大跨斜拉桥钢混结合段钢纤维混凝土施工

大跨斜拉桥钢混结合段钢纤维混凝土施工

刘兆军

中铁十局集团第一工程有限公司 山东济南 250000

摘  要：钢混组合梁作为桥梁新型结构，其钢混结合段是钢混组合桥梁的刚度突变点，是整个结构受力的薄弱环节，设计材料多采用钢纤维混凝土以增加结构强度，如何保障钢混结合段钢纤维混凝土的施工质量是必须解决的课题。本文以乌海黄河特大桥钢混结合段钢纤维混凝土施工为例，通过对“钢纤维混凝土配合比”及“利用透明钢丝软管作为混凝土灌注通道”施工关键技术的研究，解决了箱梁钢混结合段内部PBL剪力键、栓焊钉、普通钢筋及预应力管道相互交错密集，混凝土振捣难度大及钢纤维混凝土稳定性较差等难题，施工完成后确保了箱梁整个结构的安全性和耐久性，取得了较好的效果，并为今后类似工程提供了一定的借鉴和参考。

关键词：大跨斜拉桥；钢混组合梁；钢纤维混凝土施工

0引言

随着施工技术的提高与机械水平的发展，桥梁向着大跨度方向发展，桥梁的造型向美观发展，桥梁的结构逐渐轻质化；在这种趋势下，传统的混凝土结构在很多时候已经不能满足设计的要求，转而出现的钢混组合结构可以提高桥梁结构的刚度和强度，节省材料、降低工程造价，具有较高的技术和经济效益，已被广泛应用到桥梁工程中。钢混结合段是钢混组合桥梁的刚度突变点，是整个结构受力的薄弱环节，设计材料多采用钢纤维混凝土以增加结构强度，如何保障钢混结合段钢纤维混凝土的施工质量是必须解决的课题。目前大多数研究主要通过数值模拟对钢混组合梁结构进行受力分析，或简单阐述钢混结合段的整个施工流程。而对于大跨斜拉桥钢混结合段钢纤维混凝土的施工方法研究甚少。

本文以新建包头至银川高铁包头至惠农段乌海黄河特大桥主梁钢混结合段施工为例，对钢混结合段钢纤维混凝土施工进行研究。

1工程概况

1.1主桥设计概况

新建包头至银川高铁包头至惠农段乌海黄河特大桥位于内蒙古自治区乌海市和宁夏回族自治区石嘴山市交界处。桥址位于海勃湾水利枢纽库尾段的上游，下距海勃湾坝址约36.3km，上距石嘴山水文站约17.0km，下距 G6 京藏高速跨黄河大桥约 5.5km。如图1所示。

图2 大桥平面方位示意图

桥位右岸为宁夏石嘴山市惠农区，地势较为平坦，有河漫滩。左岸为内蒙鸟海市海南区头道坎村，地势陡峭为天然陡坎，与右岸高差超过8m。

桥位处黄河河段顺直，河道宽度约600m，主河槽宽度200m~300m。主桥采用2×80m+310m+2×80m的半漂浮体系钢混混合梁斜拉桥和2×80m预应力混凝土T构跨越黄河主河道。桥式立面布置如图2所示；

图2 主桥桥式立面布置图（单位：m）

斜拉桥主梁采用气动性良好的单箱五室宝石型截面，主梁总长度632.4m。其中，中段钢箱梁长度390.0m，两侧混凝土梁长度均为121.2m。斜拉桥共设置两个主塔，每个主塔两侧均布置有14对斜拉索。两个主塔均为钢筋混凝土结构，每个主塔横向共两肢塔柱，采用花瓶型布置，分别设置两道横梁。左岸44#墩桥塔因地势较高，基础相对右岸主塔抬高3.5m，主塔总高度为114.5m，右岸45#墩主塔总高度为118.0m。斜拉桥布置见图3。

图3 斜拉桥桥式布置图（单位：m）

1.2钢混结合段设计概况

钢混结合段钢结构段长8.5m，其中混凝土梁段4.5米(其中4米范围浇筑C55钢纤维增强大流变自密实混凝土），钢梁段4m：采用应用较为广泛、传力顺畅的预应力混凝土后承压板型结合段，兼顾过渡段。钢箱梁段通过设置多排PBL键的钢格室与混凝土主梁连接，在各板件均设置预应力短钢束，使钢箱梁段落与混凝土箱梁段落结合成一个整体。混凝土箱梁段落的纵向预应力钢束均锚固在承压钢板上。在钢混结合部钢结构相应位置设置灌注孔及排气孔，以方便钢结合部的自密实钢纤维混凝土能充分灌入。沿梁长方向共分为5个区域，从钢梁待混凝土梁方向依次为长度0.4m的截面对接区→长度3.6m的刚度过渡区→长度0.05m的承压板厚度区→长度3m的钢混结合段钢隔室区→长度1.45m的外围钢板延伸区。

单侧钢混结合段总重量约660吨，其中钢材213.75吨，普通钢筋12.65吨，钢纤维混凝土174.45方，φ22剪力钉7061套，φ16剪力钉1592套，PBL键2.3吨。

图4 钢混结合段构造图（单位：mm）

1.3钢混结合段试验段工程概况

综合考虑模型试验的真实性、有效性以及不同钢格室浇筑的难易程度，根据乌海黄河特大桥钢-混结合段总体构造图拟定局部模型尺寸及构造选择实桥钢-混结合段中腹板两侧单元,即底板的3个格室、中腹板1处、顶板的3个格室。局部浇筑模型的钢格室形式与尺寸与实际结构相同,内仓室采用18mm竹胶板，端部均采用钢板焊接封堵。模型构建采用Q235B钢板（厚10 mm）制作而成。对钢格室局部浇筑孔、排气孔及压浆孔进行接高处理，模型尺寸（4.5m*2.6m*4.25m），所需混凝土约38方，Q235钢材11.21吨，纵向钢筋及横隔板钢筋如数布置、纵向预应力11道、横向预应力4道、完整PBL键208处，非完整PBL键100处，钢板开孔位置、开孔的大小和数量均按照实桥制作和安装。纵向预应力波纹管管道与腹板处PBL键位置冲突，钢结构加工过程中应提前避让，确保预应力管道位置正确。

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图5 试验段结构纵断面图（单位：mm）

图6 钢混段结构吊装（单位：mm）

1.4试验目的

乌海黄河特大桥钢-混结合段采用带后承压板的格室形式,格室内设置了开孔板连接件，孔内贯通钢筋，混凝土梁段的纵向钢筋也伸入到格室内部，同时还配置有大量纵向预应力束，从而加大了钢格室内钢纤维混凝土灌注的施工难度，容易导致局部格室的材料灌注不密实。因此本次模型试验目的为： （1）检验钢纤维混凝土自密实性能；（2）验证钢混结合段浇筑工艺的可行性。

2 施工重难点分析

1、填芯混凝土浇筑难度大

乌海黄河特大桥箱梁钢混结合段内部PBL剪力键、栓焊钉、普通钢筋及预应力管道相互交错密集，作业人员不能进入其内部进行振捣作业。此外斜底板封嘴处角度倾斜较大，因此其顶角部位混凝土无法 填充密实。钢混结合段混凝土的质量直接影响箱梁整个结构的安全性和耐久性，因此必须采取措施保证钢混结合段内部混凝土振捣和填充密实。

2、钢结构制造和安装精度要求高

主跨梁室结构主要为钢结构，钢混结合段是作为混凝土箱梁与钢箱梁的过渡连接段，其安装精度直接影响梁体线形。钢结构单元在工厂内加工制造，经工厂预拼装后运输至现场安装，钢混结合段顶面的空间误差会随着后续主塔斜拉索的安装。因此，在钢混结合段安装时必须严格控制轴线偏差，并保证其顶面各控制点的空间位置偏差在容许范围内。

3 施工工艺

3.1钢纤维混凝土材料选取

设计要求C55钢纤维增强大流变自密实混凝土，钢纤维掺入量为50kg/m³；钢纤维采用高强钢丝切断（端钩）型，抗拉强度大于1000Mpa，长度30mm,长径比70，钢纤维掺入量为50kg/m³，水溶性氯离子含量应≤0.06％。

钢纤维增强大流变自密实混凝土选择的主要原材料为钢纤维、水泥、粉煤灰、矿渣粉、级配碎石、砂、减水剂。 

按照设计要求我们所选取的钢纤维检测指标如下：

表1钢纤维检测参数表

3.2钢纤维混凝土配合比

经试验确定，满足现场施工条件的混凝土状态下，本次试验最终选定的基准配合比为：水泥：粉煤灰：细骨料：粗骨料：减水剂：膨胀剂：钢纤维：拌合用水=397：50：731：1051：5.96：50：50：149

3.3试验段钢结构制作

综合考虑模型试验的真实性、有效性以及不同钢格室浇筑的难易程度，根据乌海黄河特大桥钢-混结合段总体构造图拟定局部模型尺寸及构造选择实桥钢-混结合段中腹板两侧单元,即底板的3个格室、中腹板1处、顶板的3个格室。局部浇筑模型的钢格室形式与尺寸构造，模型构建采用Q235B钢板（厚10 mm）制作而成。为保证模型的真实性及准确性由钢梁制作厂家上海宝桥代加工；横隔板、腹板及倒T型变高过渡梁上的PLB剪力键及栓焊钉提前安装；对钢格室局部浇筑孔、排气孔及压浆孔进行接高处理，模型钢格室的尺寸、纵向钢筋、横纵向预应力、PBL钢筋数量以及位置、开孔的大小和数量均按照实桥制作和安装。钢模型到现场后安装普通钢筋及支立内模。

图7 试验段现场模型图

3.4钢纤维混凝土浇筑

（1）混凝土浇筑总体要求

钢混结合段混凝土采用C55钢纤维增强大流变自密实混凝土，从钢结构预留灌注孔泵送注入，分层浇筑，振捣以混凝土自流密实为主，辅助以手持式振捣棒，振捣棒从灌注孔插入，手持式振捣棒型号要求为30型，浇筑至结构表面时开启附着式高频振捣器振捣,附着式高频振捣器提前安装于模型外包钢板及仓室内模上，以便排除混凝土与钢板接触面的气泡。混凝土浇筑期间，视浇筑进程对相关灌注孔进行封堵，灌注孔封堵采用等材质钢板焊接。

浇筑过程中加强混凝土密实度检测，对于对顶部无法浇筑混凝土的空隙，及时开设排气孔，并注浆补强。注浆时，利用超声波检测技术对注浆密实度进行实时检测。若检测发现不密实，则需进一步进行压力注浆，确保顶部空隙压浆填充密实。

浇筑钢混结合段混凝土时，应按底板、腹板、顶板三个区域依次浇筑。浇筑每个区域前，应在普通高性能混凝土与钢纤维混凝土分界面上设置一临时竖直挡板，然后两侧同步浇筑两种混凝土，待两侧均达到设计高度时，去掉临时挡板，振捣密实。临时挡板应在施工前提前制作完成，制作前对纵向普通钢筋放样，提前在挡板上开槽。

图8 底板位置振捣口开孔示意图

图9 底板腋角溜槽法浇筑

（2）附着式振捣器的使用

施工过程中为确保混凝土浇筑质量，采用ZF75-150快装附着式振捣器，安装于仓室内壁，纵向间距1m，竖向间距50cm,其产品性能如图所示：

图10 ZF75-150附着式振捣器实物图

（3）灌注孔及排气孔留设位置

①排气孔：施工过程中由于浇筑舱室内部处于密闭环境，结构顶部无法浇筑密实会存在空隙，所以需要及时开设排气孔，在底板腋角上方仓室内以及顶板四周开设φ40mm排气孔。

    图11 排气孔布置图

②灌注孔：混凝土浇筑前，在顶板开设φ80mm灌注孔，灌注孔孔口处进行接高处理，试验模型横桥向布置灌注孔3处，顺桥向布置3处，纵向间距1m。为确保底板混凝土浇筑质量，避免因混凝土自由散落过高，造成底板混凝土不密实，采用φ50透明钢丝软管，对浇筑孔进行接长处理，灌注孔对应位置内模应提前开设φ80灌注孔，以确保透明钢丝软管能顺利插入，底板单元浇筑完成后，封堵底板灌注孔；为方便卸料，应在顶板灌注孔上方安装简易扩口料斗。

                   图12 浇筑孔布置图

3.5混凝土密实度检测

（1）超声波检测原理

在土木工程领域超声波检测技术应用非常广泛，可对混凝土密实度、损伤缺陷以及均匀性进行检测评估。根据钢-混结合段的结构构成,钢与混凝土材料组成的两种介质增加了检测难度。以钢管混凝土结构的超声检测为例，由于声波在固体与气体中的波速存在显著差别,5种常见的钢-混凝土浇筑缺陷如图13所示。

图13钢-混凝土内部结构缺陷检测原理

其中，图a为混凝土质量完整;图b为发射源附近存在钢-混凝土脱粘缺陷;图c为发射源与接收源附近存在钢-混凝土脱粘缺陷;图d为发射源与接收源连线存在混凝土孔洞缺陷;图e为既存在孔洞缺陷 又存在脱粘缺陷。由上图可知,超声波具有不同形式的传播路线，从而可以通过接收源采集的超声参数变化特征确定缺陷的形式与分布位置。当钢-混结合段浇筑模型存在钢与自密实混凝土脱粘缺陷或自密实混凝土内部空洞缺陷的情况时,超声波在相应位置传播时亦会发生类似的绕射孔洞现象，故可通过超声波在测区内部传播的首波声时、波形及幅值特征判别缺陷类型。

（2）检测设备

钢-混结合段检测设备采用ZBL-U520非金属超声波检测仪，主要技术参数见表2。

表2 ZBL-U520检测仪技术参数表

（3）检测方法

试验过程中对钢纤维大流变自密实混凝土浇筑密实度检测首先采用5 kg铁锤对模型不同位置进行敲击初检，根据声音辨别模型内部浇筑质量。再对可能存在内部缺陷的区域以及通过锤击法确定的疑似脱空区域进行超声法检测。浇筑前应提前对预应力管道位置在钢板上进行标记，记录预应力管道处检测参数类型并准确识别，避免与普通缺陷处相互干扰。

（1）非注浆区域

①声音清脆有回响：疑似缺陷区域→加密超声波测点间距→分析测点位置波速、振幅等参数特征→浇筑模型的有损取样检验

②声音浑浊沉闷：完好区域→标准间距超声波测点（标准间距5cm）→分析测点位置波速、振幅等参数特征→浇筑模型取样检验

（2）注浆区域

①声音清脆有回响：疑似缺陷区域→加密超声波测点间距→进行二次补灌→分析每次测点位置波速、振幅等参数特征→浇筑模型的有损取样检验。

4质量控制

（1）针对钢格室混凝土浇筑足尺模型工艺时混凝土与顶板粘结处气泡较多的现象，设计单位在顶板增设了排气孔数量。

（2）适当放缓钢格室混凝土浇筑速度，以利于气泡的排出，每层布料厚度控制在30cm左右。

（3）布料时，控制相邻钢格室混凝凝土仓面30cm左右的浇筑高差，以使PBL剪力键开孔中的混凝土气泡能顺利排出。

（4）混凝土箱梁与钢箱梁结合部位混凝土的浇筑、振捣，通过钢箱梁上预留的浇筑孔进行。即使采用了自密实钢纤维混凝土，但施工时仍采用小振捣棒仔细、适当振捣，目的是加快混凝土中夹杂的空气的排出。振捣时要避免过振及对剪力键、预应力元件的损伤。

（5）为确保钢格室混凝土密实，在相邻箱梁顶板混凝土上或在浇筑孔周围设置挡板，将该部分混凝土进行超浇，对钢格室内混凝土形成反压，适度振捣直到浇筑孔、排气孔、压浆孔中溢出均质的混凝土，并在初凝之前将多余部分混凝土清除。

（6）结合段暴露部位的混凝土表面采用人工收面，收面次数不少于2次。

5结论

包银高铁乌海黄河特大桥于2023年8月18日完成相关方案报审工作，2023年9月20日完成试验单元混凝土浇筑，2023年12月4日顺利完成全桥两侧钢混结合段钢纤维混凝土施工任务。利用本工法施工，成功解决乌海黄河特大桥箱梁钢混结合段内部PBL剪力键、栓焊钉、普通钢筋及预应力管道相互交错密集，作业人员不能进入其内部进行振捣作业。斜底板封嘴处角度倾斜较大，其顶角部位混凝土无法填充密实等技术难题，保证了钢混结合段混凝土施工质量，确保了钢混结合处整体结构的安全及耐久性，该工法操作简单、过程易于控制、安全可靠；对于类似钢混结合段钢纤维混凝土施工具有良好的指导价值。

参考文献：

[1] 《钢纤维混凝土》（JG/T 472-2015）

[2] 《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005-2010）

[3] 《钢纤维混凝土试验方法》（CECS 13:2009）