轉(zhuǎn)體橋梁下球鉸及滑道支架無后澆帶封固技術(shù)研究

沈捍明

(中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙 410004)

1 前言

下球鉸、滑道及支架為橋梁平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，下球鉸與上球鉸一起組成了轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的核心，為橋梁平轉(zhuǎn)提供了轉(zhuǎn)動面?；罏檗D(zhuǎn)動過程中的撐腳提供了平滑接觸面，同時與下轉(zhuǎn)盤一起為梁體發(fā)生不平衡轉(zhuǎn)動時提供支撐點，加大了平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的安全性。下球鉸、滑道及支架結(jié)構(gòu)埋設(shè)在下轉(zhuǎn)盤內(nèi)部，頂面與下轉(zhuǎn)盤頂面齊平，同時通過大量的結(jié)構(gòu)鋼筋與下轉(zhuǎn)盤連接為整體。施工中下球鉸、滑道及支架的安裝精度、安裝范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的安裝質(zhì)量和混凝土的振搗質(zhì)量直接影響后續(xù)轉(zhuǎn)體施工的安全[1－3]。

2 常規(guī)封固工藝及缺點分析

2.1 常規(guī)封固施工方法

(1)下轉(zhuǎn)盤一次性澆筑，在球鉸、滑道支架安裝處預(yù)留后澆凹槽。

(2)后澆凹槽內(nèi)安裝球鉸、滑道支架。

(3)待下轉(zhuǎn)盤混凝土強度達(dá)到100%澆筑后澆帶內(nèi)約1/2高度的混凝土，將球鉸、滑道支架封固穩(wěn)定。

(4)安裝下球鉸及滑道。

(5)澆筑后澆帶內(nèi)剩余混凝土。工藝如圖1所示。

圖1 常規(guī)封固工藝流程

2.2 工藝缺點分析

(1)整個施工過程被分成五個工序環(huán)節(jié)，工序較多、工藝復(fù)雜。

(2)后澆凹槽內(nèi)作業(yè)空間小，施工難度大。

(3)后澆凹槽內(nèi)的下球鉸、滑道及支架內(nèi)包含大量的鋼結(jié)構(gòu)，混凝土施工時振搗質(zhì)量難以控制，且混凝土充盈性得不到保障。

(4)施工過程中存在兩次混凝土強度等待時間，工序搭接性差，工效低。

3 無后澆帶封固施工技術(shù)研究

3.1 工藝流程

(1)安裝下轉(zhuǎn)盤鋼筋模板，預(yù)埋支架固定件；澆筑混凝土至球鉸及滑道支架底面標(biāo)高。

(2)安裝定位下球鉸支架及滑道支架，應(yīng)與預(yù)埋支架固定件連接牢固。

(3)安裝下球鉸及滑道，定位完成后直接栓接牢固。

(4)澆筑下轉(zhuǎn)盤剩余的混凝土，澆筑過程中需控制澆筑速度。工藝如圖2所示。

圖2 無后澆帶封固工藝流程

3.2 熱固耦合數(shù)值仿真及分析

3.2.1 幾何模型構(gòu)建

水化熱分析模型涉及單元數(shù)較多，加之需考慮混凝土與支架節(jié)點的耦合，故網(wǎng)格劃分須更精細(xì)。若模型為空間對稱結(jié)構(gòu)，可以通過建立1/4模型再于相應(yīng)截面位置添加等效邊界條件，對承臺和地基的中心切面進(jìn)行約束，并且對截面采取絕熱控溫處理。兩種封固方式有限元模型如圖3所示[4－6]。

圖3 兩種封固工藝有限元模型

3.2.2 物理模型的建立及參數(shù)選取

(1)力學(xué)參數(shù)的確定

下轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土澆筑，支架鋼材采用Q235材質(zhì)?？紤]下轉(zhuǎn)盤施工完成后即采用原土進(jìn)行承臺回填，各材料力學(xué)性能參數(shù)如下:

C50混凝土:彈性模量3.455×1010N/m2；重度25 000 N/m3；泊松比 0.2。

Q235鋼材:彈性模量 2.1×1011N/m2；重度76 980 N/m3；屈服強度2.35 ×108N/m2；泊松比0.3。

回填土體:彈性模量 1.2×109N/m2；重度22 000 N/m3；泊松比 0.2。

下轉(zhuǎn)盤底層土體:彈性模量1.2×109N/m2；重度 24 000 N/m3；泊松比 0.2。

(2)水化熱參數(shù)的確定

①混凝土的絕熱參數(shù)

假定在混凝土周圍沒有任何散熱條件、沒有任何熱損耗的情況下，將水泥水化后產(chǎn)生的水化熱量，全部轉(zhuǎn)化為溫升后的最后溫度稱為混凝土的最大絕熱升溫T(t)。如無試驗數(shù)據(jù)，可以參考有關(guān)文獻(xiàn)確定。

式中:mc為混凝土最大絕熱溫升(℃)；F為混凝土活性摻和料用量(kg/m3)；k為摻合料折減系數(shù)；Q為水泥28 d水化熱；c為混凝土比熱；ρ為混凝土密度。

實際澆筑混凝土?xí)r，由于存在散熱的過程，最大溫升值一般比絕熱溫升要低，通過分析本工程實施過程中的數(shù)據(jù)，平均溫升為59.2℃。導(dǎo)溫系數(shù)是與水泥品種、比表面積、澆搗時溫度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，取 0.318[7]。

②邊界對流系數(shù)

依據(jù)工程所在地山西大同相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，對于頂面對流:表面暴露時，按照粗糙表面、風(fēng)速1 m/s的情況考慮，其等效放熱系數(shù)取39.46 kJ/(m·h·℃)；表面覆蓋一層薄膜和土工布時，并考慮傳熱修正系數(shù)1.3，則等效放熱系數(shù)為5.33 W/(m2·℃)。側(cè)面對流:下轉(zhuǎn)盤側(cè)面采用鋼模，側(cè)面風(fēng)速為0，其等效放熱系數(shù)為7.7 W/(m2·℃)，基床固定溫度取10℃。

③環(huán)境及材質(zhì)的熱學(xué)參數(shù)

初始溫度為混凝土入模溫度，本工程取20℃；環(huán)境溫度即大氣溫度，本文項目施工時間為夏季，取白天溫度25℃、晚上12℃。混凝土熱工參數(shù):熱傳導(dǎo)率2.7 W/(m·℃)，比熱 10.8 kJ/(kg·℃)，熱膨脹系數(shù)1×10－5，混凝土強度發(fā)展規(guī)律如下:

式中:fcm為混凝土28 d平均抗壓強度，考慮下轉(zhuǎn)盤混凝土為 C50，取fcm＝50×0.827＝41.35 MPa；s為水泥種類常數(shù)，早強水泥取0.2，一般水泥取0.25，緩凝水泥取0.38，本項目采用一般水泥，取s＝0.25；teq為混凝土齡期。

Q235鋼材熱工參數(shù):熱傳導(dǎo)率50.94 W/(m·℃)；比熱4.704 kJ/(kg·℃)；熱膨脹系數(shù)1.2 ×10－5。

回填土熱工參數(shù):熱傳導(dǎo)率3.1 W/(m·℃)；比熱 8 kJ/(kg·℃)；熱膨脹系數(shù)1 ×10－9。

下轉(zhuǎn)盤底層土體熱工參數(shù):熱傳導(dǎo)率3.1 W/(m·℃)；比熱8 kJ/(kg·℃)；熱脹系數(shù)1 ×10－5。

3.2.3 仿真結(jié)果及對比分析

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，對兩類施工工藝下轉(zhuǎn)盤溫度應(yīng)力仿真分析計算時長為37 d，均考慮第7天進(jìn)行二次澆筑。溫度場計算結(jié)果對比如圖4所示。

圖4 兩種封固工藝溫度場分布對比

可以看出，水化熱溫度由于熱交換作用中心混凝土溫度明顯高于周邊溫度，并且溫度分布規(guī)律符合常規(guī)預(yù)期。一次封固工藝最高溫度為86.0℃，最大溫差約為41℃，出現(xiàn)在澆筑后的第228小時；后澆帶封固工藝最大溫度為86.4℃，最大溫差約為48℃，出現(xiàn)在澆筑后的第240小時。根據(jù)溫度時程數(shù)據(jù)，可以得到最高溫升，對比如表1所示[8－10]。

表1 各監(jiān)測點溫度變化對比

由圖4及表1可知，一次封固工藝更大地增加了散熱面，絕大部分最高溫升略低于原澆筑方案，且散熱更加均勻，最大溫差也較小，可以顯著降低最高溫度，減小混凝土內(nèi)外溫差，因此一次封固工藝在溫度場分布方面要稍優(yōu)于原方案澆筑。

如圖5所示，一次封固工藝最大第一主應(yīng)力為4.6 MPa，后澆帶封固工藝最大第一主應(yīng)力為4.7 MPa，一次封固工藝略優(yōu)于后澆帶封固工藝。

圖5 兩種封固工藝溫度主應(yīng)力分布對比

圖6為混凝土容許拉應(yīng)力(綠色曲線)與數(shù)值分析中第一主應(yīng)力(紅色曲線)的時程變化關(guān)系。由圖6可知，混凝土內(nèi)部的最大第一主應(yīng)力遠(yuǎn)低于容許拉應(yīng)力且混凝土整體應(yīng)力相對較低，根據(jù)第一強度準(zhǔn)則，混凝土不會因為溫度應(yīng)力開裂。

圖6 下轉(zhuǎn)盤第一主應(yīng)力與容許拉應(yīng)力對比

如圖7所示，一次封固工藝的鋼支架最大Mises應(yīng)力為14 MPa，后澆帶封固工藝的最大Mises應(yīng)力為51 MPa，兩者都相對較低，按照第四強度準(zhǔn)則均低于其破壞應(yīng)力。經(jīng)比較一次封固工藝優(yōu)于后澆帶封固工藝。

圖7 兩種封固工藝支架最大Mises應(yīng)力分布對比

綜上所述，采用一次封固工藝澆筑下轉(zhuǎn)盤對球鉸及滑道支架進(jìn)行封固對承臺結(jié)構(gòu)、支架變形較后澆帶封固工藝有優(yōu)勢，并且取消常規(guī)球鉸及滑道支架預(yù)留后澆帶可以有效提高施工工效，因此采用一次封固工藝取代后澆帶封固工藝對球鉸及滑道支架進(jìn)行封固可行。

3.3 施工技術(shù)要點

3.3.1 下轉(zhuǎn)盤第一次混凝土澆筑

澆筑第一次混凝土?xí)r應(yīng)重點控制混凝土頂面標(biāo)高，以低于下球鉸鋼支架底1～2 cm為宜?；炷翝仓瓿珊罅⒓磳Χㄎ活A(yù)埋件與結(jié)構(gòu)鋼筋位置進(jìn)行復(fù)核，如有偏差，在混凝土初凝前進(jìn)行校正。

3.3.2 下轉(zhuǎn)盤第二次混凝土澆筑

按照圖紙要求綁扎下轉(zhuǎn)盤、下球鉸及滑道支架范圍內(nèi)的鋼筋。綁扎完成后，對下球鉸表面進(jìn)行覆蓋保護，第二次澆筑下轉(zhuǎn)盤混凝土?；炷翉南罗D(zhuǎn)盤模板側(cè)向球鉸中心布料，布料時使球鉸中心側(cè)稍低，如圖8所示。

圖8 下轉(zhuǎn)盤第二次澆筑布料順序示意

振搗時打開下球鉸面上的振搗孔封蓋，對球鉸下混凝土充分振搗。下轉(zhuǎn)盤側(cè)面輔以斜向振搗，從振搗孔觀察球鉸下混凝土流動情況及振搗質(zhì)量，利用下球鉸面上排氣孔觀察氣泡排出情況?；炷辽仙僚艢饪缀驼駬v孔位置時，適當(dāng)放慢布料速度，使氣泡及混凝土表面漿體充分排出，待勻質(zhì)混凝土溢出后封堵排氣孔和振搗孔。混凝土頂面標(biāo)高以低于下球鉸面頂口1 cm為宜。混凝土初凝后，打開振搗孔封蓋和排氣孔，檢查混凝土與下球鉸背面鋼板間有無間隙，以確定是否需壓漿處理[11－12]。

4 結(jié)束語

本文通過對轉(zhuǎn)體橋梁下轉(zhuǎn)盤球鉸、滑道及支架的兩種封固方式進(jìn)行理論分析和對比，結(jié)果表明二者對施工結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響無異，但采用一次封固工藝較后澆帶封固工藝在效率和經(jīng)濟性上更具優(yōu)勢。通過在大張高鐵智家堡御河特大橋跨大秦鐵路轉(zhuǎn)體連續(xù)梁下轉(zhuǎn)盤施工中的實踐，證明了一次封固施工工藝的可靠性，可在同類工程中應(yīng)用推廣。