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。滑道為轉(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。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)。考慮下轉(zhuǎn)盤施工完成后即采用原土進行承臺回填，各材料力學性能參數(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。

實際澆筑混凝土時，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

澆筑第一次混凝土時應(yīng)重點控制混凝土頂面標高，以低于下球鉸鋼支架底1～2 cm為宜。混凝土澆筑完成后立即對定位預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)鋼筋位置進行復(fù)核，如有偏差，在混凝土初凝前進行校正。

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，對下球鉸表面進行覆蓋保護，第二次澆筑下轉(zhuǎn)盤混凝土。混凝土從下轉(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。混凝土上升至排氣孔和振搗孔位置時，適當放慢布料速度，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。