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      墩梁加固環(huán)狀狹小空間混凝土灌注技術(shù)

      2015-09-05 03:49:14葉智威張吉慶
      鐵道建筑 2015年7期
      關(guān)鍵詞:輸送管混凝土泵管接頭

      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。

      [1]曹興,魏洋,李國(guó)芬,等.鋼筋混凝土橋墩加固與修復(fù)技術(shù)研究[J].施工技術(shù),2011,346(40):60-64.

      [2]孫文龍,李世春.某橋梁墩柱偏位成因分析及處治建議[J].北方交通,2013,39(7):39-42.

      [3]李化建,譚鹽賓,謝永江,等.自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)及其在高速鐵路中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2012(8):143-145.

      [4]李壽福.128 m系桿拱橋鋼管混凝土澆筑施工技術(shù)[J].鐵道建筑,2013(9):12-13.

      [5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 10—2011 混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

      [6]中國(guó)土木工程學(xué)會(huì).CCES 02—2004 自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

      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)

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