西江特大橋鋼-混結合段模型試驗研究

胡志強

(中鐵十一局集團第一工程有限公司 湖北襄陽 441104)

1 引言

目前國內的斜拉橋施工技術比較成熟，而且斜拉橋的種類多種多樣。 斜拉橋施工中鋼- 混結合段是鋼箱梁與混凝土箱梁的連接點，也是混合梁斜拉橋施工的關鍵控制點。 現以廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江水道600 m 斜拉橋為背景，對鋼-混結合段進行模型試驗，研究鋼-混結合段混凝土施工工藝以及混凝土施工質量保證措施。

2 工程背景

2.1 大橋概況

新建廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江主橋采用(2 ×57.5 ＋172.5 ＋600 ＋4 ×57.5)m 混合梁斜拉橋，主跨600 m 跨越西江，結構長1 118.7 m。主梁由混凝土梁和鋼箱梁組成，混凝土梁與鋼箱梁之間采用鋼-混結合段連接，小里程鋼-混分界點位于172.5 m 邊跨距離輔助墩10.5 m 處，大里程鋼-混分界點位于600 m 主跨距離P157＃橋塔26 m處，兩處鋼-混結合段之間采用鋼箱梁，兩側邊跨采用混凝土箱梁。 主橋總體布置見圖1。

圖1 西江特大橋跨西江主橋立面圖

2.2 混凝土澆筑工藝試驗概況

鋼-混結合段是鋼箱梁和混凝土梁之間的過渡關鍵部位。 西江特大橋鋼-混結合段的鋼格室是半邊敞口半邊封閉的箱形結構，空間狹窄，再加上在鋼格室內間隔一定距離布置有一道開孔的隔艙板，隔艙板之間橫穿有3 根φ14 mm HRB400 鋼筋與混凝土形成剪力鍵，同時結合段內布置有縱向鋼筋和一道橫隔梁鋼筋，因此對混凝土澆筑和振搗有較大影響[1-3]。

結合段內混凝土設計等級強度為C60 自密實鋼纖維混凝土，鋼纖維對混凝土流動性影響較大，尤其在鋼筋交錯布置的PBL 剪力件間、橫隔梁間影響極大。 針對結合段內混凝土施工操作困難、混凝土施工質量難以保證等問題，設定本鋼-混結合段混凝土澆筑工藝試驗[4-5]。

鋼-混結合段混凝土澆筑工藝試驗基于以下目的：

(1)通過結合段鋼格室混凝土澆筑工藝試驗驗證混凝土與鋼結構結合面的表面質量；

(2)通過結合段鋼格室混凝土澆筑工藝試驗驗證混凝土填充效果；

(3)通過結合段鋼格室混凝土澆筑工藝試驗得出在固定配合比條件下，選擇混凝土允許擴展度范圍內的最優擴展度，并分析其混凝土坍落度損失、抗離析性能等指標；

(4)通過結合段鋼格室混凝土澆筑工藝試驗總結混凝土施工過程經驗參數，合理安排鋼-混結合段相鄰節段混凝土施工組織和澆筑工藝，有效保證結合段混凝土澆筑質量。

鋼-混結合段試驗按照設計文件中給出的結構最復雜、澆筑工藝最難的單元進行模擬，綜合考慮本試驗選取結合段底板單元8 個隔艙室組成的一個試驗模型單元(見圖2)。 試驗模型按照1∶1比例加工制作，總體試驗分為兩個子試驗[6]：

圖2 鋼-混結合段試驗一、二模型及場地布置

試驗一：隔艙試驗。 根據鋼-混結合段縱隔艙板尺寸單獨加工制作隔艙板單元組拼成四個獨立小隔艙，拌和站根據試驗室推薦的配合比進行混凝土拌制，采用坍落度為220 mm 非自密實鋼纖維混凝土、擴散度為600 mm 的自密實鋼纖維混凝土、擴散度為680 mm 的自密實鋼纖維混凝土三種不同擴展度進行工藝試驗，通過分析不同擴展度的混凝土由混凝土集中拌和站運輸至現場并經泵送設備后的坍落度損失情況，同時考慮振搗工藝對混凝土填充密實程度的影響，推薦現場施工自密實鋼纖維混凝土最優擴展度和混凝土澆筑工藝。

試驗二：區塊試驗。 按照隔艙試驗推薦的最優擴展度和混凝土澆筑工藝進行區塊試驗。 首先根據設計文件要求進行試驗模型的板單元拼裝，并根據圖紙設計安裝橫向剪力鍵鋼筋、縱向主筋和橫隔梁鋼筋。 完成模板加工制作后進行混凝土澆筑。待混凝土達到設計強度后進行鋼-混結合段混凝土的填充效果檢測。

3 試驗方法

3.1 試驗流程(見圖3)

圖3 鋼-混結合段試驗流程

3.2 試驗模型

3.2.1 試驗結構模型

根據設計文件中要求對鋼-混結合段結構最復雜、澆筑工藝最難的單元進行模型試驗。 綜合考慮現場鋼筋工程、混凝土工程、預應力工程施工工藝選取底板單元8 個鋼格室組成一個試驗模型單元，見圖4。

圖4 鋼-混結合段試驗模型選取部分示意

試驗模型長7 m，寬度6.35 m，高度1.25 m，包含有底板、縱向隔艙板、橫向隔艙板、上蓋板和承壓板。

每處隔艙拆解后如圖2 所示。

3.2.2 模型制作

試驗模型按照1∶1比例加工，試驗一共計包含有3 個試驗模型，試驗二包含有1 個試驗模型。 由于試驗的目的是檢測混凝土的工作性能和填充效果，進行試驗模型設計時全部板單元材料選用厚8 mm的Q235B 板單元，為滿足試驗二混凝土澆筑完成后側板單元可拆除觀察混凝土澆筑效果，試驗模型兩側縱隔艙板單元未設置剪力釘；試驗一模型為全素混凝土結構，試驗二模型根據圖紙設計鋼筋型號和綁扎要求進行施工，見圖5。

試驗模型板單元加工由專業鋼結構廠家加工底板單元采用螺栓連接；試驗二模型則是充分考慮了鋼筋、波紋管等對混凝土澆筑工藝的影響，現場制作，根據模型下料圖紙進行板單元下料，隨后運至現場進行板單元拼裝。 試驗一的模型單元板塊較簡單，設計時考慮板單元周轉使用，側壁板單元與板單元采用全焊接結構。

結合自密實鋼纖維混凝土流動性的特點，同時考慮到鋼混結合段包含有平底板和斜底板結構，由于斜底板具有一定坡度，澆筑斜底板上層混凝土時在自重情況下引起平底板混凝土翻漿。 模型設計時，在平底板和斜底板的混凝土下料孔和引氣孔的位置采用PVC 接高，保證混凝土翻漿后后結合面密實可靠。

3.3 混凝土配合比設計與優化

圖5 模型加工制作

鋼-混結合段采用大流變、低收縮、高韌性的C60 自密實鋼纖維混凝土，補償收縮混凝土配合比設計及施工難度大。 鋼- 混結合段是特殊受力部位，一方面要求混凝土具有補償收縮的性能，另一方面又要求混凝土具有良好的使用性能，因此結合段混凝土配合比設計時需反復試配和驗證[7]。

C60 自密實鋼纖維混凝土需要滿足《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283 -2012)及《纖維混凝土應用技術規程》(JGJ/T 221 -2010)的要求，設計指標為：

(1)工作性。 按Ⅱ級自密實性能設計，要求擴展度600 ～650 mm，坍落度損失1 h 不超過20 mm，抗離析性能好。

(2)力學性能。 28 d 配制強度不低于70 MPa，彈性模量≥40 GPa。

(3)變形性能。 180 d 干燥收縮小余400 微應變，采用鋼纖維混凝土配制方案時 30 彎曲韌性指數提高150%以上。

(4)耐久性。 抗裂性優于同強度等級普通大流態混凝土；28 d 氯離子擴散系數(RCM 法)小于4.0×10-12m2/s，56 d 電通量(ASTM C1202 法)指標小于1 000 庫倫，抗凍等級達到D200。

結合鋼-混結合段混凝土的工作性、強度、抗裂性、收縮、韌性、耐久性等特征，混凝土配合比方案見表1[8]。

表1 鋼-混結合段C60 自密實鋼纖維混凝土配合比

3.4 混凝土澆筑

試驗總共有兩個試驗，試驗一包含有三組，試驗二包含有一組，共計分四次進行混凝土澆筑。 混凝土由拌和站運輸至現場后均通過天泵泵送入模，混凝土澆筑完成后對試驗模型切割，檢測其混凝土密實情況和填充效果。

3.4.1 混凝土拌制

混凝土攪拌投料順序為：先投入骨料、水泥、鋼纖維和礦物摻合料，攪拌均勻后，再加水和外加劑(粉體外加劑及與礦物摻合料同時加入)，直至攪拌均勻為止。 水泥的入機溫度不應高于55 ℃。

攪拌時間是指自全部材料裝入攪拌機開始拌和至攪拌結束開始卸料為止所經歷的時間。 攪拌時間應根據混凝土配合比和攪拌設備情況通過試驗確定，鋼-混結合段混凝攪拌時間不小于120 s。

3.4.2 混凝土運輸、布料入模

試驗分為隔艙試驗和區塊試驗，隔艙試驗分兩次澆筑，區塊試驗分一次澆筑完成。

混凝土生產采用南沙港鐵路2 號拌和站集中進行攪拌，鋼纖維摻入量根據配合比設計采用電子秤承重，嚴格控制鋼纖維摻入量。 混凝土由拌和站攪拌完成后由試驗室首先進行場內混凝土的擴散度、流動性等工作性能指標的測定，嚴格控制混凝土的出站擴展度指標，達到指標后方可出站。

混凝土運輸安排2 臺12 m3混凝土罐車運輸，從混凝土罐車裝料、稱重、出站、運輸行走等各項工況均需嚴格對時間進行記錄。 混凝土運輸至現場后，罐車高速旋轉2 min 以上后，方可進行卸料，混凝土澆筑根據鋼-混結合段實際澆筑配制施工，現場混凝土澆筑采用混凝土泵車進行，混凝土泵送入模前由試驗室首先對混凝土擴散度等工作性能指標進行試驗，并制作現場同條件養護試件。

3.4.3 混凝土澆筑

試驗一隔艙試驗試驗模型隔艙為4 個，分別為平模不振搗一個、平模振搗一個、斜模不振搗一個、斜模振搗一個。 試驗二區塊試驗1 個，采用最優擴展度為680 mm 自密實鋼纖維混凝土無振搗施工工藝澆筑[9]。

振搗采用現場常用Z50 型振搗棒，混凝土澆筑過程中，振搗棒僅作為混凝土輕微引流的工具，不可用作澆筑過程中振搗擊實的工具。

試驗二根據試驗一拆模和切割后填充效果和施工質量最好的選定現場不采用振搗棒方案進行試驗二的混凝土澆筑。

3.4.4 混凝土養護

混凝土澆筑完畢后，人工對頂面抹平收面、覆蓋土工布并灑水保濕養護，要求養護時間不小于7 d。

4 試驗結果分析

4.1 混凝土工作性能及力學性能

試驗一和試驗二站內拌和和現場澆筑對每車混凝土進行試驗，從現場施工情況、最終成型狀態和同條件養護試塊強度等多方面綜合判定混凝土的工作性能和力學性能。

混凝土試驗澆筑情況試驗數據見表2。

表2 混凝土施工澆筑情況一覽表

從表2 中可以看出，混凝土同條件養護試塊強度和回彈強度均能滿足設計強度要求。 混凝土澆筑時其流動性和粘聚性較好，擴散度變化過程中均未發現有混凝土離析現象。 試驗一和試驗二澆筑過程中混凝土均能由排氣孔位置良好溢出，且未發現石子和漿體分離現象。 混凝土工作性能較好，實現了自密實、自流平。

4.2 鋼-混結合段填充效果

隔艙試驗按照不同擴散度狀態混凝土進行澆筑，澆筑完成后分別對其側面鋼板、頂面封閉模板揭開處理，并采用繩鋸對模型塊由中間切開，觀察混凝土填充密實情況和表面密實情況。

混凝土試驗前針對于自密實鋼纖維混凝土進行了振搗試驗，分析其在振搗棒作用下自身抗離析性能。 試驗通過控制混凝土振搗時間長短和等強后混凝土密實情況作為判別條件。 按照振搗棒作用半徑分別控制振搗時間為5 s、10 s，通過切開斷面來看，混凝土骨料和漿體之間出現明顯分層想象[10]。

說明自密實鋼纖維混凝土不可采用振搗棒振搗，僅可用作混凝土引流的震動措施。 避免離析現象出現。 進行試驗一隔艙試驗中判定振搗工藝應避免長時間混凝土振搗。

通過振搗試驗，要求自密實混凝土驗證振搗工藝時振搗棒僅作為混凝土引流的工具，避免強振和過振現象。 對試驗一隔艙試驗分組和試驗情況見表3。

表3 隔艙試驗數據分析

試驗一隔艙試驗發現推薦采用擴展度為680 mm左右混凝土及不振搗澆筑工藝施工更為合適，同時擴展度在680 mm 左右狀態下進行澆筑綁扎有鋼筋、波紋管的結合段有明顯優勢。 試驗二采用680 mm左右擴展度及不振搗工藝實施。

按照試驗流程完成試驗二的混凝土配制、運輸和澆筑，混凝土養護至齡期后，揭開模型頂板和側板單元，絕大部分頂板位置較密實，無較大氣孔出現和較小氣孔堆積現象。

試驗模型頂板一處角部區域，拆模后混凝土表面出現部分蜂窩狀凹坑較為密集的現象，根據現場混凝土實際記錄情況分析，最后一車混凝土出站前檢查擴展度偏高，經過運輸和泵送后擴展度狀態基本無任何變化，致使拌和料內一級粉煤灰外溢，在頂板位置出現部分蜂窩狀現象，鋼混段混凝土澆筑期間自流平混凝土狀態至關重要，澆筑期間嚴格檢測混凝土流動性和擴展度，保證混凝土狀態穩定是至關重要的[11-12]。

自密實混凝土在密集鋼筋狀態下流動性受到一定影響，模型混凝土澆筑過程中基本未停止，上層混凝土與下層混凝土澆筑時間間隔最大為20 min，試驗二側面模板拆模后出現混凝土分層現象，進行試驗一模型未發現該現象。 混凝土通過含有密集鋼筋、波紋管的隔艙后，自身流動性能受阻力影響減弱，下層混凝土雖停滯時間不長，待上層混凝土澆筑前下層混凝土已出現假凝現象，造成表觀分層現象，見圖6。

根據以往施工經驗，假凝狀態的混凝土受上層混凝土流動擾動后，可以恢復混凝土本身流動性狀態和各項性能指標。為驗證假凝現象引起的混凝土分層狀態的密實情況，待混凝土強度達到設計強度，且齡期不小于7 d時間后對模型混凝土進行超聲波檢測，以驗證混凝土各層間是否出現水平分層或黏結不足的現象。

圖6 側面混凝土澆筑過程中假凝層

由于鋼-混結合段為非規整斷面，四個方向側面高度各不相同，進行超聲波檢測前首先進行網線布置，見圖7。

經檢測，鋼- 混結合段各斷面檢測聲波波形較好，未發現聲波異常，芯部未發生分層現象。 該鋼-混結合段模型內部無缺陷。

通過隔艙試驗和區塊試驗并經過外委送檢情況來看，采用擴展度為680 mm 左右的自密實鋼纖維混凝土不振搗工藝切實可行。

圖7 鋼-混結合段超聲波 檢測測試點布置

5 結束語

鋼-混結合段是西江特大橋跨西江混合梁斜拉橋的關鍵部位，是結構特征和材料特性突變的位置，混凝土質量更是施工過程中控制的重中之重。通過試驗一和試驗二的結果分析可得到結論如下：

(1)從整體澆筑工藝來看，采用自密實、自流平混凝土在鋼筋縱橫交錯密集、波紋管阻礙和鋼筋錯綜復雜情況下澆筑鋼- 混結合段是合適的。 且通過現場測定，由攪拌站運輸至現場，并經由泵送設備泵送到位后對大流態狀態下的混凝土坍落度損失影響不大，滿足鋼-混結合段現場施工需求。

(2)自密實鋼纖維混凝土不可采用振搗棒振搗，僅可用作混凝土引流的震動措施，避免過度振搗造成混凝土離析現象。

(3)采用擴展度為680 mm 左右的自密實鋼纖維混凝土不振搗工藝切實可行，施工質量得以保證。

總之，良好的混凝土工作性能和力學性能是保證結合段質量的前提，其自身結構的密實情況、混凝土與鋼筋和鋼板連接情況更要驗證其性能的重點。 通過隔艙試驗和區塊試驗共計四組試驗，配制良好的自密實鋼纖維混凝土可以滿足鋼-混結合段混凝土施工的要求。