钢拱桥钢管混凝土泵送砼施工技术的应用

1 工程简介

郧西县佘家湾钢管拱桥,设计为1-70 m系杆拱主梁采用预应力混凝土梁。主桥采用人字坡。桥纵坡为4%、竖曲线半径R=1000 m。

主拱拱肋采用下承式上下弦管无铰拱,计算跨径70.00 m,计算矢高14.00 m,矢跨比l/5,每片拱肋由2根φ800×16 mm的钢管组成,内灌C50微膨胀混凝土作为弦杆,上弦和下弦横向两根钢管之间用平联钢板(厚δ=l6 mm)作为腹板联接,在平联板内内灌注C50微膨胀混凝土。在桥面以上、上下弦之间采用PES7-73拉索,组成桁式拱肋。拱肋高2.00 m,宽0.80 m。两主拱肋间中心距为17.40 m,共设2组“一”字横撑和2组“K”字横撑,每道横撑均为空钢管桁架,由设置在拱肋上、下弦管间腹板上的φ800×16 mm(直撑)和φ800×16 mm(斜撑)组成。拱肋钢结构分为主拱钢结构、横撑、K撑及附属钢结构,总重约为165吨。桥梁总体布置如图1:

本工程根据对称与均衡加载原则,以拱顶为对称中线组织钢管混凝土的灌注施工。为了保证拱肋混凝土的密实性,采用在拱肋两端泵送浇筑钢管拱肋混凝土的泵送顶升压注浇筑方法,灌注时由输送泵将混凝土连续不断地自下而上压入钢管拱内,且不需振捣,直至管顶冒出混凝土使管内混凝土密实为止。

2 施工方案

2.1 施工顺序

钢管混凝土灌注施工顺序为:C50微膨胀混凝土配制开设排浆口焊接进料短管布设输送泵管人工浇筑进料管以下区段混凝土(拱脚第二次混凝土浇注时完成)压注清水湿润输送泵管泵送高标号砂浆对称泵送C50微膨胀混凝土从拱顶排浆孔振捣混凝土关闭防回流截止阀清洗泵管完成泵送。结合实际进度,拱肋钢管砼的灌注顺序为:左侧上拱肋右侧上拱肋左侧下拱肋右侧下拱肋左侧缀板右侧缀板。单片单根拱肋必须在1.5 h内灌注完毕。全桥拱肋钢管混凝土灌注计划8 h完成。

2.2 关键技术

(1)拱肋混凝土在灌注时不能中断,要连续灌注。

(2)在灌注混凝土时要求必须纵向严格对称进行。泵压过程中需注意泵的压力和扬程,泵的压力一般控制在16MPa以下。

(3)拱肋单片泵送时,需确保单侧上、下弦拱内混凝土在混凝土初凝前完成,所以在泵送完一道管时应及时连接好下一道管的输送管,以缩短泵送时间。

(4)钢管拱内的混凝土强度达到50%以上时,即可以拆除钢管拱肋上的灌注孔、排气孔,所有的孔都应该用原切割下来的钢板焊接封闭。切割、焊接时,需做好降温处理,避免烧伤混凝土。孔封闭应焊接平整光滑,不突出和漏焊。

(5)待拱肋混凝土的强度均达到设计强度的80%之后,检查拱肋混凝土是否密实。管内混凝土的浇灌质量,采用超声波检测。

(6)为了承担混凝土产生的水平力,需分阶段张拉纵梁预应力束。

(7)端横梁的变形控制是全桥施工的关键。应在主桥墩两侧面做好测量标志,用全站仪观察每一个阶段的墩顶水平位移情况。

3 施工工艺

3.1 C50微膨胀混凝土的配制

为了保证混凝土能充满钢管,密实,混凝土必须具有无收缩补偿的性能,也就是微膨胀性。钢管拱混凝土特殊的施工工艺,要求混凝土在不加振捣的情况下自密实成型具有低气泡、高流动性、坍落度要求18~22cm,粗骨料在顶升过程中不能因自身的重力而下落,否则就会造成顶升压力过大而失败。在设计混凝土配合比的过程中,碎石应稍微呈悬浮的状态,不能有下沉现象,而且还要防止离析,2 h坍落度损失<3cm。为能连续泵送,要求混凝土的初凝时间在8h以上。出于工期方面的考虑和现场施工的张拉要求,要求混凝土在浇注后能尽快地达到张拉的要求,混凝土具有早强性,要求5天强度≥90%混凝土的设计强度。

3.2 泵送设备的配置

泵送设备及其能力要求:每次泵送均在两端布置1台高压固定式混凝土输送泵同步进行泵送。每台泵车平均每小时泵送30 m3混凝土,考虑一些其他因素,每片拱肋单根计划在2 h内完成泵送。输送泵的系统泵压一般在8MPa左右,不能超过16MPa,防止爆管。综合以上各项因素,选用三台HBT-60型高压固定式混凝土输送泵作为泵送机械,其中一台作为备用泵。

运输车辆的配备:共配备了5辆混凝土搅拌车,为了避免在灌注的时候出现间断,要多配备1台备用车,随时根据施工实际情况作出相应调整。

混凝土搅拌的设备:设有一座拌和站,在开始搅拌前,对所有搅拌设备、发电设备和水处理设备进行施工前全面检验调试,符合施工条件后,方可进行施工。

另外,还需配备两台高压水枪,以便混凝土从出浆孔冒出后,随即清洗拱身。

3.3 灌注管、排气管及冒浆孔的布置

吊装前应在拱肋上焊接完拱肋混凝土灌注管、排气管及冒浆孔。

单侧单根拱肋设置二个灌注孔,于拱肋对称中心线对称设置在拱肋上部管壁,灌注孔与拱肋轴线成30 °角,。沿拱肋轴线上设置二个冒浆孔,在跨中位置附近设置。

排气管及冒浆孔直径为20 cm,灌注砼时,留出砼后立即用木楔封堵。

钢管拱内砼的强度达到设计50%以后,可拆除钢管拱肋上的灌注管、排气管及冒浆孔,所有的施工用孔均用原来切割下来的钢板复原焊接封闭。 3.4 泵管的布置

泵管采用直径为125 mm高压管,由搅拌站派专职技术人员进行排定。在压注孔的位置及管道线路上,搭设支架专门用于架设混凝土输送泵管,确保管道的牢固,尽量减少弯头的数量。为了避免泵送过程中发生堵塞、爆裂和泄露等现象的发生,在泵管对接之前,仔细检查管内壁是否清洁,接头和密封圈是否完好。对接好之后,对输送管还要逐节进行检查,以确保管节接口的严密性,杜绝混凝土顶升过程中发生脱管的现象。另外,在现场还要配备同样长度数量的泵管、弯头和密封圈一套,用来避免意外的发生,对备用管道的更换要先进行试验,熟练掌握。泵管安装好之后,禁止人员在管道上行走。

在混凝土浇注前,应在压浆管上设置防回流截止阀(法兰盘),并对压浆管与拱肋钢管及法兰盘接口的焊缝进行加劲处理。

3.5 人工浇筑压浆管以下区段混凝土

人工浇筑压浆管(低端压注管)以下区段混凝土即拱脚第二次混凝土浇注时拱脚段拱肋有2 m的拱肋钢管混凝土须灌注。该区段混凝土直接采用输送泵输送,插入式振捣器振捣。施工前在距拱肋与拱脚接触界面上50 cm处拱背轴线上开直径25 cm的圆孔,作为拱肋钢管混凝土通过此孔输送,插入式振捣棒也通过此孔伸入振捣,确保拱肋混凝土密实。混凝土灌注后顶面应比压浆管口低40~50 cm,以免后续钢管混凝土泵送时集料分离,造成混凝土不密实、蜂窝、麻面等质量问题。

3.6 泵管水密试验及管内废渣清除

泵送混凝土之前,要将压浆管上的防回流截止阀关闭,在输送泵料斗内装清水泵送,检查泵管是否有漏气现象,另外,用清水从拱顶排气管注入,对钢管内所有废渣及锈迹完全清洗,并由拱脚段的排渣孔(直接利用拱脚第二次混凝土浇注时在距拱肋与拱脚接触界面上50 cm处拱背轴线上开直径10 cm的圆孔作排渣孔,)排出,清洗完后封固排渣孔。

3.7 泵送高等级砂浆

在泵送混凝土之前先泵送2 m3高等级砂浆润泵管,主要作用是湿润管道减小混凝土泵送阻力,注意砂浆不得进入钢管拱内。

  3.8 泵送C50

微膨胀混凝土 浇注时间选择一天中温度较低时进行。拱肋采取全跨度从两侧拱脚处对称地连续浇筑,并在拱脚混凝土初凝前全部完成。钢管拱灌注时按照如下步骤及要求进行:

(1)混凝土拌制时各种组成材料应计量准确,外加剂宜拌制成均匀溶液加入拌和,每盘净拌时间不得少于2 min。

(2)泵送混凝土拌制时,试验室人员要随时抽取施工时样品,根据施工条件来调整混凝土配合比。

(3)混凝土坍落度出料时须大于20 cm,泵送时须大于18 cm,且无离析泌水,严禁向搅拌车内加水,以防止造成质量事故;对坍落度过大的混凝土,应立即退回搅拌站,并通知搅拌站采取相应调整措施进行控制;

(4)钢管拱肋混凝土施工应选择在常温下进行,施工时备好土工布、水管等,土工布铺在钢管拱上,以作好养护准备,并防止突然升温,给浇筑带来不利影响。混凝土顶升时,应测量拱肋表面温度,如温度过高,须在拱肋表面覆盖土工布并浇水降温。

(5)拱肋混凝土由高压固定泵自拱脚压注管自下而上灌入拱肋无需振捣。开始泵送时,泵机应处于低速压送状态,并应注意观察泵的压力和各部件工作情况,待压送顺利后方可提高政策压送速度。

(6)泵送混凝土时要尽量避免停泵现象出现。在施工时,如果混凝土供应不充足时,要尽快降压减速,防止中断。

(7)当混凝土压送困难时,泵压升高,管路产生振动时,要放慢压送速度或使泵反转,并且要检查管道,避免堵管。

(8)压送混凝土时,料斗应装满混凝土。在混凝土压送过程中,如若有空气,要立即反泵,待空气与混凝土都排出管内,方可正转继续工作。

(9)当输送泵管被堵塞时,关闭防回流截止阀,可用木棍敲打管路,找到被堵的段落,待混凝土泵卸压后将其管道拆卸下来,取出造成堵塞的物品,并检查其余管路无堵塞后才可接管。重新压送混凝土时,应打开防回流截止阀再行泵送。

(10)单片拱肋钢管混凝土泵送时,应严格遵循拱肋两边对称的施工要求,防止一边上升过快引起拱圈纵向振动。可通过混凝土产量、混凝土泵送量及敲击检查结果等来判断,两岸管内混凝土长度差不超过1 m。施工人员要随时保持联系,保证两端混凝土顶升速度同步对称。

(11)当排浆孔有浆排出时,放慢泵送速度,每泵一下需停一下,并人工配合用竹竿等在排浆孔,使多余的气体和浆液排出,直到干净混凝土(排气管内流出的混凝土浓度与泵送混凝土浓度相同)溢出为止,然后稳压,关闭防回流截止阀。

(12)待灌注到设计标高后,用插板堵死管口,关闭止回闸阀,防止混凝土外溢,再清洗泵管。泵送过程中应随时注意泵送压力,发现泵送困难时及时换用备用接头。

(13)钢管混凝土在达到80%强度之前,需间隔2~3 h对钢管表面进行浇水降温。

3.9 清洗设备及封堵压、排浆孔

清洗、拆除输送泵管,待混凝土泌水停止后,割掉压浆管等并用原割钢板复原封度焊接,以防雨水进入,防止炭化反应。

4 结语

钢管混凝土的灌注是钢管拱桥施工的一道关键工序,保证钢管混凝土的灌注质量就是保证钢管混凝土拱肋安全受力的一个关键环节。钢管混凝土用输送泵,泵送顶升法灌注,必须要保证其顺利进行,并且一气呵成。为了使钢管混凝土在灌注后达到密实,并且具有收缩补偿性,还要混凝土强度满足设计要求,必须在混凝土的试配、制作、钢管混凝土的灌注等方面,精心的组织,科学的施工。该项工程的施工经验是钢拱混凝土施工关键技术积累,也是钢拱桥施工的关键工序之一。