基于移动模架的铁路40 m简支箱梁冬期施工技术研究

秦文学

(中铁建大桥工程局集团 西北工程有限公司，宁夏 银川 750403)

在高速铁路建设实践中，跨度适中的简支梁由于对地基沉降要求相对较低、受力简单、维护方便等优点被广泛采用[1]。箱梁具有抗扭性能好、纵横向刚度大、整体稳定性好等优点，现在已经普遍采用。随着预应力混凝土的应用、桥梁类型与跨径的增加以及构件生产的预制化，桥梁上部结构施工方法有了较大的进步和发展，形成了多种多样的施工方法。但是从总体上来讲，预应力混凝土简支箱梁的施工方法主要分为支架现浇、节段预制拼装和预制整孔架设3类。近些年来，移动模架施工方法由于其自身的优势，也越来越多的在施工中被采用[2-6]。

新建蒙华铁路三门峡黄河公铁两用大桥北引桥位于豫、晋两省交界处的陕县和平陆县境内，在全国气候区划上是北温带亚湿润区气候中的渭河气候区，属暖温带大陆性气候。气候总的特征是：四季分明，春秋短而冬夏长,根据平陆县气象站历年统计资料，年平均气温为13.8 ℃。1月份最冷，平均气温为-0.5 ℃，极端最低气温为-13.2 ℃，依据文献[7]，该地区应采取冬期施工措施。经方案比选，采用移动模架法施工，冬季对混凝土箱梁的保温、保湿成为施工成败的关键因素。本文以三门峡黄河公铁两用大桥北引桥40 m 预应力混凝土简支箱梁施工为背景，着重介绍了移动模架冬期施工期间对混凝土梁的保温、保湿技术，可以为类似的工程实践提供参考。

1 移动模架的基本构造

移动模架又称滑动模板支架系统、MSS造桥机，是一种自带模板，可在桥跨间自行移位，逐跨完成混凝土箱梁施工的大型制梁设备[8]。蒙华铁路40 m混凝土简支箱梁施工采用DSZ40-1100上行式移动模架，主要由主框架、前辅助支腿、主支腿、后辅助支腿、吊挂系统、外模系统、内模系统、端模系统、吊杆、起升系统、吊挂走道、液压系统、电气系统、辅助设施等部分组成。移动模架如图1所示。

2 施工方案及具体实施方法

2.1 施工方案

冬期施工的总体要求是首先保证拌和站混凝土的温度，随后确保混凝土浇筑过程以及早期强度发展期间的温度[9]。移动模架冬期施工保温采用智能温控混凝土保温模板施工工艺，该工艺主要是将混凝土施工模板和浇筑后的混凝土暴露表面进行保温封闭处理，并在保温材料和混凝土之间通过保温板进行电加热和温度智能化控制。保温板由3层材料组成，从内到外依次为发热层、保温层、防风防火层。通过设在模板背面以及混凝土表面及内部的温度、湿度传感器对温度和湿度信息进行无线采集，实现对现场施工情况下温度以及湿度的智能化控制。同时在模板背面以及混凝土表面及内部设置人工测温元件作为对比及备用，确保施工保温可控。冬期施工每套移动模架须使用保温板845.76 m2，总质量8.45 t，占梁体总重的0.8%，经结构检算，可以忽略增加的保温板重量对移动模架结构安全的影响，见图2。

图2 移动模架冬期施工实景

2.2 拌和站保温

钢棚中集中拌和，料仓进、出口采用篷布封闭保温，车辆通过大门时将篷布打开，通过后立即关闭，保证料仓内温度。料仓每个隔仓内采用火炉及加热棒加热保温，保证料仓内温度不低于3 ℃，并及时进行温度记录。存放砂子的料仓两侧及端头安装棉篷布，内部采用火炉加热保温。

1)原材料加热保温：采用常压热水锅炉对水进行加热，并设置水池，满足连续搅拌混凝土用水量。水温控制在60～70 ℃，当热水不能满足要求时，采用电热棒对骨料均匀加热，加热温度不应高于60 ℃，砂石骨料温度正常不低于3 ℃。

2)外加剂加热保温：外加剂存放在搅拌机下方的保温棚内，棚内设置电暖器，对保温棚进行加热保温,确保外加剂的温度不低于10 ℃。

3)混凝土搅拌保温：混凝土搅拌前优先按水温控制规定加热水温。当热水仍不能满足混凝土出料温度要求时对骨料进行加热。砂、石料采用电加热棒插到要加热的砂、石料堆之中，通过热工计算确定需要加热的温度，但不能大于60 ℃。

当水温低于60 ℃时，先一次投料外加剂和粗细骨料，干拌0.5 min后再加入热水，搅拌一定时间后，投入水泥，拌和均匀;当水温高于60 ℃时,先投入粗细骨料，然后加水，拌制0.5 min后再加入水泥和外加剂拌制3 min。注意观察拌制的混凝土状态。混凝土搅拌时间适当增加至常温下的1.5倍，蓄水池蓄水量应能够满足加热一次就能供一次混凝土浇筑施工，并在拌和时持续对水进行加热。

为防止搅拌机受冻，搅拌混凝土前及停止搅拌后，应用热水冲洗搅拌机鼓筒。

4)混凝土运输过程保温：采用混凝土运输车运输，搅拌车罐体外须包裹一层保温棉被。

采用混凝土泵输送混凝土施工时，待混凝土泵安装就位后，用帆布搭设保温棚，内设置电暖器取暖。

浇筑混凝土前采用黑色保温棉将泵管缠绕严密，并绑扎牢固，进行泵管保温。

2.3 热工计算

1)混凝土拌和物温度计算

箱梁混凝土强度等级为C50，C50混凝土配合比为水泥(P.O 52.5)∶矿渣粉∶粉煤灰∶砂子∶石子∶水=379∶47∶47∶738∶1 063∶138，其中水泥质量为379 kg，掺合料为矿渣粉和粉煤灰共94 kg，砂为738 kg，石子为 1 063 kg，水为138 kg。

混凝土拌和物温度计算公式为

(1)

式中：T0为混凝土拌和物的温度，℃；Tce，Ts，Tsa，Tg，Tw分别为水泥、掺合料、砂、石、水的温度，℃；mce，ms，msa，mg，mw分别为水泥、掺合料、砂、石、水的用量，kg；ωsa，ωg分别为砂、石的含水率；cw为水的比热容，kJ/(kg·K);ci为冰的溶解热，kJ/kg；当骨料温度>0 ℃时，cw=4.2 kg/(kg·K),ci=0；当骨料温度≤0 ℃时，cw=2.1 kg/(kg·K)，ci=335 kJ/kg。

拌和水、水泥、掺合料、砂和石子的温度分别设定为Tw=60 ℃，Tce=0 ℃，Ts=0 ℃，Tsa=3 ℃，Tg=3 ℃，代入式(1)，经计算混凝土拌和物温度为12.23 ℃。

2)混凝土拌和物的出机温度计算

混凝土出机温度计算公式为

T1=T0-0.16(T0-Tp)

(2)

式中：T1为混凝土拌和物的出机温度,℃；Tp为搅拌机棚内温度，取10 ℃。

经计算拌和后混凝土出机温度为11.87 ℃。

3)混凝土拌和物运输至浇筑过程的温度计算

混凝土拌和物先运输后泵送时温度计算公式为

T2=T1-ΔTy-ΔTb

(3)

式中：T2为混凝土拌和物输出时的温度,℃;ΔTy,ΔTb分别为采用装卸式运输工具运输混凝土时降低的温度和采用泵管输送混凝土时降低的温度，℃，可按下列公式计算。

式中：ΔT1为泵管内混凝土温度与环境温度差,℃，当现场拌制混凝土，采用泵送工艺输送时，ΔT1=19.87 ℃；Ta为室外环境温度，取-8 ℃；t1为混凝土拌和物运输时间，平均取0.25 h；t2为混凝土在泵管内输送时间，平均取0.02 h；n为混凝土拌和物转运次数，取1次；cc为混凝土的比热容,取0.936 kJ/(kg·K)；ρc为混凝土的质量密度，取 2 418 kg/m3；λb为泵管外保温材料导热系数，取最小值 0.039 W/(m·K)；db为泵管外保温层厚度，按保温棉厚度取0.03 m；D1为混凝土泵管内径，取0.125 m；Dw为混凝土泵管外围直径(包括外围保温材料)，取0.21 m；ω为透风系数，取1.6；α为温度损失系数，采用混凝土搅拌车，α取0.25。

经计算混凝土罐车运输到工地时温度降低ΔTy=0.07 ℃；混凝土拌和物采用先运输后泵送至浇筑地点时的温度T2=11.87-1.88-0.07=9.92 ℃。

4)混凝土浇筑完成时的温度计算

考虑模板和钢筋的吸热影响，混凝土浇筑完成时的温度计算公式为

(6)

式中：T3为混凝土浇筑完成时的温度,℃；cf为模板的比热容,取0.48 kJ/(kg·K)；cg为钢筋的比热容,取0.48 kJ/(kg·K)；mc为每立方米混凝土的质量，取 2 418 kg；mf为每立方米混凝土相接触的模板质量，模板质量依次为外模 75 344 kg、内模 26 913 kg、端模 2 860 kg，合计 105 117 kg，箱梁混凝土方量 414.6 m3；mg为每立方米混凝土相接触的钢筋质量,箱梁钢筋质量 86 939 kg，箱梁混凝土方量414.6 m3；Tf为模板的温度，未预热时可采用当时的环境温度，取2 ℃；Tg为钢筋的温度，未预热时可采用当时的环境温度，取2 ℃。

经计算T3=9.22 ℃，满足要求。

2.4 移动模架的保温

1)底模及侧模保温：将模板表面的油污和黏连的混凝土清理干净。先在模板加劲板上焊接螺栓，随后将加工好的发热板安装在模板上，用角钢将发热板压紧，并将螺栓拧紧。连接发热板间的线路，最后用泡沫填充剂将发热板缝隙填充严密。单块发热板的加热范围为6～10 m2，加热温度20～30 ℃。保温板通过绝缘防火强力胶粘贴在发热板上，然后在保温板外侧涂刷一层防风、防火砂浆。

2)端模保温：浇筑混凝土前纵向预应力筋已安装完成并伸出梁端80 cm，端头安设棉帆布并与腹板、翼缘板及顶板进行搭接并固定牢固，保证搭接严密、不漏风。在黏条处钻孔，用拦风绳将帆布固定，箱室内部用2个热风炮对吹加热。

3)顶板保温：顶板混凝土浇筑完成且达到初凝状态后在混凝土表面覆盖塑料薄膜，再将厚棉被覆盖于塑料薄膜上，然后采用电热带对顶面进行全覆盖，最后在顶面覆盖防水绝缘帆布并压实，在声屏障预埋基础、挡砟墙、竖墙等翼缘板薄弱处多加2～3层棉被，加强薄弱结构处的保温措施。

2.5 测温元件的布设及监测系统

混凝土浇筑前分别在沿箱梁跨度0，L/4，2L/4，L3/4，L(L为跨度)计5个断面布设测温元件，每个断面顶板、腹板、底板的测温元件埋设在中面位置，横截面布置图如图3所示。

图3 测温元件布设示意

混凝土浇筑前以及浇筑过程中对移动模架进行加热保温，以确保模板及钢筋温度达到规范[7]对冬期施工的要求(按实际温度不低于5 ℃控制)，混凝土浇筑完成后立即对顶板进行保温。

图4 混凝土梁体智能温度控制系统示意

箱梁智能温度控制系统由PC端控制系统、采集单元、无线通讯测控模块、现场PLC控制箱等组成，见图4。软件实时监控，可对预埋温度传感器的部位进行无线检测。通过温度控制系统对混凝土进行加温、降温、保温、控温的处理，保证混凝土温度。当温度高于设定温度时，装置能自动切断电源停止加热，当温度低于设定温度时，智能装置会恢复供电实现加热。

2.6 测温系统具体实施方法

养护期间每昼夜4次监测环境温度、箱室内温度、混凝土芯部温度、混凝土表面温度、外侧模温度，并详细记录。

混凝土浇筑前先测试移动模架保温系统，箱室内采用热风炮进行预热，连续观测10 h。各项指标符合要求后，开始混凝土施工。混凝土浇筑过程中继续进行加热，保证模板及钢筋温度。

浇筑混凝土选择在天气较暖的白天进行，一般07：30左右开始浇筑，17:30左右结束。混凝土浇筑时出机温度不得低于10 ℃，入模温度不能低于5 ℃。混凝土浇筑过程中及时进行试件的制作。

2.7 保湿措施

通过显示屏显示湿度，当湿度低于设定值，及时在箱梁内部采用已加热的水进行腹板模板洒水养护，增大大气湿度的同时，也可以带走混凝土大量水化热。对于加热的水温应与底板混凝土面温度之差不大于15 ℃，确保养护质量。

3 结语

三门峡黄河公铁两用大桥是蒙华铁路控制性工程和重难点工程，直接关系到整个蒙华线能否按期通车运营。通过智能温控系统对冬季移动模架浇筑过程中的梁体进行保温、保湿。实测结果表明，采用本文提出的保温方案，40 m预应力简支箱梁冬期施工期间的最低温度为7.6 ℃，具备规范要求的冬期施工条件。同时，该方案也能保证混凝土浇筑后梁体的质量，为后续施工创造了有利条件，确保工程顺利实施，可以为今后类似工程提供参考。