基于移動模架的鐵路40 m簡支箱梁冬期施工技術研究

秦文學

(中鐵建大橋工程局集團 西北工程有限公司，寧夏 銀川 750403)

在高速鐵路建設實踐中，跨度適中的簡支梁由于對地基沉降要求相對較低、受力簡單、維護方便等優點被廣泛采用[1]。箱梁具有抗扭性能好、縱橫向剛度大、整體穩定性好等優點，現在已經普遍采用。隨著預應力混凝土的應用、橋梁類型與跨徑的增加以及構件生產的預制化，橋梁上部結構施工方法有了較大的進步和發展，形成了多種多樣的施工方法。但是從總體上來講，預應力混凝土簡支箱梁的施工方法主要分為支架現澆、節段預制拼裝和預制整孔架設3類。近些年來，移動模架施工方法由于其自身的優勢，也越來越多的在施工中被采用[2-6]。

新建蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋北引橋位于豫、晉兩省交界處的陜縣和平陸縣境內，在全國氣候區劃上是北溫帶亞濕潤區氣候中的渭河氣候區，屬暖溫帶大陸性氣候。氣候總的特征是：四季分明，春秋短而冬夏長,根據平陸縣氣象站歷年統計資料，年平均氣溫為13.8 ℃。1月份最冷，平均氣溫為-0.5 ℃，極端最低氣溫為-13.2 ℃，依據文獻[7]，該地區應采取冬期施工措施。經方案比選，采用移動模架法施工，冬季對混凝土箱梁的保溫、保濕成為施工成敗的關鍵因素。本文以三門峽黃河公鐵兩用大橋北引橋40 m 預應力混凝土簡支箱梁施工為背景，著重介紹了移動模架冬期施工期間對混凝土梁的保溫、保濕技術，可以為類似的工程實踐提供參考。

1 移動模架的基本構造

移動模架又稱滑動模板支架系統、MSS造橋機，是一種自帶模板，可在橋跨間自行移位，逐跨完成混凝土箱梁施工的大型制梁設備[8]。蒙華鐵路40 m混凝土簡支箱梁施工采用DSZ40-1100上行式移動模架，主要由主框架、前輔助支腿、主支腿、后輔助支腿、吊掛系統、外模系統、內模系統、端模系統、吊桿、起升系統、吊掛走道、液壓系統、電氣系統、輔助設施等部分組成。移動模架如圖1所示。

2 施工方案及具體實施方法

2.1 施工方案

冬期施工的總體要求是首先保證拌和站混凝土的溫度，隨后確保混凝土澆筑過程以及早期強度發展期間的溫度[9]。移動模架冬期施工保溫采用智能溫控混凝土保溫模板施工工藝，該工藝主要是將混凝土施工模板和澆筑后的混凝土暴露表面進行保溫封閉處理，并在保溫材料和混凝土之間通過保溫板進行電加熱和溫度智能化控制。保溫板由3層材料組成，從內到外依次為發熱層、保溫層、防風防火層。通過設在模板背面以及混凝土表面及內部的溫度、濕度傳感器對溫度和濕度信息進行無線采集，實現對現場施工情況下溫度以及濕度的智能化控制。同時在模板背面以及混凝土表面及內部設置人工測溫元件作為對比及備用，確保施工保溫可控。冬期施工每套移動模架須使用保溫板845.76 m2，總質量8.45 t，占梁體總重的0.8%，經結構檢算，可以忽略增加的保溫板重量對移動模架結構安全的影響，見圖2。

圖2 移動模架冬期施工實景

2.2 拌和站保溫

鋼棚中集中拌和，料倉進、出口采用篷布封閉保溫，車輛通過大門時將篷布打開，通過后立即關閉，保證料倉內溫度。料倉每個隔倉內采用火爐及加熱棒加熱保溫，保證料倉內溫度不低于3 ℃，并及時進行溫度記錄。存放砂子的料倉兩側及端頭安裝棉篷布，內部采用火爐加熱保溫。

1)原材料加熱保溫：采用常壓熱水鍋爐對水進行加熱，并設置水池，滿足連續攪拌混凝土用水量。水溫控制在60～70 ℃，當熱水不能滿足要求時，采用電熱棒對骨料均勻加熱，加熱溫度不應高于60 ℃，砂石骨料溫度正常不低于3 ℃。

2)外加劑加熱保溫：外加劑存放在攪拌機下方的保溫棚內，棚內設置電暖器，對保溫棚進行加熱保溫,確保外加劑的溫度不低于10 ℃。

3)混凝土攪拌保溫：混凝土攪拌前優先按水溫控制規定加熱水溫。當熱水仍不能滿足混凝土出料溫度要求時對骨料進行加熱。砂、石料采用電加熱棒插到要加熱的砂、石料堆之中，通過熱工計算確定需要加熱的溫度，但不能大于60 ℃。

當水溫低于60 ℃時，先一次投料外加劑和粗細骨料，干拌0.5 min后再加入熱水，攪拌一定時間后，投入水泥，拌和均勻;當水溫高于60 ℃時,先投入粗細骨料，然后加水，拌制0.5 min后再加入水泥和外加劑拌制3 min。注意觀察拌制的混凝土狀態。混凝土攪拌時間適當增加至常溫下的1.5倍，蓄水池蓄水量應能夠滿足加熱一次就能供一次混凝土澆筑施工，并在拌和時持續對水進行加熱。

為防止攪拌機受凍，攪拌混凝土前及停止攪拌后，應用熱水沖洗攪拌機鼓筒。

4)混凝土運輸過程保溫：采用混凝土運輸車運輸，攪拌車罐體外須包裹一層保溫棉被。

采用混凝土泵輸送混凝土施工時，待混凝土泵安裝就位后，用帆布搭設保溫棚，內設置電暖器取暖。

澆筑混凝土前采用黑色保溫棉將泵管纏繞嚴密，并綁扎牢固，進行泵管保溫。

2.3 熱工計算

1)混凝土拌和物溫度計算

箱梁混凝土強度等級為C50，C50混凝土配合比為水泥(P.O 52.5)∶礦渣粉∶粉煤灰∶砂子∶石子∶水=379∶47∶47∶738∶1 063∶138，其中水泥質量為379 kg，摻合料為礦渣粉和粉煤灰共94 kg，砂為738 kg，石子為 1 063 kg，水為138 kg。

混凝土拌和物溫度計算公式為

(1)

式中：T0為混凝土拌和物的溫度，℃；Tce，Ts，Tsa，Tg，Tw分別為水泥、摻合料、砂、石、水的溫度，℃；mce，ms，msa，mg，mw分別為水泥、摻合料、砂、石、水的用量，kg；ωsa，ωg分別為砂、石的含水率；cw為水的比熱容，kJ/(kg·K);ci為冰的溶解熱，kJ/kg；當骨料溫度>0 ℃時，cw=4.2 kg/(kg·K),ci=0；當骨料溫度≤0 ℃時，cw=2.1 kg/(kg·K)，ci=335 kJ/kg。

拌和水、水泥、摻合料、砂和石子的溫度分別設定為Tw=60 ℃，Tce=0 ℃，Ts=0 ℃，Tsa=3 ℃，Tg=3 ℃，代入式(1)，經計算混凝土拌和物溫度為12.23 ℃。

2)混凝土拌和物的出機溫度計算

混凝土出機溫度計算公式為

T1=T0-0.16(T0-Tp)

(2)

式中：T1為混凝土拌和物的出機溫度,℃；Tp為攪拌機棚內溫度，取10 ℃。

經計算拌和后混凝土出機溫度為11.87 ℃。

3)混凝土拌和物運輸至澆筑過程的溫度計算

混凝土拌和物先運輸后泵送時溫度計算公式為

T2=T1-ΔTy-ΔTb

(3)

式中：T2為混凝土拌和物輸出時的溫度,℃;ΔTy,ΔTb分別為采用裝卸式運輸工具運輸混凝土時降低的溫度和采用泵管輸送混凝土時降低的溫度，℃，可按下列公式計算。

式中：ΔT1為泵管內混凝土溫度與環境溫度差,℃，當現場拌制混凝土，采用泵送工藝輸送時，ΔT1=19.87 ℃；Ta為室外環境溫度，取-8 ℃；t1為混凝土拌和物運輸時間，平均取0.25 h；t2為混凝土在泵管內輸送時間，平均取0.02 h；n為混凝土拌和物轉運次數，取1次；cc為混凝土的比熱容,取0.936 kJ/(kg·K)；ρc為混凝土的質量密度，取 2 418 kg/m3；λb為泵管外保溫材料導熱系數，取最小值 0.039 W/(m·K)；db為泵管外保溫層厚度，按保溫棉厚度取0.03 m；D1為混凝土泵管內徑，取0.125 m；Dw為混凝土泵管外圍直徑(包括外圍保溫材料)，取0.21 m；ω為透風系數，取1.6；α為溫度損失系數，采用混凝土攪拌車，α取0.25。

經計算混凝土罐車運輸到工地時溫度降低ΔTy=0.07 ℃；混凝土拌和物采用先運輸后泵送至澆筑地點時的溫度T2=11.87-1.88-0.07=9.92 ℃。

4)混凝土澆筑完成時的溫度計算

考慮模板和鋼筋的吸熱影響，混凝土澆筑完成時的溫度計算公式為

(6)

式中：T3為混凝土澆筑完成時的溫度,℃；cf為模板的比熱容,取0.48 kJ/(kg·K)；cg為鋼筋的比熱容,取0.48 kJ/(kg·K)；mc為每立方米混凝土的質量，取 2 418 kg；mf為每立方米混凝土相接觸的模板質量，模板質量依次為外模 75 344 kg、內模 26 913 kg、端模 2 860 kg，合計 105 117 kg，箱梁混凝土方量 414.6 m3；mg為每立方米混凝土相接觸的鋼筋質量,箱梁鋼筋質量 86 939 kg，箱梁混凝土方量414.6 m3；Tf為模板的溫度，未預熱時可采用當時的環境溫度，取2 ℃；Tg為鋼筋的溫度，未預熱時可采用當時的環境溫度，取2 ℃。

經計算T3=9.22 ℃，滿足要求。

2.4 移動模架的保溫

1)底模及側模保溫：將模板表面的油污和黏連的混凝土清理干凈。先在模板加勁板上焊接螺栓，隨后將加工好的發熱板安裝在模板上，用角鋼將發熱板壓緊，并將螺栓擰緊。連接發熱板間的線路，最后用泡沫填充劑將發熱板縫隙填充嚴密。單塊發熱板的加熱范圍為6～10 m2，加熱溫度20～30 ℃。保溫板通過絕緣防火強力膠粘貼在發熱板上，然后在保溫板外側涂刷一層防風、防火砂漿。

2)端模保溫：澆筑混凝土前縱向預應力筋已安裝完成并伸出梁端80 cm，端頭安設棉帆布并與腹板、翼緣板及頂板進行搭接并固定牢固，保證搭接嚴密、不漏風。在黏條處鉆孔，用攔風繩將帆布固定，箱室內部用2個熱風炮對吹加熱。

3)頂板保溫：頂板混凝土澆筑完成且達到初凝狀態后在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，再將厚棉被覆蓋于塑料薄膜上，然后采用電熱帶對頂面進行全覆蓋，最后在頂面覆蓋防水絕緣帆布并壓實，在聲屏障預埋基礎、擋砟墻、豎墻等翼緣板薄弱處多加2～3層棉被，加強薄弱結構處的保溫措施。

2.5 測溫元件的布設及監測系統

混凝土澆筑前分別在沿箱梁跨度0，L/4，2L/4，L3/4，L(L為跨度)計5個斷面布設測溫元件，每個斷面頂板、腹板、底板的測溫元件埋設在中面位置，橫截面布置圖如圖3所示。

圖3 測溫元件布設示意

混凝土澆筑前以及澆筑過程中對移動模架進行加熱保溫，以確保模板及鋼筋溫度達到規范[7]對冬期施工的要求(按實際溫度不低于5 ℃控制)，混凝土澆筑完成后立即對頂板進行保溫。

圖4 混凝土梁體智能溫度控制系統示意

箱梁智能溫度控制系統由PC端控制系統、采集單元、無線通訊測控模塊、現場PLC控制箱等組成，見圖4。軟件實時監控，可對預埋溫度傳感器的部位進行無線檢測。通過溫度控制系統對混凝土進行加溫、降溫、保溫、控溫的處理，保證混凝土溫度。當溫度高于設定溫度時，裝置能自動切斷電源停止加熱，當溫度低于設定溫度時，智能裝置會恢復供電實現加熱。

2.6 測溫系統具體實施方法

養護期間每晝夜4次監測環境溫度、箱室內溫度、混凝土芯部溫度、混凝土表面溫度、外側模溫度，并詳細記錄。

混凝土澆筑前先測試移動模架保溫系統，箱室內采用熱風炮進行預熱，連續觀測10 h。各項指標符合要求后，開始混凝土施工。混凝土澆筑過程中繼續進行加熱，保證模板及鋼筋溫度。

澆筑混凝土選擇在天氣較暖的白天進行，一般07：30左右開始澆筑，17:30左右結束。混凝土澆筑時出機溫度不得低于10 ℃，入模溫度不能低于5 ℃。混凝土澆筑過程中及時進行試件的制作。

2.7 保濕措施

通過顯示屏顯示濕度，當濕度低于設定值，及時在箱梁內部采用已加熱的水進行腹板模板灑水養護，增大大氣濕度的同時，也可以帶走混凝土大量水化熱。對于加熱的水溫應與底板混凝土面溫度之差不大于15 ℃，確保養護質量。

3 結語

三門峽黃河公鐵兩用大橋是蒙華鐵路控制性工程和重難點工程，直接關系到整個蒙華線能否按期通車運營。通過智能溫控系統對冬季移動模架澆筑過程中的梁體進行保溫、保濕。實測結果表明，采用本文提出的保溫方案，40 m預應力簡支箱梁冬期施工期間的最低溫度為7.6 ℃，具備規范要求的冬期施工條件。同時，該方案也能保證混凝土澆筑后梁體的質量，為后續施工創造了有利條件，確保工程順利實施，可以為今后類似工程提供參考。