鋼桁架橋梁矩形鋼管節點混凝土施工技術探討

熊 恩 鐘德明

(1.南華大學城市建設學院，湖南 衡陽 421001； 2.浙江宏達建設集團有限公司，浙江 諸暨 311800)

鋼桁架橋梁矩形鋼管節點混凝土施工技術探討

熊 恩1鐘德明2

(1.南華大學城市建設學院，湖南 衡陽 421001； 2.浙江宏達建設集團有限公司，浙江 諸暨 311800)

結合虎門大道B號人行天橋節點矩形鋼管混凝土，對矩形鋼管混凝土鋼結構的制作安裝、微膨脹混凝土配合比的設計和施工作了分析和介紹，指出矩形鋼管混凝土可以提高結構承載力和穩定性，具有很大的發展潛力。

節點，矩形鋼管混凝土，制作安裝，配合比，混凝土澆筑

0 引言

矩形鋼管混凝土作為一種鋼混組合結構，它是在矩形鋼管中充填混凝土而形成的一種結構形式。由于鋼管和混凝土的相互作用，各取所長從而使得鋼管混凝土結構具有承載力高、結構自重輕、塑性和延性增強、抗震和抗風性能好、耐火性能好等特點[1]。由于矩形截面鋼管結構具有良好的加工特點和優越的使用性能，自1952年在英國首次生產后，在國外建筑結構和橋梁結構中得到了非常廣泛的應用。但矩形鋼管桁架在我國建筑結構中應用還不多，在橋梁工程中就應用的更少。隨著我國對市政橋梁景觀要求的提高，矩形鋼管桁架結構由于建筑形狀簡潔、美觀輕巧，因此是一種具有很大發展潛力的結構形式。

鋼桁架作為橋梁工程中一種典型的結構形式，其節點是整個結構的關鍵部位。矩形鋼桁架的腹桿不僅承受軸向力和剪力，還承受很大的彎矩。矩形鋼桁架結構由于鋼管截面薄壁空心及各桿件之間直接焊接的特點，支管軸向剛度要遠大于徑向剛度，使得節點受力復雜且應力集中；同時在腹桿軸力作用下的弦桿表面容易發生壓陷或拉伸變形，即節點變形[2]。因此矩形鋼管桁架結構承載力和抗彎剛度的主要影響因素甚至是控制因素為節點的強度問題和柔度問題。對于強度問題，鋼桁架的破壞常發生在節點附件的弦桿管壁，從而導致結構材料性能不能充分發揮。對此問題如果采用增大截面的方法，容易造成浪費；外貼鋼板，則不美觀；特別是在支座處節點，因受很大的支座反力，極易導致節點失效，如果采用下弦桿加勁處理操作起來又比較困難。但采用在節點附近的弦桿內充填混凝土，不但可以避免節點附近的弦桿受壓而破壞，而且可以協助管壁受壓，減小弦桿截面尺寸。從而可提高節點、桿件及桁架整體的剛度和承載力，降低桁架的建筑高度，使得桁架弦桿、節點和整體受力都得到改善和加強，因此可以優化設計，節省材料和投資。對于柔度問題，由于國內對矩形鋼管的力學計算缺乏規范和依據，通常認為構件連接點是剛性的；但事實上，節點剛性很難達到理論要求，而是具有局部柔度。節點柔度不但降低結構承載力，還會改變結構的變形，降低臨界荷載，并引起結構自振頻率和振動模態的變化。采用節點附近區域充填混凝土的方法可以有效提高節點剛度，從而避免由于節點局部柔度產生的不利影響。

然而目前國內對于鋼桁架節點矩形鋼管混凝土設計施工尚無規范和依據。矩形鋼管混凝土要求混凝土與鋼管內壁完整的結合在一起，不能有脫離也不能由于混凝土膨脹對鋼管產生較大的應力。因此對鋼管的加工質量和混凝土配合比以及施工操作要求都比較高。本文結合虎門鎮虎門大道B號人行天橋鋼桁架節點矩形鋼管混凝土的施工，介紹矩形鋼管混凝土施工的關鍵技術。

1 工程概況

虎門大道B號人行天橋上部結構設計為空腹鋼桁架，主橋分兩跨跨越虎門大道，跨徑分別為22.20 m和16.90 m。桁架寬、高均為5.2 m，整個桁架由弦桿、豎桿和橫桿組成，沒有斜桿(見圖1)。本橋桿件用鋼均采用Q345C，矩形鋼管，主受力部位均按一級焊縫焊接。其中上、下弦桿截面尺寸為500 mm×500 mm，壁厚20 mm；豎桿截面尺寸400 mm×400 mm，壁厚20 mm；橫聯截面尺寸為300 mm×300 mm，壁厚12 mm；支點處橫梁截面尺寸為300 mm×400 mm，壁厚16 mm。橋梁設計荷載總體計算時按3.9 kN/m2～4.2 kN/m2，局部計算時按5 kN/m2。總體計算按空間桿系結構模型進行計算時，鋼桁架弦桿最大應力為79.7 MPa，豎桿最大應力100.7 MPa，一階豎向自振頻率為5.0 Hz。故本橋鋼桁架節點處應力集中，為增強節點處的承載力和穩定性在支點處的節點附近區域弦桿采用鋼管混凝土結構。節點矩形鋼管混凝土采用C50微膨脹混凝土。節點充填混凝土的弦桿長1.6 m，并設置封板和內隔板(具體構造見圖2)。封板及內隔板尺寸為460 mm×460 mm×20 mm，內隔板上設置間距為8 cm的φ160 mm孔以方便混凝土通過。

2 節點充填混凝土段鋼結構施工

2.1 鋼桁架的制作安裝

鋼桁架桿件鋼板由專業廠家卷制，在廠家先卷成兩塊[型鋼，再焊接成矩形鋼管。鋼板必須平直、無銹蝕或受過沖壓并應提供產品合格證，對厚度、各種力學性能等均應滿足規范要求。卷制鋼管前應將鋼板根據規范開成60°±5°的坡口[3]，卷制過程中應注意保證管斷平面與管軸線垂直，同時應控制好截面倒角的彎曲半徑。鋼管卷制好后應對鋼管的焊縫和倒角處進行檢測，所有焊縫均按一級焊縫的要求施工和檢測。為保證焊縫質量，對接焊縫的寬度應在1 cm左右并在焊縫下設置鋼墊板。桿件的焊接采用自動焊，所有焊縫均必須作超聲波檢測，并抽取不少于總量5%的焊縫做X線檢測。鋼管經自檢和第三方檢測合格后方可進行桁架的預拼裝。

鋼桁架先在廠家拼裝好弦桿和橫聯，形成上下兩片桁片。拼裝時應在弦桿上做好標記，做到橫桿的定位準確，橫桿與弦桿有焊縫的一側連接。弦桿之間的連接為避免出現十字焊縫，應將弦桿上、下兩塊[型鋼在接頭處錯開50 cm左右(如圖3所示)。上、下兩個桁片及豎桿加工好后，運輸至現場平整壓實好的場地上進行預拼裝。預拼裝時應先在上、下弦桿上做好豎桿位置的標記，保證好豎桿的垂直度和定位的準確性。

因桿件連接方式均為焊接，故結構焊縫比較多。為盡量避免產生焊接變形和殘余應力的出現，施工中所有手工焊均采用CO2氣體保護焊。CO2保護焊采用SM-56或KM-56焊絲，CO2氣體純度應大于99.5%。焊接參數為：電壓180 V～250 V，電流20 A～28 A。焊接方法采用分段退焊法。焊接前應清除焊縫坡口處的鐵銹、水分和油污。焊接時應保證CO2氣體瓶內壓力大于1.0 MPa，并采取適當的防火、防雨和防潮措施。

2.2 混凝土封板及節點內隔板的安裝

對于位于兩節弦桿拼接處附近的封板可于弦桿連接前焊接在弦桿內規定的位置。對于未在弦桿拼接處附近的封板和內隔板的則先將其焊接在一塊拼接弦桿的[型鋼內，焊接前應將兩塊[型鋼均做好安裝封板或內隔板位置的標記。兩塊[型鋼合龍焊接好后，在另外一塊[型鋼劃好標記的位置按間距5 cm左右開直徑為2 cm的圓孔，然后在開孔的位置施焊(見圖4)。因混凝土封板尺寸剛好與弦桿內徑相同，故按此方法施工后即能保證封板和內隔板安裝準確、牢固及整個混凝土充填段的密封。

3 節點矩形鋼管混凝土施工

3.1 混凝土配合比

本橋節點矩形鋼管混凝土設計為C50微膨脹混凝土。因混凝土標號高，澆筑完后收縮比較大，而節點矩形鋼管混凝土要求混凝土與鋼管內壁完整的結合在一起，故控制好混凝土的膨脹率和密實程度是關鍵。混凝土的膨脹率受混凝土強度、水灰比、水泥強度、水泥品種及用量、養護條件等的影響，但主要由膨脹劑的摻入量決定。實驗研究表明當膨脹劑實際摻入量達到12%時膨脹率有明顯提高[4]，當摻入量超過16%可能對自由狀態下的混凝土強度有所降低，對于鋼管混凝土一般膨脹率控制在0.015%～0.03%之間。在施工時膨脹劑的最佳摻入量應根據當地的混凝土原材料性質通過試驗來確定。

對于鋼管混凝土還要求其具有較好的工作性能，也就是和易性比較好、不泌水、不離析。考慮到通過增加單位用水量來增加混凝土和易性難以保證強度，且有可能出現離析的現象，當用水量過大時不僅需增加水泥用量甚至會導致混凝土收縮加大。故考慮采用摻入粉煤灰和添加減水劑的方法來增加混凝土的和易性。對于粉煤灰的摻入量，工程研究表明一般摻入量為10%左右較為合理[5]。參考CECS 28∶90鋼管混凝土結構設計與施工規程的要求：對于手工澆筑法且有穿心部件的鋼管混凝土其水灰比不應大于0.4，粗骨料粒徑應控制在5 mm～20 mm，坍落度不宜小于15 cm。結合現有的試驗研究和工程實際經驗以及相關規范要求，在保證混凝土強度和滿足工作性能的條件下，參考JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程進行配合比設計。本工程所采用的材料如下：水泥：東莞華潤52.5R水泥；粉煤灰：虎門沙角電廠Ⅰ級粉煤灰；碎石：東莞大嶺山鎮5 mm～20 mm碎石；砂：東江河中粗砂；減水劑：東莞市華杰牌減水劑；膨脹劑：東莞市道滘鎮明發牌UEA膨脹劑。

參考JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程，結合所用材料，選用單位用水量188 kg，水灰比0.38，粉煤灰摻入量10%，膨脹劑摻入量15%，減水劑1.5%(按膠凝材料質量計)，計算得到微膨脹混凝土配合比見表1。

表1 微膨脹混凝土的最佳配合比 kg/m3

根據此配合比進行試驗所得的膨脹效果良好(如圖5所示)，但在施工中應根據砂、石的含水率對用水量作適當調整。通過試驗發現，當在水灰比不變的情況不摻入膨脹劑時有明顯干縮變形，下沉高度約3.5 mm；膨脹劑摻入量超過18%時，其膨脹過大，超過試模高1 mm左右；摻入量少于12%時，膨脹不足，離試模頂差1 mm左右。

3.2 矩形鋼管混凝土澆筑

矩形鋼管混凝土要求混凝土與鋼管內壁緊密結合，混凝土配合比是一個主要因素，但混凝土的密實性對其影響也比較大。混凝土的密實性與混凝土的工作性能和施工操作方法有著直接的關系。根據《鋼管混凝土結構設計與施工規程》內徑大于350 mm的鋼管，采用手工澆筑方法施工時，可采用內部振搗器施工。根據弦桿縱坡，通氣孔設置在混凝土充填范圍的最高處，灌漿孔設置在混凝土充填范圍的最低處。通氣孔直徑設置為10 cm左右，灌漿孔尺寸可根據實際需要設置，但不應小于通氣孔。因節點混凝土澆筑范圍比較小，不宜采用泵送法，故采用手工澆筑法。混凝土澆筑時其坍落度應大于150 mm，在200 mm左右比較合適。混凝土應盡量采用商品混凝土，如采用人工拌合時，應嚴格按照配合比采用稱重法進行。人工澆筑時可采用漏斗，用鐵鍬將混凝土從漏斗澆入鋼管內。振動方法采用插入式振搗棒結合外部振搗器共同振搗的方法。對于可以用內部振搗器振搗的地方可采用直徑2.5 cm或3 cm振搗棒振搗，每次振搗時間不應少于30 s；對于兩塊內隔板中間振搗棒無法進入的地方可采用附著式混凝土振搗器振搗，每次振搗時間不應少于1 min。

混凝土澆筑完后可采用敲擊鋼管的方法初步檢測，如有異常則采用超聲波檢測；對不密實的部位采用開孔壓漿的方法進行補強。待混凝土澆筑達到設計強度的50%后應將通氣孔和灌漿孔采用鋼板封閉焊接好。

4 結語

矩形鋼管混凝土在虎門大道B號人行天橋鋼桁架節點的應用中，嚴格按照施工方法控制鋼桁架、封板和內隔板的制作安裝；嚴格按照配合比配置微膨脹混凝土和按照澆筑及振搗方法進行混凝土的澆筑。其施工結果如下：1)混凝土和易性優良，現場測試其坍落度為180 mm～220 mm，混凝土粘聚性好，施工過程未出現離析和分層現象。2)混凝土與管壁緊貼，經超聲波探測鋼管內混凝土密實、無空洞。3)混凝土28 d強度可達到60 MPa～63 MPa。4)各種鋼構件焊接的焊縫經超聲波和X光檢測均滿足一級焊縫的要求。B號天橋施工完后成為了虎門大道的標志性建筑，在工期、質量和經濟效益方面效果良好，并得到了業主和質監單位的好評，對今后同類工程的施工有著廣泛的借鑒意義。

[1] 趙光華，馬 星.矩形鋼管混凝土結構在多層住宅中的應用研究[J].四川建筑，2003(2):52-53.

[2] 李運喜.受壓弦桿填充混凝土的矩形鋼管(鋼箱)桁架靜力性能研究[D].西安：長安大學碩士學位論文，2008.

[3] CECS 28∶90,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

[4] 葉 青,李麗琴,王建東.摻膨脹劑混凝土膨脹的可靠性探討[J].混凝土，2003(5):9-12.

[5] 王學哲.超大跨徑拱橋高強微膨脹C50鋼管混凝土配合比設計[J].鐵道建筑技術，2009(6):87-90.

[6] JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設計規程[S].

Explore technology of concrete construction in node rectangular steel truss bridge

Xiong En1Zhong Deming2

(1.UrbanConstructionCollege,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;2.ZhejiangHongdaConstructionGroupCo.,Ltd,Zhuji311800,China)

Combining with the No.B pedestrian node rectangular steel pipe concrete of Humen Avenue, the paper analyzes and introduces the manufacturing and installation of the rectangular steel pipe concrete, design and construction of the micro-expansion concrete mix proportion, and points out the rectangular steel pipe concrete can improve the structural loading capacity and stability, so it has better potential for development.

node, rectangular steel pipe concrete, manufacturing and installation, mix proportion, concrete grouting

2015-03-01

熊 恩(1985- ),男，碩士，助教; 鐘德明(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0101-03

U448.211

A