連續(xù)梁橋硫磺砂漿復(fù)合支座的應(yīng)用研究

田小路

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 100000)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工時(shí)，由于墩梁鉸接而不能承受懸臂狀態(tài)下的不平衡彎矩，須采取措施臨時(shí)將墩梁固結(jié)。傳統(tǒng)做法是在橋墩頂面永久支座兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置臨時(shí)支座，待懸臂施工合龍后拆除臨時(shí)支座，恢復(fù)原結(jié)構(gòu)狀態(tài)［1］。

臨時(shí)支座的制作與拆除是連續(xù)梁橋施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。體系轉(zhuǎn)換時(shí)，若要人工鑿除臨時(shí)支座，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大［2］。若采用硫磺砂漿電熱法拆除，可快速、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。高強(qiáng)度硫磺砂漿具有強(qiáng)度高、易制作、安裝拆除方便等優(yōu)異的性能，在土木工程領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景［3］。

1 工程概況

成都至重慶鐵路客運(yùn)專線工程CYSG-2標(biāo)資陽沱江多線特大橋主跨跨越沱江，主橋采用(90+180+90)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋。梁體為單箱兩室、直腹板變高度連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。懸臂段采用菱形掛籃懸臂灌注法施工。在1號(hào)、2號(hào)墩頂支承墊石兩側(cè)分別對(duì)稱設(shè)置各6個(gè)臨時(shí)支座，其長、寬均為280 cm×150 cm。臨時(shí)支座用C55混凝土灌筑，順橋向分別設(shè)置164根長350 cm的φ32 mm螺紋鋼筋，上、下端分別錨固于梁體與墩身內(nèi)，以增加抗震、防滑能力，并承受一定的拉力。為便于合龍時(shí)拆除臨時(shí)支座，設(shè)計(jì)要求在支座中間設(shè)置1層10 cm厚的M50硫磺砂漿間隔層，并埋置電熱管。硫磺砂漿層布置如圖1所示。

圖1 硫磺砂漿層布置

2 硫磺砂漿復(fù)合支座工作原理［2］

按一定配合比制作的硫磺砂漿在常溫下有較好的強(qiáng)度、承載力，遇熱后又能軟化并熔化。在臨時(shí)支座中設(shè)置硫磺砂漿層同時(shí)解決了臨時(shí)支座的強(qiáng)度與拆除問題。具體做法為:在制作臨時(shí)支座時(shí)，電阻絲(電熱管)預(yù)埋入臨時(shí)支座的硫磺砂漿層中。需要拆除臨時(shí)支座時(shí)，給預(yù)埋在硫磺砂漿層內(nèi)的電阻絲(電熱管)通以恒定電流，硫磺砂漿被軟化，上部連續(xù)梁在自重的作用下，緩緩下降，隨之下落到永久支座上。

3 硫磺砂漿配合比

3.1 硫磺砂漿組分

硫磺砂漿由硫磺、水泥、砂子及石蠟構(gòu)成。砂為骨料，硫磺起粘結(jié)作用，水泥為填充料。三者恰當(dāng)配比制作后構(gòu)成硫磺砂漿。石蠟在熔化硫磺時(shí)可以使硫磺受熱均勻、不粘鍋、不冒煙、好傾倒。石蠟與硫磺互不融合，熔化后石蠟在下，硫磺液體在上［2］。

3.2 配合比

硫磺砂漿配合比的大致范圍，硫磺 ∶水泥 ∶砂子∶石蠟為1∶(0.3～0.6)∶(1～1.5)∶(0.01～0.03)［4］。但究竟哪一種配合比能夠達(dá)到M50的抗壓強(qiáng)度，還需要根據(jù)進(jìn)場原材料技術(shù)條件進(jìn)行試驗(yàn)。本工程水泥采用四川峨勝牌P.O 42.5級(jí)水泥;硫磺采用山峰牌硫磺粉;細(xì)骨料采用資陽臨江鎮(zhèn)產(chǎn)細(xì)砂;石蠟采用資陽本地產(chǎn)石蠟。

按照3種硫磺砂漿不同的配合比，分別制成3組相同尺寸的試件。測(cè)其抗壓強(qiáng)度(表1)。

表1 硫磺砂漿的抗壓強(qiáng)度

表1表明:(1)3號(hào)配合比的抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，選定了3號(hào)配合比作為硫磺砂漿的基準(zhǔn)配合比;(2)提高硫磺砂漿抗壓強(qiáng)度的途徑在于增大骨料砂的比重。

4 硫磺砂漿熱熔性能試驗(yàn)

4.1 導(dǎo)體比選

硫磺砂漿臨時(shí)支座的拆除方法有氧氣燒熔、電熱軟化以及人工鑿除等?？紤]到施工過程中梁體下降的均勻性要求，現(xiàn)場采用電熱軟化的方案。試驗(yàn)早期曾采用電阻絲進(jìn)行了硫磺砂漿熱熔性能試驗(yàn)，在380 V電壓下通電2 h后其熔化半徑僅為5 mm，熔化半徑外則不受影響，同時(shí)由于電阻絲繞阻太復(fù)雜，容易出現(xiàn)短路和產(chǎn)熱不均勻。結(jié)合本工程硫磺砂漿面積大而厚的特點(diǎn)，總結(jié)相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)了制作方法，采用電熱管作為導(dǎo)體。

4.2 電熱管構(gòu)造

本工程用電熱管是以鐵管為外殼，沿管內(nèi)中心軸向均布螺旋電熱鐵鉻合金絲，其空隙填充壓實(shí)具有良好絕緣導(dǎo)熱性能的結(jié)晶氧化鎂砂，管口兩端用陶瓷密封。電熱管鐵鉻合金絲產(chǎn)生的熱量完全依靠填充料—氧化鎂砂來進(jìn)行電熱能量交換(鐵管殼由于材料的熱阻與氧化鎂砂熱阻相比較可以忽略不計(jì))［5］。

4.3 硫磺砂漿導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ可按質(zhì)量百分比加權(quán)得到［6］。硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算

式中 λ硫磺——硫磺的導(dǎo)熱系數(shù)，0.27 W/(m·℃)［7］;

λ水泥——水泥的導(dǎo)熱系數(shù)，0.35 W/(m·℃);

λ砂——砂 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù)，0.326 W/(m·℃);

λ石蠟——石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)，0.12 W/(m·℃);

W硫磺、W水泥、W砂、W石蠟——硫磺、水泥、砂、石蠟的質(zhì)量百分比。

根據(jù)(1)式可得M50硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.312 W/(m·℃)。

4.4 電熱管傳熱模型

對(duì)電熱管的傳熱過程做以下基本假設(shè):

(1)空氣溫度恒定;

(2)電熱管產(chǎn)生的熱量全部傳遞給硫磺砂漿;

(3)電熱管表面與硫磺砂漿以熱對(duì)流方式進(jìn)行熱量交換;

(4)不考慮傳熱過程中的輻射散熱;

(5)不考慮材料物性參數(shù)和邊界條件隨溫度的變化［8，9］。

硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×10 cm，在模型中設(shè)2根φ16 mm電熱管。設(shè)硫磺砂漿內(nèi)部溫度為Ti=300℃，硫磺砂漿周圍空氣溫度為To=20℃。硫磺砂漿在空氣中的傳熱系數(shù)為βu=35.7 W/(m2·℃)，風(fēng)速 v=1.0 m/s［10］。

選取管單元(PLANE77)對(duì)物理模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析，硫磺砂漿熱熔時(shí)分布云圖見圖2。

大量的試驗(yàn)資料表明，當(dāng)硫磺砂漿溫度在20～80℃時(shí)，膨脹值上升平緩，但超過80℃特別是90℃時(shí)，其膨脹值將直線上升，硫磺砂漿出現(xiàn)明顯的軟化［7］。通過試算，得到電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm時(shí)硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖。圖2表明該模型大部分區(qū)域處于軟化及熔化狀態(tài)，說明電熱管的10 cm布置間距是合理的。

圖2 硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖

4.5 硫磺砂漿熱熔試驗(yàn)

按照選定的硫磺砂漿配合比，在模具中預(yù)埋2根φ16 mm電熱管。然后在模具中制作成型硫磺砂漿塊。硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×280 cm×10 cm，模板采用［10型鋼組裝而成，電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm。實(shí)踐證明，這樣制作的硫磺砂漿塊在380 V電壓時(shí)2～3 h即可全部熔化，硫磺砂漿受熱既均勻又迅速。同時(shí)驗(yàn)證了應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)硫磺砂漿熱熔進(jìn)行溫度場模擬的可行性。硫磺砂漿燒熔前后見圖3。

圖3 硫磺砂漿熱熔前后對(duì)比

5 硫磺砂漿無縫施工技術(shù)

因硫磺砂漿熔化層面積較大(280 cm×150 cm)，在硬化初期會(huì)出現(xiàn)急劇的收縮變形。為減少因溫差引起的拉應(yīng)力，避免硫磺砂漿開裂，現(xiàn)場采用了“跳倉法”施工［11］，即在滿足溫度應(yīng)力及澆筑設(shè)備能力的前提下，通過合理分縫分塊以減少裂縫。具體做法為:把硫磺砂漿熔化層按垂直方向設(shè)置施工縫，劃分成4小塊，每一塊為一倉，施工期間實(shí)行跳倉澆筑，待一塊灌完并冷固收縮后，再澆筑相間塊。在每一個(gè)施工區(qū)域內(nèi)，一次性澆筑完成。表面初凝后，用草袋蓋好保溫。這種跳倉澆筑采用了短距離釋放應(yīng)力的辦法應(yīng)對(duì)硫磺砂漿早期較大的收縮，待硫磺砂漿經(jīng)過早期較大的溫差和收縮后，各倉澆筑連接成整體，應(yīng)對(duì)以后較小的收縮，其中電熱管的布置對(duì)控制硫磺砂漿開裂也是有利的。具體澆筑順序見圖4。

圖4 硫磺砂漿分塊及澆筑順序(單位:cm)

6 硫磺砂漿制作工藝

6.1 材料與器材

材料:水泥、硫磺、砂、石蠟、電熱管(280 cm)。主要施工器材見表2。

表2 主要器材設(shè)備

6.2 硫磺砂漿的制作步驟

(1)備料:硫磺砂漿實(shí)行跳倉澆筑，每倉硫磺砂漿材料用量為硫磺75.0 kg，細(xì)砂114.8 kg，水泥48.4 kg，石蠟1.0 kg。

(2)炒水泥砂:生好火爐，將稱好的砂子倒入炒砂鍋內(nèi)，并用鐵鏟攪拌，使砂受熱均勻，隨后倒入水泥與砂子一起炒拌。

(3)熔化硫磺:先將石蠟放入鐵鍋中。置于火爐上加熱，再將稱好的硫磺倒入鐵鍋內(nèi)加熱至130～150℃熔化，邊熔邊放邊攪，使其逐漸熔化為稻草黃色液體。

(4)拌和硫磺砂漿熱熔物:用紅外測(cè)溫儀將水泥砂混合料的溫度控制在120～130℃，再將鐵鍋內(nèi)的硫磺石蠟熱熔液倒入水泥砂鐵鍋內(nèi)拌和，直到均勻一致為止?？刂茰囟仁潜ＷC硫磺砂漿流動(dòng)性的關(guān)鍵。試驗(yàn)表明，要保證硫磺砂漿有良好的流動(dòng)性，便于拌和及澆筑入模，拌和物的溫度宜控制在140～160℃。

(5)預(yù)熱:在拌和硫磺砂漿的同時(shí)，另用噴燈加熱試模，間接的對(duì)其中的C55混凝土進(jìn)行加熱。

(6)硫磺砂漿入模:由塔吊吊起鐵鍋直接向固定好電熱管的試模灌入。在砂漿入模時(shí)，要輕輕敲擊試模，使其均勻密實(shí)、直到無氣泡上浮為止。硫磺砂漿的澆筑溫度應(yīng)保持在135～145℃，

(7)拆模養(yǎng)護(hù):試模冷卻不燙手即可拆模。

6.3 注意事項(xiàng)

(1)電熱管必須按圖紙給定的間距固定好，同時(shí)要固定在硫磺砂漿中層，以利于均勻熔化。硫磺砂漿的模型預(yù)留孔洞大于16 mm。

(2)硫磺和硫磺砂漿的熬制溫度應(yīng)控制在130～150℃和140～160℃范圍內(nèi)，不宜過高或過低。硫磺砂漿的澆灌溫度以及砂子的預(yù)熱溫度應(yīng)為135～145℃和40～60℃，施工時(shí)環(huán)境溫度較低時(shí)取上限，反之可取下限值［12］。

(3)硫磺砂漿的施工環(huán)境溫度，不宜低于5℃，相對(duì)濕度不應(yīng)大于80%［13］。施工環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)采取保溫措施。

7 結(jié)語

(1)通過試驗(yàn)，得到了抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的高強(qiáng)度硫磺砂漿配合比。

(2)在燒熔試驗(yàn)中采用電熱管作為導(dǎo)體，通過計(jì)算得到硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。同時(shí)應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)硫磺砂漿熱熔進(jìn)行溫度場模擬，得到了電熱管合理間距，證明了這種計(jì)算方法的可行性，在硫磺砂漿的溫度場計(jì)算中可以應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

(3)“跳倉法”新工藝的應(yīng)用，減小了一次澆筑硫磺砂漿結(jié)構(gòu)尺寸，減輕硫磺砂漿的內(nèi)外約束，有利于散熱和降低最高溫升，對(duì)控制硫磺砂漿溫度變形裂縫的發(fā)生和展開效果顯著。

(4)在以上幾點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過制作硫磺砂漿復(fù)合支座的具體實(shí)踐，掌握了硫磺砂漿的熬制溫度和澆筑溫度，總結(jié)形成了硫磺砂漿的施工工藝。

(5)成渝客運(yùn)專線資陽沱江多線特大橋連續(xù)梁臨時(shí)支座大面積、高強(qiáng)度硫磺砂漿通過各種改進(jìn)措施得以成功實(shí)施，為后續(xù)連續(xù)梁懸臂施工及體系轉(zhuǎn)換奠定了良好的基礎(chǔ)，為以后的硫磺砂漿施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

［1］鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.TZ324—2010鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))懸臂澆筑施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

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