嚴寒地區懸臂澆筑連續梁冬季施工技術

歐陽天武

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266061)

目前我國正處于經濟高速發展時期,處于寒冷和嚴寒地區的路網建設不可避免。由于寒區每年有3個月淺冬、3個月深冬的天氣，為滿足工程建設進度需求，冬期施工成為必然，但低溫惡劣的氣候不利于混凝土強度的持續增長，混凝土性能受氣候條件影響強烈[1,2]。本文結合工程實例介紹寒冷地區懸臂澆筑連續梁冬季施工保溫棚設計、混凝土質量控制及安全保證措施，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

佳鶴鐵路改造工程跨鶴大高速公路特大橋位于鶴崗市東山區，橋梁全長8 393.84 m，于DK28+583.94處采用60 m+100 m+60 m連續梁跨越鶴大高速公路，交叉角度為32o18＇，墩高8.5～11.5 m，梁高沿縱向近圓曲線變化，中心點截面處梁高7.56 m，邊支點及跨中截面處梁高4.56 m。連續梁為單箱單室截面，采用掛籃懸臂澆筑法施工，全橋設0#梁段、12節懸澆梁段，中、邊跨各設一節合龍段，全梁共計55個節段。

佳鶴鐵路位于黑龍江省東北部，地處小興安嶺和三江平原的緩沖地帶，地形平坦開闊，起伏較緩，屬北溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱短促，最冷月平均氣溫為-17.5～-18.2 ℃，極端最低溫度為-34.5 ℃，冬、春季少雨多大風，氣溫變化劇烈。

2 冬期施工關鍵技術

為了保證混凝土工程質量，跨鶴大高速公路特大橋采用?32 mm精軋螺紋鋼、型鋼、?48 mm(壁厚3.2 mm)鋼管搭設暖棚對箱梁進行全封閉方式保溫，暖棚外側包裹防水棉被、底板處設珍珠巖,采用雙鍋爐及熱風炮保溫、保濕養護法施工。現場連續梁保溫棚采用情況見圖1。

圖1 現場連續梁保溫棚

2.1 掛籃段保溫棚設計

底部保溫棚利用掛籃前后端橫梁結合底板預留錨栓孔，通過采用?32 mm的精軋螺紋鋼吊掛兩根橫向雙拼16#槽鋼，在橫向槽鋼上順橋向鋪設8#槽鋼，間距為0.8 m與橫梁焊接固定。工字鋼上鋪設防水棉被及清水板，清水板上錯茬堆碼兩層袋裝珍珠巖，珍珠巖上方鋪設一層防火卷材。

梁體兩側搭設單排鋼管架，鋼管立桿間距和水平桿步距均為1.2 m，立桿底部焊接在縱梁8#槽鋼上。三角掛籃主桁架縱梁上方設置4道橫向I20工字鋼，縱向設I10工字鋼，兩側豎向鋼管頂端焊接在I10工字鋼。側面鋼管架與掛籃外模腹板支架通過連接桿件做橫向連接固定。主桁架之間頂部為可拆卸式頂蓋，進出材料通過整體吊裝頂蓋完成。在鋼管架外側掛設加厚型防水棉被，防水棉被用?20 mm螺紋鋼作勁性骨架，用8#鐵絲將?20 mm螺紋鋼與鋼管連接固定，側面包裹的防水棉被與梁體底部、頂部防水棉被搭接1 m，搭接端用繩索全面固定。

掛籃前端部保溫棚搭設與側面搭法類似，不同之處為前端設置了4片可拆卸式加厚型防水棉被骨架片，移動掛籃或測量定位時可拆除，以減小風阻或消除視線影響。掛籃段保溫棚結構設計見圖2。

圖2 掛籃保溫棚結構(單位：mm)

2.2 已澆梁段保溫棚設計

在梁體頂板使用2 m高鋼管作為立柱，立柱橫向、縱向間距均為1.2 m。為方便人員通行及材料運輸，立柱距離梁面0.2 m處搭設縱、橫向腳手架鋼管，在距離梁面1.8 m處搭設第2層縱、橫向鋼管，形成網格結構鋼管，橫向鋼管懸挑于梁體翼緣板外約0.9 m。網格搭設完畢在縱向鋼管上滿鋪清水板及防水棉被，防水棉被上方采用鐵絲網固定防止被陣風吹起。

底部保溫棚通過底板預留錨栓孔采用?32 mm的精軋螺紋鋼吊掛兩根橫向雙拼16#槽鋼，雙拼16#槽鋼沿橋縱向每3 m設一道，在橫向槽鋼上順橋向鋪設I10工字鋼，間距為0.8 m與橫梁焊接固定。工字鋼上鋪設清水板及防水棉被，在防水棉被上錯茬堆碼兩層袋裝珍珠巖，其上方鋪設一層防火卷材。

梁體兩側搭設單排鋼管架，鋼管立桿間距及水平桿步距均為1.2 m，立桿底部焊接在I10工字鋼縱梁上。側面鋼管架與連續梁通過腹板處通氣孔用?48 mm鋼管橫向固定。已澆梁段保溫棚結構見圖3。

圖3 已澆梁段保溫棚結構(單位：mm)

2.3 掛籃段與已澆梁段保溫棚搭接

掛籃段保溫棚寬度為12 m，已澆梁段保溫棚寬度為9 m，掛籃段保溫棚比已澆梁段保溫棚每側寬出1.5 m。此處保溫棚搭接時，掛籃段后端每側定制一塊5 m寬保溫棚布與掛籃側面及已澆梁段棚布進行連接，與掛籃側面連接時搭接長度為1 m，與已澆梁段連接時考慮外滑梁及操作平臺影響搭接長度按2.5 m設置。為確保掛籃段與已澆段棚布的密封性，此處連接轉角處棚布外側加設一道繩索捆綁。掛籃段與已澆梁段搭接見圖4。

圖4 掛籃段與已澆梁段保溫棚搭接

2.4 熱工計算

根據冬期施工相關文件規定，混凝土出機溫度不小于10 ℃，施工前測定材料溫度并進行熱工計算，滿足要求后才能組織大面積施工。

混凝土拌和物的理論溫度T0，根據組成材料的溫度，按熱平衡原理推導的公式(以C50混凝土配合比)進行計算：

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為水溫度；mce為水泥用量，取值408 kg；ms為摻合料用量，取值72 kg；msa為砂用量，取值738 kg；mg為碎石用量，取值1 060 kg；mw為水用量，取值145 kg；Tce為水泥溫度，取值5 ℃；Ts為摻合料溫度，取值5 ℃；Tsa為砂溫度，取值5 ℃；Tg為碎石溫度，取值5 ℃；ωsa為砂含水率，取值3%；ωg為碎石含水率，取值1%；cw為水的比熱容，取值4.2 kJ/(kg·K)；ci為冰的溶解熱，取值0 kJ/(kg·K)。

混凝土拌合物出機溫度：T1=T0-0.16(T0-Tp)。式中：Tp為攪拌機棚內溫度，取10 ℃。

當水溫加熱至40 ℃時，則T0=11.10 ℃，T1=10.92 ℃。

當水溫加熱至50 ℃時，則T0=12.84 ℃，T1=12.38 ℃。

當水溫加熱至70 ℃時，則T0=16.33 ℃，T1=15.32 ℃。

當水溫加熱至80 ℃時，則T0=18.07 ℃，T1=16.78 ℃。

當拌合用水溫度加熱至40 ℃以上時，混凝土拌合物出機溫度均滿足規范要求。

2.5 供熱措施

每個主墩采用2 t的蒸汽鍋爐進行供熱，主管道為?89 mm的無縫鋼管，沿翼緣板上方外側水平布置；根據連續梁分段長度設置分支閥門及副管道進入箱室內及底板底部，副管道采用?60 mm的無縫鋼管輸送暖氣，最末端安裝智能泄水閥。

為防止蒸汽鍋爐出現故障，每個主墩處加設1臺1 t的常壓熱水鍋爐輔助供熱；?89 mm主管道沿箱梁頂板邊緣布置，設三通管通過?57 mm網狀管道對腹板外側進行加熱。熱水鍋爐輔助保溫管布置見圖5。

圖5 熱水鍋爐輔助保溫管布置 圖6 串筒管布置 圖7 測溫線布置

為確保掛籃內溫度，箱室內及頂板處各設1臺70 kW燃油熱風炮。

掛籃段底板處空間有限，同時為保溫棚內溫度最低處，為加強溫度控制，在底板四角設4臺15 kW電熱風炮加強溫控。

2.6 拌合站

攪拌樓、輸送帶采用10 cm厚阻燃保溫板整體密封并設置蒸汽供熱管道，配料機設置在料棚內；料倉棚內合格倉及待檢倉底面、隔墻均鋪設蒸汽管道，用于砂石料及周圍環境的加熱。每座拌合站采用4 t的蒸汽鍋爐供暖，室外主管道埋深不小于凍結深度+0.5 m。

3 混凝土施工質量控制措施

3.1 混凝土初期溫度控制

由于鶴崗市冬季整體氣溫低，為確保混凝土出機溫度不低于10 ℃，拌合用水按80 ℃進行控制，拌合投料順序嚴格按照砂石料、熱水、水泥、外加劑的順序進行，尤其是砂石料和熱水混合后，保持不少于30 s的攪拌時間。對佳鶴鐵路跨鶴大高速公路特大橋及鶴崗特大橋冬季施工連續梁的實踐統計表明，拌合用水為80 ℃時在混凝土入模溫度、混凝土強度增長等方面明顯好于60 ℃拌合用水，對比水溫越低時80 ℃效果越明顯。為確保混凝土入模溫度不低于5 ℃，現場必須合理控制混凝土澆筑進度，防止澆筑時間過長造成混凝土散熱多而達不到入模溫度要求。

3.2 混凝土運輸過程溫度控制

混凝土運輸車罐體外面采用專用保溫被進行保溫；混凝土運輸過程中適當加快運輸速度，縮短混凝土從攪拌完畢到入模的時間；同時精確計算混凝土所需時間，確保混凝土罐車到達現場后不會久等。

3.3 澆筑過程溫度控制

東北地區由于地理位置原因，冬季下午3點左右天黑，所以混凝土澆筑安排在每天10:00～14:00是最佳時間。為防止混凝土澆筑過程中揭開掛籃處“頂蓋”造成棚內溫度降低，澆筑前提前在掛籃前端及頂部處各安裝1根DN350串筒管，用于底板、腹板及頂板的混凝土澆筑。串筒管布置見圖6。

3.4 測溫儀器合理布置

混凝土芯部溫度采用SH-TW80型混凝土無線測溫儀測量，PC端安裝專用軟件后能集成數據查看、曲線顯示、報表導出等功能；智能手機安裝專用軟件后可隨時查看溫度數據及曲線等。環境溫度采用常規掛式溫濕度計測量。混凝土澆筑前在箱梁中部兩側腹板、頂板及底板位置預埋測溫線；混凝土澆注后，安排專人對混凝土養護溫度進行監控及記錄，確保混凝土芯部溫度與相應位置混凝土表面溫度溫差不大于15 ℃[3]；混凝土內外溫差過大時，內部產生的壓應力及外部表面產生拉應力導致混凝土表面產生裂紋。在升、降溫期間每1 h檢測一次，在恒溫期間每2 h檢測一次，確保暖棚內各測點溫度不得低于5 ℃。混凝土升溫速度不得大于10 ℃/h，降溫速度不得大于5 ℃/h。測溫線布置見圖7。

3.5 其他溫度控制措施

保溫棚內主要靠蒸汽管道、熱水管道保溫，夜間溫度低時主要依靠調高電熱風炮檔位及啟用柴油熱風炮進行輔助升溫。

保溫棚內溫度控制的關鍵是箱梁底板底部溫度的控制；冷、熱空氣由于密度差異，冷空氣沉積在掛籃底模板與保溫棚底部之間區域，熱空氣則聚集在保溫棚頂部，造成保溫棚內溫度成梯形分布：底部溫度為5～10 ℃，箱梁內溫度為10～20 ℃，頂板處棚內溫度則超過20 ℃。為確保底板處棚內溫度不小于5 ℃，在掛籃底模已布設蒸汽管道的前提下，在四個角再各設1臺15 kW電熱風炮(Ⅰ檔為9 kW、Ⅱ檔為15 kW)，白天采用Ⅰ檔、晚上采用Ⅱ檔補充進行供熱。

3.6 混凝土養護濕度控制

由于冬季氣溫干燥，同時在供熱管道及暖風機等作用下，保溫棚內濕度幾乎為零。為確保混凝土養護所需濕度，將箱室內其中的1根蒸汽供熱管道尾部閥門部分打開，直接將蒸汽放入保溫棚內加濕。由于箱室內及頂板頂溫度高且混凝土外露，混凝土初凝后使用棚內存放的同溫度水直接灑水養護并覆蓋土工布，養護期間每2 h至少灑水1次確保混凝土處于濕潤狀態。

4 施工檢算

由于冬季施工時在梁上、掛籃上增加了保溫棚、加熱設備等荷載，同時迎風面積增大還需額外考慮風荷載、雪荷載等影響，故冬期施工引起荷載變化時應進行施工檢算。施工檢算包括臨時結構檢算(臨時固結、掛籃及保溫棚架自身結構安全)和橋梁結構檢算(施工階段截面應力及抗剪承載力、梁體產生的豎向撓度等)兩部分。根據相關要求由施工單位委托有相應資質的第三方檢算單位進行臨時結構檢算、由設計單位負責梁體結構的檢算，所有檢算符合要求后方可組織保溫棚架的施工。主要檢算結果為：

(1)臨時固結精軋螺紋鋼所受拉應力σ為85.7 MPa，小于允許拉應力465 MPa，且有2倍提高安全系數作為安全儲備，臨時固結抗傾覆滿足要求。

(2)截面上緣在施工階段全部受壓，最大壓應力為12.32 MPa，小于規范容許壓應力23.9 MPa；截面下緣最大壓應力為10.42 MPa，小于規范容許壓應力23.9 MPa，施工階段各截面應力滿足規范要求。

(3)最大懸臂階段中支點最大剪力為19 804.23 kN，最大彎矩430 293.76 kN·m，比設計運營階段主力工況剪力、彎矩小得多，因此施工階段抗彎、抗剪承載力滿足要求。

(4)連續梁最大懸臂節段的撓度增加了8.1 mm。

5 安全防護措施

5.1 掛籃防傾覆措施

掛籃傾覆事故大部分發生在移動過程中，考慮到鶴崗冬季氣溫變化劇烈多大風，為防止掛籃移動過程中遭遇突發的陣風，施工過程中采取三項措施防止掛籃傾覆：

(1)為減小風阻力，移動時掛籃前端、后端棚布全部打開。

(2)移動時掛籃主桁架縱梁的精軋螺紋鋼錨固松開至移動時錨固墊板與主桁架縱梁剛好處于不受力狀態，移動過程中每片主桁架縱梁不少于2組錨固參與防護。

(3)冬期施工前在掛籃每個主桁架尾部兩側加焊一組防傾覆裝置，具體布置見圖8。防傾覆裝置由20 mm厚、250 mm寬鋼板加工制作，主鋼板每側背部加焊80 mm、寬20 mm厚鋼板起加勁板作用，主鋼板防傾覆倒鉤與軌道壓梁的間距為10 mm。

圖8 防傾覆裝置

5.2 防火措施

項目部建立冬季施工安全生產保證體系，制定安全包保責任制，逐級簽訂安全承包合同并明確責任主體。

嚴格執行用火申請管理制度，每次電焊時必須有專人持接火盆接焊渣等殘余火點；每個保溫棚內安排2名有責任心的職工為專職看火員，24 h吃住在連續梁保溫棚內。

火災危險區域配備了足夠數量的消防滅火器材及水箱，且做到人人會使用并加強現場巡查。

在混凝土養護期間應將煙或燃燒氣體排至棚外，并應采取防止煙氣中毒和防火的措施。

連續梁主電纜必須使用耐寒電纜，確保電纜在寒冷氣候下即使是受到外界力作用仍保持良好的彈性和彎曲性，具有良好的物理、電氣及耐老化性能，確保電纜自身不出現安全隱患；避免因線路老化、經常搬運導致電線受損而引發火災。

臨時用電線路的安裝、維修、拆除，均須由經過培訓并取得上崗證的專業電工完成，非電工不準進行電力安裝作業。

6 結束語

跨鶴大高速公路特大橋連續梁保溫棚整體應用效果較好，具有良好的可靠性和適應性，能滿足連續梁冬期快速施工的要求。不足之處主要有：

(1)由于東北地區嚴寒季節長，建議鍋爐全部采用蒸汽鍋爐，以防鍋爐出現故障時水管結冰堵塞。

(2)由于掛籃段分塊拼裝篷布因測量或掛籃前移等原因需要多次打開，掛籃頂部篷布與豎向篷布搭接需加強，篷布損耗快易發生漏風現象，篷布接合部密封情況是保證掛籃段保溫效果的關鍵。