菱形变截面钢拱肋混凝土压注技术

龚奇丰

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江湖州 313000)

1 工程概况

芜湖袁泽桥主桥为带副拱的中承式菱形变截面钢管混凝土拱桥,理论拱轴线拱脚水平距离135 m,矢高30 m,主拱拱肋采用钢管混凝土结构,由上下左右4根钢管和腹板组成。左右侧钢管直径0.7 m；上下管为变径钢管,拱脚处直径1.1 m,拱顶处直径0.7 m；拱轴线IP点处拱肋宽2.2 m,高3.1 m,拱顶处拱肋宽1.7 m,高2.0 m。钢管及内室内填C50微膨胀混凝土,其中设计左、右侧单管混凝土方量各为55 m3；上、下单管混凝土方量各为88 m3,内室混凝土方量为85 m3,单个拱肋混凝土方量为371 m3。袁泽桥主桥立面布置见图1,拱肋横断面见图2。

图1 主桥立面布置(单位：m)

图2 拱肋横断面示意

2 施工方案设计

拱肋上下管、内室为变截面结构,特别是拱肋内室设计构件多,有侧管横撑钢管(相邻钢管间距1～1.5 m)、吊杆承压管、内腹板剪力钉、锚固钢筋等,压注截面积自拱脚往拱顶逐渐变小,其中拱顶内室吊杆承压管与侧管净距不足6 cm,混凝土输送压力增加较大。加上受场地限制,地泵必须停靠在离拱脚距离35 m外的防洪墙外侧,泵送距离远(水平距离近50 m),地泵管弯头多(需要3～5个不同角度的弯头)。施工期间正处高温季节(施工时间7月下旬,当地月平均温度28.3 ℃,钢管表面最高温度近50 ℃),施工难度大,对施工技术要求高。

根据现场施工环境条件、设计要求,钢管混凝土压注主要施工方案和顺序要求如下。

(1)钢管混凝土必须具有无收缩、低泌水、低水化热、超塑大流动性、初凝时间长、自密实性能好等特点。

(2)地泵数量、性能、拌和站功率等设备须满足现场施工需要。

(3)混凝土压注顺序符合设计要求,遵循“逐步成功,逐级加载,外力释放,间期缩短”的原则,以桥轴线为对称线,桥两侧对称加载；按照先侧管、次下管、后上管、最后内室分4次压注施工；单次压注施工按照单管、相向对称压注、两侧穿插进行。压注顺序见图2。

(4)施工前后采用全站仪、应力、温度传感器对拱肋应力、应变、温度进行观测监控。

3 主要机械设备

根据施工方案确定的主要施工机械设备见表1。

4 配合比设计

拱肋内填混凝土采用C50微膨胀混凝土,为确保内填混凝土的密实、强度、弹性模量及各项性能满足现场施工需要,对混凝土配合比进行了严格的性能试验比对,确定最佳配合比为(kg/m3)：

水泥∶细集料∶粗集料∶水∶粉煤灰∶膨胀剂∶外加剂=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 主要施工机械设备

(2)粗集料(碎石)：产地繁昌,粗集料的规格采用5～25 mm连续级配,ρg=2.74 g/cm3。

(3)细集料：产地长江,规格为Ⅱ区中砂,ρs=2.63 g/cm3。

(4)外掺料：粉煤灰,产自马鞍山电厂,ρf=2.2 g/cm3。

(5)水：饮用水。

(6)膨胀剂：产地合肥齐阳,UEA型。

(7)外加剂：法尔胜聚羧酸高效减水剂。

坍落度为180～220 mm,初凝时间10 h 15 min,终凝时间13 h。混凝土按计算配比采用机械搅拌,当w/(c+f)=0.33时,测其拌和物坍落度为21.0 cm,扩展度为64.0 cm,含砂情况-中,黏聚性-良好,保水性-少量；当w/(c+f)=0.36时,拌和物坍落度为20.0 cm,扩展度为56.0 cm,含砂情况-中,黏聚性-良好,保水性-少量；当w/(c+f)=0.38时,拌和物坍落度为19.5 cm,,扩展度为56.0 cm,含砂情况-多,黏聚性-良好,保水性-少量。

5 施工工艺流程

5.1 总体压注顺序

拱肋混凝土共分4次压注：按第1次压侧管,第2次压下钢管,第3次压上管,第4次压内室的施工顺序进行。混凝土压注根据左右拱肋穿插、单管相向平衡压注的原则,单次压注必须在混凝土初凝时间内压注完毕。正常施工时约1.5～2 h完成一次钢管混凝土压注,第1次压注侧管6 h内完成,第2、3、4次压注5 h内完成。每次混凝土施工间隔时间为压注混凝土达到设计强度的85%以上且间隔时间不少于72 h。

5.2 单管压注流程

施工准备→安设压注头、闸阀、拱脚排水孔→清洗管内污物、润湿内壁(水泵从最高点的出浆管处灌水)→管内水灌满后开启压注孔处闸阀排水、拱脚排水孔打开排水→封闭排水孔、连接好闸阀处泵管→压注管内混凝土→出浆孔排出混凝土→关闭压注口处闸阀→拆除闸阀完成压注。

6 压注施工

6.1 压注孔设置

在离拱座混凝土面1～1.5 m处(距拱脚承压钢板2.5～3 m处)设置压注孔。内室压注孔处外腹板(靠拱肋外侧)在A拱段制作时不焊接,压注完毕后在现场进行焊接。为保证压注孔焊补质量,在进行钢拱段制造时,先期在厂内进行开孔定位,并在拱肋压注孔内部先行设置钢衬垫。压注孔连接管与钢管侧壁成30°～45°进行焊接,压注孔连接管采用内径125 mm,壁厚5 mm钢管。具体布置见图3、图4。

图3 压浆管布置示意

图4 压浆管连接、密闭示意(单位：mm)

6.2 出浆孔设置

出浆孔设于拱顶最高处,并接高2.2 m。出浆管采用φ150 mm×3 mm的钢管,出浆管的设置方向为竖直向上,并在拱肋顶部设置中隔板。在拱肋合龙段工厂制造时需预先焊接好各出浆管、中隔板及出浆管内口钢衬垫。确保钢管内室压注充分,在钢管内室出浆管的另外一侧内腹板上开φ20 mm的孔(靠上钢管部位),外侧焊接M22的螺母,螺母用螺栓密封,压注混凝土到顶时,松开螺栓,直至有水泥浆冒出后,即再次旋紧,待混凝土初凝后,将内腹板修补复原,并安装外腹板,出浆管具体布置见图5。

图5 出浆管布置示意

6.3 排水孔设置

在离钢脚端1.8 m处现场开设φ50 mm的排水孔,内室排水孔位置设置在压浆孔旁(此处外腹板未封)。混凝土压注前对排水孔修补复原。

6.4 压注管连接

压浆管采用成品高压泵管端部的一部分,外露长度35～40 cm。压注管与拱内钢管或内腹板内壁平,四周焊接四块加劲板,焊缝高度不小于8 mm。压浆管通过截止阀(闸阀)与地泵泵管连接,截止阀(闸阀)见图6。

图6 截止阀(闸阀)构造(单位：mm)

6.5 压注施工

6.5.1 现场准备阶段

(1)压注施工设备混凝土输送泵,混凝土拌和站检修到位,检查钢管拱肋预先设置压注孔,并配备混凝土闸阀等施工器具。混凝土输送泵设备的定位考虑管道(泵管)及与法兰盘的连接方便,并通过试运行。

(2)采用水准仪、全站仪等测量仪器,准备于施工过程中进行全程观测监控。

(3)准备数量足够,型号齐备的泵管,并将其用连接卡箍及螺栓安装牢固。

(4)在钢管拱肋上安装供水管,以作施工时混凝土降温,溢出混凝土冲洗及泵送前钢管的湿润。

(5)清除钢管拱肋中的杂物,并冲洗干净。

(6)沿拱肋顶部两侧布设2根降温用水管。

6.5.2 压注施工阶段

(1)管内混凝土采用泵送顶压(升)施工,单肢拱肋(或钢管内室)由两拱脚至拱顶对称均衡地一次连续压注完成。压注顺序按照设计要求进行。混凝土顶升施工时采用高压状态,理论混凝土最大输出压力为11.5/13 MPa,施工时输送泵压控制在8～11 MPa。

(2)钢管混凝土灌注,若遇温度较高时可安排在傍晚开始施工,因该段时间气温适宜平稳,可以减少混凝土坍落度的损失,施工前利用拱顶水管对钢拱体表面进行降温处理。

(3)钢管混凝土压注前清洗管内污物,湿润管道,压注首盘水泥砂浆。续压混凝土,随时综合混凝土顶压情况、拱肋变形情况、入料情况分析,控制两拱脚混凝土泵送速度。泵送时,要求两拱脚混凝土泵送速度协调一致,尽量对称顶升,两侧顶升垂直高度不超过2 m。

(4)跟踪监测混凝土顶升面的专人上岗就位,随时检测混凝土顶升面的位置。并注意与现场施工指挥保持联系,以保证两岸拱肋的混凝土施工基本保持同步。

(5)管内混凝土的压注应连续进行,不得中断。为保证混凝土的连续压注,需将拌和好的混凝土通过每侧2台混凝土输送车先储存起来后即可开始压注；另外，通过调节输送泵的压注速度,来保障混凝土的压注连续。在顶升最后一车混凝土时,两岸的输送泵同时放慢压送速度,防止由于两岸混凝土顶升面的高差冲动拱顶隔板。压注时直至出浆孔排出合格的混凝土为止,完成后关闭设于压注孔口的倒流截止阀(闸阀)。

(6)桥南侧拱肋现场压注施工参数见表2(桥北与桥南情况基本一致)。

表2 桥南侧拱肋现场压注施工参数统计

6.5.3 压注完成阶段

(1)混凝土压注到拱顶,待流出混凝土一定时间后(≮10 s),停止泵送。停顿3～5 min进行排气,反复2～3次,以保证灌注质量。利用混凝土截止阀对压注管封闭,完成压注施工。

(2)采用高压水枪及时对被混凝土污染的拱肋等构件表面冲洗干净。

(3)混凝土现场养护试件强度达到2.5 MPa后,方可拆除出浆管、压注管。

(4)混凝土压注完成后,采用布置在拱顶两侧的水管(水管开小孔),从拱顶往两端注水进行降温养护。

(5)选择拱脚、拱顶控制截面作为主拱温度测试对象,共布置17个温度测点,测点埋设Pt100铂电阻温度传感器,温度测试显示仪用FLUKE45型万用表或远程方式。除采用铂电阻测量混凝土体内温度外,还采用了铂电阻表面温度点温计(分辨率为0.1 ℃)测量结构的表面温度(图7、图8)。点温计测量具有较大的灵活性,可以对任意处的混凝土或钢管表面温度进行测量。

图7 南岸右侧拱脚截面管内温度测点布置

图8 南岸右侧拱顶截面管内、管表面温度测点布置

(6)混凝土温度场(图9、图10)

图9 袁泽桥右侧主拱拱脚截面上管混凝土灌注后温度趋势

图10 袁泽桥右侧主拱拱顶截面上管混凝土灌注后温度趋势

从图9、图10可以看出,混凝土灌注后在拱肋表面采取冷却水降温措施,10～14 h混凝土温度处在高值范围内,24 h后混凝土温度下降较快,至第3 d后混凝土温度逐渐接近大气温度。因此,在混凝土灌注后2 d内,需加强拱肋表面降温养护。

7 主要质量控制措施

拱肋压注混凝土在拱桥施工中是一个比较重要的环节,其成败关系到拱肋的施工质量和全桥的使用寿命,为确保压注混凝土安全和质量,须严格按照各项要求进行。

(1)混凝土泵送顶升时应严格遵守两岸对称的要求,压注时以控制两端压注混凝土方量的方法来确保混凝土压注高度,既降低了人工敲击钢管的劳动强度,也能更精确控制拱肋混凝土两端高差。

(2)泵送顶升时,应测量管壁表面温度,如温度过高,须在管壁表面浇水降温。

(3)泵管在安装时不可悬空太长,要有足够的支点,在弯头处要支好栓牢,与泵机相连的直管长度不宜太短。

(4)进浆管焊接方向与混凝土顶升方向的夹角不得大于45°。

(5)采用在拱肋压注管端部预先设置钢衬垫,确保了开口部位封板焊接质量,也对焊接部位内部混凝土起到一定保护作用。

(6)适当采用旋转式混凝土泵管接头(旋转式泵管接头在任意方向可最大旋转角度15°),降低了泵管接管难度,有效减少泵管阻力,对地形复杂等位置能起到固定角度弯管接头不能替代的作用。

(7)高度重视高温季节下拱肋混凝土的降温处理,采用在拱肋顶部两侧各布设一条冷却水管,有效降低了拱体温度,避免了内部混凝土因高温产生裂缝或烧伤。

(8)受理论计算泵送压力的局限,通过详细记录各阶段实际施工参数,为项目施工提供了可靠的参考依据。

8 结语

经现场试验检测,拱肋混凝土各项指标符合要求,达到了预期效果。钢管混凝土的施工,只要通过施工前的精心准备,施工现场的合理组织,抓住关键、突出重点、注意细节,即抓住混凝土配合比设计,突出设备配备和焊接准备,注意压注前管道内壁清洗湿润、对称均衡顶升、压注速度、密实检查等几个细节,就能够确保钢管拱肋混凝土施工质量。

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