预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法与流程

本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及一种预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法。

背景技术：

根据目前掌握的资料，预应力钢筋混凝土桥塔塔型以a型、倒y型、h型、钻石型以及独塔设计为主，相应的施工工艺技术较成熟，一般采用翻模分段施工和滑模连续施工，而预应力钢筋混凝土圆形拱塔桥的圆形拱塔塔型设计目前为全国首例，在国外也暂未查到相关设计和施工方法记录。圆形拱塔设计造型美观，受力合理，但工艺技术复杂、工序多、技术质量要求高，施工难度较大，参考传统的拱桥施工方法，主要有支架法和无支架法两种。支架法即从地面开始搭设满堂钢管支架直至拱顶，然后进行支模、浇筑、养护等施工，该方法最大的优点是不需要大型吊装设备,其缺点是施工用的支架模板消耗量大、施工工期长、投入人力多、钢管支架搭设对地基基础承载能力要求较高，且常规满堂支架钢管杆件本身承载能力有限，安全风险较大，对于大体积混凝土结构浇筑分段、分块较多，对浇筑质量控制措施要求高，对山区桥梁及高墩柱施工有很大的局限性；无支架法主要有缆索吊装法、转体施工法和挂悬臂浇筑法，无支架法主要用于地基软弱、墩柱高、支架搭设困难的山地丘林地区桥梁上部结构施工，主要施工特点为利用塔架、缆索、抱箍或转向结构等设施进行分段预制安装，悬空作业时间长，安全风险较大，分段逐节拼装对于两端合拢时梁底高程误差易超出标准范围，对于结构受力极为不利，质量控制难度大。本发明的成功实施，填补了我国在内预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工技术方面的空白，在今后的景观桥梁建设施工中具有较大实际推广价值，应用前景广阔。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法,其特征在于包括测量放样；支架设计及制作；模板的设计、制作；预埋件埋设；托架、立柱及连接系安装；砂筒制作、安装；纵梁、横向排架及连接系安装；主塔支架预压；模板安装；混凝土现场浇筑、养护；预应力筋下料与穿束；预应力筋张拉；预应力管道压浆施工；支架拆除。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法,其特征在于具体包括如下步骤：

1）测量放样：先建立施工控制网，并对施工细部结构以及几何尺寸，倾角、线型等精密定位，以精密水准仪几何水准测量法进行高程放样；

2）支架设计、制作：支架包括主塔支架和人行支架，主塔支架包括主塔支架预埋件、第一钢管立柱、第三钢管立柱、柱间连接系、纵梁、砂筒、排架及模板系统，排架包括排架a、排架b、排架c；主塔支架侧面设有人行支架，人行支架包括主梁上的人行支架预埋件、第二钢管立柱、平台连接系、托架及作业平台；

3）模板的设计、制作：模板采用钢模板，通过纵横筋加厚保证模板抗压强度，模板拼装采用螺栓连接；

4）预埋件埋设：预埋件包括主塔支架预埋件和人行支架预埋件，主塔支架预埋件为预留螺栓结构，人行支架预埋件为焊接结构预埋件，预埋件安装工艺流程为：结合主体结构放线→找准位置埋放埋件→检查调整→绑扎固定；

5）托架、钢管立柱及连接系安装：托架安装步骤：牛腿加工→标高位置测量→预埋件预埋→托架安装；第一钢管立柱第二钢管立柱、平台连接系及柱间连接系安装前复核预埋钢板平面位置及高程，并放出钢管立柱桩位中心位置，第二钢管立柱与预埋钢板采用角焊缝焊接，所有钢管立柱中心线沿顺桥向平行；

6）砂筒制作、安装：砂筒通过钢垫板焊接在第一钢管立柱顶部的柱头上，砂筒上的流沙孔设置于砂筒底向上2～3cm位置，便于操作，流沙孔外侧贴面焊接螺母；砂筒安装需进行高程测量，主要测量砂筒放置区顶节钢管桩顶的实际高程，从而确定每个砂筒的实际高程，并预留3～5mm的沉降；

7）纵梁、排架、排架连接系安装：纵梁为3根工字梁(2h488×300)，吊装前焊接成整体，通过塔吊直接吊装，纵梁与砂筒通过焊缝进行连接，排架通过型钢焊接成排架结构，同榀排架之间采用连接系焊接成整体，直接吊安；排架a与第三钢管立柱用横向分配梁抄紧，排架b底端支撑在第三钢管立柱上，顶端支撑在排架c上，用钢板进行抄紧；

8）主塔支架预压：用吊车吊放专业吨袋装砂对支架进行预压，预压在支架搭设完成以后分级加载，加载沉降稳定后，进行卸载，卸载的同时继续观测；

9）模板安装：模板采用钢模，钢模通过螺栓进行连接，钢模主肋直接支撑在排架上，主塔的芯模采用钢管与侧模焊接固定，并在侧模进行开孔，以便对砼进行振捣；

10）钢筋的制作、安装：钢筋在加工车间下料、弯制成型，成品编号堆码，再倒运至现场按设计图放样、绑扎安装；

11）混凝土现场浇筑、养护：圆形拱塔塔柱分五段三次浇筑完成，混凝土采取分层浇筑，全断面连续浇筑，混凝土浇筑完毕终凝后即开始洒水养护，养护时间不小于7天；

12）预应力筋下料与穿束：圆形拱塔主塔采用纵向预应力体系，预应力波纹管定位钢筋按30cm布设，预应力筋钢绞线在平整硬化的地面或栈桥面下料，成品束由吊机转至梁面安装，纵向预应力筋钢绞线穿束安排在各层钢筋绑扎完毕后进行，钢绞线对号穿入预应力波纹管内，在已浇前端设置导向装置，采用塔吊吊装、人工配合卷扬机由一端向另一端一次穿束；

13）预应力筋张拉：在节段混凝土强度达到90%以上,并达到相应强度的弹性模量,混凝土龄期不少于7天后方可进行。纵向预应筋钢绞线采用两端同时进行张拉，预应力筋张拉以张拉力和伸长值进行双向控制；

14）预应力管道压浆施工：预应力筋张拉完成后，在48h内进行预应力筋孔道压浆；

15）支架拆除：拆除作业采取分段、分立面拆除，从顶层开始，逐层向下进行，各层连接件必须拆到该层时再拆除。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤2）中的主塔支架具体结构为：在主梁顶面设置主塔支架预埋件，主塔支架预埋件上连接φ630×12mm的第一钢管立柱和第三钢管立柱，第一钢管立柱和第三钢管立柱由柱间连接系连接，柱间连接系采用2根[20a槽钢通过法兰进行连接，第一钢管立柱顶部设置柱头，柱头上通过垫板连接砂筒，砂筒上摆放3根工字梁(2h488×300)作为纵梁，横向主要承载构件为型钢排架，排架a与第三钢管立柱用横向分配梁抄紧，排架b底端支撑在第三钢管立柱上，顶端支撑在排架c上，用钢板进行抄紧；模板系统摆放在排架上。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤2）中的人行支架包括通过人行支架预埋件设置在主梁的第二钢管立柱，第二钢管立柱与第三钢管立柱由平台连接系连接，第二钢管立柱上设有一组托架，作业平台和走道位于托架上表面；第二钢管立柱采用φ400×8mm钢管柱，平台连接系和托架均采用2根[20a槽钢。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于主塔支架的安装工艺如下：主塔支架预埋件留设→吊安第一钢管立柱、第二钢管立柱→安装柱间连接系→吊安砂筒→纵梁安装→排架安装→排架连接系安装→模板系统安装；人行支架的安装工艺如下：人行支架预埋件留设→安装托架→吊安第二钢管立柱→安装平台连接系→吊安作业平台并固定。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤6）中的砂筒内的流砂为细砂，其含泥量不大于2%，含水量不大于1%，砂筒安装时预留3～5mm的沉降，每个砂筒用压力机进行预压，其预压力为200t。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤8）中的主塔外钢模开孔时，孔的布置为横桥向50cm一个，顺桥向100cm一个。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤9）中的主塔支架预压采用预压荷载为主塔自重的120%的专业吨袋装砂对支架进行预压，预压时分三级加载，加载时主塔布置顺序与混凝土浇筑顺序一致，第一次加载重量为主塔自重的50%，持荷稳定后进行第二次加载，加载重量为主塔自重的50%，持荷稳定后进行第三次加载，加载重量为主塔自重的20%，预压范围为主塔宽度范围。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤11）中的圆形拱塔塔柱分五段三次浇筑中的五段指塔柱两侧混凝土分别分为先浇筑段和预留后浇筑段，中间为塔顶合拢段，先对塔柱两侧的先浇筑段和预留后浇筑段中的混凝土对称浇筑，再进行塔顶合拢段浇筑，共分三次浇筑完成，混凝土采取分层浇筑，每层为45-55cm，每小时的浇筑高度为0.8-1.2m。

所述的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，其特征在于步骤13）中的预应力筋张拉，纵向预应筋钢绞线采用两端同时进行张拉，张拉程序为：0→20%σk→40%σk→100%σk→持荷5min→回油锚固→测定回缩量及夹片外露量。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明针对圆形拱塔上塔柱结构设计特点，采用钢管柱+排架的支撑体系结构，用于施工预应力钢筋混凝土圆形拱塔的施工，并进行主塔支架和操作平台专业设计，支架现场搭设时间短，可分段整体使用起重设备安装，机械设备有效利用率高，大幅缩短了施工工期、降低工人劳动强度，所需人工较少、方便施工、保证安全和质量、最大限度降低对周边环境的影响最有利，具有明显的综合经济效益和社会效益；上塔柱混凝土浇筑分段少，减少了现场浇筑次数，降低了施工难度，有效保障了拱形结构施工当中受力变化的均衡性，满足设计技术要求和结构安装质量，确保了桥梁施工和后期的运营安全，同时最大限度节约了工程施工用地，减少了对河滩地质结构和植被的破坏，保护了生态环境，对类似的桥梁结构施工具有广泛的推广应用价值和借鉴意义。

附图说明

图1为本发明的主要施工流程图；

图2为本发明的支架剖面结构示意图；

图3为图1中的a-a剖面放大结构示意图；

图4为图1中的b-b剖面放大结构示意图；

图5为图1中的c-c剖面放大结构示意图。

图中：1-人行支架，101-人行支架预埋件，102-第二钢管立柱，103-托架，104-作业平台，105-平台连接系，2-排架a，3-横向分配梁，4-排架b，5-砂筒，6-纵梁，7-拱形主塔，8-排架c，9-第一钢管立柱，10-柱间连接系，11-主梁，12-主塔支架预埋件，13-第三钢管立柱，14-顶节钢管桩顶，15-垫板。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-4所示，本发明的预应力钢筋混凝土圆形拱塔施工方法，包括测量放样；支架设计及制作；模板的设计、制作；预埋件埋设；托架、立柱及连接系安装；砂筒制作、安装；纵梁、横向排架及连接系安装，具体包括如下步骤：

1）测量放样：施工控制网的建立，包括主控制网的复测与施工控制网点的加密，施工细部结构以及几何尺寸，倾角、线型等精密定位，在施工前，查对拱形主塔7中轴线位置、平面及高程控制点和有关的测量资料，并进行补测、加固，施工放样控制以高精度全站仪三维坐标法为主，多种测量控制方法相结合的手段来保证结构物平面位置的精确定位，以精密水准仪几何水准测量法进行高程放样；

2）支架设计、制作：本发明通过对主拱形主塔7进行研究，为保证主塔支架结构稳定性，采用钢管柱+排架的施工方法进行施工，其支架包括主塔支架和人行支架1，主塔支架包括主塔支架预埋件12、第一钢管立柱9、第三钢管立柱13、柱间连接系10、纵梁6、砂筒5、排架及模板系统，排架包括排架a2、排架b4、排架c8，纵梁6为2h488×300，第一钢管立柱9、第三钢管立柱13采用φ630×12mm钢管，钢管连接系采用2[20a，钢管之间通过法兰进行连接，排架a2、排架b4、排架c8均由型钢制造，其主要采用hn200×100和hw200×100型钢，型钢之间采用焊接的方式连接，单个断面排架a2由4单片通过连接系连接为一榀，排架b4、排架c8分别由10单片通过连接系连接为一榀；为了方便施工期间模板安装作业，本发明在主塔支架侧面设有人行支架1，也称操作平台，人行支架1包括主梁上的人行支架预埋件101、第二钢管立柱102（φ400×8mm）、平台连接系105、托架103及作业平台104，平台连接系105和托架103均采用2根[20a的槽钢，托架103上面设置走道，形成作业平台104和上下走道；

主塔支架的安装工艺如下：主塔支架预埋件12留设→吊安第一钢管立柱9、第二钢管立柱13→安装柱间连接系10→吊安砂筒5→纵梁6安装→排架安装→排架连接系安装→模板系统安装；人行支架1的安装工艺如下：人行支架预埋件101留设→安装托架103→吊安第二钢管立柱102→安装平台连接系105→吊安作业平台104并固定。

3）模板的设计、制作：拱形主塔7的结构模板采用定制钢模板，钢模板采用5mm钢板制作，通过纵横筋加厚保证模板抗压强度，模板拼装采用螺栓连接，其连接孔距、孔端距相对固定；

4）预埋件埋设：预埋件包括主塔支架预埋件12和人行支架预埋件101，主塔支架预埋件12为预留螺栓结构，设置在主梁11上，人行支架预埋件101为焊接结构预埋件，焊接在主梁11的侧面，预埋件安装工艺流程为：结合主体结构放线→找准位置埋放埋件→检查调整→绑扎固定，预埋件安装最大允许偏差为±20mm；

5）托架、钢管立柱及连接系安装：托架安装步骤：牛腿加工→标高位置测量→预埋件预埋→托架103安装；第一钢管立柱9第二钢管立柱102、平台连接系105及柱间连接系10安装前复核预埋钢板平面位置及高程，并放出钢管立柱桩位中心位置，第二钢管立柱102与预埋钢板采用角焊缝焊接，焊角高度为10mm，所有钢管立柱中心线沿顺桥向平行，成桩后立柱垂直度应满足不大于10mm，立柱顶标高与设计顶标高偏差小于3mm，钢管立柱桩位中心偏差不大于5mm；

6）砂筒制作、安装：砂筒5通过钢垫板焊接在第一钢管立柱9顶部的柱头上，砂筒5上的流沙孔设置于砂筒底向上2～3cm位置，便于操作，流沙孔外侧贴面焊接螺母，同时配套使用相应大小的螺杆；砂筒采用过筛后的细砂，流动性好，含泥量不大于2%，并对砂进行干燥处理，使得含水量不大于1%，砂筒5安装需进行高程测量，主要测量砂筒放置区顶节钢管桩顶14实际高程，从而确定每个砂筒的实际高程，并预留3～5mm的沉降；砂筒5承载力设计值为200t,为消除砂筒5使用过程中的沉降，本发明会对每个砂筒5用压力机进行预压，其预压力为200t，预压到预压力后待砂的压缩量稳定后测量砂筒高度，如高出设计值，说明砂多需要减少砂筒内砂量再压；

7）纵梁、排架、排架连接系安装：纵梁6为3根工字梁(2h488×300)，吊装前焊接成整体，通过塔吊直接吊装，纵梁6与砂筒5通过6mm的焊缝进行连接，本发明的排架作为支架的主要承重梁存在，排架通过型钢焊接成排架结构，同榀排架之间采用连接系焊接成整体，排架连接系也为焊接成排架，直接吊安；排架a2与第三钢管立柱13用横向分配梁3抄紧，排架b4底端支撑在第三钢管立柱13上，顶端支撑在排架c8上，由于排架b4上存在较大水平力，需对排架c8局部构件进行加固，排架b4与排架c8之间用钢板进行抄紧，将水平力直接传到排架c8上；

8）主塔支架预压：用专业吨袋装砂对主塔支架进行预压，预压荷载为主塔自重的120%，预压范围为主塔宽度范围，用吊车吊放吨袋对支架进行预压，预压在支架搭设完成以后进行，分三级加载，第一次加载重量为主塔自重的50%，持荷稳定后进行第二次加载，加载重量为主塔自重的50%，持荷稳定后进行第三次加载，加载重量为主塔自重的20%，加载时主塔布置顺序与混凝土浇筑顺序一致；主塔观测位置设在每跨的l/2，l/4处，每排钢管立柱分左、中、右三个点。在点位处固定观测杆，以便于沉降观测。采用水准仪进行沉降观测，布设好观测杆后，加载前测定出其杆顶标高，第一次加载后，每2个小时观测一次，连续两次观测沉降量不超过3mm，且沉降量为零时，进行第二次加载，按此步骤，直至第三次加载完毕。第三次加载沉降稳定后，进行卸载，卸载采用人工配合吊车吊运砂袋均匀卸载，卸载的同时继续观测，卸载完成后记录好观测值；

9）模板采用钢模，钢模通过螺栓进行连接，钢模主肋直接支撑在排架上，主塔施工时先安装调整底模、外侧模、芯模，再安装内侧模和顶模，主塔的芯模采用钢管与侧模焊接固定，并在侧模进行开孔，以便对砼进行振捣；侧模进行开孔，布置为横桥向50cm一个，顺桥向100cm一个，保证施工作业平台，以便对砼进行振捣；

10）钢筋的制作、安装：钢筋在加工车间下料、弯制成型，成品编号堆码，再倒运至现场进行绑扎安装，现场利用汽车或塔吊辅助人工吊装在箱梁上，再按设计图放样绑扎，施工时先安装主塔底、腹板钢筋预应力筋，再安装顶板钢筋；

11）混凝土现场浇筑、养护：圆形拱塔塔柱分五段三次浇筑完成，五段指塔柱两侧混凝土分别分为先浇筑段和预留后浇筑段，中间为塔顶合拢段，先对塔柱两侧的先浇筑段和预留后浇筑段中的混凝土对称浇筑，再进行塔顶合拢段浇筑，共分三次浇筑完成，塔顶合拢段浇筑时间与两侧先浇筑段时间间隔为5天，混凝土采取分层浇筑，每层为45-55cm，优选为50cm，全断面连续浇筑，每小时的浇筑高度为0.8-1.2m，优选为1m，混凝土振捣采用插入式振动器，振捣深度超过每层的接触面一定深度（本发明为5～10cm），保证下层在初凝前再进行一次振捣，振动棒要快插慢拔，移动间距不大于振动棒作用半径的1.5倍（本发明为45～60cm），振捣时插点均匀，成行或交错式前进，以免过振或漏振，振动棒振动时间约20～30s，每一次振动完毕后，边振动边徐徐拔出振动棒。混凝土以不再下沉、无气泡冒出、表面泛光为度，振捣时注意不碰松模板或使钢筋移位，混凝土浇筑完毕终凝后即开始洒水养护，养护时间不小于7天；

12）预应力筋下料与穿束：圆形拱塔主塔采用纵向预应力体系，预应力波纹管定位钢筋按30cm布设，预应力筋钢绞线在平整硬化的地面或栈桥面下料，成品束由吊机转至梁面安装，纵向预应力筋钢绞线穿束安排在各层钢筋绑扎完毕后进行，钢绞线对号穿入波纹管内，在已浇前端设置导向装置，采用塔吊吊装、人工配合卷扬机由一端向另一端一次穿束；

13）预应力筋张拉：必须在节段混凝土强度达到90%以上,并达到相应强度的弹性模量,混凝土龄期不少于7天后方可进行，纵向预应筋钢绞线采用两端同时进行张拉，张拉程序为：0→20%σk（两端划线）→40%σk（两端量伸长值）→100%σk（按5～10mpa分级张拉，两端张拉同时进行，每级张拉两端均测量伸长量）→（两端量伸长值）持荷5min（检查无滑丝现象）→回油锚固→测定回缩量及夹片外露量。预应力筋张拉以张拉力和伸长值进行双向控制，以张拉力控制为主，伸长值为校核；

14）预应力管道压浆施工：预应力筋张拉完成后，在48h内进行预应力筋孔道压浆。预应力筋管道压浆采用真空辅助灌浆法施工，预应力孔道压浆浆液采用m55水泥浆，压浆机摆放在圆形拱塔上塔柱拱顶，用钢管接至主塔0#块底压浆孔，拱顶设置排气孔，采用连通器的方式利用浆液自身水压和压浆机压力保持孔道压浆饱满；

15）支架拆除：拆除作业采取分段、分立面拆除，从顶层开始，逐层向下进行，各层连接件必须拆到该层时方可拆除。

如图2-5所示，本发明施工所用的支架包括主塔支架和人行支架，主塔支架具体结构为：在主梁11顶面设置主塔支架预埋件12，主塔支架预埋件12上连接φ630×12mm的第一钢管立柱9和第三钢管立柱13，第一钢管立柱9和第三钢管立柱13由柱间连接系10连接，柱间连接系10采用2根[20a槽钢通过法兰进行连接，第一钢管立柱9顶部设置柱头，柱头上通过垫板15连接砂筒5，砂筒上摆放3根工字梁(2h488×300)作为纵梁6，横向主要承载构件为型钢排架，排架a2与第三钢管立柱13用横向分配梁3抄紧，排架b4底端支撑在第三钢管立柱13上，顶端支撑在排架c8上，用钢板进行抄紧；模板系统摆放在排架上；人行支架1包括通过人行支架预埋件101设置在主梁11的第二钢管立柱102，第二钢管立柱102与第三钢管立柱13由平台连接系105连接，第二钢管立柱102上设有一组托架103，作业平台104）和走道位于托架103上表面；第二钢管立柱102采用φ400×8mm钢管柱，平台连接系105和托架103均采用2根[20a的槽钢。