菱形變截面鋼拱肋混凝土壓注技術(shù)

龔奇豐

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江湖州 313000)

1 工程概況

蕪湖袁澤橋主橋?yàn)閹Ц惫暗闹谐惺搅庑巫兘孛驿摴芑炷凉皹?理論拱軸線(xiàn)拱腳水平距離135 m,矢高30 m,主拱拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),由上下左右4根鋼管和腹板組成。左右側(cè)鋼管直徑0.7 m；上下管為變徑鋼管,拱腳處直徑1.1 m,拱頂處直徑0.7 m；拱軸線(xiàn)IP點(diǎn)處拱肋寬2.2 m,高3.1 m,拱頂處拱肋寬1.7 m,高2.0 m。鋼管及內(nèi)室內(nèi)填C50微膨脹混凝土,其中設(shè)計(jì)左、右側(cè)單管混凝土方量各為55 m3；上、下單管混凝土方量各為88 m3,內(nèi)室混凝土方量為85 m3,單個(gè)拱肋混凝土方量為371 m3。袁澤橋主橋立面布置見(jiàn)圖1,拱肋橫斷面見(jiàn)圖2。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

圖2 拱肋橫斷面示意

2 施工方案設(shè)計(jì)

拱肋上下管、內(nèi)室為變截面結(jié)構(gòu),特別是拱肋內(nèi)室設(shè)計(jì)構(gòu)件多,有側(cè)管橫撐鋼管(相鄰鋼管間距1～1.5 m)、吊桿承壓管、內(nèi)腹板剪力釘、錨固鋼筋等,壓注截面積自拱腳往拱頂逐漸變小,其中拱頂內(nèi)室吊桿承壓管與側(cè)管凈距不足6 cm,混凝土輸送壓力增加較大。加上受場(chǎng)地限制,地泵必須停靠在離拱腳距離35 m外的防洪墻外側(cè),泵送距離遠(yuǎn)(水平距離近50 m),地泵管彎頭多(需要3～5個(gè)不同角度的彎頭)。施工期間正處高溫季節(jié)(施工時(shí)間7月下旬,當(dāng)?shù)卦缕骄鶞囟?8.3 ℃,鋼管表面最高溫度近50 ℃),施工難度大,對(duì)施工技術(shù)要求高。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境條件、設(shè)計(jì)要求,鋼管混凝土壓注主要施工方案和順序要求如下。

(1)鋼管混凝土必須具有無(wú)收縮、低泌水、低水化熱、超塑大流動(dòng)性、初凝時(shí)間長(zhǎng)、自密實(shí)性能好等特點(diǎn)。

(2)地泵數(shù)量、性能、拌和站功率等設(shè)備須滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

(3)混凝土壓注順序符合設(shè)計(jì)要求,遵循“逐步成功,逐級(jí)加載,外力釋放,間期縮短”的原則,以橋軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)線(xiàn),橋兩側(cè)對(duì)稱(chēng)加載；按照先側(cè)管、次下管、后上管、最后內(nèi)室分4次壓注施工；單次壓注施工按照單管、相向?qū)ΨQ(chēng)壓注、兩側(cè)穿插進(jìn)行。壓注順序見(jiàn)圖2。

(4)施工前后采用全站儀、應(yīng)力、溫度傳感器對(duì)拱肋應(yīng)力、應(yīng)變、溫度進(jìn)行觀測(cè)監(jiān)控。

3 主要機(jī)械設(shè)備

根據(jù)施工方案確定的主要施工機(jī)械設(shè)備見(jiàn)表1。

4 配合比設(shè)計(jì)

拱肋內(nèi)填混凝土采用C50微膨脹混凝土,為確保內(nèi)填混凝土的密實(shí)、強(qiáng)度、彈性模量及各項(xiàng)性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要,對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了嚴(yán)格的性能試驗(yàn)比對(duì),確定最佳配合比為(kg/m3)：

水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶粉煤灰∶膨脹劑∶外加劑=481∶586∶1052∶180∶64∶55∶6.54=1∶1.22∶2.19∶0.37∶0.13∶0.11∶0.014

(1)水泥：采用海螺牌P.Ⅱ52.5水泥,ρc=3.1 g/cm3。

表1 主要施工機(jī)械設(shè)備

(2)粗集料(碎石)：產(chǎn)地繁昌,粗集料的規(guī)格采用5～25 mm連續(xù)級(jí)配,ρg=2.74 g/cm3。

(3)細(xì)集料：產(chǎn)地長(zhǎng)江,規(guī)格為Ⅱ區(qū)中砂,ρs=2.63 g/cm3。

(4)外摻料：粉煤灰,產(chǎn)自馬鞍山電廠,ρf=2.2 g/cm3。

(5)水：飲用水。

(6)膨脹劑：產(chǎn)地合肥齊陽(yáng),UEA型。

(7)外加劑：法爾勝聚羧酸高效減水劑。

坍落度為180～220 mm,初凝時(shí)間10 h 15 min,終凝時(shí)間13 h。混凝土按計(jì)算配比采用機(jī)械攪拌,當(dāng)w/(c+f)=0.33時(shí),測(cè)其拌和物坍落度為21.0 cm,擴(kuò)展度為64.0 cm,含砂情況-中,黏聚性-良好,保水性-少量；當(dāng)w/(c+f)=0.36時(shí),拌和物坍落度為20.0 cm,擴(kuò)展度為56.0 cm,含砂情況-中,黏聚性-良好,保水性-少量；當(dāng)w/(c+f)=0.38時(shí),拌和物坍落度為19.5 cm,,擴(kuò)展度為56.0 cm,含砂情況-多,黏聚性-良好,保水性-少量。

5 施工工藝流程

5.1 總體壓注順序

拱肋混凝土共分4次壓注：按第1次壓側(cè)管,第2次壓下鋼管,第3次壓上管,第4次壓內(nèi)室的施工順序進(jìn)行?；炷翂鹤⒏鶕?jù)左右拱肋穿插、單管相向平衡壓注的原則,單次壓注必須在混凝土初凝時(shí)間內(nèi)壓注完畢。正常施工時(shí)約1.5～2 h完成一次鋼管混凝土壓注,第1次壓注側(cè)管6 h內(nèi)完成,第2、3、4次壓注5 h內(nèi)完成。每次混凝土施工間隔時(shí)間為壓注混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%以上且間隔時(shí)間不少于72 h。

5.2 單管壓注流程

施工準(zhǔn)備→安設(shè)壓注頭、閘閥、拱腳排水孔→清洗管內(nèi)污物、潤(rùn)濕內(nèi)壁(水泵從最高點(diǎn)的出漿管處灌水)→管內(nèi)水灌滿(mǎn)后開(kāi)啟壓注孔處閘閥排水、拱腳排水孔打開(kāi)排水→封閉排水孔、連接好閘閥處泵管→壓注管內(nèi)混凝土→出漿孔排出混凝土→關(guān)閉壓注口處閘閥→拆除閘閥完成壓注。

6 壓注施工

6.1 壓注孔設(shè)置

在離拱座混凝土面1～1.5 m處(距拱腳承壓鋼板2.5～3 m處)設(shè)置壓注孔。內(nèi)室壓注孔處外腹板(靠拱肋外側(cè))在A拱段制作時(shí)不焊接,壓注完畢后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接。為保證壓注孔焊補(bǔ)質(zhì)量,在進(jìn)行鋼拱段制造時(shí),先期在廠內(nèi)進(jìn)行開(kāi)孔定位,并在拱肋壓注孔內(nèi)部先行設(shè)置鋼襯墊。壓注孔連接管與鋼管側(cè)壁成30°～45°進(jìn)行焊接,壓注孔連接管采用內(nèi)徑125 mm,壁厚5 mm鋼管。具體布置見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 壓漿管布置示意

圖4 壓漿管連接、密閉示意(單位：mm)

6.2 出漿孔設(shè)置

出漿孔設(shè)于拱頂最高處,并接高2.2 m。出漿管采用φ150 mm×3 mm的鋼管,出漿管的設(shè)置方向?yàn)樨Q直向上,并在拱肋頂部設(shè)置中隔板。在拱肋合龍段工廠制造時(shí)需預(yù)先焊接好各出漿管、中隔板及出漿管內(nèi)口鋼襯墊。確保鋼管內(nèi)室壓注充分,在鋼管內(nèi)室出漿管的另外一側(cè)內(nèi)腹板上開(kāi)φ20 mm的孔(靠上鋼管部位),外側(cè)焊接M22的螺母,螺母用螺栓密封,壓注混凝土到頂時(shí),松開(kāi)螺栓,直至有水泥漿冒出后,即再次旋緊,待混凝土初凝后,將內(nèi)腹板修補(bǔ)復(fù)原,并安裝外腹板,出漿管具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 出漿管布置示意

6.3 排水孔設(shè)置

在離鋼腳端1.8 m處現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)設(shè)φ50 mm的排水孔,內(nèi)室排水孔位置設(shè)置在壓漿孔旁(此處外腹板未封)?；炷翂鹤⑶皩?duì)排水孔修補(bǔ)復(fù)原。

6.4 壓注管連接

壓漿管采用成品高壓泵管端部的一部分,外露長(zhǎng)度35～40 cm。壓注管與拱內(nèi)鋼管或內(nèi)腹板內(nèi)壁平,四周焊接四塊加勁板,焊縫高度不小于8 mm。壓漿管通過(guò)截止閥(閘閥)與地泵泵管連接,截止閥(閘閥)見(jiàn)圖6。

圖6 截止閥(閘閥)構(gòu)造(單位：mm)

6.5 壓注施工

6.5.1 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備階段

(1)壓注施工設(shè)備混凝土輸送泵,混凝土拌和站檢修到位,檢查鋼管拱肋預(yù)先設(shè)置壓注孔,并配備混凝土閘閥等施工器具?；炷凛斔捅迷O(shè)備的定位考慮管道(泵管)及與法蘭盤(pán)的連接方便,并通過(guò)試運(yùn)行。

(2)采用水準(zhǔn)儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器,準(zhǔn)備于施工過(guò)程中進(jìn)行全程觀測(cè)監(jiān)控。

(3)準(zhǔn)備數(shù)量足夠,型號(hào)齊備的泵管,并將其用連接卡箍及螺栓安裝牢固。

(4)在鋼管拱肋上安裝供水管,以作施工時(shí)混凝土降溫,溢出混凝土沖洗及泵送前鋼管的濕潤(rùn)。

(5)清除鋼管拱肋中的雜物,并沖洗干凈。

(6)沿拱肋頂部?jī)蓚?cè)布設(shè)2根降溫用水管。

6.5.2 壓注施工階段

(1)管內(nèi)混凝土采用泵送頂壓(升)施工,單肢拱肋(或鋼管內(nèi)室)由兩拱腳至拱頂對(duì)稱(chēng)均衡地一次連續(xù)壓注完成。壓注順序按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。混凝土頂升施工時(shí)采用高壓狀態(tài),理論混凝土最大輸出壓力為11.5/13 MPa,施工時(shí)輸送泵壓控制在8～11 MPa。

(2)鋼管混凝土灌注,若遇溫度較高時(shí)可安排在傍晚開(kāi)始施工,因該段時(shí)間氣溫適宜平穩(wěn),可以減少混凝土坍落度的損失,施工前利用拱頂水管對(duì)鋼拱體表面進(jìn)行降溫處理。

(3)鋼管混凝土壓注前清洗管內(nèi)污物,濕潤(rùn)管道,壓注首盤(pán)水泥砂漿。續(xù)壓混凝土,隨時(shí)綜合混凝土頂壓情況、拱肋變形情況、入料情況分析,控制兩拱腳混凝土泵送速度。泵送時(shí),要求兩拱腳混凝土泵送速度協(xié)調(diào)一致,盡量對(duì)稱(chēng)頂升,兩側(cè)頂升垂直高度不超過(guò)2 m。

(4)跟蹤監(jiān)測(cè)混凝土頂升面的專(zhuān)人上崗就位,隨時(shí)檢測(cè)混凝土頂升面的位置。并注意與現(xiàn)場(chǎng)施工指揮保持聯(lián)系,以保證兩岸拱肋的混凝土施工基本保持同步。

(5)管內(nèi)混凝土的壓注應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,不得中斷。為保證混凝土的連續(xù)壓注,需將拌和好的混凝土通過(guò)每側(cè)2臺(tái)混凝土輸送車(chē)先儲(chǔ)存起來(lái)后即可開(kāi)始?jí)鹤?；另外，通過(guò)調(diào)節(jié)輸送泵的壓注速度,來(lái)保障混凝土的壓注連續(xù)。在頂升最后一車(chē)混凝土?xí)r,兩岸的輸送泵同時(shí)放慢壓送速度,防止由于兩岸混凝土頂升面的高差沖動(dòng)拱頂隔板。壓注時(shí)直至出漿孔排出合格的混凝土為止,完成后關(guān)閉設(shè)于壓注孔口的倒流截止閥(閘閥)。

(6)橋南側(cè)拱肋現(xiàn)場(chǎng)壓注施工參數(shù)見(jiàn)表2(橋北與橋南情況基本一致)。

表2 橋南側(cè)拱肋現(xiàn)場(chǎng)壓注施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)

6.5.3 壓注完成階段

(1)混凝土壓注到拱頂,待流出混凝土一定時(shí)間后(≮10 s),停止泵送。停頓3～5 min進(jìn)行排氣,反復(fù)2～3次,以保證灌注質(zhì)量。利用混凝土截止閥對(duì)壓注管封閉,完成壓注施工。

(2)采用高壓水槍及時(shí)對(duì)被混凝土污染的拱肋等構(gòu)件表面沖洗干凈。

(3)混凝土現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后,方可拆除出漿管、壓注管。

(4)混凝土壓注完成后,采用布置在拱頂兩側(cè)的水管(水管開(kāi)小孔),從拱頂往兩端注水進(jìn)行降溫養(yǎng)護(hù)。

(5)選擇拱腳、拱頂控制截面作為主拱溫度測(cè)試對(duì)象,共布置17個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)埋設(shè)Pt100鉑電阻溫度傳感器,溫度測(cè)試顯示儀用FLUKE45型萬(wàn)用表或遠(yuǎn)程方式。除采用鉑電阻測(cè)量混凝土體內(nèi)溫度外,還采用了鉑電阻表面溫度點(diǎn)溫計(jì)(分辨率為0.1 ℃)測(cè)量結(jié)構(gòu)的表面溫度(圖7、圖8)。點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量具有較大的靈活性,可以對(duì)任意處的混凝土或鋼管表面溫度進(jìn)行測(cè)量。

圖7 南岸右側(cè)拱腳截面管內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖8 南岸右側(cè)拱頂截面管內(nèi)、管表面溫度測(cè)點(diǎn)布置

(6)混凝土溫度場(chǎng)(圖9、圖10)

圖9 袁澤橋右側(cè)主拱拱腳截面上管混凝土灌注后溫度趨勢(shì)

圖10 袁澤橋右側(cè)主拱拱頂截面上管混凝土灌注后溫度趨勢(shì)

從圖9、圖10可以看出,混凝土灌注后在拱肋表面采取冷卻水降溫措施,10～14 h混凝土溫度處在高值范圍內(nèi),24 h后混凝土溫度下降較快,至第3 d后混凝土溫度逐漸接近大氣溫度。因此,在混凝土灌注后2 d內(nèi),需加強(qiáng)拱肋表面降溫養(yǎng)護(hù)。

7 主要質(zhì)量控制措施

拱肋壓注混凝土在拱橋施工中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié),其成敗關(guān)系到拱肋的施工質(zhì)量和全橋的使用壽命,為確保壓注混凝土安全和質(zhì)量,須嚴(yán)格按照各項(xiàng)要求進(jìn)行。

(1)混凝土泵送頂升時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守兩岸對(duì)稱(chēng)的要求,壓注時(shí)以控制兩端壓注混凝土方量的方法來(lái)確保混凝土壓注高度,既降低了人工敲擊鋼管的勞動(dòng)強(qiáng)度,也能更精確控制拱肋混凝土兩端高差。

(2)泵送頂升時(shí),應(yīng)測(cè)量管壁表面溫度,如溫度過(guò)高,須在管壁表面澆水降溫。

(3)泵管在安裝時(shí)不可懸空太長(zhǎng),要有足夠的支點(diǎn),在彎頭處要支好栓牢,與泵機(jī)相連的直管長(zhǎng)度不宜太短。

(4)進(jìn)漿管焊接方向與混凝土頂升方向的夾角不得大于45°。

(5)采用在拱肋壓注管端部預(yù)先設(shè)置鋼襯墊,確保了開(kāi)口部位封板焊接質(zhì)量,也對(duì)焊接部位內(nèi)部混凝土起到一定保護(hù)作用。

(6)適當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)式混凝土泵管接頭(旋轉(zhuǎn)式泵管接頭在任意方向可最大旋轉(zhuǎn)角度15°),降低了泵管接管難度,有效減少泵管阻力,對(duì)地形復(fù)雜等位置能起到固定角度彎管接頭不能替代的作用。

(7)高度重視高溫季節(jié)下拱肋混凝土的降溫處理,采用在拱肋頂部?jī)蓚?cè)各布設(shè)一條冷卻水管,有效降低了拱體溫度,避免了內(nèi)部混凝土因高溫產(chǎn)生裂縫或燒傷。

(8)受理論計(jì)算泵送壓力的局限,通過(guò)詳細(xì)記錄各階段實(shí)際施工參數(shù),為項(xiàng)目施工提供了可靠的參考依據(jù)。

8 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè),拱肋混凝土各項(xiàng)指標(biāo)符合要求,達(dá)到了預(yù)期效果。鋼管混凝土的施工,只要通過(guò)施工前的精心準(zhǔn)備,施工現(xiàn)場(chǎng)的合理組織,抓住關(guān)鍵、突出重點(diǎn)、注意細(xì)節(jié),即抓住混凝土配合比設(shè)計(jì),突出設(shè)備配備和焊接準(zhǔn)備,注意壓注前管道內(nèi)壁清洗濕潤(rùn)、對(duì)稱(chēng)均衡頂升、壓注速度、密實(shí)檢查等幾個(gè)細(xì)節(jié),就能夠確保鋼管拱肋混凝土施工質(zhì)量。

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