墩梁加固環(huán)狀狹小空間混凝土灌注技術(shù)

王 媛，葉智威，張吉慶

(深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518029)

墩梁加固環(huán)狀狹小空間混凝土灌注技術(shù)

王 媛，葉智威，張吉慶

(深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518029)

結(jié)合一高架橋墩梁固結(jié)外包混凝土加固施工實(shí)踐，介紹在鋼管箍?jī)?nèi)狹小空間中灌注混凝土施工技術(shù)的原理、施工工藝、質(zhì)量控制方法及處理措施。設(shè)計(jì)出了一種新型泵管接頭，給出了混凝土輸送泵出口泵壓公式。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土阻力系數(shù)為4.0時(shí)，既能保證混凝土頂升的最小灌注壓力，又能保證灌注混凝土的密實(shí)度和均勻度，防止離析。本文提出的技術(shù)及參數(shù)可應(yīng)用于橋梁墩柱、建筑結(jié)構(gòu)柱的加固及鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土灌注。

墩梁固結(jié) 自密實(shí)混凝土 阻力系數(shù) 灌注壓力 密實(shí)度

1 工程概況

一高架橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力單箱雙室箱形梁橋，橋墩共有三種類型:帶擴(kuò)大頭獨(dú)柱墩、無擴(kuò)大頭雙柱墩和分聯(lián)墩。由于橋梁長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，加上結(jié)構(gòu)整體升降溫、預(yù)應(yīng)力混凝土長(zhǎng)期收縮徐變、離心力作用、梁縫被混凝土殘塊堵塞、部分支座失效等多種因素的長(zhǎng)期累積作用，曲線梁出現(xiàn)橫向爬移及梁體、蓋梁、橋墩開裂等病害，需要加固。曲線橋加固，主要從主梁限位和橋墩加固入手。當(dāng)主梁橫向位移較為嚴(yán)重時(shí)，墩柱結(jié)構(gòu)可采用墩梁固結(jié)的方式加固，需在墩柱外圍安裝鋼管箍并灌注混凝土。本加固工程共加固橋墩42根，其中墩梁固結(jié)37根，墩身加固5根。墩梁固結(jié)及墩身加固構(gòu)造如圖1所示。根據(jù)施工進(jìn)度安排，混凝土灌注施工工期1個(gè)月，總計(jì)灌注混凝土374 m3。

圖1 墩梁固結(jié)及墩身加固構(gòu)造

本工程中，墩梁固結(jié)外包混凝土施工有兩個(gè)難點(diǎn):①施工空間受原有結(jié)構(gòu)限制;②加固結(jié)構(gòu)物尺寸小、構(gòu)造復(fù)雜(內(nèi)部有外包鋼筋網(wǎng)、鋼管箍?jī)?nèi)部剪力鍵及墩柱錨筋等構(gòu)造)，難以有效振搗。如果采用傳統(tǒng)施工方法存在如下三個(gè)缺點(diǎn):①混凝土灌注須分節(jié)段施工，效率低下;②無法保證管內(nèi)混凝土的密實(shí)度;③無法保證管內(nèi)混凝土與主梁梁底固結(jié)。為此需要在混凝土配合比、混凝土灌注施工設(shè)備、監(jiān)控手段等方面進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以確保墩梁固結(jié)施工成效。

2 混凝土灌注施工設(shè)計(jì)

2.1 混凝土灌注施工設(shè)計(jì)原理

采用新型泵管接頭并優(yōu)化出氣管構(gòu)造來保證混凝土與主梁固結(jié)效果，既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。自密實(shí)混凝土拌合物具有良好的工作性能，即使在配筋密集的條件下無需振搗便能均勻密實(shí)成型，且具有優(yōu)良的抗離析性能。灌注過程中混凝土為流動(dòng)狀，由于在鋼管箍開孔處與其它部位間存在壓力差，混凝土液面并非水平，而是如圖2(a)中所示的曲面?；炷凉嘧⑦^程中，液面逐漸上升，達(dá)到圖2(b)所示的液面分布，此時(shí)需要依靠混凝土泵中出口泵壓將混凝土液面向出氣口處推進(jìn)，鋼管箍?jī)?nèi)氣體逐漸排出直至混凝土充滿鋼板箍?jī)?nèi)空間。

當(dāng)混凝土充滿鋼板箍?jī)?nèi)空間后混凝土泵持續(xù)施壓直至混凝土從出氣管中流出。出氣管內(nèi)徑小于混凝土泵管內(nèi)徑，以此保證混凝土從出氣管流出過程中鋼管箍?jī)?nèi)混凝土內(nèi)部仍能保持一定壓力。

待鋼管箍?jī)?nèi)氣體排凈，出氣管中開始流出混凝土骨料時(shí)，采用木楔封閉出氣管，此過程中混凝土泵保持壓力，關(guān)閉新型泵管接頭中的節(jié)流閥，混凝土泵拆除后鋼管箍?jī)?nèi)混凝土仍處于持壓狀態(tài)，如圖2(c)所示。

圖2 灌注過程中混凝土液面分布形狀

根據(jù)加固效果及設(shè)計(jì)對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求，最終確定采用C40自密實(shí)微膨脹混凝土?；炷僚浜媳葏⒄铡蹲悦軐?shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》(CECS 02—2004)設(shè)計(jì)，要求混凝土滿足以下8項(xiàng)性能指標(biāo):

1)水泥選用較穩(wěn)定的普通硅酸鹽水泥;摻合料是自密實(shí)混凝土不可缺少的組成部分;膠凝材料總量為500 kg/m3左右，不宜大于600 kg/m3。

2)砂率在45%以上，最高可到50%。

3)參照墩柱與外包鋼管之間的間隙確定骨料最大粒徑，一般粗骨料最大粒徑不得大于10 mm。

4)自密實(shí)性能等級(jí)Ⅰ級(jí)，500 mm流經(jīng)時(shí)間T500控制在2～5 s，L型儀器(鋼筋凈距40 mm)測(cè)得的混凝土阻塞率H2/H1≥0.80。

5)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的混凝土坍落度介于260～270 mm;擴(kuò)展度650～750 mm，以750 mm左右為佳;混凝土坍開后，垂直兩方向直徑偏差平均值不允許超過2 cm。

6)坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)后混凝土圓周無泌水，也不出現(xiàn)砂漿圈，粗骨料在邊緣和中央分布同樣均勻。

7)測(cè)混凝土坍落度時(shí)，中心與邊緣高度差不允許大于20 mm。

8)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，并具有微膨脹性能。

混凝土配合比設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)制作試驗(yàn)柱以驗(yàn)證自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性及混凝土施工質(zhì)量，并進(jìn)一步獲得混凝土運(yùn)輸過程中坍落度損失、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸車輛數(shù)目等參數(shù)，為正式開始混凝土灌注施工提供參考。

2.2 試驗(yàn)柱設(shè)計(jì)及施工

試驗(yàn)柱模型置于20 cm厚的C15混凝土墊層上，墩柱采用直徑1.3 m的平口混凝土排水管模擬，高度2.0 m，嵌入混凝土墊層20 cm。外包鋼管箍采用內(nèi)徑1.8 m鋼管模擬，高度1.7 m，嵌入混凝土墊層20 cm。內(nèi)外管間按照實(shí)際墩柱加固設(shè)計(jì)尺寸綁扎鋼筋。為保證模型整體在混凝土灌注過程中的穩(wěn)定性，在模型外部搭設(shè)鋼管骨架。為保證內(nèi)管穩(wěn)定性，在內(nèi)部設(shè)置三層直徑16 mm鋼筋骨架。試驗(yàn)柱模型如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)柱模型構(gòu)造(單位:cm)

根據(jù)試驗(yàn)柱施工經(jīng)驗(yàn)，得出C40自密實(shí)微膨脹混凝土配合比，如表1所示。

表1 C40自密實(shí)微膨脹混凝土配合比

2.3 混凝土輸送泵選擇

混凝土灌注施工過程中，混凝土泵送系統(tǒng)壓力由混凝土自重靜壓力、垂直上升阻力、水平輸送管、彎管、輸送泵內(nèi)損壓力等組成?；炷凛斔捅贸隹诒脡罕仨毚笥谏鲜鰤毫偤?。

混凝土輸送泵壓力Pmax按下式計(jì)算

式中:γ為混凝土重度，取25 kN/m3;h為墩柱最大灌注高度，取10 m;ΔPH為混凝土輸送管每米壓力損失，MPa/m;L為混凝土輸送管路的累計(jì)水平換算距離，參照表2換算得到水平累計(jì)長(zhǎng)度為113 m;n1為管路截止閥數(shù)目，取為1個(gè);n2為管路分配閥數(shù)目，取為0;Pf為混凝土在墩柱外包鋼管箍中流動(dòng)時(shí)受到外包鋼筋網(wǎng)、鋼管箍?jī)?nèi)部剪力鍵及墩柱錨筋的阻力，取值為混凝土在鋼管箍?jī)?nèi)最大靜壓力乘以安全系數(shù)，即Pf=μγh，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，取 μ=4.0;S1為混凝土坍落度，取為260 mm;V2為混凝土在輸送管中的平均流速，取為2.03 m/s。

表2 混凝土輸送管水平換算長(zhǎng)度

混凝土自重產(chǎn)生的靜壓力γh=25×10=250 Pa，合0.25 MPa。按照式(2)計(jì)算得到混凝土輸送管中每米壓力損失 ΔPH=5 896.2 Pa，取為0.005 9 MPa/m。混凝土輸送管累計(jì)長(zhǎng)度為113 m，則得到混凝土輸送管中壓力損失值為 ΔPHL=0.005 9×113=0.667 MPa?；炷猎阡摴芄恐辛鲃?dòng)受到的阻力取為4γh=4×0.25=1.0 MPa。

綜合以上計(jì)算結(jié)果得到泵送系統(tǒng)總壓力Pmax=0.25+0.667+1.0+0.1×1.0+0.2×0+1.0=3.017 MPa?？紤]混凝土灌注過程中不可預(yù)估的壓力損失，取安全系數(shù)2.0，得到泵送系統(tǒng)總壓力P=2.0×3.017=6.034 MPa，取為 7 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算，混凝土泵車選擇HBT 60-13-90車載式混凝土輸送泵，其泵送混凝土理論出口泵壓為13 MPa，可滿足要求。

實(shí)際灌注過程，泵車泵送系統(tǒng)壓力為6～8 MPa，與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

2.4 泵管接頭設(shè)計(jì)

泵管接頭在混凝土泵送到位后應(yīng)能在保持泵壓情況下關(guān)閉截止閥，確保鋼管箍?jī)?nèi)混凝土處于受壓狀態(tài)。在保證各墩柱混凝土流水化施工的同時(shí)應(yīng)減少其制作材料用量。為此，專門設(shè)計(jì)了新型泵管接頭(專利申請(qǐng)?zhí)?201420616665.0)，如圖4所示。鋼板2移動(dòng)到位后，其前端部分可拆下循環(huán)利用，保證各墩柱混凝土灌注流水施工同時(shí)節(jié)約50%泵管接頭材料。

圖4 泵管接頭構(gòu)造

根據(jù)墩柱高度選擇泵管規(guī)格，一般采用低壓泵管，外徑133 mm，內(nèi)徑125 mm。根據(jù)泵管尺寸在鋼管箍上開孔，焊接混凝土泵送接頭。為防止混凝土回流，在泵送接頭上安裝截止閥。截止閥采用10 mm厚鋼板及直徑133 mm鋼管加工。螺栓根據(jù)出口泵壓選取，一般使用M12螺栓能滿足要求。

2.5 出氣管設(shè)計(jì)

出氣管選用小直徑鋼管，內(nèi)徑選為混凝土最大骨料粒徑的3～4倍，長(zhǎng)度0.6～1.0 m。如果凈空條件允許，出氣管應(yīng)當(dāng)向上彎曲90°，管口高出主梁梁底0.5～1.0 m，同時(shí)做好加固措施，防止出氣管在混凝土自重作用下發(fā)生彎曲、脫落。

2.6 泵管接頭及出氣孔安裝

混凝土泵管接頭位置及出氣孔開孔位置與橋墩加固結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。圖5為圓柱墩常用結(jié)構(gòu)形式泵管接頭及出氣管安裝示意圖。出氣管安裝在泵管接頭對(duì)面的鋼板箍頂部，若主梁寬寬度較小，可將出氣管延伸至主梁寬度以外，出氣口向上抬高0.5～1.0 m。

圖5 泵管接頭及出氣管安裝示意

3 混凝土灌注施工工藝

混凝土灌注施工工藝流程如圖6所示。灌注施工要注意如下幾點(diǎn):

圖6 混凝土灌注施工工藝流程

1)進(jìn)料短管宜選用混凝土泵管制作，與鋼管箍間必須焊接牢固，不得漏焊，防止在混凝土灌注過程中因水平管顫動(dòng)而脫焊，造成頂升失敗。

2)泵管連接時(shí)用水濕潤(rùn)泵管后隨即開始灌注。

3)混凝土坍落度對(duì)混凝土輸送泵出口泵壓影響十分明顯，因此必須嚴(yán)格控制混凝土塌落度及灌注施工時(shí)間。

4)鋼管內(nèi)的混凝土灌注必須一次性完成，當(dāng)混凝土供應(yīng)量不能確保一根鋼管箍連續(xù)灌注時(shí)就停止施工，防止混凝土石子回落出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象造成灌注失敗。

5)截止閥閘板縫可使用黃油涂縫，防止漏氣泄壓。

6)混凝土灌注過程中注意使用灌注后泵管中的混凝土制作同條件試塊。

7)灌注施工時(shí)流出的混凝土應(yīng)集中堆放。

4 結(jié)語

1)鋼管箍?jī)?nèi)混凝土灌注施工全過程中，混凝土配合比的設(shè)計(jì)是核心工作?；炷涟韬衔锛纫哂袠O好的工作性能，又要實(shí)現(xiàn)鋼管箍的“緊箍效應(yīng)”。

2)實(shí)際泵送系統(tǒng)泵壓6～8 MPa，據(jù)此反算得到混凝土在具有復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)造的鋼管箍?jī)?nèi)行進(jìn)過程中的阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為4.0。

3)泵送速度不宜過快，應(yīng)保證混凝土液面緩慢持續(xù)上升至頂部，直至從出氣管中溢出骨料。

4)鋼管箍頂部出氣管是保證鋼管箍?jī)?nèi)混凝土與主梁有效固結(jié)的重要部件，應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)。若有條件應(yīng)通過計(jì)算確定其最佳管徑及位置。一般管徑不宜過小，選為混凝土最大骨料粒徑的3～4倍，長(zhǎng)度0.6～1.0 m。如果凈空條件允許，出氣管應(yīng)當(dāng)向上彎曲90°，管口高出主梁梁底0.5～1.0 m，安裝位置位于鋼管箍頂部，同時(shí)做好加固措施，防止出氣管在混凝土自重作用下發(fā)生彎曲、脫落。

5)采用本施工方法進(jìn)行空間狹小的墩梁固結(jié)外包混凝土灌注，能夠“全斷面”、“一次性”、“全密實(shí)”完成施工。

6)采用新型泵管接頭，泵送系統(tǒng)拆除后鋼管箍?jī)?nèi)混凝土仍處于持壓狀態(tài)，且在保證各墩柱混凝土流水施工的情況下可減少材料用量。

7)本施工方法同樣適用于結(jié)構(gòu)柱加固及鋼管混凝土拱橋鋼管內(nèi)的混凝土灌注施工。

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TU391

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．08

1003-1995(2015)07-0025-04

2015-01-13;

2015-03-15

王媛(1965— )，女，陜西寶雞人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)