7.2(c)所示。

④张拉临时斜腿预应力拉杆,并拆除角钢拉杆及部分平衡架构件,如图7.2(d)所示。

⑤安装V形腿间墩旁膺架,浇筑主梁0号节段混凝土,张拉斜腿及主梁钢丝束或粗钢筋。最后拆除临时预应力拉杆及墩旁膺架,使其形成V形结构,如图7.2(e)所示。

图7.2　V形墩施工步骤
1—斜腿；2—墩座；3—承台；4—高频焊管、钢丝束；5—预应力拉杆；6—墩中心线；
7—劲性钢架(第1节)；8—角钢拉杆；9—平衡架；10—膺架；11—梁体；12—劲性钢架(第2节)

(2)Y形墩台施工

Y形墩一般常规的施工顺序为：下节柱、中横梁、上节柱、盖梁。

Y形墩施工的难点有以下几点：

①模板的拼装与就位。

②必须保证混凝土的浇捣质量,尤其是中横梁和上节柱的交接处混凝土的密实度。

③拆模时保证Y形柱根部不受自重力的影响。

7.1.3　装配式墩台施工

装配式桥墩主要采用拼装法施工,常用于预应力混凝土、钢筋混凝土薄壁空心墩或轻型桥墩。拼装式桥墩主要由就地浇筑实体部分墩身、拼装部分墩身和基础组成。

预应力混凝土空心墩的主要施工工艺流程为：浇筑桥墩基础→浇筑实体墩身(包括预埋锚固件和连接件)→安装预制的墩身块件(包括预制构件分块、模板的制作及安装、制孔、预制块件的浇筑、预制块件运输至桥位、安装墩身预制块件等内容)→施加预应力→孔道灌浆→封锚。

7.1.4　高桥墩施工

1)高桥墩的模板

高桥墩的模板一般有滑升模板、提升模板、滑升翻板、爬升模板、翻板钢模等几种。

(1)滑升模板

滑升模板的组装顺序为：千斤顶架→围圈→绑扎结构钢筋→桁架→内模板→外挑三角架→外模板→平台铺板及栏杆→千斤顶→支承杆→标尺或水位计→液压操作台→液压管路→内外吊架。滑升模板的施工可分为初滑、正常滑升、停滑和空滑4个阶段。

滑模宜浇筑低流动度或半干硬性混凝土,混凝土浇筑时应分层、分段对称进行,每层厚度以20～30cm为宜,浇筑后混凝土表面距模板上缘宜有不小于10～15cm距离。混凝土入模时的强度应为0.2～0.5MPa,混凝土中可掺入一定数量的早强剂,其掺入量应根据气温、水泥标号经试验选定。

(2)提升模板

提升模板是利用提升支架将高墩模板分段升高的模板体系。提升支架是由钢筋柱、顶框、中框、底框、顶紧器、提升支架用的滑车组及横、斜撑等构成,最适用于双柱式的索塔或墩柱。

提升模板施工就是利用墩身主筋格构化后,形成具有支承力的格构柱来悬挂提升工作平台,依靠工作平台进行钢筋绑扎、焊接,立模和浇筑混凝土,随着墩身钢筋骨架的接高,逐节提升工作平台,完成每次预定高度墩身混凝土的浇筑施工,如此反复循环至墩顶。

提升模架配合提升模板施工的步骤如图7.3所示。

图7.3　提升模板施工步骤
(1)提高提升支架；(2)支立模板；(3)浇筑塔柱混凝土；(4)提高提升支架；(5)支立模板；(6)浇筑塔柱混凝土；(7)提高提升支架；(8)浇筑上横梁混凝土1—提升模板；2—运料吊斗；3—提升支架；4—墩顶箱梁；5—上横梁；6—上中横梁；7—下中横梁；8—下横梁

(3)滑升翻模

滑升翻模施工的工艺流程为：施工准备→组装翻模→绑扎钢筋→浇筑混凝土→提升工作平台→模板翻升→施工到墩顶拆除模板→拆除平台。

(4)爬升模板

爬升模板施工与滑升模板施工相似,所不同的是支架通过千斤顶支承于预埋在墩壁中的预埋件上,待浇筑好的墩身混凝土达到一定的强度后,将模板松开,千斤顶上顶,把支架连同模板升到新的位置,模板就位后,再继续浇筑墩身混凝土。如此往复循环,逐节爬升。

2)高桥墩施工要点

①根据墩柱特点合理选用设备或支架,如果机械设备无法施工的墩柱,可以采用支架法,但应保证支架的稳定性和吊装设备的安全性。

②尽量保证一根墩柱施工的连续性,减少中间停顿时间,做好工序的安排工作,加快施工进度。

③由于高墩墩身的垂直度要求较高,施工测量时应采取相应的办法,控制墩身倾斜度和轴线偏位。

④根据墩柱高度及截面,设计合适的模板,在保证模板的强度和刚度的前提下,尽量减少模板的起吊、安装及对接次数。优先采用大钢模板,亦可采用表面特殊处理过的木模板,以减少高空吊装、安装重量。

⑤在恶劣环境下的高墩施工,应采取措施解决混凝土快速施工与养护之间的矛盾,保证高墩施工的流水作业。

⑥混凝土布料应沿模板周边均匀多点布料。墩身混凝土浇筑完毕后,必须将墩顶冒出的多余水分及时清理,并做第二次振捣,以保证墩顶混凝土的施工质量。

⑦作业高度处风力超过6级,或遇雷雨等天气时,应立即停止任何作业。

⑧搞好安全施工是高墩施工的关键环节之一,各工序应按安全操作规程办事。

7.2　桥梁上部结构施工

7.2.1　装配式桥梁施工

图7.4　吊机和绞车配合架设法
1—走板滚筒；2—预制梁；3—吊机起重臂；4—绞车

1)自行式吊机架设法

自行式吊机架设法可采用一台吊机架设、两台吊机架设和吊机与绞车配合架设3种情况。图7.4为吊机和绞车配合架设法示意图。

2)人字扒杆悬吊架设法

人字扒杆悬吊架设法又称吊鱼架设法,是利用人字扒杆来架设梁桥上部结构构件,而不需要特殊的脚手架或木排架。

架设方法有：人字扒杆架设法,人字扒杆两梁连接悬吊架设法,人字扒杆、托架架设法3种。人字扒杆又有一副扒杆和两副扒杆架设两种。两副扒杆架设中,一副是吊鱼滑车组,用以牵引预制梁悬空拖曳,另一绞车是牵引前进,梁的尾端设有制动绞车,起溜绳配合作用,后扒杆的主要作用是预制梁吊装就位时,配合前扒杆吊起梁端,抽出木垛,便于落梁就位,如图7.5(a)所示。一副扒杆架设中,其基本方法同两副扒杆架设,只是采用千斤顶顶起预制梁,抽出木垛,落梁就位,如图7.5(b)所示。

图7.5　人字扒杆架设示意图
1—制动绞车；2—滑道木；3—滚轴；4—临时木垛；5—预制梁；6—吊鱼滑车组；7—缆风索；8—前扒杆；9—牵引绞车；10—吊鱼用绞车；11—转向滑车；12—后扒杆

3)双导梁穿行式架设法

双导梁穿行式架设法是在架设跨间设置两组导梁,导梁上配置有悬吊预制梁的轨道平车和起重行车或移动式龙门架,将预制梁在双导梁内吊运到指定位置后,再落梁、横移就位。双导梁穿行式架设法如图7.6所示。

图7.6　双导梁穿行式架设法
1—平衡压重；2—平衡部分；3—人行便桥；4—后行车；5-承重部分；6—行车轨道；7—前行车；8—引导部分；9—绞车；10—装置特殊接头；11—横移设备；12—墩上排架；13—花篮螺丝；14—钢桁架导梁；15—预制梁；16—预制梁纵向滚移设备；17—纵向滚道；18—支点横移设备

7.2.2　预应力混凝土梁桥悬臂施工

预应力混凝土梁桥悬臂施工分为悬臂浇筑法(简称悬浇)和悬臂拼装法(简称悬拼)两种。悬浇法是当桥墩浇筑到顶以后,在墩上安装脚手钢桁架并向两侧伸出悬臂以供垂吊挂篮,对称浇筑混凝土,最后合拢；悬拼法是将逐段分成预制块件进行拼装,穿束张拉,自成悬臂,最后合拢。悬臂施工适用于梁的上翼缘承受拉应力的桥梁形式,如连续梁、悬臂梁、T型刚构、连续刚构等桥型。

1)预应力混凝土梁桥悬臂浇筑

预应力混凝土梁桥悬臂浇筑施工法,包括移动挂篮悬臂施工法、移动悬吊模架悬臂施工法和滑移支架悬臂施工法。这里只介绍移动挂篮悬臂施工法。

移动挂篮悬臂施工法的主要工作内容包括,在墩顶浇筑起步梁段(0号块),在起步梁段上拼装悬浇挂篮并依次分段悬浇梁段,最后分段及总体合拢,如图7.7所示。

图7.7　悬浇分段示意图
A—墩顶梁段；B—对称悬浇梁段；C—支架现浇梁段；D—合拢梁段

(1)施工挂篮

挂篮是一个能沿梁顶滑动或滚动的承重构架,锚固悬挂在已施工的前端梁段上,在挂篮上可进行下一梁段的模板、钢筋、预应力管道的安设、混凝土浇筑、预应力筋张拉、孔道灌浆等项工作。完成一个节段的循环后,挂篮即可前移并固定,进行下一节段的施工,如此循环直至悬浇完成。

按构造形式有桁架式(包括平弦无平衡重式、菱形、弓弦式等,如图7.8、图7.9所示)、斜拉式(包括三角斜拉式和预应力斜拉式)、型钢式和混合式4种。按其移动方式有滚动式、组合式和滑动式3种。

图7.8　平行桁架式挂篮

图7.9　弓弦式挂篮

平行桁架式挂篮由于其自重大,一般已不大采用。平弦无平衡重挂篮由于主桁上部的上横桁可根据需要沿纵向移动,并在主桁横移时吊住模板系统,因此可取消压重,但由于其并未从根本上克服平行桁架式挂篮机构庞大、自重较大的缺点,应用不是很广泛。弓弦式挂篮由于杆件以常备式为主,且自重轻,桁高随弯矩大小而变化,受力较合理,其缺点是杆件数量多、制作安装都较麻烦,易丢失。菱形挂篮具有结构简单、受力合理和一次移动到位等特点。滑动斜拉式挂篮由于兼有自重轻和无平衡重等特点,是目前最轻的挂篮之一,但当跨度和梁高都较大时,由于斜拉杆长度较大,弹性伸长较大,而且上下限位装置的水平力随之增大,使其应用受到一定的限制。预应力斜拉式挂篮是利用梁部结构本身的预应力束拉紧刚性模板,使得临时设施数量大大减少,但因属永久结构和临时结构相结合,需设计、施工及建设单位意见一致时方可采用。

(2)分段悬臂浇筑施工法

①0号段浇筑。0号段位于桥墩上方,是给挂篮提供一个安装场地。0号段的长度依两个挂篮的纵向安装长度而定,当0号段设计较短时,常将对称的1号段浇筑后再安装挂篮。0号和1号段均在墩顶托架上现浇。

②拼装挂篮。挂篮运至工地时,应在试拼台上试拼,以便发现由于制作不精确及运输中变形造成的问题,保证在正式安装时的顺利及工程进度。

③梁段混凝土浇筑施工。当挂篮安装就位后,即可进行梁段混凝土浇筑施工。其工艺流程：挂篮前移就位→安装箱梁底模→安装底板及肋板钢筋→浇筑底板混凝土并养生→安装肋板模板、顶板模板及肋内预应力管道→安装顶板钢筋及顶板预应力管道→浇筑肋板及顶板混凝土→检查并清洁预应力管道→混凝土养生→拆除模板→穿预应力钢束→张拉预应力钢束→孔道灌浆。

④梁段合拢。由于不同的悬浇和合拢程序,引起的结构恒载内力不同,体系转换时徐变引起的内力重分布也不相同,因而采取不同的悬浇和合拢程序将在结构中产生不同的最终恒载内力,对此应在设计和施工中充分考虑。合拢程序有从一岸顺序悬浇、合拢；从两岸向中间悬浇、合拢；按T构—连续梁顺序合拢。

合拢程序一：从一岸顺序悬浇、合拢,如图7.10所示,施工机具、设备、材料可从一岸通过已成结构直接运输到作业面或其附近,单T构悬浇完后很快合拢,形成整体。

图7.10　合拢程序一

合拢程序二：从两岸向中间悬浇、合拢,采用这种合拢方法较程序一可增加一个作业面,其施工进度可加快。

合拢程序三：按T构—连续梁顺序合拢,如图7.11所示,将所有悬臂施工部分由简单到复杂地连接起来,最后在边跨或次边跨合拢。

图7.11　合拢程序三

合拢程序施工要点：

①掌握合拢期间的气温预报情况,测试分析气温与梁温的相互关系,以确定合拢时间并为选择合拢口锁定方式提供依据。

②根据结构情况及梁温的可能变化情况,选定适宜的合拢口锁定方式并作力学验算。

③选择日气温较低、温度变化幅度较小时锁定合拢口并浇筑合拢段混凝土。

④合拢口的锁定,应迅速、对称地进行,先将外刚性支撑一端与梁端部预埋件焊接(或栓接),再将内刚性支撑顶紧并焊接,而后迅速将外刚性支撑另一端与梁连接,临时预应力束也应随之快速张拉。在合拢口锁定后,立即释放一侧的固结约束,使梁一端在合拢口锁定的连接下能沿支座自由伸缩。

⑤合拢口混凝土宜比梁体提高一个等级,并要求早强,最好采用微膨胀混凝土,应作特殊配合比设计,浇筑时应注意振捣和养生。

⑥为保证浇筑混凝土过程中,合拢口始终处于稳定状态,必要时浇筑之前可在各悬臂端加与混凝土质量相等的配重,加、卸载均应对称梁轴线进行。

⑦混凝土达到设计要求的强度后,解除另一端的支座临时固结约束,完成体系转换,然后按设计要求张拉全桥剩余预应力束,当利用永久束时,只需按设计顺序将其补拉至设计张拉力即可。

⑧若考虑梁在合拢后的收缩、徐变的影响,可采用两种方法来处理：a.将梁收缩徐变值的影响视为梁降温来等效处理,即选择合拢温度时在原设计的基础上再降低一个Δt′值,此Δt′值即为梁收缩、徐变引起的缩短与梁降温产生的缩短的等效值；b.在合拢锁定前将梁预顶一个Δl 值,即可抵消梁体后期收缩、徐变产生的收缩影响。

2)预应力混凝土梁桥悬臂拼装

(1)梁段预制

分段预制长度应考虑预制拼装的起重能力；满足预应力管道弯曲半径及最小直线段长度的要求；梁段规格应尽量少,以利于预制和模板重复使用；在条件允许前提下,尽量减少梁段数；符合梁体配束要求,在拼合面上保证锚固钢束对称性,以便在施工阶段梁体受力平衡等因素来确定。梁段块件的预制方法有长线预制和短线预制等。

长线预制法是在工厂或施工现场按桥梁底缘曲线制作固定式底座,在底座上安装模板进行梁段混凝土浇筑工作,如图7.12所示。

图7.12　长线预制箱梁梁段台座

短线预制法是由可调整内、外模板的台车与端梁来进行的。当第一节段块件混凝土浇筑完毕,在其相对位置上安装下一节段块件的模板,并利用第一节段块件混凝土的端面作为第二节段的端模来完成第二节段块件混凝土的浇筑工作,如图7.13所示。

图7.13　短线预制法示意图

(2)分件吊装系统的设计与施工

当桥墩施工完成后,先施工0号块件,0号块件为预制块件的安装提供必要的施工作业面,可以根据预制块件的安装设备,决定0号块件的尺寸；安装挂篮或吊机；从桥墩两侧同时、对称地安装预制块件,以保证桥墩平衡受力,减少弯曲力矩。

0号块件常采用在托架上现浇混凝土,待0号块件混凝土达到设计强度等级后,才开始悬拼1号块件。因而分段吊装系统是桥梁悬拼施工的重要机具设备,其性能直接影响着施工进度和施工质量,也直接影响着桥梁的设计和分析计算工作。常用的吊装系统有浮运吊装、移动式吊车吊装、悬臂式吊车吊装、桁式吊车吊装、缆索吊车吊装、浮式吊车吊装等类型。

移动式吊车悬拼施工时的移动式吊机外形类似于悬浇施工的挂篮,如图7.14所示。施工时,先将预制节段从桥下或水上运至桥位处,然后用吊车吊装就位。

图7.14　移动式吊车悬拼施工

悬臂吊车悬拼施工时的悬臂吊车由纵向主桁梁、横向起重桁架、锚固装置、平衡重、起重索、行走系和工作吊篮等部分所组成。当吊装墩柱两侧的预制节段时,常采用双悬臂吊车,当节段拼装一定长度后,可将双悬臂吊车改装成两个独立的单悬臂吊车；当桥跨不大,且孔数不多的情况下,采用不拆开墩顶桁架而在吊车两端不断接长的方法进行悬拼,以避免每悬拼一对梁段而将对称的两个悬臂吊车移动和锚固一次。

(3)悬臂拼装接缝设计与施工

悬臂拼装时,预制块件接缝的处理分湿接缝和胶接缝两大类。不同的施工阶段和不同的部位,交叉采用不同的接缝形式。湿接缝系用高强细石混凝土或高标号水泥砂浆,这样有利于调整块件的位置和增强接头的整体性,通常用于拼装与0号块件联结的第一对预制块件,也是悬拼的基准梁段。胶接缝是在梁段接触面上涂一层约0.8mm厚的环氧树胶加水泥薄层而形成的接缝,胶接缝能消除水分对接头的有害影响；胶接缝主要有平面型、多齿型、单级型和单齿型等形式,如图7.15所示。齿型和单级型的胶接缝用于块件间磨阻力和粘结力不足抵抗梁体剪力的情况,单级型的胶接缝有利于施工拼装。

图7.15　胶接缝的形式

由于1号块件的施工精度直接影响到以后各节段的相对位置,以及悬拼过程中的标高控制,1号块件与0号块件之间采用湿接缝处理,即在悬拼1号块件时,先调整1号块件的位置、标高,然后用高强细石混凝土或高标号水泥砂浆填实,待接缝混凝土或水泥砂浆达到设计强度以后,施加预应力,以保证0号块件与1号块件的连接紧密。为了便于进行接缝处管道接头操作、接头钢筋的焊接和混凝土施工,湿接缝宽度一般为0.1～0.2m。湿接缝施工程序为：吊机就位→提升、起吊1号梁段→安设波纹管→中线测量→丈量湿接缝宽度→调整铁皮管→高程测量→检查中线→固定1号梁段→安装湿接缝模板→浇筑湿接缝混凝土→湿接缝的养护、拆模→张拉力筋→压浆。在拼装过程中,如拼装上翘误差过大,难以用其他方法补救时,可增设一道湿接缝来调整。增设的湿接缝宽度,必须用凿打块件端面的办法来提供。

2号块件以后各节段的拼装,其接缝采用胶接缝。胶接缝中一般采用环氧树脂作为胶粘料,胶粘料厚1.0mm左右,在施工中起润滑作用,使接缝面密贴,完工后可提高结构的抗剪能力、整体刚度和不透水性。胶接缝的施工程序为：吊机前移就位→梁段起吊→初步定位试拼→检查并处理管道接头→移开梁段→穿临时预应力筋入孔→接缝面上涂胶接材料→正式定位、贴紧梁段→张拉临时预应力筋→放松起吊索→穿永久预应力筋→张拉预应力筋后移挂篮→进行下一梁段拼装。

7.2.3　拱桥施工

拱桥施工方法主要根据其结构形式、跨径大小、建桥材料、桥址环境的具体情况以及方便、经济、快捷的原则而定。石拱桥根据采用的材料的不同,可以是片石拱、块石拱或料石拱等；根据其布置形式,可以是实腹式石板拱或空腹式石板拱和石肋(或肋板)拱等。对于石拱桥,主要采用拱架施工法,而混凝土预制块的施工与石拱桥相似。

钢筋混凝土拱桥包括钢筋混凝土箱板拱桥、箱肋拱桥、劲性骨架钢筋混凝土拱桥等。对于钢筋混凝土拱桥的施工方法,可根据不同的情况来综合考虑。如在允许设置拱架或无足够吊装能力的情况下,各种钢筋混凝土拱桥均可采用在拱架上现浇或组拼拱圈的拱架施工法；为了节省拱架材料,使上、下部结构同时施工,可采用无支架(或少支架)施工法；根据两岸地形及施工现场的具体情况,可采用转体施工法；对于大跨径拱桥还可以采用悬臂施工法,即自拱脚开始采用悬臂浇筑或拼装逐渐形成拱圈至拱顶合拢成拱；必要时还可以采用组合法,如对主拱圈两拱脚段采用悬臂施工,跨中段先采用劲性骨架成拱,然后在骨架上浇筑混凝土后形成最后拱圈,或者先采用转体施工劲性骨架,然后在骨架上浇筑混凝土成拱。

桁架拱桥、桁式组合拱桥一般采用预制拼装施工法。对于小跨径桁架拱桥可采用有支架施工法,对于不能采用有支架施工的大跨径桁架拱桥则采用无支架施工法,如缆索吊装法、悬臂安装法、转体施工法等。刚架拱桥可以采用有支架施工法、少支架施工法或无支架施工法。

1)拱架

砌筑石拱桥或安装混凝土预制块拱桥,以及现浇混凝土或钢筋混凝土拱圈时,需要搭设拱架,以承受全部或部分主拱圈和拱上建筑的重量,保证拱圈的形状符合设计要求。在设计和安装拱架时,应结合实际条件进行多方面的技术经济比较。主要原则是稳定可靠,结构简单,受力情况清楚,装卸便利和能重复使用。

(1)工字梁钢拱架安装

工字梁钢拱架有两种形式：有中间木支架的钢木组合拱架和无中间木支架的活用钢拱架。钢木组合拱架是在木支架上用工字钢梁代替木斜撑,可以加大斜梁的跨度、减少支架,这种拱架的支架常采用框架式；工字梁活用钢拱架(图7.16)是由工字钢梁基本节(分成几种不同长度)、楔形插节(由同号工字钢截成)、拱顶铰及拱脚铰等基本构件组成,工字钢与工字钢或工字钢与楔形插节可在侧面用角钢和螺栓连接,在上下面用拼接钢板连接,基本节一般用两个工字钢横向平行组成,用基本节段和楔形插节连成拱圈全长时即组成一片拱架。

图7.16　工字梁活用钢拱架

工字梁活用钢拱架一般是将每片拱架先组成两个半拱片,然后进行安装就位。半个拱片的拼装可在桥下的地面或驳船上进行,拱节间拼装螺栓应拧紧。插节应先安装在第一基本节上。拼装第二片拱架时,应附带把横向连结用的角钢装上并用绳子捆好。

架设工作应分片进行,在架设每个拱片时,应先同时将左半拱、右半拱两段拱片吊至一定高度,并将拱片脚纳入墩台缺口或预埋的工字梁支点上与拱座铰连接,然后安装拱顶卸顶设备进行合拢。可采用活动钢吊杆起吊拱架的方法和架空缆索及扒杆联合安装拱架的方法进行安装。

(2)钢桁架拱架安装

钢桁架拱架一般有常备拼装式桁架形拱架、装配式公路钢桥桁架节段拼装式拱架、万能杆件拼装式拱架、装配式公路钢桥桁架或万能杆件桁架与木拱盔组合的钢木组合拱架等几种。常备拼装式桁架形拱架是由标准节段、拱顶段、拱脚段和连接杆等用钢销或螺栓连结的,拱架一般采用三铰拱,其横桥向由若干组拱片组成,每组的拱片数及组数由桥梁跨径、荷载大小和桥宽决定,每组拱片及各组间由纵、横联结系连成整体,其构造如图7.17所示。

在装配式公路钢桁架节段的上弦接头处加上一个不同长度的钢铰接头,即可拼成各种不同曲度和跨径的拱架,在拱架两端应另加设拱脚段和支座,构成双铰拱架。拱架的横向稳定由各片拱架间的抗风拉杆、撑木和风缆等设备来保证。

(3)扣件式钢管拱架安装

扣件式钢管拱架一般有满堂式、预留孔满堂式、立柱式扇形等几种形式。满堂式钢管拱架用于高度较小,在施工期间对桥下空间无特殊要求的情况。立柱式扇形钢管拱架是先用型钢组成立柱,以立柱为基础,在起拱线以上范围用扣件钢管组成扇形拱架。

图7.17　常备拼装式桁架形拱架

(4)拱架的卸落与拆除

由于拱上建筑、拱背材料、连拱等因素对拱圈受力有影响,因此应选择对拱体产生最小应力时卸架,过早或过迟卸架都对拱圈受力不利,一般在砌筑完成后20～30d,待砌筑砂浆强度达到设计强度的70%以后才能卸落拱架。

①卸架设备

木楔有简单木楔和组合木楔等不同构造,简单木楔[见图7.18(a)]是由两块1∶6～1∶10斜面的硬木楔形块组成,在落架时,用锤轻轻敲击木楔小头,将木楔取出,拱架即可落下。组合木楔[见图7.18(b)]是由3块楔形木和1根对拉螺栓组成,在卸架时只需扭松螺栓,木楔便落下,拱架即可逐渐降落。组合木楔比简单木楔更为稳定和均匀。

图7.18　卸落设备

砂筒[见图7.18(c)]是由铸铁制成圆筒或用方木拼成方盒,砂筒上面的顶心可用方材或混凝土制成,砂筒与顶心间的空隙应以沥青填塞,以免砂子受潮不易流出。卸架是靠砂子从砂筒下部的泄砂孔流出而实现的,因此要求砂筒内的砂子干燥、均匀、洁净,卸架时靠砂子的泄出量来控制砂筒顶心的降落量(即控制拱架卸落的高度)分数次进行卸落,这样能使拱架均匀下降而不受震动。

②拱架卸落的程序与方法

拱架卸落的过程,实质上是由拱架支承的拱圈(或拱上建筑已完成的整个拱桥上部结构)的重力逐渐转移给拱圈自身来承担的过程,为了使拱圈受力有利,而应采取一定的卸架程序和方法来进行。在卸架过程中,只有当达到一定的卸落量h时,拱架才能脱离拱圈体实现力的转移。

满布式拱架在卸落时为了使拱圈体逐渐均匀的降落和受力,各支点卸落量应分成几次和几个循环逐步完成,各次和各循环之间应有一定的间歇,间歇后应将松动的卸落设备顶紧,使拱圈体落实。其卸落程序可根据算出和分配的各支点的卸落量,从拱顶开始,逐次同时向拱脚对称地卸落。

2)现浇钢筋混凝土拱桥

(1)拱圈的浇筑

当拱桥的跨径较小(一般小于16m)时,拱圈混凝土应按全拱圈宽度,自两端拱脚向拱顶对称地连续浇筑,并在拱脚混凝土初凝前浇筑完毕。如果预计不能在规定的时间内浇筑完毕,应在拱脚处预留一个隔缝,最后浇筑隔缝混凝土。

当拱桥跨径较大(一般大于16m)时,为了避免拱架变形而产生裂缝以及减少混凝土收缩应力,拱圈应采取分段浇筑的施工方案。分段位置的确定是使拱架受力对称、均衡、拱架变形小为原则,一般分段长度为6～15m。分段浇筑的程序应符合设计要求,且对称于拱顶,使拱架变形保持对称、均衡和尽可能地小。但应在拱架挠曲线为折线的拱架支点、节点、拱脚、拱顶等处设置分段点并适当预留间隔缝。间隔缝的位置应避开横撑、隔板、吊杆及刚架节点等处；间隔缝的宽度一般为50～100cm,以便于施工操作和钢筋连接；为了缩短拱圈合拢和拱架拆除的时间,间隔缝内的混凝土可用强度比拱圈高一等级的半干硬性混凝土。

对于大跨径的箱形截面的拱桥,一般采取分段分环的浇筑方案。分环有分成二环浇筑和分成三环浇筑两种方案。分成二环浇筑是先分段浇筑底板(第一环),然后分段浇筑腹板、横隔板及顶板混凝土(第二环)；分成三环浇筑是先分段浇筑底板(第一环),然后分段浇筑腹板和横隔板(第二环),最后分段浇筑顶板(第三环)。图7.19所示的是箱形截面拱圈采用分段分环浇筑示意。

图7.19　分段分环浇筑施工程序

(2)在拱架上组装并现浇箱形截面拱圈

在拱架上组拼箱形截面拱圈是一种预制和现浇相结合完成拱圈全截面的施工方法,只需较少的吊装设备,施工安全简便,主要适用于箱形截面板拱和箱肋拱桥。

箱形截面拱桥在拱架上组装腹板时,应从拱脚开始,两端对称到拱顶,横向应先安装两箱肋的内侧腹板,后安装肋间横系梁,最后安装边腹板及箱内横隔板；每安装一块,应立即与已安装好的一块腹板及横隔板的钢筋焊接,接着安装下一块；预制块组装完后,应立即浇筑接头混凝土,以保证拱架的稳定,接头混凝土应由拱脚向拱顶对称浇筑；待接头混凝土达到设计强度等级后,从拱脚向拱顶浇筑底板,完成整个箱形拱肋的施工。箱形肋拱桥的施工程序与箱形板拱桥基本相似。

3)装配式钢筋混凝土拱桥施工

装配式混凝土(钢筋混凝土)拱桥的施工方案主要采用无支架或少支架施工,因而在无支架或少支架施工的各个阶段,对拱圈(肋)必须在预制、吊运、搁置、安装、合拢、裸拱及施工加载等各个阶段进行强度和稳定性的验算,以确保桥梁的安全和工程质量。对于在吊运、安装过程中的验算,应根据施工机械设备、操作熟练程度和可能发生的撞击等情况,考虑1.2～1.5的冲击系数。在拱圈(或拱肋)及拱上建筑的施工过程中,应经常对拱圈(或拱肋)进行挠度观测,以控制拱轴线的线形。

肋拱、箱形拱的无支架施工包括扒杆、龙门架、塔式吊机、浮吊、缆索吊装等吊装方案,而缆索吊装是应用最为广泛的施工方案。这里主要阐述缆索吊装施工。

根据拱桥缆索吊装的特点,其一般的吊装程序为：边段拱肋的吊装并悬挂,次边段的吊装并悬挂,中段的吊装及合拢,拱上构件的吊装等。

(1)吊装前的准备工作

缆索吊装前的准备工作包括预制构件的质量检查、墩台拱座尺寸的检查、跨径与拱肋的误差调整等工作。

(2)缆索吊装设备

缆索设备(见图7.20)是由主索、天线滑车、起重索、牵引索、起重及牵引绞车、主索地锚、塔架、风缆、主索平衡滑轮、电动卷扬机、链滑车及各种滑轮等部件组成。在吊装时,缆索设备除上述各部件外,还有扣索、扣索排架、扣索地锚、扣索绞车等部件。缆索设备适用于高差较大的垂直吊装和架空纵向运输,吊运量从几吨到几十吨范围内变化,纵向运距从几十米到几百米。

图7.20　缆索吊装布置示意图

缆索吊装设备在使用前必须进行试拉和试吊。试拉包括地锚的试拉、扣索的试拉。试吊主要是主索系统的试吊,一般分跑车空载反复运转、静载试吊和吊重运行3个阶段。在各阶段试吊中,应连续观测塔架位移、主索垂度和主索受力的均匀程度；动力装置工作状态、牵引索、起重索在各转向轮上的运转情况；主索地锚稳固情况以及检查通讯、指挥系统的通畅性能和各作业组之间的协调情况。试吊后应综合各种观测数据和检查情况,对设备的技术状况进行分析和鉴定,提出改进措施,确定能否进行正式吊装。

(3)拱肋缆索吊装

三段和五段缆索吊装螺栓接头拱肋吊装就位的方法基本相似,这里重点阐述五段缆索吊装方案。首先是边段拱肋悬挂就位,在无支架施工中,边段拱肋和次边段拱肋的悬挂均采用扣索,扣索按支承扣索的结构物的位置和扣索本身的特点可分为天扣、塔扣、通扣和墩扣等类型,如图7.21所示。

图7.21　边段拱肋悬挂方法(单位：m)
1—墩扣；2—天扣；3—塔扣；4—通扣

调整定位后接头标高应比设计标高高15～20cm。第二步次边段拱肋吊装定位,由于次边段拱肋吊装定位于边段拱肋的端头上,次边段定位后,上、下接头处的预加高度应近似控制在Δy上=2Δy下(Δy上、Δy下分别指次边段定位后上、下端头的预加高度)；次边段定位完成后,应使Δy下约为5cm,Δy上约为10cm,中线偏差不超过1～2cm,如果变化值超过5～10cm时应及时调整,以防接头附近拱肋开裂。最后拱顶段拱肋定位,拱顶段就位时,需要用两部水准仪观测两侧4个接头标高,并用经纬仪观测和控制拱肋中线。拱肋拱顶段定位后焊接接缝,其合拢如图7.22所示。

图7.22　三段、五段吊装单肋合拢示意图(图中数字为施工程序号)
1—基肋；2—风缆；3—边段；4—横夹木；5—次边段

(4)拱肋施工稳定措施

拱肋的稳定包括纵向稳定和横向稳定。拱肋的纵向稳定主要取决于拱肋的纵向刚度,在拱肋的结构设计中已考虑了裸拱状态下的纵向稳定,只要在吊装过程中控制好接头标高、选择合适单位接头形式、及时完成接头的连接工作,使拱肋尽快由铰接状态转化为无铰状态,就能满足纵向稳定,如采用稳定缆风索、临时横向连系等措施。而拱肋的横向稳定,只有在拱肋形成无铰拱,并在拱肋之间用钢筋混凝土横系梁联结成整体后才能保证,但在施工过程中一片或两片拱肋的横向稳定,必须通过设置缆风索和临时横向连系等措施才能实现,如采用下拉索、拱肋多点张拉等措施。

4)钢管混凝土拱桥

钢材在弹性工作阶段时,其泊松比变动很小,为0.25～0.30,而混凝土的泊松比是随着纵向力的增长从低应力的0.167左右逐渐增至0.5,接近破坏时将超过0.5。因此,内填型圆钢管混凝土随着轴向力的增大,混凝土的泊松比迅速超过钢管的泊松比,使得混凝土的径向变形受到钢管的约束而处于三向受力状态(见图7.23),其承载力大大提高。同时,钢管的套箍作用大大提高了混凝土的塑性性能,使得混凝土,特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。另一方面,混凝土内填于钢管之内,增强了钢管的管壁稳定性,刚度也远大于钢结构,使其整体稳定性也有极大的提高。

图7.23　钢管混凝土受力示意图

钢管混凝土结构是属于钢-混凝土组合结构中的一种,根据钢管与混凝土的组合关系,可分为内填型和内填外包型两种。内填型钢管混凝土根据有无配筋,可分为配筋型和不配筋型两种。一般所指的钢管混凝土均指不配筋型。配筋型的还可分为配纵筋(或螺旋筋)和配钢管束的。在钢管混凝土中配纵筋的主要目的是为了满足这种结构构造或连接方面的要求；配钢管束是为了进一步提高承载力。

(1)钢管混凝土材料

①钢管的加工制作

用于直缝焊接管的钢板在下料之前应根据设计图纸绘制加工图,其内容包括按杆件编号的加工大样图、厂内试拼简图工地试拼简图和堆放与发送顺序图等。卷管方向应与钢板压延方向一致；在卷板过程中,应注意保证管端平面与管轴线垂直。为了满足小直径钢管接缝处的圆度要求,可在卷管前沿钢板边缘15cm左右进行局部压圆。卷管后应进行校圆,校圆分整体校圆和局部校圆两道工序,整体校圆可在卷板机上进行,也可在整体校圆夹具上进行；局部校圆采用薄钢板剪成直径为钢管内径的圆弧的一部分作为样板,将样板内靠筒体口附近进行检查。校圆后的筒体直缝焊接采用自动焊,板端坡口应在卷管前开好。

②钢管骨架加工制作

钢管拱肋骨架的弧线当采用直缝焊接管时,由于管节较短(通常在1.2～2.0m),可以采用分段直线逼近,相邻管节长度不应过于悬殊；当采用螺旋焊接管时,由于管节较长(一般为12.0～20.0m),则应将其弯成弧形。

对于桁式拱肋的钢管骨架,弦杆与腹杆及平联的连接尺寸和角度必须准确,连接处的间隙应按板全展开图要求进行放样。焊接时应根据间隙大小,选用适当直接的焊条,其焊接顺序应考虑焊接变形的影响,由焊接工艺试验确定,要求焊接变形及焊接残余应力最小。

③管内混凝土制备

为了便于混凝土的浇筑,要求混凝土的坍落度大、和易性好,且不泌水、不离析,同时为充分发挥钢管的套箍作用,要求混凝土的收缩率小,填充饱满,因此主要靠外加剂来解决。

为了满足混凝土强度、和易性要求,常采用减水剂以降低用水量,减少水灰比,增大混凝土流动性,提高混凝土强度和耐久性。

(2)钢管混凝土拱桥的施工技术

钢管混凝土拱桥的拱肋形成分钢管拱肋的形成和管内混凝土的浇灌,因此,钢管拱肋既是结构的一部分,又兼作浇灌混凝土的支架和模板。拱肋的安装方法有：无支架缆索吊装；整片拱肋或少支架浮吊安装；少支架缆索吊装；吊桥式缆索吊装；转体施工；支架上组装；千斤顶斜拉扣挂悬拼等。以下仅对悬臂拼装作简要介绍。

①悬臂拼装

采用劲性骨架浇筑拱肋是先将拱肋的全部受力钢筋按设计要求的形状和尺寸制成,并安装就位合拢形成钢骨架,然后在钢骨架上逐段在钢骨架外浇筑混凝土而形成钢筋混凝土拱肋。钢骨架不仅能满足拱肋的要求,而且在施工中还起临时拱架的作用。悬臂拼装的拼装顺序如图7.24所示。

图7.24　钢管拱肋拼装流程示例
注：图中阿拉伯数字表示吊装就位顺序；罗马数字表示钢骨架分段

作为劲性骨架的钢筋一般选用型钢(如工字钢、槽钢、角钢等)、钢管等作为拱肋的受力钢筋。采用型钢劲性骨架混凝土拱肋是用型钢作为弦杆、腹杆而组成空间桁架结构,分段制作成钢骨架,然后吊装合拢成拱,再利用钢骨架作为支架,按一定的浇筑程序分段分环(层)浇筑拱肋混凝土直至形成设计拱肋截面；采用钢管混凝土劲性骨架混凝土拱肋的施工程序与采用型钢劲性骨架混凝土拱肋相似,只是由钢管形成钢骨架后,即可浇灌管内混凝土而形成钢管混凝土劲性骨架。

由于钢管混凝土劲性骨架中,先浇的混凝土凝结成形后可作为承重结构的一部分与劲性骨架共同承受后浇各部分混凝土的重力,同时,钢管中的混凝土也参与钢骨架共同承受钢骨架外包混凝土的重力,从而降低了钢骨架的用钢量,减少了钢骨架的变形,因此,利用钢管混凝土作为劲性骨架浇筑拱肋的方法比用型钢作为劲性骨架浇筑拱肋的方法更具优越性。图7.25是钢管混凝土拱肋缆索吊装示意图。

②管内混凝土浇筑工艺

钢管混凝土拱肋的管内混凝土有泵送顶升、高位抛落和人工浇捣等3种浇筑方法。人工浇捣是用索道吊点悬吊活动平台,在平台上分两处向管内浇灌混凝土。加载顺序是从拱脚向拱顶对称、均衡地浇灌,并可通过严格控制拱顶上帽及墩台位移来调整浇灌顺序,以使施工中钢管拱肋的应力不超过规定值。泵送顶升是在两拱脚设置输送泵,对称泵送混凝土；泵送时应在钢管上每隔一定距离开设气孔,以便减少管内空气压力；在泵送时应按设计规定的浇灌顺序浇灌,如设计无规定,应以有利于拱肋受力和稳定性为原则进行浇灌,并严格控制拱肋变形。图7.26为桁式钢管混凝土拱肋采用泵送顶升浇灌法施工示例。

图7.26　泵送顶升法浇灌管内混凝土示例

思考题

1.桥梁上部结构的施工方法有哪些?各有何特点?

2.桥梁的常备式结构与常用的主要施工设备有哪些?

3.装配式桥梁的架设安装方法有哪些?

4.利用人字桅杆安装桥梁上部构件的特点、构造及使用要求是什么?

5.用钢桁架导梁安装桥跨上部构件的特点及施工工艺是什么?

6.预应力混凝土连续梁桥的施工方法有哪些?各有何特点?

7.悬臂施工法可分为哪几类?各有何特点?

8.试简述挂篮和吊机的构造和设计要求。

9.块件悬臂拼装的接缝有哪几类?接缝的施工要求和程序是什么?

10.拱桥的施工方法有哪些?各有何特点?

11.拱架的种类有哪些?对拱架的要求是什么?

12.拱架的卸架方法有哪些?其卸架程序是什么?