一种钢管混凝土拱肋的施工方法
阅读说明：本技术 一种钢管混凝土拱肋的施工方法 (Construction method of concrete filled steel tube arch rib ) 是由 崔镇江 魏建东 王俊林 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：在架设拱肋时,在拱顶位置,两侧的拱肋段间留一间隙,并用钢构件将两侧刚性连接。每侧的拱肋段端部安装有压力施加部。压力施加部包括横隔板、缸体、活塞体。在两侧的拱肋段内压注混凝土后,在间隙内安装千斤顶,对两侧的活塞体施加压力,增加拱肋段内的混凝土压力,并使钢管环向受到拉力。待混凝土终凝后,用钢管片在间隙处连接两侧拱肋段,并去除连接构件,向间隙内压注混凝土,完成拱肋的成型施工。该方法可避免拱肋内混凝土与钢管壁间的脱空和脱粘,且增加的材料和费用低。(When the arch rib is erected, a gap is reserved between arch rib sections on two sides at the arch crown position, and the two sides are rigidly connected through steel members. The end of each rib segment is provided with a pressure applying part. The pressure applying part includes a diaphragm, a cylinder and a piston. After concrete is injected into the arch rib sections on the two sides in a pressure mode, a jack is installed in the gap, pressure is applied to the piston bodies on the two sides, concrete pressure in the arch rib sections is increased, and the steel pipe is pulled in the annular direction. And after the concrete is finally set, connecting the arch rib sections at the two sides by using a steel pipe sheet at the gap, removing the connecting member, and injecting the concrete into the gap to finish the forming construction of the arch rib. The method can avoid the void and debonding between the concrete in the arch rib and the steel tube wall, and the added material and cost are low.)
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，尤其涉及一种钢管混凝土拱肋的施工方法。
背景技术
近些年，钢管混凝土在超高层建筑和大跨桥梁中得到广泛应用，其截面以圆形为主。钢管和混凝土相辅相成，一方面钢管类似箍筋，使得混凝土三向受压，抗压能力增强，另一方面，内填混凝土又解决了钢管潜在的失稳问题。
随着实际工程中钢管混凝土应用的增多，发现很多内部混凝土和钢管内壁存在空隙，空隙厚度大的称为脱空，间隙厚度很小的一般称为脱粘。钢管混凝土拱桥的拱肋暴露在野外，且采用泵送混凝土灌注，一般认为，按照相关的工艺标准进行施工，混凝土的内部即可达到密实。但按常规方法施工的钢管混凝土拱桥，混凝土和钢管间的脱空不可避免。脱空的主要原因是混凝土在形成强度过程中的干缩，使用过程中温度作用下混凝土径向收缩，或钢管径向膨胀造成的二者脱离等。在建筑结构中，主要是这种界面脱离造成径向的脱粘。对于钢管混凝土拱桥，脱空和脱粘主要发生在拱顶段，因为拱顶段相对较平坦，且是整个拱肋的最高部位。脱空直接影响钢管和混凝土的共同作用，且多数设计规范目前尚未考虑脱空的影响。
如何避免钢管混凝土构件的脱空引起了关注。现行的方法主要是采用微膨胀混凝土、缓膨胀混凝土、以及在钢管内壁焊接防脱粘的连接件等。因较多的防脱粘连接件，会增加混凝土泵送的阻力，不能过多设置。目前主要靠混凝土的膨胀增强钢管对混凝土的紧箍力，从而防范脱粘。然而混凝土的体积膨胀量有限，高温使钢管的膨胀作用更大，因此，混凝土和钢管的脱粘不可避免。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种钢管混凝土拱肋的施工方法。
发明采用的技术方案：使拱肋内的混凝土在受到外加压力的状态下终凝成型，避免在随后的使用过程中脱粘，具体的施工方法包括以下步骤：
S1：钢管段的制作制作各钢管段；在拱肋顶部钢管段的端部焊接横隔板，横隔板中部连接圆筒状的缸体，缸体的外端临时固定有活塞体，活塞体的加载面朝外；
S2：安装钢管段吊装拱肋的各个钢管段，在拱顶留一间隙，间隙两侧为上一步骤中制作的顶部钢管段，横隔板靠近间隙；调整各钢管段标高，符合设计要求后，焊接相邻钢管段；拱顶间隙两侧的顶部钢管段，焊接连接钢构件；
S3：压注混凝土向拱顶两侧的拱肋段内压注混凝土，确保压注饱满，混凝土上表面和钢管间没有滞留空气；
S4：施加压力向间隙内吊放并安装加力设备，撤除缸体和活塞体间的临时固定措施，加力设备对两端的活塞体施加顶推力；靠近拱顶的钢管外表面安装有应变计，监测钢管的环向应力，以设定的环向应力限值，控制顶推；在混凝土达到设定强度前，维持此顶推力；
S5：完成间隙段的混凝土灌注移除加力设备，用钢管片连接间隙两侧的拱肋段，各钢管片连接在一起，组成连接两侧拱肋段的间隙钢管段；向间隙钢管段内压注混凝土；新压注的混凝土终凝并达到设定的强度后，拆除原先跨越间隙的连接钢构件。
优选地，所述混凝土为微膨胀的自密实混凝土，强度等级至少为C60。
优选地，所述活塞体的组成包括端板、侧板、端板的加劲矩形板；侧板为圆筒状，外表面光洁。
优选地，所述缸体为圆筒状，内表面光洁。
优选地，所述活塞体的侧板的远离端板的端部，外侧面上沿圆周有密封槽，密封槽内放置有密封圈。
优选地，所述间隙的宽度、两个临时固定的活塞体的端板间的距离，均大于加力设备的初始长度。
优选地，所述加力设备为液压千斤顶。
优选地，所述拱肋段的中部有密封的横隔板，将拱肋段分为多个压注仓；在步骤S3中，从低到高依次压注两侧对应的压注仓；
优选地，在压注靠近桥面的压注仓时，压注口设在该压注仓的上端，混凝土从压注仓的高端进入压注仓。
优选地，所述钢管片的横向中部靠近连接钢构件，从而避免连接钢构件影响相邻钢管片的焊接作业。
本发明的有益效果为：通过对钢管内刚压注的混凝土施加外部压力，使混凝土更密实；外部压力及混凝土的微膨胀，均使钢管的直径发生膨胀，在混凝土终凝后，钢管紧密地箍在内部的混凝土柱上，增强了两者间的粘结力，可避免脱粘；该发明中的外部作用力施加在拱顶位置，考虑到新浇筑的混凝土不同于水和液压油等常规的液体，压力的传递受到混凝土与钢管壁间粘滞阻力等因素的影响，压力的作用向拱肋底部逐渐递减，有效的范围主要在拱顶段，而这正是容易发生脱空和脱粘的部位，因此，本发明中将加力装置设置在顶部，方法效率高；该方案中采用的材料为型钢，采用的设备均为工地常用设备，增加的操作仅为焊接和液压千斤顶的操作，因此，用材料少，操作简单，只增加极少的造价。
附图说明
图1为实施例1中对拱肋混凝土施加顶推力期间拱顶拱肋纵剖示意图；
图2图1中A-A的剖视示意图；
图3连接前的拱肋侧视示意图；
图4图3中过B-B的剖视示意图；
图5制作中的缺陷体的轴向剖视示意图；
图6拱肋段间的连接钢梁侧视示意图；
图7连接后的拱肋纵剖示意图；
图8压注混凝土后的两拱肋段纵剖示意图；
图9缸体和活塞体间的初始连接示意图；
图10两拱肋段间焊接钢管段后的纵剖示意图；
图11拱肋成型后的纵剖示意图；
图12间隙钢管段钢片拼装示意图。
图中：1-钢管，2-混凝土，3-第一阶段排气管，4-T型钢梁，5-千斤顶，6-加劲三角板，7-横隔板，8-缸体，9-活塞体，10-缺口，11-立柱，12-横梁，13-加劲矩形板，14-端板，15-侧板，16-螺杆，17-密封圈，18-第二阶段排气管，19-第二阶段进料管，20-上钢管片，21-下钢管片，22-补浆孔。
具体实施方式
实施例1
本实施例以某钢管混凝土拱桥中的一根拱肋的成型为例。该拱肋的钢管外径为1200mm，壁厚20mm。为提高成型后钢管与内部混凝土间的抗脱粘能力，采用本发明中的施工方案。该钢管混凝土拱肋的施工方法包括以下步骤：
S1：钢管段的制作以拱顶为界，两侧各为一个拱肋段，两个拱肋段相对于跨中位置对称。每个拱肋段由数个钢管段组成。制作各钢管段。在拱肋顶部钢管段的端部焊接横隔板7，横隔板7中部连接圆筒状的缸体8，缸体8的外端临时固定有活塞体9，参见图1、图5和图9。横隔板7和钢管1的连接处，增加有加劲三角板6，见图4。临时固定措施包括沿圆周均匀分布的16个直径为20mm的螺杆16，螺杆16穿过缸体8上的通孔后，进入侧板15上的非贯通螺孔。活塞体9的组成包括端板14、侧板15、加劲矩形板13；侧板15为圆筒状，外表面光洁。缸体8为圆筒状，内径600mm，内表面光洁。活塞体9的侧板15的远离端板14的端部，外侧面上沿圆周有密封槽，密封槽内放置有密封圈17。横隔板7上有补浆孔22，内安有单向阀，只能流入不能流出。
S2：安装钢管段吊装拱肋的各个钢管段，参见图3。在拱顶留一间隙，间隙两侧为上一步骤中制作的顶部钢管段，横隔板7靠近间隙；间隙的宽度为800mm，端板14的外表面距离间隙100mm。调整各钢管段标高，符合设计要求后，焊接相邻钢管段；拱顶间隙两侧的顶部钢管段，焊接T型钢梁4作为连接钢构件。沿间隙的一周均匀设置有5根T型钢梁4，见图2。T型钢梁4采用常规的T型钢，T型钢高294mm宽300mm腹板厚12mm，翼板厚20mm；在T型钢翼缘上加焊一与翼缘同宽度，厚度为18mm的钢板，确保所有T型钢梁4的截面面积之和大于钢管1的截面面积。拱肋段间的T型钢梁4的侧视示意图如图6所示，为方便后续施工，T型钢梁4中部有一长度为1000mm的缺口10，缺口10的深度为40mm。在此阶段，安装由立柱11和横梁12组成的吊架，见图7。
S3：压注混凝土所述混凝土2为微膨胀的自密实混凝土，强度等级为C60。每侧的拱肋段为一个压注仓，有多个第一阶段排气管3。有多个进料口，最低处的进料口位于拱肋高度的中部。两侧同步地从低到高向两拱肋段内压注混凝土2；在最低处的进料口压注时，开始阶段，混凝土2依靠自身重力，从高端流入低端；后续压注时，比直接从桥面端压注所需的压力小。压注过程中，从低到高，及时关闭出浆的第一阶段排气管3.完成两个拱肋段的混凝土2的泵送施工，压注混凝土后的两拱肋段纵剖示意图见图8。拱肋段内已压注饱满，混凝土2上表面和钢管1间没有滞留空气。
S4：施加压力混凝土2的泵送施工完成后，立即向拱顶的间隙内吊放并安装千斤顶5，采用手动葫芦调整千斤顶5的位置。顶伸杆完全回缩后，千斤顶5的初始长度为700mm，外径为600mm，内径为400mm。卸除临时固定缸体8和活塞体9间的螺杆16。千斤顶5对两端的活塞体9施加顶推力；拱肋段拱顶端钢管1外表面安装应变计，监测钢管1的环向应力。设定的环向应力限值150MPa，以此控制顶推；在混凝土2达到设计强度80％前，维持顶推力。
靠近拱顶处的混凝土2，可以近似按常规液体中的方法分析压强的传递，以此估算所需的千斤顶顶推力。根据缸体8内径与千斤顶5内径的尺寸，在混凝土2内产生1MPa的压强增量，至少对应千斤顶5内油压2.25MPa的油压增量；再考虑到钢管1的尺寸，混凝土内1MPa的压强增量，对应钢管1环向29MPa的应力增量。因此，若设定使拱肋段拱顶端钢管1内产生150MPa的应力增量，对应地混凝土内的压强增量大于5MPa，千斤顶5内的油压增量约为11.3MPa，对应千斤顶5的顶推力为165tonf。因此，在选择千斤顶5时，可选择额定顶推力为250tonf或300tonf的。在施加力过程中，观测钢管1上的应变计，监控拱顶附近钢管1的环向应力。若在环向应力达到限值前，千斤顶5的行程将达到最大值，可通过补浆孔22向拱肋段内压注不含粗集料的混凝土2的浆液，同时，千斤顶5回程；千斤顶5回程结束后，停止通过补浆孔22的压注，继续开始操作千斤顶5，使其伸长。如此循环，直到环向应力达到限值。
S5：完成间隙段的混凝土灌注移除千斤顶5，用上钢管片20和下钢管片21连接间隙两侧的拱肋段，两个钢管片间也焊接，组成连接两侧拱肋段的间隙钢管段，见图10和图12；间隙钢管段的底部和顶部分别设置有第二阶段进料管19和第二阶段排气管18。间隙钢管段上包裹电热毯，对该段钢管加热，促使钢管膨胀。向间隙钢管段内压注混凝土2；新压注的混凝土2终凝并达到设定的强度后，拆除电热毯；拆除原先跨越间隙的T型钢梁4，以及吊架等，修正拱肋表面，拱肋成型后的纵剖示意图见图11。
至此，按本发明的方案，完成了该拱肋的成型施工。
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