CN113215956A - 预制装配化空心钢管混凝土拱桥及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装配式拱桥施工领域，具体地指一种预制装配化空心钢管混凝土拱桥及其施工方法。预制桥面板、空心钢管拱上立柱节段、空心钢管拱肋节段，预制阶段在空心钢管拱上立柱节段和空心钢管拱肋节段内灌注混凝土，将左右边跨空心钢管混凝土拱肋节段现场复拼后与拱脚临时铰接。借助空心钢管预制阶段已灌入混凝土的特点，使用汽车吊对左右边跨拱上立柱施工，并在两个立柱上架设吊装系统。依靠吊装系统，空心钢管混凝拱桥由边跨向跨中装配化施工。本发明专利利用装配式空心钢管混凝土拱肋节段优势，剔除了现场往管内浇灌混凝土施工步骤，解决管内灌注混凝土安全风险问题。使用本发明能实现预制装配化施工，大大缩短施工周期，减轻大跨度桥梁自重，减少施工成本，具有快速化、可靠性高等优点。

Description

预制装配化空心钢管混凝土拱桥及其施工方法

技术领域

本发明涉及装配式拱桥施工领域，具体地指一种预制装配化空心钢管混凝土拱桥及其施工方法。

背景技术

传统钢管混凝土上承式拱桥首先在工厂预制拱肋节段，施工现场在引桥上架设或者自行搭建高耸的缆索吊系统，对钢管拱肋节段吊装，主拱圈合龙后，再往管内灌注混凝土，最后对拱上结构施工。

现有文献《大跨度上承式钢管混凝土拱桥拱肋吊装施工控制》已公开上承式实心钢管混凝土拱桥施工的方法，现场吊装拱肋节段后再整体灌注混凝土，存在整桥自重大，脱空率高和泵送混凝土安全风险大等问题。

现有文献《首座空心圆环钢管砼拱桥设计》已公开下承式空心钢管混凝土拱桥设计方案，现场吊装拱肋节段后再整体灌注混凝土，存在泵送混凝土安全风险和脱空率等问题，同时下承式钢管混凝土拱桥一般不适用于跨越山区地形。

发明内容

针对上述现有技术中的钢管混凝土拱桥中存在的技术问题，本发明提出一种新的预制装配化空心钢管混凝土拱桥及其施工方法。

预制装配化空心钢管混凝土拱桥，包括预制桥面板、预制空心钢管混凝土拱上立柱节段，预制空心钢管混凝土拱肋节段；其中预制空心钢管混凝土拱上立柱节段和预制空心钢管混凝土拱肋节段在预制阶段已经浇注混凝土。

所述预制空心钢管混凝土拱肋节段为多肢格构式结构，所述节段在预制时先制作拱肋节段的上下弦杆，上下弦杆由外圈钢管和内圈钢筋混凝土组成，外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱肋节段的上下弦杆，所述上下弦杆与各联系杆件焊接形成预制多肢格构式拱肋节段，形成钢管—钢筋混凝土形式的截面，在所述拱肋上、下弦杆上弦中部焊接立柱插盒，待力学性能稳定形成所述空心钢管混凝土拱肋节段。

所述预制空心钢管混凝土拱上立柱节段为桁式结构，所述节段在预制时先制作拱上立柱的柱肢，柱肢由外圈钢管和内圈钢筋混凝土组成，外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱上立柱节段的柱肢，将所述柱肢与钢管横撑焊接形成桁式拱上立柱节段，待力学性能稳定形成所述空心钢管混凝土拱上立柱节段。

所述连接接头焊接至多肢格构式空心钢管混凝土拱桥拱肋和桁式空心钢管混凝土拱桥拱上立柱钢骨架两端，所述连接接头能固定外圈钢管与内圈钢筋位置，并且在主拱圈拼装时实现拱肋节段间自动化连接。

所述预制装配化空心钢管混凝土拱桥中，左右边跨拱上立柱需要承受吊装系统等荷载，较其他立柱需要更高强度，所用钢管与混凝土的强度要求更高；左右边跨拱上立柱所连拱肋节段在预制时，竖腹杆使用实心钢管混凝土结构。

预制装配化空心钢管混凝土拱桥的施工方法包括如下步骤：

(1)通过几何非线性和材料非线性的空间建立有限元模型，在有限元模型中将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为多个吊装的节段，确定拱上立柱的数量。

(2)预制空心钢管混凝土拱肋节段、空心钢管混凝土拱上立柱节段和桥面板。

(3)将空心钢管混凝土左右边跨拱肋节段与拱脚临时铰接，使用汽车吊对边跨两根拱上立柱施工，通过对应拱肋上弦中部焊接的立柱插盒连接并固定到对应拱肋上，施工完成后在所述立柱上架设吊装系统，逐一吊装其余空心钢管混凝土拱肋和拱上立柱节段。

(4)相邻两节空心钢管混凝土拱肋节段通过连接接头实现自动化连接，然后在所述连接接头内灌注混凝土保证拱肋间的粘结与传力，以此方法从边跨拱肋节段开始逐节连接各拱肋节段直至合龙拱肋节段。

(5)使用瞬时合龙装置将左右拱肋节段合龙。

(6)主拱圈合龙后，使用边跨立柱上的吊装系统吊装空心钢管混凝土拱上立柱，相邻两节空心钢管混凝土拱上立柱节段通过连接接头实现自动化连接，然后在所述连接接头内灌注混凝土保证拱肋间的粘结与传力，最后使用边跨立柱上的吊装系统吊装桥面板。

进一步地，所述空心钢管混凝管拱肋节段进行吊装施工前，在施工场地对空心钢管混凝土拱肋节段内混凝土端部进行凿毛处理，待主拱圈合龙，在各连接接头灌入混凝土，保证连接与传力。

进一步地，所述边跨拱肋节段在吊装施工时为悬臂状态，在其下部设满堂支架，平衡弯矩和竖直向重力，左右边跨两根拱上立柱安装完毕后将其扣锁与地锚连接，在所述左右边跨拱上立柱上架设吊装系统。

本发明利用空心钢管混凝土拱桥的预制装配化，可以取消现场管内灌注混凝土工序，能够缩短施工工期。在左右边跨立柱上分别架设吊装系统，不用等待引桥施工完成，也不用搭建和拆除高耸临时结构，提高施工效率和经济性。传统施工为主拱圈合龙后整体灌注混凝土，管内混凝土脱空率问题难以解决，预制装配化空心钢管混凝土节段能够保证管内混凝土密实性，可以很好的解决混凝土脱空率问题。在工厂预制空心钢管混凝土节段，能够规避现场主拱圈整体灌注混凝土所带来的安全风险，避免主拱圈泵送混凝土由于管内气压控制不当发生的安全事故。现场悬臂拼装空钢管拱肋节段时，有钢管发生屈曲的风险，预制装配化空心钢管混凝土节段能够避免钢管屈曲风险。在拱肋节段结构中使用空心钢管混凝土，大幅减小拱肋节段自重，使得预制装配化得以实现，也有利于拱桥往更大跨度发展。

附图说明

图1：预制空心钢管混凝土多肢格构式拱肋节段示意图

图2：预制空心钢管混凝土拱上立柱节段示意图

图3：空心钢管混凝土主拱圈拱肋施工示意图

图4：空心钢管混凝土立柱施工示意图

图5：空心钢管混凝土桥面板施工示意图

其中：1—上弦杆；2—下弦杆；3—钢筋；4—空心钢管管内混凝土；5 —空心钢管外圈钢管；6—竖腹杆；7—斜腹杆；8—横撑；9—立柱柱肢；10—立柱横撑；11—空心钢管混凝土拱肋节段；12—左边跨拱上立柱；13—右边跨拱上立柱；14—吊装系统；15—满堂支架；16—拱座；17—吊装系统地锚；18 —立柱锚固装置；19—预制空心钢管混凝土拱上立柱节段；20—钢箱梁桥面板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步的详细说明。

结合具体实施例简述：本桥为主跨482m上承式空心钢管混凝土拱桥。主拱圈共分为56个节段，设置14根拱上立柱，两岸对称施工。

空心钢管混凝土拱肋节段具体制作如下：

通过几何非线性和材料非线性的空间建立有限元模型，在有限元模型中将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为56个吊装的节段，从左边跨向右边跨依次编号1号,2号,3号,......,56号；设置14根拱上立柱，从左边跨向右边跨依次编号1号,2号,3号,......,14号。

分别制作各节空心钢管混凝土拱肋节段11，如图1所示，所述拱肋节段 11主要由上弦杆1、下弦杆2、竖腹杆6、斜腹杆7、横撑8组成，主要材料为钢筋3、空心钢管外圈钢管5和空心钢管管内混凝土4。结合实施例，空心钢管外圈钢管直径为1360mm，在外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，连接接头能固定外圈钢管与钢筋位置，并且保证相邻节段间管内混凝土传力与粘结，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱肋节段的上下弦杆，上下弦杆与各联系杆件通过焊接形成空心钢管混凝土拱肋节段11。

分别制作各节空心钢管混凝土拱上立柱节段19，如图2所示，预制空心钢管混凝土拱上立柱节段为桁式结构，立柱柱肢9为空心钢管，空心钢管外层钢管直径为860mm，柱肢由外圈钢管和内圈钢筋混凝土组成，外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱上立柱节段的柱肢，将所述立柱柱肢9与立柱横撑10焊接形成桁式拱上立柱节段，待力学性能稳定形成所述空心钢管混凝土拱上立柱节段19。

预制装配化空心钢管混凝土拱桥具体施工包括以下步骤：

1.本施工方法为两岸对称施工。开挖施工便道、平整施工场地，方便拱座浇筑和塔吊进场、后续支架架设。开挖和现浇拱座基础，同时进行边坡防护和吊、扣系统地锚施工、引桥施工同时进行

2.使用汽车吊在两岸对称起吊1、2号和55、56号空心钢管混凝土拱肋节段11，1号、55号空心钢管混凝土拱肋节段11与拱座18临时铰接，2号拱肋节段与1号拱肋节段连接接头实现自动化连接，55号拱肋节段与56号拱肋节段连接接头实现自动化连接，1、2号和55、56号拱肋节段连接完成后在其下部架设满堂支架15。满堂支架15架设完毕后使用塔吊对预制空心钢管混凝土拱上立柱节段19进行吊装，形成左边跨拱上立柱12、右边跨拱上立柱13，用扣索将立柱与立柱锚固装置18连接，并在其顶部安装吊、扣塔架，架设吊装系统14，将吊装系统14与吊装系统地锚17连接。

3.使用吊装系统14吊运安装空心钢管混凝土拱肋节段11，吊装顺序为由边跨向中跨对称施工，并扣挂锚固，待10号和47号空心钢管混凝土拱肋节段11安装完成，对拱脚浇注混凝土封固；继续逐节安装拱肋节段11直至合龙段；使用瞬时合龙装置合龙主拱圈，合龙后逐级放松扣索，在各个节点连接接头内灌注混凝土，待新混凝土达到设计强度放松最后一级扣索。

4.利用吊装系统吊装拱上预制空心钢管混凝土拱上立柱节段19，进行节段安装，由边跨向跨中施工搭建其余各个立柱。

5、待立柱施工完毕，遵循对称施工原则，吊装钢箱梁桥面板20，交界墩与左边跨拱上立柱12、右边跨拱上立柱13连接的桥面板最后在引桥上完成。

6、空心钢管混凝土拱桥主体施工完毕，拆除吊装系统和底部满堂支架。安装桥面钢护栏，施工桥面沥青。对全桥钢结构进行防腐处理，竣工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.预制装配化空心钢管混凝土拱桥，包括预制桥面板、预制空心钢管混凝土拱上立柱节段，预制空心钢管混凝土拱肋节段；其中预制空心钢管混凝土拱上立柱节段和预制空心钢管混凝土拱肋节段在预制阶段已经浇注混凝土。

2.根据权利要求1所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥。其特征在于：所述预制空心钢管混凝土拱肋节段为多肢格构式结构，所述节段在预制时先制作拱肋节段的上下弦杆，上下弦杆由外圈钢管和内圈钢筋混凝土组成，外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱肋节段的上下弦杆，所述上下弦杆与各联系杆件焊接形成预制多肢格构式拱肋节段，形成钢管—钢筋混凝土形式的截面，在所述拱肋上、下弦杆上弦中部焊接立柱插盒，待力学性能稳定形成所述空心钢管混凝土拱肋节段。

3.根据权利要求1所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥。其特征在于：所述预制空心钢管混凝土拱上立柱节段为桁式结构，所述节段在预制时先制作拱上立柱的柱肢，柱肢由外圈钢管和内圈钢筋混凝土组成，外圈钢管内侧焊制钢筋固定孔，利用该孔固定纵向钢筋，在纵向钢筋上绑扎环向钢筋，端部焊接连接接头，随后采用旋喷法浇注混凝土，得到空心钢管混凝土拱上立柱节段的柱肢，将所述柱肢与钢管横撑焊接形成桁式拱上立柱节段，待力学性能稳定形成所述空心钢管混凝土拱上立柱节段。

4.根据权利要求1所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥。其特征在于：所述连接接头焊接至多肢格构式空心钢管混凝土拱桥拱肋和桁式空心钢管混凝土拱桥拱上立柱钢骨架两端，所述连接接头能固定外圈钢管与内圈钢筋位置，并且在主拱圈拼装时实现拱肋节段间自动化连接。

5.根据权利要求1所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥。其特征在于：所述预制装配化中空夹层钢管混凝土拱桥中，左右边跨拱上立柱需要承受吊装系统等荷载，较其他立柱需要更高强度，所用钢管与混凝土的强度要求更高；左右边跨拱上立柱所连拱肋节段在预制时，竖腹杆使用实心钢管混凝土结构。

6.预制装配化空心钢管混凝土拱桥的施工方法包括如下步骤：

(1)通过几何非线性和材料非线性的空间建立有限元模型，在有限元模型中将桥头端至桥尾端的每条拱肋分别对称划分为多个吊装的节段，确定拱上立柱的数量；

(2)预制中空夹层钢管混凝土拱肋节段、中空夹层钢管混凝土拱上立柱节段和桥面板；

(3)将中空夹层钢管混凝土左右边跨拱肋节段与拱脚临时铰接，使用汽车吊对边跨两根拱上立柱施工，通过对应拱肋上弦中部焊接的立柱插盒连接并固定到对应拱肋上，施工完成后在所述立柱上架设吊装系统，逐一吊装其余中空夹层钢管混凝土拱肋和拱上立柱节段；

(4)相邻两节中空夹层钢管混凝土拱肋节段通过连接接头实现自动化连接，然后在所述连接接头内灌注混凝土保证拱肋间的粘结与传力，以此方法从边跨拱肋节段开始逐节连接各拱肋节段直至合龙拱肋节段；

(5)使用瞬时合龙装置将左右拱肋节段合龙；

(6)主拱圈合龙后，使用边跨立柱上的吊装系统吊装中空夹层钢管混凝土拱上立柱，相邻两节中空夹层钢管混凝土拱上立柱节段通过连接接头实现自动化连接，然后在所述连接接头内灌注混凝土保证拱肋间的粘结与传力，最后使用边跨立柱上的吊装系统吊装桥面板。

7.根据权利要求6所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥的施工方法，其特征在于：所述空心钢管混凝管拱肋节段进行吊装施工前，在施工场地对中空夹层钢管混凝土拱肋节段内混凝土端部进行凿毛处理，待主拱圈合龙，在各连接接头灌入混凝土，保证连接与传力。

8.根据权利要求6所述的预制装配化空心钢管混凝土拱桥的施工方法，其特征在于：所述边跨拱肋节段在吊装施工时为悬臂状态，在其下部设满堂支架，平衡弯矩和竖直向重力，左右边跨两根拱上立柱安装完毕后将其扣锁与地锚连接，在所述左右边跨拱上立柱上架设吊装系统。

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