新疆高寒地區預制橋梁設計及施工要點分析

雷亮

[新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊830000]

0 引言

新疆地處我國西北，晝夜溫差大，非常利于農作物的種植與生產。而在工程行業，建筑物與構筑物整體性能與氣溫變化同樣密切相關。眾所周知，混凝土作為建筑材料之一，其具備強度高、成本低的優勢，這使得其應用范圍廣泛[1]。但是，混凝土的強度受溫度影響變化較大。已有研究表明，新疆地區的混凝土常年受到干濕交替和溫差變化等環境因素的影響，加之上部荷載反復作用，導致混凝土損壞嚴重，后期養護也產生較大費用[2]。因此，新疆高寒地區作為一種特殊的工程環境，成為專家和學者研究的重點。

混凝土發生破裂，一方面受環境影響，另一方面也存在設計的因素[3]。延長混凝土在高寒地區的使用壽命，應加強防護，既要從施工和材料上加以管控，也要從設計的角度進行分析。將以新疆高寒地區為研究背景，探討預制橋梁的設計要點以及施工工序。

1 新疆高寒地區工程特點

為了更好地研究新疆高寒地區預制橋梁的設計及施工要點，將新疆高寒地區特殊的工程環境及存在的關鍵技術難題進行了整理[4]，如表1所示。

表1 新疆高寒地區工程特點及技術難題

在新疆高寒地區，除了溫度低這個明顯的特點外，還有另外一個隱藏的工程隱患——鹽沼澤。極低的氣溫，導致冰雪難以融化，為使交通正常運轉，技術人員通常會采用撒鹽的方式加快冰雪融化，這種方法雖然能快速解決交通問題，但長此以往，會使得氯離子滲透進土層，導致土層鹽漬化嚴重，見圖1。

圖1 新疆高寒地區鹽漬土

2 高寒地區預制橋梁的結構設計

2.1 溫度對橋梁的影響

在自然環境中，橋梁結構受到多種因素的綜合影響。比如，隨著溫度的晝夜變化，橋梁結構的整體性能也會隨之變化。然而，橋梁結構整體性能卻不僅受自然溫度的影響，還與橋梁自身所處的地理位置、氣候變化、光照強度、季節變換的因素有著密切聯系。橋梁會通過傳導、對流等方式與所處環境的空氣介質時刻進行熱交換。相關資料顯示，溫度變化對橋梁結構產生的荷載可分為三類：太陽熱輻射作用產生的日照溫度荷載；外界環境溫度突變導致橋梁內部結構溫度出現較大起伏的驟降溫差荷載；四季變化產生的年溫差荷載。

在高寒地區，太陽輻射對橋梁施工的影響較小，而溫度驟降和年溫差對橋梁施工的影響較大。這是因為施工周期跨度大，橋梁在不同的施工環境下所受溫度荷載不同，因此，溫度是橋梁施工時一個不容忽視的因素。二十世紀五六十年代，就已有學者開始研究溫度荷載，與其他應力不同的是，溫度應力并不服從于常規的胡克定律。

2.2 高寒地區橋梁常見的破壞類型

2.2.1 鹽溶液遷移造成混凝土腐蝕

考慮到新疆地區冬季降雪次數多，氣溫較低，為避免積雪對路面造成不利影響，多采用撒鹽的方式進行除雪處理，這使得鹽分對橋梁各個部位結構產生侵蝕、腐蝕和破壞，見圖2。

圖2 某橋梁被腐蝕的樁基

2.2.2 凍融剝蝕破壞

新疆高寒地區，受凍融作用的影響，混凝土構造物會出現剝蝕破壞，見圖3。具體表現為混凝土表面發生剝落，使得表層砂漿和骨料暴露于室外，不利于混凝土早期強度的形成。

圖3 橋梁混凝土剝落鋼筋外露

2.3 高寒地區橋梁結構的設計要點

高寒地區的橋梁結構設計屬于特殊地區結構設計，依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）（簡稱《規范》）可知，高寒地區的環境類別為凍融環境，環境作用等級為Ⅱ類。此類環境反復凍融，會使混凝土大受損傷，前文提到過橋梁常見的損壞多數是因為凍融循環。《規范》中要求，當橋梁處于高寒凍融地區時應注意以下幾點：

2.3.1 根據橋梁不同的使用年限，設計不同的混凝土強度。

2.3.2 橋墩所處的不同位置氣溫差別較大時，應分段設計，以此適應不同的氣候環境。

2.3.3 橋梁表面易積水的位置，應盡可能增加排水設計，避免雨水腐蝕橋梁。

2.3.4 橋梁連接部位應盡可能設計得可靠，并做好防腐措施。

3 高寒地區預制橋梁施工

3.1 預制橋梁施工的特點

3.1.1 在高寒地區，由于風沙大、氣候惡劣、晝夜溫差大且溫度低、所處海拔較高，因而使得施工難度進一步加大，導致施工效率低、施工人員積極性不足。

3.1.2 在高寒地區施工中，首要任務是確保預制橋梁混凝土不受凍脹影響過大，同時確保施工人員不被凍傷。

3.1.3 在高寒地區施工中，核心任務是采用較好的加熱取暖和保溫措施。在養護過程中，前期應多采用蒸汽養護的方式，后期則采用施工棚與燃煤爐相結合的措施。

3.1.4 溫度測控在預制橋梁施工中具有至關重要的作用，應采用多種措施相結合的方式實時監測溫度，從而為橋梁施工提供必要的信息參考依據，有利于橋梁施工的后續進行，減少問題的發生。

3.1.5 預制橋梁所使用的混凝土與漿體中，需注入一定劑量的防凍劑，使用劑量隨溫度隨時調整。

3.2 高寒地區預制橋梁混凝土的制備及養護

3.2.1 材料的選擇

在材料選擇上，水泥應使用低堿含量普通硅酸鹽水泥，細骨料采用中砂，粗骨料采用粒徑為5～25mm碎石，同時使用I級粉煤灰。表2 為新疆某地橋梁混凝土材料組成建議值：

表2 新疆某地橋梁混凝土材料組成建議值

3.2.2 混凝土制備要點

（1）在冬季混凝土施工上料這一環節，各項操作應按照規程進行，原材料溫度需要控制在一定范圍內，具體實施中應做到每小時對骨料溫度進行一次測定，且溫度不得高于40℃。

（2）在實驗室對混凝土配制過程中，應注意將水灰比控制在較小值內，禁止攪拌混凝土，確保測定出的坍落度在設計的坍落度范圍內。

（3）在混凝土攪拌過程中，應按照溫度控制原則，優先確定加熱的水溫數值。若采用添加熱水這一方式無法滿足混凝土入模要求，則應預先對骨料進行加熱。

（4）在對混凝土攪拌前及停止攪拌后，要對攪拌設備采用熱水沖洗。為確保原材料可以攪拌均勻，應在一般攪拌時間的基礎上延長50%，將攪拌時間控制在2～3min；對前5 次攪拌后的混凝土，確定每一次的坍落度，之后每5 次確定一次坍落度即可，同時要保證坍落度在80～120mm 之內。

（5）水溫不同，投料順序也不同。當水溫小于60℃時，投料順序為：一次性將外加劑、I 級粉煤灰和粗細骨料混合投入，干拌0.5min 后，再投入水泥和水后攪拌3min；當水溫高于60℃時，投料順序為：首先投入粗細骨料，并加水攪拌0.5min 后，再加入水泥和外加劑、I 級粉煤灰，混合拌制3min 后觀察混凝土狀態。若在加熱條件下，混凝土出現坍落度較小或速凝的現象，應考慮降低拌和過程中的溫度。

3.2.3 混凝土養護

（1）蒸汽養護

混凝土養護多采用蒸汽養護的方式，養護方法與常規方法一致。橋梁主體澆筑完畢后，橋面板和擋渣墻澆筑則應采取蒸汽養護措施。蒸汽養護措施結束后必須及時覆蓋全部混凝土，并在養護過程中做好溫度監控。

（2）自然養護

自然養護即混凝土脫模后，不采取其他養護措施，在混凝土表面涂抹養護劑即可，以防止混凝土因為溫度變化而開裂。

3.3 施工風險分析

高寒地區施工不同于一般施工環境，外界環境復雜，施工困難，對工程人員的專業素養要求極高。除此之外，預制橋梁在安裝過程中也存在很多風險，例如橋梁頂推、焊接及吊裝的危險。下面將逐一探討存在的風險問題：

3.3.1 為了加強技術人員的安全意識和專業知識，應定期開展專業培訓和安全知識教育，以實際工程為例，組織學習最新的安全規章制度，強調高寒地區工程的特殊性。

3.3.2 橋梁頂推施工一旦偏移過大，就會造成失穩。因此在施工中要特別注意，橫向偏移量盡量不超過10mm。應在橋梁上安裝導向位移塊，配合橋墩上的千斤頂，以此來糾偏和導向。

3.3.3 焊接強度對橋梁結構的影響。焊工屬于特殊工種，不同工人所焊接的質量不同。因此在焊接部位，既要保證焊接材料的統一，也要保證焊接質量的統一，嚴格控制焊接結果。

3.3.4 在吊裝板梁時，要注意控制起吊位置和預制構件的重量，保證預制構件在起重機的吊裝范圍內，加強起吊機周圍人員的安全防護，安排專人監督。

4 結論

本文以新疆高寒地區的特殊環境為背景，分析了這一地區預制橋梁施工特點以及所面臨的技術問題。總結了高寒地區預溫度對預制橋梁結構的影響，受日照的影響因素較小，主要緣于氣溫低和年溫差大。同時，還研究了氣溫對預制橋梁結構帶來的損害。溫度荷載直接影響橋梁結構受力，而低氣溫則會導致冰雪不化，采取撒鹽的措施融化冰雪會使得氯離子增多，導致土地鹽堿化，對橋梁基礎和預制混凝土都將造成破壞性的影響。

此外還從施工角度分析了高寒地區預制橋梁混凝土的制備要點和養護措施，以及高寒地區預制橋梁存在的風險問題。

我國高寒地區的工程建設也越來越成熟，技術也日漸改善。同時，隨著標準化施工的逐步推進，多個地區已經開始實施。預制構件作為標準化施工中的一環，正在逐步代替現場澆筑，提高施工效率。