下承式鋼管混凝土提籃拱橋混凝土配制與施工

宋小兵

1 工程背景

新建甬臺溫鐵路奉化江大橋主跨設計為1-128 m下承式尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋,在客運專線上為首次采用。鋼管拱結構布置采用剛性系梁剛性拱,兩拱肋之間共設五道橫撐,拱頂處設X形撐,拱頂至兩拱腳間設4道K形橫撐,拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面。鋼管直徑為1 200 mm,由厚18 mm的鋼板卷制而成,鋼管內采用C55無收縮混凝土填充,混凝土彈性模量:Ec=3.60×104MPa,限制膨脹率(水中14 d不小于2.5×10-4,空氣中28 d宜為2×10-4～6×10-4),施工的難度主要表現在:鋼管拱施工對混凝土的性能要求較高,其必須具備微膨脹、自密實、早強、緩凝等特性。

表1 配合比采用材料

2 混凝土配合比的確定

本工程選用的外加劑品種主要為UEA型膨脹劑、高效緩凝減水劑。通過試驗對具體檢驗、試驗指標進行分析,并確定混凝土配合比。配合比采用材料見表1。

3 控制指標

1)試配強度。試配強度高于設計強度標準值,并滿足強度保證率的要求,標準差的確定按一般高性能混凝土的設計方法進行計算,主要控制水灰比,W/C對于鋼管混凝土的膨脹系數影響很大,W/C小,膨脹時間延長,不利于鋼管受力;W/C大,膨脹發揮較早,強度下降,對提高結構受力不利。2)砂率。按高性能混凝土的設計,測得砂、石混合最小空隙率{a=(表觀密度-體積密度)/表觀密度}進行計算;同時考慮鋼管混凝施工中采用頂升灌注,要求混凝土保持有良好的和易性,粗骨料在頂升過程中由于自重而下落,應適當增大砂率,使粗骨料在流態混凝土環境中保持懸浮狀態,然而提高砂率將增大水泥用量、損失強度、降低膨脹率。在設計時應綜合考慮,保證灌注的鋼管混凝土后期無應力或微應力即可。3)凝結時間的確定。鋼管混凝土采用頂升灌注法,施工過程中首先要考慮混凝土從攪拌到施工完成不得出現初凝現象,可適當調整聚羧酸中組分或增加摻量,但不宜過大,會引起泌水及降低和易性、減少膨脹率等。在設計中應綜合考慮。4)膨脹劑的品種與摻量。在保持坍落度、水灰比、減水劑摻量不變的情況下,隨著內摻膨脹劑的增加,混凝土的限制膨脹率增加,混凝土強度下降,而坍落度損失增大,在試配時應多摻量比較,選擇合適的摻量。

4 配合比及性能

C55鋼管微膨脹混凝土配合比中各材料用量見表2。配合比性能指標見表3～表 5。

表2 C 55鋼管微膨脹混凝土配合比中各材料用量 kg/m3

表3 配合比性能指標(一)

表4 配合比性能指標(二)

表5 配合比性能指標(三)

5 結果參數分析

通過分析可以看出,隨著UEA膨脹劑摻量的增加,混凝土的膨脹值也適當增大,但混凝土的抗壓強度、彈性模量降低,坍落度損失也相應增大。通過試驗結果結合混凝土的和易性,選擇編號P-03配合比作為指導施工生產的理論配合比,即膠材總量488 kg/m3,水膠比0.31,砂率40%,膨脹劑摻量為膠材總量的10%。

5.1 混凝土泵送頂升施工

1)在各項準備工作結束,經檢查合格后,即可開始泵送施工。用4臺混凝土泵分別從兩拱腳兩側同時灌注,泵送混凝土的速度應協調一致,遵循對稱、均勻的原則。泵送順序為先上管、后下管、再腹板,當上一循環混凝土達到設計強度50%后,才可泵送下一循環混凝土。2)為增強混凝土的密實性,保證混凝土的壓注質量,需在拱肋頂面隔倉板附近開設φ 20 mm的孔,以利于排氣,同時由φ 100 mm排氣管排出含有石子的新鮮混凝土時,插入φ 50振動棒進行振搗。3)按規范規定在現場抽取混凝土同養、標養試件。

5.2 施工要點

1)每次泵送混凝土宜選擇在氣溫較低時進行。泵送混凝土前,必須先泵送一盤水泥砂漿以潤濕輸送泵機及泵管。水泥砂漿強度不低于混凝土的強度。2)混凝土的生產除確保各組成材料計量準確外,每盤攪拌時間不得少于2 min,試驗人員要經常檢查各組成材料的質量,每盤混凝土出料坍落度宜控制在20 cm～22 cm。3)開始泵送時泵機應處于低速壓送狀態,此時應注意觀察泵機的工作壓力和各部件的工作狀況,待泵送正常后方可提高至正常壓送速度。壓送混凝土時,泵機料斗內應裝滿混凝土,以免在泵送過程中吸入空氣。4)單個弦管或腹板內的混凝土泵送宜在2 h內連續,同時兩片拱肋應基本同步對稱頂升完畢;單片拱肋的單個弦管或腹板內各倉的混凝土必須在混凝土初凝時間以內壓送完畢。5)為便于處理泵管堵塞故障和加快每倉混凝土的泵送速度,在泵管和混凝土進口之間加設一個截止閥(每倉一個),在泵管發生堵塞故障時,及時關閉截止閥,并務必在30 min內處理完故障。6)頂升過程中,應安排專人沿頂升長度方向檢查頂升情況;當頂升至隔倉板附近時,用小錘敲打排氣孔附近的拱肋弦管,以利排氣;當混凝土沿排氣管冒出,即可停止頂升,用濕麻袋封口,關閉截止閥。7)泵送混凝土時,如天氣過熱,應對泵管覆蓋及弦管澆水降溫,以確保混凝土的養生質量。8)混凝土頂升過程中,測量人員應隨時對鋼管拱的變形和拱座進行測控。9)當拱肋混凝土強度達到設計強度后,應用超聲波對拱內混凝土的密實情況進行檢查,發現問題應及時鉆小孔作壓漿處理。

6 結語

我國對鋼管混凝土拱橋的施工已積累了很多成功的經驗,由于膨脹混凝土的特殊性,配制和施工是兩個決定性環節,即使很小的誤差都會造成混凝土強度波動,膨脹值增大或減小,引起結構受力降低及鋼管混凝土飽和度下降等破壞事故。采用上述方法完成的奉化江大橋下承式尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋工程混凝土灌注順利;鋼管拱混凝土強度標準值達到70.9 MPa(標準值為不小于60 MPa);混凝土填充度達到99%(標準值為不小于98%);軸線橫向偏移拱頂處為1P10 000(標準值為1P5 000);LP4拱肋處為1P15 000(標準值為1P6 000)。滿足設計要求,達到了預期的效果。

[1] 吳中偉,張鴻直.膨脹混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[2] CECS 28∶90,鋼管混凝土結構設計與施工規范[S].

[3] TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規范[S].

[4] 尹 平.混凝土裂縫產生原因及預防處理措施[J].山西建筑,2008,34(10):159-160.