严寒地区悬臂浇筑连续梁冬季施工技术

欧阳天武

(中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266061)

目前我国正处于经济高速发展时期,处于寒冷和严寒地区的路网建设不可避免。由于寒区每年有3个月浅冬、3个月深冬的天气，为满足工程建设进度需求，冬期施工成为必然，但低温恶劣的气候不利于混凝土强度的持续增长，混凝土性能受气候条件影响强烈[1,2]。本文结合工程实例介绍寒冷地区悬臂浇筑连续梁冬季施工保温棚设计、混凝土质量控制及安全保证措施，以期为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

佳鹤铁路改造工程跨鹤大高速公路特大桥位于鹤岗市东山区，桥梁全长8 393.84 m，于DK28+583.94处采用60 m+100 m+60 m连续梁跨越鹤大高速公路，交叉角度为32o18＇，墩高8.5～11.5 m，梁高沿纵向近圆曲线变化，中心点截面处梁高7.56 m，边支点及跨中截面处梁高4.56 m。连续梁为单箱单室截面，采用挂篮悬臂浇筑法施工，全桥设0#梁段、12节悬浇梁段，中、边跨各设一节合龙段，全梁共计55个节段。

佳鹤铁路位于黑龙江省东北部，地处小兴安岭和三江平原的缓冲地带，地形平坦开阔，起伏较缓，属北温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热短促，最冷月平均气温为-17.5～-18.2 ℃，极端最低温度为-34.5 ℃，冬、春季少雨多大风，气温变化剧烈。

2 冬期施工关键技术

为了保证混凝土工程质量，跨鹤大高速公路特大桥采用∅32 mm精轧螺纹钢、型钢、∅48 mm(壁厚3.2 mm)钢管搭设暖棚对箱梁进行全封闭方式保温，暖棚外侧包裹防水棉被、底板处设珍珠岩,采用双锅炉及热风炮保温、保湿养护法施工。现场连续梁保温棚采用情况见图1。

图1 现场连续梁保温棚

2.1 挂篮段保温棚设计

底部保温棚利用挂篮前后端横梁结合底板预留锚栓孔，通过采用∅32 mm的精轧螺纹钢吊挂两根横向双拼16#槽钢，在横向槽钢上顺桥向铺设8#槽钢，间距为0.8 m与横梁焊接固定。工字钢上铺设防水棉被及清水板，清水板上错茬堆码两层袋装珍珠岩，珍珠岩上方铺设一层防火卷材。

梁体两侧搭设单排钢管架，钢管立杆间距和水平杆步距均为1.2 m，立杆底部焊接在纵梁8#槽钢上。三角挂篮主桁架纵梁上方设置4道横向I20工字钢，纵向设I10工字钢，两侧竖向钢管顶端焊接在I10工字钢。侧面钢管架与挂篮外模腹板支架通过连接杆件做横向连接固定。主桁架之间顶部为可拆卸式顶盖，进出材料通过整体吊装顶盖完成。在钢管架外侧挂设加厚型防水棉被，防水棉被用∅20 mm螺纹钢作劲性骨架，用8#铁丝将∅20 mm螺纹钢与钢管连接固定，侧面包裹的防水棉被与梁体底部、顶部防水棉被搭接1 m，搭接端用绳索全面固定。

挂篮前端部保温棚搭设与侧面搭法类似，不同之处为前端设置了4片可拆卸式加厚型防水棉被骨架片，移动挂篮或测量定位时可拆除，以减小风阻或消除视线影响。挂篮段保温棚结构设计见图2。

图2 挂篮保温棚结构(单位：mm)

2.2 已浇梁段保温棚设计

在梁体顶板使用2 m高钢管作为立柱，立柱横向、纵向间距均为1.2 m。为方便人员通行及材料运输，立柱距离梁面0.2 m处搭设纵、横向脚手架钢管，在距离梁面1.8 m处搭设第2层纵、横向钢管，形成网格结构钢管，横向钢管悬挑于梁体翼缘板外约0.9 m。网格搭设完毕在纵向钢管上满铺清水板及防水棉被，防水棉被上方采用铁丝网固定防止被阵风吹起。

底部保温棚通过底板预留锚栓孔采用∅32 mm的精轧螺纹钢吊挂两根横向双拼16#槽钢，双拼16#槽钢沿桥纵向每3 m设一道，在横向槽钢上顺桥向铺设I10工字钢，间距为0.8 m与横梁焊接固定。工字钢上铺设清水板及防水棉被，在防水棉被上错茬堆码两层袋装珍珠岩，其上方铺设一层防火卷材。

梁体两侧搭设单排钢管架，钢管立杆间距及水平杆步距均为1.2 m，立杆底部焊接在I10工字钢纵梁上。侧面钢管架与连续梁通过腹板处通气孔用∅48 mm钢管横向固定。已浇梁段保温棚结构见图3。

图3 已浇梁段保温棚结构(单位：mm)

2.3 挂篮段与已浇梁段保温棚搭接

挂篮段保温棚宽度为12 m，已浇梁段保温棚宽度为9 m，挂篮段保温棚比已浇梁段保温棚每侧宽出1.5 m。此处保温棚搭接时，挂篮段后端每侧定制一块5 m宽保温棚布与挂篮侧面及已浇梁段棚布进行连接，与挂篮侧面连接时搭接长度为1 m，与已浇梁段连接时考虑外滑梁及操作平台影响搭接长度按2.5 m设置。为确保挂篮段与已浇段棚布的密封性，此处连接转角处棚布外侧加设一道绳索捆绑。挂篮段与已浇梁段搭接见图4。

图4 挂篮段与已浇梁段保温棚搭接

2.4 热工计算

根据冬期施工相关文件规定，混凝土出机温度不小于10 ℃，施工前测定材料温度并进行热工计算，满足要求后才能组织大面积施工。

混凝土拌和物的理论温度T0，根据组成材料的温度，按热平衡原理推导的公式(以C50混凝土配合比)进行计算：

T0=[0.92(mceTce+msTs+msaTsa+mgTg)+

4.2Tw(mw-ωsamsa-ωgmg)+cw(ωsamsaTsa+

ωgmgTg)-ci(ωsamsa+ωgmg)]/[4.2mw+

0.92(mce+ms+msa+mg)]

式中：Tw为水温度；mce为水泥用量，取值408 kg；ms为掺合料用量，取值72 kg；msa为砂用量，取值738 kg；mg为碎石用量，取值1 060 kg；mw为水用量，取值145 kg；Tce为水泥温度，取值5 ℃；Ts为掺合料温度，取值5 ℃；Tsa为砂温度，取值5 ℃；Tg为碎石温度，取值5 ℃；ωsa为砂含水率，取值3%；ωg为碎石含水率，取值1%；cw为水的比热容，取值4.2 kJ/(kg·K)；ci为冰的溶解热，取值0 kJ/(kg·K)。

混凝土拌合物出机温度：T1=T0-0.16(T0-Tp)。式中：Tp为搅拌机棚内温度，取10 ℃。

当水温加热至40 ℃时，则T0=11.10 ℃，T1=10.92 ℃。

当水温加热至50 ℃时，则T0=12.84 ℃，T1=12.38 ℃。

当水温加热至70 ℃时，则T0=16.33 ℃，T1=15.32 ℃。

当水温加热至80 ℃时，则T0=18.07 ℃，T1=16.78 ℃。

当拌合用水温度加热至40 ℃以上时，混凝土拌合物出机温度均满足规范要求。

2.5 供热措施

每个主墩采用2 t的蒸汽锅炉进行供热，主管道为∅89 mm的无缝钢管，沿翼缘板上方外侧水平布置；根据连续梁分段长度设置分支阀门及副管道进入箱室内及底板底部，副管道采用∅60 mm的无缝钢管输送暖气，最末端安装智能泄水阀。

为防止蒸汽锅炉出现故障，每个主墩处加设1台1 t的常压热水锅炉辅助供热；∅89 mm主管道沿箱梁顶板边缘布置，设三通管通过∅57 mm网状管道对腹板外侧进行加热。热水锅炉辅助保温管布置见图5。

图5 热水锅炉辅助保温管布置 图6 串筒管布置 图7 测温线布置

为确保挂篮内温度，箱室内及顶板处各设1台70 kW燃油热风炮。

挂篮段底板处空间有限，同时为保温棚内温度最低处，为加强温度控制，在底板四角设4台15 kW电热风炮加强温控。

2.6 拌合站

搅拌楼、输送带采用10 cm厚阻燃保温板整体密封并设置蒸汽供热管道，配料机设置在料棚内；料仓棚内合格仓及待检仓底面、隔墙均铺设蒸汽管道，用于砂石料及周围环境的加热。每座拌合站采用4 t的蒸汽锅炉供暖，室外主管道埋深不小于冻结深度+0.5 m。

3 混凝土施工质量控制措施

3.1 混凝土初期温度控制

由于鹤岗市冬季整体气温低，为确保混凝土出机温度不低于10 ℃，拌合用水按80 ℃进行控制，拌合投料顺序严格按照砂石料、热水、水泥、外加剂的顺序进行，尤其是砂石料和热水混合后，保持不少于30 s的搅拌时间。对佳鹤铁路跨鹤大高速公路特大桥及鹤岗特大桥冬季施工连续梁的实践统计表明，拌合用水为80 ℃时在混凝土入模温度、混凝土强度增长等方面明显好于60 ℃拌合用水，对比水温越低时80 ℃效果越明显。为确保混凝土入模温度不低于5 ℃，现场必须合理控制混凝土浇筑进度，防止浇筑时间过长造成混凝土散热多而达不到入模温度要求。

3.2 混凝土运输过程温度控制

混凝土运输车罐体外面采用专用保温被进行保温；混凝土运输过程中适当加快运输速度，缩短混凝土从搅拌完毕到入模的时间；同时精确计算混凝土所需时间，确保混凝土罐车到达现场后不会久等。

3.3 浇筑过程温度控制

东北地区由于地理位置原因，冬季下午3点左右天黑，所以混凝土浇筑安排在每天10:00～14:00是最佳时间。为防止混凝土浇筑过程中揭开挂篮处“顶盖”造成棚内温度降低，浇筑前提前在挂篮前端及顶部处各安装1根DN350串筒管，用于底板、腹板及顶板的混凝土浇筑。串筒管布置见图6。

3.4 测温仪器合理布置

混凝土芯部温度采用SH-TW80型混凝土无线测温仪测量，PC端安装专用软件后能集成数据查看、曲线显示、报表导出等功能；智能手机安装专用软件后可随时查看温度数据及曲线等。环境温度采用常规挂式温湿度计测量。混凝土浇筑前在箱梁中部两侧腹板、顶板及底板位置预埋测温线；混凝土浇注后，安排专人对混凝土养护温度进行监控及记录，确保混凝土芯部温度与相应位置混凝土表面温度温差不大于15 ℃[3]；混凝土内外温差过大时，内部产生的压应力及外部表面产生拉应力导致混凝土表面产生裂纹。在升、降温期间每1 h检测一次，在恒温期间每2 h检测一次，确保暖棚内各测点温度不得低于5 ℃。混凝土升温速度不得大于10 ℃/h，降温速度不得大于5 ℃/h。测温线布置见图7。

3.5 其他温度控制措施

保温棚内主要靠蒸汽管道、热水管道保温，夜间温度低时主要依靠调高电热风炮档位及启用柴油热风炮进行辅助升温。

保温棚内温度控制的关键是箱梁底板底部温度的控制；冷、热空气由于密度差异，冷空气沉积在挂篮底模板与保温棚底部之间区域，热空气则聚集在保温棚顶部，造成保温棚内温度成梯形分布：底部温度为5～10 ℃，箱梁内温度为10～20 ℃，顶板处棚内温度则超过20 ℃。为确保底板处棚内温度不小于5 ℃，在挂篮底模已布设蒸汽管道的前提下，在四个角再各设1台15 kW电热风炮(Ⅰ档为9 kW、Ⅱ档为15 kW)，白天采用Ⅰ档、晚上采用Ⅱ档补充进行供热。

3.6 混凝土养护湿度控制

由于冬季气温干燥，同时在供热管道及暖风机等作用下，保温棚内湿度几乎为零。为确保混凝土养护所需湿度，将箱室内其中的1根蒸汽供热管道尾部阀门部分打开，直接将蒸汽放入保温棚内加湿。由于箱室内及顶板顶温度高且混凝土外露，混凝土初凝后使用棚内存放的同温度水直接洒水养护并覆盖土工布，养护期间每2 h至少洒水1次确保混凝土处于湿润状态。

4 施工检算

由于冬季施工时在梁上、挂篮上增加了保温棚、加热设备等荷载，同时迎风面积增大还需额外考虑风荷载、雪荷载等影响，故冬期施工引起荷载变化时应进行施工检算。施工检算包括临时结构检算(临时固结、挂篮及保温棚架自身结构安全)和桥梁结构检算(施工阶段截面应力及抗剪承载力、梁体产生的竖向挠度等)两部分。根据相关要求由施工单位委托有相应资质的第三方检算单位进行临时结构检算、由设计单位负责梁体结构的检算，所有检算符合要求后方可组织保温棚架的施工。主要检算结果为：

(1)临时固结精轧螺纹钢所受拉应力σ为85.7 MPa，小于允许拉应力465 MPa，且有2倍提高安全系数作为安全储备，临时固结抗倾覆满足要求。

(2)截面上缘在施工阶段全部受压，最大压应力为12.32 MPa，小于规范容许压应力23.9 MPa；截面下缘最大压应力为10.42 MPa，小于规范容许压应力23.9 MPa，施工阶段各截面应力满足规范要求。

(3)最大悬臂阶段中支点最大剪力为19 804.23 kN，最大弯矩430 293.76 kN·m，比设计运营阶段主力工况剪力、弯矩小得多，因此施工阶段抗弯、抗剪承载力满足要求。

(4)连续梁最大悬臂节段的挠度增加了8.1 mm。

5 安全防护措施

5.1 挂篮防倾覆措施

挂篮倾覆事故大部分发生在移动过程中，考虑到鹤岗冬季气温变化剧烈多大风，为防止挂篮移动过程中遭遇突发的阵风，施工过程中采取三项措施防止挂篮倾覆：

(1)为减小风阻力，移动时挂篮前端、后端棚布全部打开。

(2)移动时挂篮主桁架纵梁的精轧螺纹钢锚固松开至移动时锚固垫板与主桁架纵梁刚好处于不受力状态，移动过程中每片主桁架纵梁不少于2组锚固参与防护。

(3)冬期施工前在挂篮每个主桁架尾部两侧加焊一组防倾覆装置，具体布置见图8。防倾覆装置由20 mm厚、250 mm宽钢板加工制作，主钢板每侧背部加焊80 mm、宽20 mm厚钢板起加劲板作用，主钢板防倾覆倒钩与轨道压梁的间距为10 mm。

图8 防倾覆装置

5.2 防火措施

项目部建立冬季施工安全生产保证体系，制定安全包保责任制，逐级签订安全承包合同并明确责任主体。

严格执行用火申请管理制度，每次电焊时必须有专人持接火盆接焊渣等残余火点；每个保温棚内安排2名有责任心的职工为专职看火员，24 h吃住在连续梁保温棚内。

火灾危险区域配备了足够数量的消防灭火器材及水箱，且做到人人会使用并加强现场巡查。

在混凝土养护期间应将烟或燃烧气体排至棚外，并应采取防止烟气中毒和防火的措施。

连续梁主电缆必须使用耐寒电缆，确保电缆在寒冷气候下即使是受到外界力作用仍保持良好的弹性和弯曲性，具有良好的物理、电气及耐老化性能，确保电缆自身不出现安全隐患；避免因线路老化、经常搬运导致电线受损而引发火灾。

临时用电线路的安装、维修、拆除，均须由经过培训并取得上岗证的专业电工完成，非电工不准进行电力安装作业。

6 结束语

跨鹤大高速公路特大桥连续梁保温棚整体应用效果较好，具有良好的可靠性和适应性，能满足连续梁冬期快速施工的要求。不足之处主要有：

(1)由于东北地区严寒季节长，建议锅炉全部采用蒸汽锅炉，以防锅炉出现故障时水管结冰堵塞。

(2)由于挂篮段分块拼装篷布因测量或挂篮前移等原因需要多次打开，挂篮顶部篷布与竖向篷布搭接需加强，篷布损耗快易发生漏风现象，篷布接合部密封情况是保证挂篮段保温效果的关键。