連續梁橋硫磺砂漿復合支座的應用研究

田小路

(中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 100000)

預應力混凝土連續梁橋在懸臂施工時，由于墩梁鉸接而不能承受懸臂狀態下的不平衡彎矩，須采取措施臨時將墩梁固結。傳統做法是在橋墩頂面永久支座兩側對稱設置臨時支座，待懸臂施工合龍后拆除臨時支座，恢復原結構狀態［1］。

臨時支座的制作與拆除是連續梁橋施工的一個重要環節。體系轉換時，若要人工鑿除臨時支座，費工費時，勞動強度大［2］。若采用硫磺砂漿電熱法拆除，可快速、平穩地實現體系轉換。高強度硫磺砂漿具有強度高、易制作、安裝拆除方便等優異的性能，在土木工程領域，有著廣泛的應用前景［3］。

1 工程概況

成都至重慶鐵路客運專線工程CYSG-2標資陽沱江多線特大橋主跨跨越沱江，主橋采用(90+180+90)m預應力混凝土連續梁-鋼管混凝土拱組合橋。梁體為單箱兩室、直腹板變高度連續箱梁結構。懸臂段采用菱形掛籃懸臂灌注法施工。在1號、2號墩頂支承墊石兩側分別對稱設置各6個臨時支座，其長、寬均為280 cm×150 cm。臨時支座用C55混凝土灌筑，順橋向分別設置164根長350 cm的φ32 mm螺紋鋼筋，上、下端分別錨固于梁體與墩身內，以增加抗震、防滑能力，并承受一定的拉力。為便于合龍時拆除臨時支座，設計要求在支座中間設置1層10 cm厚的M50硫磺砂漿間隔層，并埋置電熱管。硫磺砂漿層布置如圖1所示。

圖1 硫磺砂漿層布置

2 硫磺砂漿復合支座工作原理［2］

按一定配合比制作的硫磺砂漿在常溫下有較好的強度、承載力，遇熱后又能軟化并熔化。在臨時支座中設置硫磺砂漿層同時解決了臨時支座的強度與拆除問題。具體做法為:在制作臨時支座時，電阻絲(電熱管)預埋入臨時支座的硫磺砂漿層中。需要拆除臨時支座時，給預埋在硫磺砂漿層內的電阻絲(電熱管)通以恒定電流，硫磺砂漿被軟化，上部連續梁在自重的作用下，緩緩下降，隨之下落到永久支座上。

3 硫磺砂漿配合比

3.1 硫磺砂漿組分

硫磺砂漿由硫磺、水泥、砂子及石蠟構成。砂為骨料，硫磺起粘結作用，水泥為填充料。三者恰當配比制作后構成硫磺砂漿。石蠟在熔化硫磺時可以使硫磺受熱均勻、不粘鍋、不冒煙、好傾倒。石蠟與硫磺互不融合，熔化后石蠟在下，硫磺液體在上［2］。

3.2 配合比

硫磺砂漿配合比的大致范圍，硫磺 ∶水泥 ∶砂子∶石蠟為1∶(0.3～0.6)∶(1～1.5)∶(0.01～0.03)［4］。但究竟哪一種配合比能夠達到M50的抗壓強度，還需要根據進場原材料技術條件進行試驗。本工程水泥采用四川峨勝牌P.O 42.5級水泥;硫磺采用山峰牌硫磺粉;細骨料采用資陽臨江鎮產細砂;石蠟采用資陽本地產石蠟。

按照3種硫磺砂漿不同的配合比，分別制成3組相同尺寸的試件。測其抗壓強度(表1)。

表1 硫磺砂漿的抗壓強度

表1表明:(1)3號配合比的抗壓強度滿足設計要求，選定了3號配合比作為硫磺砂漿的基準配合比;(2)提高硫磺砂漿抗壓強度的途徑在于增大骨料砂的比重。

4 硫磺砂漿熱熔性能試驗

4.1 導體比選

硫磺砂漿臨時支座的拆除方法有氧氣燒熔、電熱軟化以及人工鑿除等。考慮到施工過程中梁體下降的均勻性要求，現場采用電熱軟化的方案。試驗早期曾采用電阻絲進行了硫磺砂漿熱熔性能試驗，在380 V電壓下通電2 h后其熔化半徑僅為5 mm，熔化半徑外則不受影響，同時由于電阻絲繞阻太復雜，容易出現短路和產熱不均勻。結合本工程硫磺砂漿面積大而厚的特點，總結相關試驗經驗，改進了制作方法，采用電熱管作為導體。

4.2 電熱管構造

本工程用電熱管是以鐵管為外殼，沿管內中心軸向均布螺旋電熱鐵鉻合金絲，其空隙填充壓實具有良好絕緣導熱性能的結晶氧化鎂砂，管口兩端用陶瓷密封。電熱管鐵鉻合金絲產生的熱量完全依靠填充料—氧化鎂砂來進行電熱能量交換(鐵管殼由于材料的熱阻與氧化鎂砂熱阻相比較可以忽略不計)［5］。

4.3 硫磺砂漿導熱系數計算

硫磺砂漿的導熱系數λ可按質量百分比加權得到［6］。硫磺砂漿的導熱系數λ的計算

式中 λ硫磺——硫磺的導熱系數，0.27 W/(m·℃)［7］;

λ水泥——水泥的導熱系數，0.35 W/(m·℃);

λ砂——砂 的 導 熱 系 數，0.326 W/(m·℃);

λ石蠟——石蠟的導熱系數，0.12 W/(m·℃);

W硫磺、W水泥、W砂、W石蠟——硫磺、水泥、砂、石蠟的質量百分比。

根據(1)式可得M50硫磺砂漿的導熱系數λ=0.312 W/(m·℃)。

4.4 電熱管傳熱模型

對電熱管的傳熱過程做以下基本假設:

(1)空氣溫度恒定;

(2)電熱管產生的熱量全部傳遞給硫磺砂漿;

(3)電熱管表面與硫磺砂漿以熱對流方式進行熱量交換;

(4)不考慮傳熱過程中的輻射散熱;

(5)不考慮材料物性參數和邊界條件隨溫度的變化［8，9］。

硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×10 cm，在模型中設2根φ16 mm電熱管。設硫磺砂漿內部溫度為Ti=300℃，硫磺砂漿周圍空氣溫度為To=20℃。硫磺砂漿在空氣中的傳熱系數為βu=35.7 W/(m2·℃)，風速 v=1.0 m/s［10］。

選取管單元(PLANE77)對物理模型進行自由網格劃分，進行穩態溫度場分析，硫磺砂漿熱熔時分布云圖見圖2。

大量的試驗資料表明，當硫磺砂漿溫度在20～80℃時，膨脹值上升平緩，但超過80℃特別是90℃時，其膨脹值將直線上升，硫磺砂漿出現明顯的軟化［7］。通過試算，得到電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm時硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖。圖2表明該模型大部分區域處于軟化及熔化狀態，說明電熱管的10 cm布置間距是合理的。

圖2 硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖

4.5 硫磺砂漿熱熔試驗

按照選定的硫磺砂漿配合比，在模具中預埋2根φ16 mm電熱管。然后在模具中制作成型硫磺砂漿塊。硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×280 cm×10 cm，模板采用［10型鋼組裝而成，電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm。實踐證明，這樣制作的硫磺砂漿塊在380 V電壓時2～3 h即可全部熔化，硫磺砂漿受熱既均勻又迅速。同時驗證了應用ANSYS有限元軟件對硫磺砂漿熱熔進行溫度場模擬的可行性。硫磺砂漿燒熔前后見圖3。

圖3 硫磺砂漿熱熔前后對比

5 硫磺砂漿無縫施工技術

因硫磺砂漿熔化層面積較大(280 cm×150 cm)，在硬化初期會出現急劇的收縮變形。為減少因溫差引起的拉應力，避免硫磺砂漿開裂，現場采用了“跳倉法”施工［11］，即在滿足溫度應力及澆筑設備能力的前提下，通過合理分縫分塊以減少裂縫。具體做法為:把硫磺砂漿熔化層按垂直方向設置施工縫，劃分成4小塊，每一塊為一倉，施工期間實行跳倉澆筑，待一塊灌完并冷固收縮后，再澆筑相間塊。在每一個施工區域內，一次性澆筑完成。表面初凝后，用草袋蓋好保溫。這種跳倉澆筑采用了短距離釋放應力的辦法應對硫磺砂漿早期較大的收縮，待硫磺砂漿經過早期較大的溫差和收縮后，各倉澆筑連接成整體，應對以后較小的收縮，其中電熱管的布置對控制硫磺砂漿開裂也是有利的。具體澆筑順序見圖4。

圖4 硫磺砂漿分塊及澆筑順序(單位:cm)

6 硫磺砂漿制作工藝

6.1 材料與器材

材料:水泥、硫磺、砂、石蠟、電熱管(280 cm)。主要施工器材見表2。

表2 主要器材設備

6.2 硫磺砂漿的制作步驟

(1)備料:硫磺砂漿實行跳倉澆筑，每倉硫磺砂漿材料用量為硫磺75.0 kg，細砂114.8 kg，水泥48.4 kg，石蠟1.0 kg。

(2)炒水泥砂:生好火爐，將稱好的砂子倒入炒砂鍋內，并用鐵鏟攪拌，使砂受熱均勻，隨后倒入水泥與砂子一起炒拌。

(3)熔化硫磺:先將石蠟放入鐵鍋中。置于火爐上加熱，再將稱好的硫磺倒入鐵鍋內加熱至130～150℃熔化，邊熔邊放邊攪，使其逐漸熔化為稻草黃色液體。

(4)拌和硫磺砂漿熱熔物:用紅外測溫儀將水泥砂混合料的溫度控制在120～130℃，再將鐵鍋內的硫磺石蠟熱熔液倒入水泥砂鐵鍋內拌和，直到均勻一致為止。控制溫度是保證硫磺砂漿流動性的關鍵。試驗表明，要保證硫磺砂漿有良好的流動性，便于拌和及澆筑入模，拌和物的溫度宜控制在140～160℃。

(5)預熱:在拌和硫磺砂漿的同時，另用噴燈加熱試模，間接的對其中的C55混凝土進行加熱。

(6)硫磺砂漿入模:由塔吊吊起鐵鍋直接向固定好電熱管的試模灌入。在砂漿入模時，要輕輕敲擊試模，使其均勻密實、直到無氣泡上浮為止。硫磺砂漿的澆筑溫度應保持在135～145℃，

(7)拆模養護:試模冷卻不燙手即可拆模。

6.3 注意事項

(1)電熱管必須按圖紙給定的間距固定好，同時要固定在硫磺砂漿中層，以利于均勻熔化。硫磺砂漿的模型預留孔洞大于16 mm。

(2)硫磺和硫磺砂漿的熬制溫度應控制在130～150℃和140～160℃范圍內，不宜過高或過低。硫磺砂漿的澆灌溫度以及砂子的預熱溫度應為135～145℃和40～60℃，施工時環境溫度較低時取上限，反之可取下限值［12］。

(3)硫磺砂漿的施工環境溫度，不宜低于5℃，相對濕度不應大于80%［13］。施工環境溫度低于5℃時，應采取保溫措施。

7 結語

(1)通過試驗，得到了抗壓強度滿足設計要求的高強度硫磺砂漿配合比。

(2)在燒熔試驗中采用電熱管作為導體，通過計算得到硫磺砂漿的導熱系數。同時應用ANSYS有限元軟件對硫磺砂漿熱熔進行溫度場模擬，得到了電熱管合理間距，證明了這種計算方法的可行性，在硫磺砂漿的溫度場計算中可以應用ANSYS軟件進行初步設計指導。

(3)“跳倉法”新工藝的應用，減小了一次澆筑硫磺砂漿結構尺寸，減輕硫磺砂漿的內外約束，有利于散熱和降低最高溫升，對控制硫磺砂漿溫度變形裂縫的發生和展開效果顯著。

(4)在以上幾點基礎上，通過制作硫磺砂漿復合支座的具體實踐，掌握了硫磺砂漿的熬制溫度和澆筑溫度，總結形成了硫磺砂漿的施工工藝。

(5)成渝客運專線資陽沱江多線特大橋連續梁臨時支座大面積、高強度硫磺砂漿通過各種改進措施得以成功實施，為后續連續梁懸臂施工及體系轉換奠定了良好的基礎，為以后的硫磺砂漿施工提供了經驗。

［1］鐵道部經濟規劃研究院.TZ324—2010鐵路預應力混凝土連續梁(剛構)懸臂澆筑施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

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［3］張宏杰，李建樹，常志奇.高強度硫磺砂漿臨時支座的配置及應用［J］.鐵道標準設計，2003(3):21-22.

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［7］劉紅，阮靈偉，蔣蘭芳，胡立大.基于ANSYS的熱板溫度場模擬與優化設計［J］.模具工業，2010(9):18-21.

［8］龔曙光主編.ANSYS工程應用實例解析.北京:機械工業出版社，2003.

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［11］中華人民共和國建設部.GB50212—91建筑防腐蝕工程及驗收規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，1992.