系杆拱桥施工技术

概述

系杆拱是一种无推力的拱式组合体系，通过将主要承受压力的拱肋和主要承受拉力的系杆组合起来，共同承受荷载，这样就充分发挥被组合的简单体系的特点及组合作用，以到达节省材料和降低对地基的要求的目的。

系杆拱桥是外部静定结构，兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点，因此在桥面高程受到限制而桥下又要求保证较大净空〔桥下净跨和净高〕，或当墩台根底地质条件不良易发生沉降，但又要求保证较大的跨度时，要优先采用系杆拱桥。

系杆拱结构

系杆拱桥一般由拱肋、吊杆、系杆、横梁、桥面系等组成。结构见图1。拱肋一般为钢筋砼或钢管拱结构。系杆一般为型钢或预应力钢筋砼结构。吊杆一般为预应力钢筋砼、圆钢或高强钢丝束。

图1

系杆拱结构

系杆拱桥施工工艺

3.1

系杆拱桥常用施工方法

系杆拱桥根据拱肋和系杆相对刚度不同，分为柔性系杆刚性拱〔EI拱/EI系＝80～100〕、刚性系杆柔性拱〔EI拱/EI系<1/80〕、刚性系杆刚性拱〔EI拱/EI系＝1/80～80〕。对于柔性系杆刚性拱桥，由于系杆只承受拉力，施工时抗弯能力较差，多采用就地现浇法施工；对于刚性系杆柔性拱，由于刚性系杆作为偏心受拉构件，有抵抗拉力和弯矩的能力，可采用就地现浇法施工或预制装配法施工；对于刚性系杆刚性拱桥，由于系杆和拱肋刚度大，均能承受轴力和弯矩，施工中可采用就地现浇法施工、整体拼装施工或整体拖拉〔顶推〕施工。实际施工中，由于场地和其它条件限制，多种方法可交叉使用。

下面介绍常用的系杆拱桥施工方法：先梁后拱的施工方式，设临时支墩，拖拉架设支架粱，在支架梁上立模现浇系梁，张拉局部预应力索，再在系梁上搭设支架安装并焊接钢管成钢管拱，然后由拱脚向拱顶对称泵送无收缩混凝土形成钢管混凝土拱肋，安装并张拉吊杆，撤除系梁支架，调整好吊杆力，施工二期恒载及桥面系，复测并调整吊杆索力至设计值，至此，系杆拱桥施工完成；

3.2

施工工艺

3.2.1

施工工艺框图〔见图2〕

临时支墩安装

支架梁组拼

支架梁拖拉就位

系杆施工

在系杆上搭设支架

在支架上安装拱肋及横向连接

拱肋砼浇筑

安装吊杆

撤除支架梁

安装横梁

桥面系施工

局部预应力张拉

图2

系杆拱桥施工工艺框图

3.2.2

临时支墩施工

临时支墩在桥孔内设置，拖拉时要承受拖拉的反力、纵横向风载、支架梁上下墩和墩顶移动时的水平荷载及拖拉中产生的冲击力，系杆现浇时要承受系杆的自重及施工荷载，因此要具有足够的强度和刚度。临时支墩由根底、墩身、顶面滑道及上墩下墩设施等组成。根底一般为桩基，墩身用万能杆件或贝雷架组拼。上墩下墩设施采用牛腿及千斤顶：在支架梁前端焊一牛腿，在临时支墩墩顶及牛腿间设置千斤顶。千斤顶底座下布设小滚轴，一面顶起一面移动，直到支架梁的上滑道到达支墩顶面受力后，再撤除千斤顶。

3.2.3

支架梁组拼

支架梁为连续梁，既要保证拖拉时不变形，又要保证作为系梁现浇时的支撑，要具有足够的刚度。根据计算支架梁采用单层双片式**式军用梁拼装而成。长度为：跨度＋12米。支架梁的拼装在事先搭好的平台上进行，宽度为10米，长度不小于35米。用设在平台两侧的龙门吊将杆件吊至平台上，当拼装长度到达30米后，开始拖拉，拖拉一段，拼装一段，直到到达设计长度。

3.2.4

支架梁拖拉

支架梁前端布置牵引系统，包括锚锭、定滑车组、动滑车组、穿绕的钢丝绳等。牵引动力为单卷筒慢速电动卷扬机。钢丝绳通过转向滑车接入卷扬机。下支架梁前方设置制动系统，包括与牵引系统相同的滑车组、钢丝绳和卷扬机等。

3.2.4.1

滚移设施和滑道的设置

滚移设施和滑道的结构见图3。

图3

滚移设施和滑道的结构

⑴滑道设置

对设在支架梁底面和支墩顶面的上下滑道，要求有充分的长度，外表平整，刚度大，能均匀分布反力，结构简单，拆装方便，两端易于吞吐辊轴或滑块。对于支架梁底面的上滑道由纵向垫木、枕木、滑道钢轨及吊枕几局部组成。纵向垫木与支架梁等宽，滑道钢轨一般选用38公斤以上的钢轨，1-3跟并列，用道钉反钉在横木上，钢轨间距15-16毫米。支墩顶下滑道与上滑道相对，钢轨数目比上滑道多1-2跟，一般为2-4跟。下滑道长度依据顺桥向宽度决定。

⑵滚滑设施

滚滑设施包括滑板、辊轴、滚轮箱、走轮和聚四氟乙烯滑块等。滑板一般采用较厚的钢板，在钢板两侧焊接角钢作为导向，滑道顶面涂润滑油。辊轴一般可采用圆钢截锯使用，荷载较大时须经过镟削加工并经过热处理。

3.3.4.2　牵引设施

牵引设备采用单卷筒慢速电动卷扬机。牵引动力按下式计算

F=KΨQ＋GQ

F：牵引力

Ψ:滑道摩擦系数

Q：下支架梁自重

G：坡度

一般将F取为下支架梁自重的5％。在施工实践中为了便于控制下支架梁前进方向和速度，要设置制动设施，制动设施所需牵引力为：

F=K(0.4AW-ΨQ+GQ)

K：平安系数，一般为3-5

A：下支架梁横向受风面积

W：风荷载强度

Ψ:滑道摩擦系数

Q：下支架梁自重

G：坡度

3.3.4.3　下支架梁拖拉

开动卷扬机，缓慢牵引下支架梁前移，下支架梁没上第一个支墩前，要保证下支架梁的重心在拼装平台上。为改善在牵引过程中，出现的脉冲式跳跃前进现象，需尽可能缩短钢丝绳长度，加粗钢丝绳直径，换用大功率的滑车组。为保证拖拉方向，需在下支架梁外侧安装导向角钢；在支墩两侧安装侧向支架，内置千斤顶调整下支架梁横向位置。在拖拉过程中，要做好中线的观测工作，遇有偏斜时随时纠正。纠正方法是打斜局部辊轴，使下支架梁转移。纠正时不要操之过急，否那么会发生摇晃、滑道变形等情况或事故。

3.2.4　系杆施工

3.2.4.1　系杆钢筋砼施工

下支架梁拖拉就位后，在上面即可进行系杆现浇钢筋砼施工。系杆一般为预应力钢筋砼结构，断面为工字型。施工顺序：立模→钢筋绑扎→砼浇筑。

3.2.4.2　系杆预应力张拉要领

预应力钢束的张拉一般应分期分批进行。由于施工过程中的一期和二期恒载是通过拱肋逐步传递给系杆的，即拱肋传递给系杆的推力是随工况逐步增加的，所以，预加应力宜与施工中逐步增加的拱脚水平推力同步，以使系杆中产生的恒载拉力与预加应力相互平衡，防止过度集中施加预应力时可能出现的压杆失稳、截面压应力超限及截面局部开裂。对应于一期和二期恒载，预应力钢束可分为两期张拉，每期张拉又可划分为与工况对应的批数。

一期预应力需考虑的内容有：

a.一期恒载产生的系杆拉力。即形成系杆拱体系后，拱胁、系杆〈纵梁〉、横梁及行车道板的自重在拱脚部位产生的水平推力。

b.平衡一期恒载的系杆纵梁〉弯曲拉应力。

c.一期预应力损失。

d.一期预应力储藏量。

一期预加应力总值表示为

Ny1=NG1

+

NM1

+

Ns1

+

△Ny1

⑴

二期预应力是在系杆拱的外部静定体系形成以后张拉。此时，一期恒载产生的拱脚推力已与一期预应力抵消，应力损失较大。二期恒载产生的拱脚水平推力、系杆〈纵梁〉弯曲拉应力，活载所需之永存预应力等都必须在二期预应力中施加。同时由于一期预应力是随工况的进展而逐步施加的，故对拱肋内力一般无明显影响；但因系杆拱的拱轴系数没有多少选择余地,装配成形的拱肋在其自重作用下必然存在一寇数量的正弯矩，故需在二期预应力施加过程中对拱肋弯矩进行调整。通常是在二期预应力施加过程中，有意识地加大张拉吨位，使系杆〔纵梁〕产生压缩变形，造成两拱脚对称地向跨中相对移动微小位移，从而在拱肋中形成附加的负弯矩，以便抵消拱胁自重产生的正弯矩。因此，二期预应力总值表示为

Ny2

=

NG2

+

NM2

+

NS2

+

△Ny2

+

Ny

⑵

在式⑴

和⑵中：

Ny1、Ny2

—一

一期和二期预应力总值；

NM1、NM2

一一

为平衡一期、二期恒载在系杆〈纵梁〉中产生的弯曲拉应力所需之预应力；

NG1、NG2

一一

为平衡一期、二期恒载作用下拱脚水平推

力所需之预应力；

NS1、NS2

一一

一期和二期预应力损失；

Ny

一一

抵抗活载的永存预应力；

△Ny1、△Ny2

一一

一期和二期预应力储藏量。△Ny2中还应

包括使两拱脚向路中产生相对位移所需之预应力。

3.2.5　钢管拱肋施工

3.2.5.1　钢管拱肋加工

钢钢管拱在工厂内加工，采用组对预拼一体化施工，即在1:1大样场地上组对，一个单元体完成后，不运走，下一个单元体组对过程中兼顾对口情况，这样，一个单元体出台后，即可发运安装，不必集中预拼运输，节约了场地，减少了工作量，为安装争取了时间。

为保证加工质量，加工前制定了详细的工艺流程如下：

材料复检→放样划线→检查→切割下料→刨边坡口加工→检查→肋管卷制→焊接→检查→肋管组对、焊接→检查→腹板拼焊→检查矫圆

3.2.5.2　支架施工

根据拱肋分段，在每个接头处设一支架墩，支架墩支在已浇筑成型的系梁上。支架墩采用万能杆件拼装。支架墩两侧向埋设专用地锚，将支墩顶部拉住，加强稳定，纵向也以钢丝绳拉住，以抵抗架拱时的纵向推力。结构见图4。

图4

支架结构

3.2.5.3

钢管拱肋安装

单元体运至现场后，即可开始安装，安装采用缆索吊。缆索吊采用拉固在墩位的横向拉索充当临时缆风。扣索通过2×4米万能杆件单悬臂临时塔架〔扣塔〕，锚固到缆吊主锚位置的预留索位上〔即：通扣〕。预留索与塔扣之间通过滑轮组连接，卷扬机提供收缆动力。

根据墩帽施工要求，先将拱脚段安装，然后再安装其他单元体，安装顺序为：

施工准备→拱脚安装→立柱柱脚→安装横撑→安装第二单元体→安装立柱柱脚→安装横撑→安装第三单元体→安装立柱柱脚→安装横撑→安装第四单元体〔合拢段〕→安装立柱柱脚→安装横撑→安装斜撑→防腐油漆→工程验收

⑴拱脚段安装

根据钢管拱拱脚部位的结构形式，为保证安装精度，拱脚在墩帽浇筑前进行安装，拱脚安装前，在墩身平台上安装板凳支座，墩身顶面已在相应位置预埋了钢板，板凳支座与预埋钢板焊接牢固，拱脚段前端临时支墩上搭好平台，平台上放置活动支座。

拱脚吊装前，分别在板凳支座及活动支座放出该段的安装中心十字线，点焊挡板，并调整相应标高，然后将拱脚段吊装就位，进行拱管中心线及拱管标高的测量、调整，到达要求后，在下端以型钢斜撑将拱脚固定。固定时在拱管两侧各加一根Ib25工字钢，以固定左右位置，在腹板两侧与腹板平行方向各加一根Ib40工字钢，Ib40工字钢上部顶在N1板内侧，下端在预埋钢板上，以防止拱肋的轴向位移。同时在下管下缘加一根Ib40工字钢，以增加垂直受力点，防止下管因受力过大而变形。这样，拱脚下端就完全固定，使拱肋架设时不会因温度和加载的影响导致拱脚向下位移及左右偏位，在拱脚段上端以倒链、钢丝绳固定，然后即可开始安装柱脚及横撑，见图4。

⑵单元体安装

根据安装顺序，厂内按编号发运单元体，单元体安装前，在接口处的临时支墩上搭好平台，平台距拱肋下缘的距离控制在0.5-1m之间，放好临时活动支座。

单元体吊装时，在两端各挂两个倒链，根据其安装角度，将导链长度调整至根本适宜的范围内，以减少空中工作量。使用缆索吊将单元体吊至安装位置，平稳下落，在即将到位时，调整倒链，使前端稍高，后端与已安装段对口，然后再下落，将前端落至准确位置，临时支座焊接牢固。整个安装过程中，测量要跟踪作业，保证安装位置准确。调整完成后，以钢丝绳、倒链固定，开始焊口整形。一组单元体安装好后，及时将该段内的横撑安装，以增大刚度，抵抗温度变形。横撑装好，开始拱肋接口焊接。

⑶立柱柱脚及横撑的安装

柱脚是横撑安装的固定点。先在拱背上准确放出柱脚的位置，然后吊装就位。横撑分两段安装，安装时，在缆索吊横梁下再吊一根扁担梁，Ⅰ段悬于扁担梁上，吊至安装位置，将扁担梁固定在柱脚上，缆索吊移走，调整Ⅰ段的位置。Ⅱ段先安装上、下两节管，然后上腹板。Ⅱ段一般预留100m余量，根据实际量测量结果再修正。为防止焊接引起拱肋收缩变形，每单元体横撑安完后，应在下一组单元体及其横撑安装完成后，再焊接。

⑷合拢段的安装

墩帽砼强度到达80%方可进行合拢段的安装。合拢段是钢管拱形成的关键，起到调整全拱单元体焊接收缩、热膨胀、线型等重要作用，并完成体系的转换，因此必须制定详细的方案，准确量取数据。

首先，对环境温度进行连续测量至少48小时的数据，确定合拢的最正确时间。本桥的合拢温度为10-15℃，因此决定在夜间最低温度时进行，同时，测量合拢口的距离，与确定的合拢温度时合拢段长相比拟，留出适当间隙量，切割下料，一次切出坡口打磨合格，每根管的测点不少于8个，以保证数据准确。

考虑合拢的对称性，半幅两条拱肋必须连续完成，以免温度变化时造成拱肋偏移。根据合拢操作所用的时间，决定每晚合拢两条拱肋即半幅。晚上派专人观测温度变化，一矣气温降至合拢温度，马上开始作业，操作过程应平稳进行，第一个合拢段就位后，马上进行第二个合拢段吊装，同时进行第一个合拢段的修口、固定、点焊。两条拱肋全部合拢后，四个接口每个接口两个电焊工同时开始对称连续作业，直至全部焊完。之后，测量中线、标高与设计安装轴线进行核对，合格后安装横、斜撑。

3.2.5.4　拱肋砼灌注

钢管拱全部合拢验收合格后，即可落架。落架前，将各拱肋的观测数据做好，便于以后比照。将拱上荷载近似按均布考虑，根据其变形曲线和支架布置情况，决定落架顺序为：首先将拱脚处两支点同时解除，第二步将中间的支架同时解除，最后是L/4附近的支架解除，完成落架。每半幅的两条拱肋要同时落架。落架后，观测拱肋的变形，本桥跨中最大下沉量在2-3cm之间。

拱管混凝土为C50无收缩砼，要求较高。为满足设计要求，制定了施工工艺如下：

复测→安装注浆管、泵→两边同步压注腹板砼〔先压水泥浆润湿管壁，以下同〕→两边同步压注下管砼→两边同步压注上管砼→再次复测→砼填充度检查

砼压注时，为使砼压注过程中排气及上端离析砼的溢出，在每个压注单元最高处开孔，以φ80mm钢管接出。

腹板压注砼时其上间隔1m加装φ28拉杆，以抵抗混凝土的侧压力。

每个拱脚处布有三个压浆孔，要尽量错开布置，不得位于同一横截面上。压浆管与拱管的夹角小于30°，泵管连接简洁，尽量减少弯头，以减小砼的压注阻力。压浆口的切割应根据30°投影以样板划线切割，一次成型。压浆管要伸入拱管内10--20cm，焊接牢固，泵管的连接牢固紧密，不漏浆。

混凝土的压注由拱脚向拱顶对称均匀连续进行压注，两边的砼压注量尽量保持一致，防止拱肋偏压变形，压注要一次完成。压注砼前，先压入一定量的水泥浆，以润滑管壁，减少砼失水造成坍落度损失。压注过程中，人工随时敲打管壁，观察压浆速度，当发现一方过快时，应暂停，待另一侧压至同一位置时，再继续压注，另外，要密切注意泵压，当发现泵压突然增大时应立即停止压浆处理。砼压满时，从排气孔中溢出，此时应继续压注，将离析浆液排出，待溢出均匀的时，即可认为已压满。压浆后，泵压保持，以气焊烘烤压浆管，使管内砼速凝干硬，待完全固化后，撤除泵管。

3.2.6　吊杆施工

吊杆采用预应力混凝土吊杆，施工时在拱肋中预埋穿束管道，墩头处设置锚垫板，锚垫板下设数层水平钢筋网，以便将锚头集中力迅速传至混凝土截面中。对于拱肋顶板的预留孔洞，待全桥完成后，需要作便于检修及调索的遮盖。吊杆下端应将钢筋伸进系杆混凝土内，以保证受力效果。

吊杆施加预应力是系杆拱进行体系转换的关键工序，一方面具有裸拱加载的特点，另一方面是桥面行车道系从弹性地基梁转换成梁端弹性固结、吊点弹性支撑的弹性支撑连续梁，从而完成系杆拱的体系转换及受力特点。为了保证拱肋纵向和横向的稳定性，同时由于结构特殊性和体系转换时重量较大，因此吊杆预应力的张拉工序遵循了慢、细、严的准那么。慢：吊杆预应力总值并不大，但分为三期加载，使加载时间拉长，体系转换缓慢进行。第三期为复核张拉，使一期与二期预应力总和乘以1.02～1.10的提高系数。细：每批张拉都仔细地做了四项工作：〔1〕双控张拉；〔2〕加载分期加密，缩小步长；〔3〕测量纵梁的水平位移，观察钢绞线的变化。严：张拉一、二期预应力时，吊杆分批加载，顺序严格以拱顶分别向两侧推进。吊杆一、二期预应力每批张拉是先中片后边片。第三期预应力那么顺序相反，先边片后中片，每片中吊杆张拉顺序也与前两期顺序根本相反。第三期为复核张拉，以检查和补足一、二期预应力的总值，并调整纵梁下沉吊杆。第三期复核张拉结束后，拱肋与纵梁上的吊杆预留孔和吊杆套管内，均用砂浆压实并封锚，吊杆套管与拱肋、纵梁连接处焊牢。

4　施工考前须知

4.1在支架上安装钢管拱时，支架与拱的联结不宜过强。支架的纵向刚度一般不会太大，拱的轴向刚度较大，因而纵向温度力很大，如联结过强，那么导致支架前倾，不利于稳定，所以联结应适度，使拱肋前端自由变形，掌握其规律，加以控制。架设单元体时，应根据时间、温度确定其温度变形的方向，预设一反向预偏量，保证其方向在合拢温度时正确，否那么其调整相当困难，另外在单元体安装时，应有意识地向横向外侧预留一预偏量，以抵消横向联结系焊接时向内的收缩；

4.2关于拱管与腹板连接的焊接问题，应以等强为原那么。此处的焊缝受力状态是不利的，焊缝过强其作用并不大，而且还损伤拱管，在压浆时腹板上加拉杆以平衡砼的压力，因此，焊缝高度以拱管厚度控制为宜；

4.3钢管拱压浆结束后，无论拱管内的压力有多大，砼凝固后在拱顶部位仍存在一定的空隙，这是由于砼的自然沉落密实等原因造成的，实践中发现与掺膨胀剂的关系也不太大，为保证拱管内的密实，应钻孔补浆。