龔景森
(廣東冠粵路橋有限公司,廣東廣州 511450)
組合鋼板梁結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)。非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化,充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料的力學(xué)性能,且構(gòu)造簡(jiǎn)單,是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工快速化、運(yùn)營(yíng)管理便捷化的優(yōu)勢(shì)選型,有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,是橋梁結(jié)構(gòu)體系的工業(yè)化發(fā)展的重要方向[1-2]。
由于混凝土抗拉性能弱的特征,在連續(xù)鋼―混凝土組合梁的負(fù)彎矩區(qū),會(huì)產(chǎn)生裂縫,影響組合梁的安全性能以及耐久性。組合梁橋?yàn)榻鉀Q負(fù)彎矩區(qū)段混凝土橋面板承受拉應(yīng)力的問(wèn)題,常規(guī)有設(shè)置墩頂梁段設(shè)置張拉預(yù)應(yīng)力或在中間墩頂支座處進(jìn)行頂升和回落。由于全橋?qū)掝A(yù)制橋面板的厚度較薄,且有橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線,因此再設(shè)置縱向鋼絞線較為困難,而且結(jié)構(gòu)較為繁雜,施工難度較大;中間墩頂支座處進(jìn)行頂升和回落的施工方法施工橋面板,克服混凝土徐變帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失還能儲(chǔ)備一定的壓應(yīng)力在橋面板中,以改善橋面板受力情況,但是對(duì)頂升量控制難以控制且工序較為繁瑣,對(duì)施工進(jìn)度控制不利和機(jī)械設(shè)備的要求較高[3]。
廣東省云浮羅定至茂名信宜(粵桂界)高速公路工程老屋村大橋?yàn)殇摪褰M合梁橋結(jié)構(gòu),其負(fù)彎矩區(qū)的橋面板C50混凝土頂部采用10cm的STC(超高韌性混凝土混凝土)疊合設(shè)計(jì),提升負(fù)彎矩區(qū)抗拉性能,提高其橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和使用壽命。本文針對(duì)該類型全寬預(yù)應(yīng)力橋面板的預(yù)制施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)。
廣東省云浮羅定至茂名信宜(粵桂界)高速公路工程老屋村大橋采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h; 橋梁全長(zhǎng)448m。橋跨布置為(4×40m+4×40m+3×40m),主梁采用雙工字鋼板組合梁,單幅組合梁橋面寬12.5m,雙幅全寬25.5m。鋼主梁采用Q345qC工字型鋼梁,混凝土橋面板和鋼主梁通過(guò)剪力釘后澆混凝土連接,雙主梁之間采用橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系,橫梁標(biāo)準(zhǔn)間隙8.0m,鋼主梁和橫梁之間采用焊接連接,鋼板梁腹板結(jié)構(gòu)中心處梁均高2.2m,鋼梁全寬7.8m。預(yù)制橋面板標(biāo)準(zhǔn)段采用C50混凝土,墩頂負(fù)彎矩區(qū)兩邊各6.75m范圍內(nèi)濕接縫及剪力槽和C'類橋面板頂部10cm使用STC材料。橋面板縱向采用鋼筋混凝土濕接縫連接,橫向全寬預(yù)制(預(yù)制面板的橫斷面見(jiàn)圖1),設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力。橋面板存放期≥3個(gè)月,以減小收縮徐變。
圖1 STC覆面疊合橋面板立面構(gòu)造圖
全寬預(yù)制STC超高韌性混凝土疊合橋面板預(yù)制施工時(shí)鋼筋定位精度高、橋面板結(jié)構(gòu)尺寸大、雙層混凝土疊合施工、平整度要求高等施工難點(diǎn)。文章結(jié)合工程實(shí)踐為背景,總結(jié)分析全寬預(yù)應(yīng)力橋面板兩種模板體系施工對(duì)比、橋面板質(zhì)量與精度控制、STC疊合施工等關(guān)鍵施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考借鑒。
預(yù)制橋面板主要施工工藝:鋼筋半成品加工→鋼筋綁扎臺(tái)座進(jìn)行鋼筋骨架整體綁扎→鋼筋骨架整體吊裝入模→合?!炷翝仓谝粚踊炷粒–50)→混凝土澆筑第二層混凝土(SCT)→保濕養(yǎng)護(hù)→脫?!鷱埨谝慌A(yù)應(yīng)力并壓漿、封錨→起吊至二次養(yǎng)護(hù)區(qū)養(yǎng)護(hù)→高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)→堆存達(dá)到90d齡期后架設(shè)橋面板。
本工程采用鋼板組合梁橋面板全寬幅預(yù)制,縱向采用濕接縫連接,橋面板預(yù)留孔洞與鋼梁剪力釘通過(guò)后澆混凝土連接形成整體。C'標(biāo)準(zhǔn)橋面板尺寸為3.0m×12.5m,平面構(gòu)造示意如圖2。橋面板設(shè)置6束橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線,考慮到橋面板剪力槽的位置,分兩個(gè)階段張拉:
圖2 STC覆面疊合橋面板平面構(gòu)造圖
(1)為滿足起吊需要,混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90% 時(shí),張拉距未穿過(guò)剪力槽的4束鋼絞線;
(2)為減少因砼收縮產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失,待橋面板安裝完成且剪力槽砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值100%后張拉其余束鋼絞線。
預(yù)制板采用固定式整體模板,模板和預(yù)埋在混凝土支墩上的槽鋼焊接固定。鋼筋在場(chǎng)內(nèi)加工區(qū)加工成半成品后,在臺(tái)座上綁扎成型,并安裝預(yù)應(yīng)力管道。安裝端部梳齒板及剪力釘槽口模板,龍門(mén)吊提吊吊斗澆筑混凝土。初凝后,覆蓋土工布灑水養(yǎng)生、等強(qiáng)7d后安裝預(yù)應(yīng)力筋,張拉、壓漿、封錨后,50t龍門(mén)吊提吊至臨時(shí)存板區(qū)存放。
常規(guī)固定固定式整體模板預(yù)制橋面板必須待混凝土達(dá)到起吊強(qiáng)度并吊出后方可進(jìn)入下一循環(huán)的施工,單個(gè)結(jié)構(gòu)施工暫用模板時(shí)間較長(zhǎng),周轉(zhuǎn)效率低,場(chǎng)地要求高、模板投入大[4]。由于橋面板的面積較大,澆筑混凝土后與底模吸附力較大,同時(shí)由于起吊無(wú)法保證絕對(duì)的平衡,在起吊出模的瞬間可能造成橋面板受損形成缺邊掉角或結(jié)構(gòu)裂縫等問(wèn)題。固定式整體模板與臺(tái)座基礎(chǔ)連接時(shí),除了考慮豎向荷載外,還考慮板體起吊瞬間與底模間的吸附力,這就要求固定式整體模板與臺(tái)座基礎(chǔ)做必要的錨固措施,以抵抗這種因吸附力產(chǎn)生的上拔力,結(jié)構(gòu)較為繁雜[5]。
移動(dòng)式模板法是指模板體系移動(dòng)、梁位不動(dòng)的一種預(yù)制方法,其鋼筋工程、混凝土工程均與整體式模板法相同,僅在模板的構(gòu)造與安裝方式上存在差異。預(yù)制臺(tái)位安裝模板體系分為五大部分,兩側(cè)翼緣板下以及中央板下為可移動(dòng)部分,鋼梁對(duì)應(yīng)的兩處位置為固定臺(tái)座,在臺(tái)座頂面嵌入鋼板形成底模。可移動(dòng)部分設(shè)支撐裝置,并設(shè)滑軌及動(dòng)力裝置,實(shí)現(xiàn)模板體系的脫架以及移動(dòng)。
工藝上,先將底模移動(dòng)就位,固定在預(yù)制臺(tái)座墊梁上,待橋面板鋼筋綁扎后,安裝側(cè)模。模板安裝要求牢固、穩(wěn)定、不變形,拼縫嚴(yán)密、不漏漿,并嚴(yán)格控制模板幾何尺寸符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,對(duì)預(yù)留鋼筋通道形成的孔洞,采取分塊插入梳齒式薄鋼板,防止漏漿。
當(dāng)橋面板混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa以上時(shí),且混凝土芯部與表層、表層與環(huán)境溫差均不大于15℃,氣溫?zé)o急劇變化,并保證梁體棱角完整后,方可拆除側(cè)模板,拆除模板前首先應(yīng)拆除模板間的連接,利用龍門(mén)吊進(jìn)行起吊、人工配合。
拆模順序?yàn)?,先拆除翼緣板?cè)端摸,再拆除腹板側(cè)端摸,最后拆除底模推拉桿,如圖3、圖4所示。
圖3 翼緣板端摸及推拉桿拆除示意圖
圖4 腹板端摸及推拉桿拆除示意圖
分塊移動(dòng)底模,將底模移動(dòng)至下一橋面板澆筑位置,進(jìn)行下一塊橋面板預(yù)制,周轉(zhuǎn)使用率較高。移動(dòng)式模板法類似于長(zhǎng)線預(yù)制,能夠直觀反應(yīng)各橋面板塊之間的聯(lián)系、鋼筋關(guān)系,對(duì)于生產(chǎn)管理有著較高的優(yōu)勢(shì),如圖5所示。
圖5 底模移動(dòng)示意圖
針對(duì)剪力槽尺寸和位置不準(zhǔn)確、剪力槽鋼筋與剪力釘互相沖突問(wèn)題,在鋼底模板限位剪力槽模板,提前在模板上模擬出剪力釘位置,同時(shí)與鋼板梁加工廠家溝通,在焊接剪力釘時(shí)模擬出橋面板位置,解決剪力槽內(nèi)部鋼筋與剪力釘互相沖突問(wèn)題,如圖6、圖7所示。
圖6 鋼梁剪力釘定位
圖7 鋼梁剪力槽口定位
(1)側(cè)模梳齒板拆除時(shí)通過(guò)龍門(mén)吊加導(dǎo)鏈配合拆除,避免造成模板變形及混凝土棱角損壞;
(2)活動(dòng)底模行走至下一個(gè)澆筑位之后,通過(guò)底模撐桿調(diào)整底模標(biāo)高,利用水準(zhǔn)儀測(cè)量,在每塊模板四個(gè)角點(diǎn)分別選取一點(diǎn),各點(diǎn)高差不大于2mm;
(3)活動(dòng)底模與混凝土臺(tái)座上固定底模的接觸面通過(guò)調(diào)整底模拉桿及撐桿消除錯(cuò)臺(tái);
(4)相鄰模板間設(shè)置橡膠止?jié){條防止漏漿。
預(yù)制橋面板包括下層12cm厚C50混凝土層和上層10cm厚STC層上、下兩層混凝土分別在臺(tái)座上澆筑及養(yǎng)護(hù)至齡期后,再?gòu)埨瓩M向預(yù)應(yīng)力鋼束,最后吊裝至存梁區(qū)。
STC層內(nèi)布置有縱、橫向鋼筋網(wǎng),其中除按普通預(yù)制板配置了HRB400級(jí)φ28縱向鋼筋和φ20橫向鋼筋,還分別在縱、橫向鋼筋間增加了一束HRB400級(jí)φ12鋼筋。為保證預(yù)制板之間的縱向預(yù)留鋼筋相互錯(cuò)開(kāi),相鄰預(yù)制板的縱向鋼筋相互錯(cuò)開(kāi)30mm。
STC混凝土標(biāo)號(hào)為STC22,由水泥、石英砂、鋼纖維、核心料(專利產(chǎn)品,包括硅灰、粉煤灰、高效減水劑等)和水等拌合而成。生產(chǎn)方式采用工廠把固體原材料預(yù)拌成干混料,然后現(xiàn)場(chǎng)加水進(jìn)行二次拌合。每塊預(yù)制板需要干混料3m3(考慮4%損耗)。
STC橋面板的制作工藝流程如圖8所示。其中橋面預(yù)制板保濕養(yǎng)護(hù)在臺(tái)座上進(jìn)行,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為STC攤鋪后的48h;濕接縫鑿毛為STC終凝后(約16h),拆除側(cè)模,然后進(jìn)行濕接縫鑿毛。高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)在專用養(yǎng)護(hù)臺(tái)座上進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間約為5d(包括蒸汽養(yǎng)護(hù)升、降溫時(shí)間和恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間)。
圖8 STC橋面板預(yù)制施工工藝流程圖
STC與普通混凝土的粘結(jié)非常關(guān)鍵,采用高壓水槍進(jìn)行射水鑿毛,確保橋面板表面形成凸凹不平的粘結(jié)面,且不存有碎渣及灰塵,在澆筑前保持濕潤(rùn)狀態(tài)。
5.3.1 STC配合比設(shè)計(jì)
STC的主要原材料包括水泥、石英砂、石英粉、硅灰、鋼纖維、高效減水劑等,為使材料充分拌合均勻,STC的生產(chǎn)一般采用在專業(yè)工廠將固態(tài)原材料預(yù)拌成干混料并計(jì)量包裝,然后在現(xiàn)場(chǎng)加水進(jìn)行二次攪拌。STC干混料生產(chǎn)廠家根據(jù)本項(xiàng)目的性能要求,先進(jìn)行試配,擬定初始配合比,再根據(jù)原材料的要求確定施工配合比。施工配合比確定后,水泥、石英砂、鋼纖維等原材料的品種、規(guī)格、產(chǎn)地等不得變化;如果發(fā)生變化,需重新制定新的配合比。干混料進(jìn)場(chǎng)時(shí),干混料生產(chǎn)廠家需提供原材料的產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告等,并提供STC干混料和水的施工配合比。
干混料進(jìn)場(chǎng)前,需首先進(jìn)行外觀檢查,干混料不得有結(jié)團(tuán)、受潮等情況,袋裝的重量偏差等滿足要求;然后按批次(同一規(guī)格、同一原材料、同一生產(chǎn)廠家,以不超過(guò)200t為一批)對(duì)干混料進(jìn)行取樣,并根據(jù)廠家提供的施工配合比進(jìn)行配合比驗(yàn)證,驗(yàn)證的主要指標(biāo)包括STC的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量、干混料中鋼纖維含量的均勻性等,合格后方可允許進(jìn)場(chǎng)。
5.3.2 STC攪拌
STC攪拌為STC干混料和水的拌合。本項(xiàng)目結(jié)合STC的材料特性并為保證預(yù)制板的結(jié)構(gòu)性能,攪拌采用如下措施:
(1)采用先進(jìn)的大功率STC專用高速智能攪拌設(shè)備,縮短攪拌時(shí)間,減少氣泡的混入;
(2)采用2臺(tái)1m3攪拌機(jī)分盤(pán)攪拌,然后集中卸入布料車內(nèi),布料車連續(xù)不間斷攪拌,然后單片板一次布料完成,保證預(yù)制板中鋼纖維含量及分布均勻;
(3)攪拌需按照配合比對(duì)原材料進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量,并嚴(yán)控?cái)嚢璩绦蚝蛿嚢钑r(shí)間。
STC攪拌首先采用桁吊把稱重好的STC干混料投入攪拌機(jī)料筒內(nèi),干拌30s左右,使干混料處于流動(dòng)狀態(tài);然后按比例計(jì)量加入水,進(jìn)行濕拌合,攪拌過(guò)程中通過(guò)觀察窗口觀察拌合物的狀態(tài),待STC拌合物流化后,繼續(xù)攪拌不少于2min,總攪拌時(shí)間不少于8min。STC的攪拌程序和攪拌時(shí)間控制如表1所示。
表1 STC攪拌程序及攪拌時(shí)間控制
5.3.3 STC運(yùn)輸及布料
STC材料的水灰比低,在0.16~0.2之間,為防止運(yùn)輸過(guò)程中和分次布料的待料過(guò)程中STC表面水分散失導(dǎo)致結(jié)皮情況,采用15m3的攪拌運(yùn)輸車一次裝料后運(yùn)至澆筑地點(diǎn),一次布料完成,中間不停頓。運(yùn)輸過(guò)程中保持罐體始終在轉(zhuǎn)動(dòng),使料斗內(nèi)STC一直處于攪動(dòng)狀態(tài),防止驟凝。接料前需對(duì)料斗進(jìn)行充分的清洗,不得有殘?jiān)?、積水等。
國(guó)外的研究表面,纖維取向?qū)TC構(gòu)件的抗拉性能有顯著影響,而澆筑方向?qū)w維的取向有顯著影響,采取如下保障措施:
(1)布料前檢查。對(duì)鋼筋、預(yù)埋件等的位置進(jìn)行檢查,確保安裝位置準(zhǔn)確;對(duì)模板尺寸、密封等情況進(jìn)行檢查。
(2)對(duì)作業(yè)面進(jìn)行灑水濕潤(rùn),但不得有積水。
(3)澆筑方向沿長(zhǎng)邊方向均勻布料。
(4)布料時(shí),料斗于一點(diǎn)卸料,通過(guò)STC自流平向其他位置布料。
5.3.4 振搗整平
不同于普通混凝土,STC的振搗主要目的是把攪拌和澆筑過(guò)程中混入的氣體排出,同時(shí)使鋼纖維的取向朝向結(jié)構(gòu)有利的方向;采用插入式振搗棒會(huì)使鋼纖維積聚在振搗棒周圍,不利于鋼纖維的分布,如圖9所示。
圖9 STC振搗整平
采用高頻平板振搗器進(jìn)行振搗,并采用手扶式整平收面設(shè)備進(jìn)行整平手民,邊界位置采用手持式振動(dòng)器進(jìn)行振搗。振搗按下列規(guī)定執(zhí)行:
(1)采用手扶式整平收面設(shè)備振搗前需先對(duì)鋼筋頂部做好標(biāo)高帶作為行走軌道,確保STC頂面的平整度滿足3mm的要求,同時(shí)保證鋼筋保護(hù)層厚度。
(2)高頻平板振搗器沿橫橋向進(jìn)行作業(yè);作業(yè)前,需對(duì)設(shè)備與STC接觸面進(jìn)行灑水濕潤(rùn)。
(3)施工過(guò)程中嚴(yán)禁采用插入式振搗棒進(jìn)行振搗。
5.3.5 養(yǎng)護(hù)工程
STC預(yù)制板的養(yǎng)護(hù)包括保濕養(yǎng)護(hù)和高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)兩個(gè)節(jié)段。STC保濕養(yǎng)護(hù)緊隨在STC攤鋪完成后進(jìn)行,在預(yù)制臺(tái)座上進(jìn)行,時(shí)間約48h左右,養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,待同條件養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度達(dá)到60MPa以后,進(jìn)行脫模,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工,然后進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù),高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于120h,蒸養(yǎng)之前始終保持預(yù)制板的濕潤(rùn)。
(1)STC保濕養(yǎng)護(hù)。STC保濕養(yǎng)護(hù)采用在預(yù)制板表面覆蓋節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)薄膜,然后進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù),確保STC表面不產(chǎn)生干縮裂紋。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48h,養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不得對(duì)預(yù)制板進(jìn)行擾動(dòng);其中節(jié)水保濕薄膜應(yīng)在預(yù)制板澆筑后立即進(jìn)行覆蓋,防止STC表面水分散失;STC保濕養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,需按下列要求進(jìn)行。
1)覆膜前灑水。覆膜前,應(yīng)對(duì)STC表面進(jìn)行灑水濕潤(rùn)。灑水需采用噴霧形式,要求高壓水槍槍頭朝上,不得對(duì)STC表面進(jìn)行直射。
2)覆膜前,注意觀察薄膜上的標(biāo)記,標(biāo)有底層的應(yīng)朝下,方向不能弄反。
3)鋪膜過(guò)程中應(yīng)采用笤帚對(duì)膜進(jìn)行抹平,使膜與STC面貼合緊密,不得有鼓泡現(xiàn)象。如有鼓包的地方,應(yīng)采用鐵絲戳破,并用保濕薄膜覆蓋裸露位置。
4)保濕養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,由專人進(jìn)行巡查,發(fā)現(xiàn)局部缺水時(shí),及時(shí)補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)。
(2)STC高溫蒸汽養(yǎng)生。保濕養(yǎng)護(hù)和預(yù)應(yīng)力張拉之后,將橋面板吊裝至高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)區(qū)域,通過(guò)高溫蒸汽養(yǎng)生可以在早期基本完成STC材料收縮應(yīng)變,同時(shí)消除后期的STC層的徐變,是實(shí)現(xiàn)STC致密性、高強(qiáng)度、高韌性,消除后期收縮變形的必要手段,蒸汽養(yǎng)護(hù)在預(yù)制板保濕養(yǎng)護(hù)完成并脫模后進(jìn)行。
蒸養(yǎng)溫度要求:養(yǎng)護(hù)升溫階段,升溫速度不大于12℃/h,升溫至45℃~50℃以上時(shí),養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于120h,降溫速度不得大于15℃/h,直到降至現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境氣溫。養(yǎng)護(hù)過(guò)程采用自動(dòng)溫度控制系統(tǒng),對(duì)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)溫度進(jìn)行24h監(jiān)控。
本文通過(guò)對(duì)全寬預(yù)制STC超高韌性混凝土覆面疊合橋面板施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析,得出如下結(jié)論。
(1)移動(dòng)式模板法進(jìn)行全寬預(yù)應(yīng)力橋面板預(yù)制,減少了模板數(shù)量及基礎(chǔ)的投入,提高了模板的利用率,同時(shí)減小拆模對(duì)預(yù)制構(gòu)件的損傷,有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)通過(guò)對(duì)采用梳齒板式鋼筋板扎胎架、剪力槽鋼筋模擬定位措施以及抽插式剪力槽模板的運(yùn)用研究,解決了橋面板與鋼梁頂面剪力釘群匹配、板與板間濕接縫鋼筋匹配等問(wèn)題,確保了橋面板的制作及后期安裝精度。
(3)本項(xiàng)目率先采用的STC覆面疊合技術(shù),經(jīng)工藝驗(yàn)證,STC與混凝土結(jié)合良好。
(4)采用的施工工藝技術(shù)解決了鋼筋定位精度高、平整度要求高、STC覆面疊合施工等技術(shù)難題,確保了鋼混組合梁全寬預(yù)制橋面板的施工質(zhì)量,可供類似工程借鑒。