花山大橋鋼混結合段施工質量研究

李 昂 薛鵬龍 劉厚軍 李 雁 雷宏軍 朱 闊 王 俊 萬 里

1. 南京市城市建設（控股）有限公司 江蘇 南京 210037；

2. 南京工業大學土木工程學院 江蘇 南京 211816；3. 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 湖北 武漢 430050

橋梁的鋼混結合段一直以來都是困擾橋梁施工的重要問題，國內外許多人員對于不同橋梁的鋼混結合段進行了研究，但目前施工過程中可能存在的缺陷問題還未能得到很好的解決。

施一春[1]研究了安徽省亳州市渦陽縣的渦河三橋，該橋的主塔形狀為水滴形，是鋼混組合塔獨塔斜拉橋，與本文花山大橋的結構形式類似，重點研究了鋼混段的受力特性。雍海鴿[2]以山水1號斜拉橋為工程背景，分析不同工況下鋼橋塔的受力情況，并對墩塔結合部的鋼混段進行局部應力分析和參數研究。程旭東[3]以肇慶市閱江大橋為工程背景，研究了斜拉橋鋼混橋塔的溫度場及溫度效應，同時，建議進行水化熱溫度的預估計算，以便更好地指導施工。陳克軍等[4]以馬尾大橋跨江段橋梁工程主橋主跨跨中采用鋼箱梁為背景，從橋面吊機、設計與改造施工、鋼梁的吊裝與調位、鋼混段的澆筑施工等方面進行全面研究。蘇從輝等[5]以池州長江公路大橋為背景，對主跨828 m的雙塔雙索面非對稱混合梁斜拉橋主梁的施工吊裝和鋼混結合段施工進行了研究。宋書玉[6]以石首長江公路大橋工程中的主橋鋼混結合段施工項目為例，進行鋼混段澆筑質量的研究，旨在提升混合梁斜拉橋工程的施工質量。吳晨等[7]在鋼套管灌漿結合件中研究了灌漿不足會產生的影響以及鋯鈦酸鉛（PZT）套管灌漿密實度檢測方法。閆石等[8]提出了一種基于智能骨料的鋼管混凝土柱密實度檢測方法。

本文以花山大橋為例，對鋼混結合段混凝土密實度的施工監測技術進行研究。

1 工程概況

花山大橋項目位于南京市高淳市環湖線，如圖1所示。花山大橋主塔采用斜靠式“心”形拱塔造型，拱塔高度達83.2 m，由42段鋼結構拼接而成，在空中形成一個弧形，大橋全長2.22 km，其中主橋部分250 m，在上拱塔和下拱圈分別有4個鋼混結合段，如圖1（b）所示。混凝土結構段在水面以下，鋼結構部分在水面以上。該部分是整個橋塔的核心，上部主塔的所有力將通過這部分傳遞到下部的橋墩及基礎。

圖1 花山大橋總覽和鋼混結合段部位

2 施工難點

以典型的GH1鋼混段為例，如圖2所示。上拱塔鋼混結合段頂端稍微高出主梁頂面，底端基本與主梁底面平齊，且鋼結構部分底端在水平面上，以達到較好的景觀效果。上拱塔鋼混結合面位置處設置承壓板，承壓板厚60 mm。承壓板以上壁板厚32 mm，采用厚24 mm的板肋加勁，加勁肋與承壓板頂緊焊接，以擴散鋼塔壁傳至混凝土面的壓應力。承壓板以下壁板厚32 mm，不設加勁肋，套在混凝土塔柱端的外側，在其內側焊接抗剪栓釘，使鋼結構和混凝土結構結合成為整體，剪力釘直徑22 mm，高200 mm。承壓面上的構造則較為復雜，斷面四周布置預應力鋼絞線，以抵抗主塔的縱、橫向彎矩。簡而言之，即在下部設置一個鋼箱，在其中灌滿混凝土，并結合上部橋塔結構。

由圖2構造可知，鋼混結合段中既有各種類型的隔板，也有大量的剪力釘，以實現下部混凝土結構與鋼結構之間的力學過渡，鋼結構與混凝土之間的密實性將是整個力學過渡能否實現的關鍵因素。原施工方案中，擬采用自密實混凝土、設置排氣孔等方法解決這一施工問題，但因現場情況復雜，可能造成質量隱患，需結合現場實際情況進行調整。

圖2 花山大橋GH1鋼混段實物

3 關鍵施工技術

3.1 鋼混段原施工方案

在施工設計階段，混凝土澆筑方案是在鋼混段的鋼箱部分預留了灌注孔和排氣孔，如圖3所示。

圖3 鋼混段GH1灌注孔和排氣孔

根據原施工方案，混凝土澆筑主要分為2個階段：首先利用灌注孔向鋼混結合段內灌注自密實混凝土；待自密實混凝土澆筑到灌注孔下沿后，封閉灌注孔，再利用鋼混段的注漿孔和排氣孔進行注漿，以期將無法直接灌注的部分用高強砂漿填充。

實際在安裝后發現，部分灌注孔可不需要使用，而注漿也難以依照原方案進行，因而本文提出新的澆筑方案。

3.2 GH1和GH2施工方法

由于GH1和GH2的結構形式和澆筑方式基本相同，所以本文還是以GH1為對象，闡述具體的施工方案和步驟。GH1鋼混段長3.5 m、寬3.2 m，總高7.87 m。如圖4所示，為便于排氣和注漿，新方案在鋼混結合段頂部重新安裝了注漿孔，且GH1實際在完成現場焊接后，在空間上是傾斜的，因而最終注漿時，將位于低處的排氣孔作為注漿孔，高處的排氣孔作為最后注漿的排氣孔和液面觀察孔。

圖4 鋼混段GH1施工工藝孔位置

鋼混段的混凝土澆筑仍然分為2個階段：第1階段仍然是自密實混凝土的灌注。如圖3所示，底部灌注孔封閉，只保留最上面的灌注孔，將自密實混凝土澆筑至開孔下沿位置，如圖4所示，振搗完畢后再封閉灌注孔，待確認已澆筑部分的密實度后，進入混凝土養護階段。

待自密實混凝土初步成形后，開始第2階段注漿。采用在鋼箱表面預留的排氣孔進行注漿。值得注意的是，根據現場情況，應選擇較低位置的孔洞作為注漿孔，而較高位置孔洞則應作為排氣孔。如圖4所示，自密實混凝土澆筑時，排氣孔1和排氣孔2均為排氣孔；而注漿時，排氣孔1則作為注漿孔使用，排氣孔2則仍然作為排氣孔使用。持續注漿，待排氣孔2有均勻、無氣泡的漿液排出時，說明鋼混段的孔洞已被砂漿填充完成。

3.3 GH3和GH4施工方法

鋼混段GH3和GH4類似，如圖5所示。鋼混段長3.5 m、寬3.2 m，GH3的總高為5.15 m，GH4的總高為5.45 m。因為GH3和GH4的結構位置和澆筑方式相同，所以依托GH3闡述具體的施工方案和步驟。

圖5 鋼混段背部澆筑孔的位置

灌注孔、注漿孔和排氣孔均開在鋼混段的外壁（背部），如圖5所示。第1階段澆筑時，從底部灌注孔澆筑自密實混凝土至開孔下側，振搗完成后，封閉澆筑孔。自密實混凝土初步成形后，進行第2階段的注漿施工。如前文所述，排氣孔1作為注漿孔使用，而排氣孔2位于較高的位置，仍然作為排氣孔使用。從注漿孔進行注漿，等排氣孔有均勻的漿體排出時，則證明鋼混段全部澆筑完成。

在注漿過程中，排氣孔除了用于排出鋼箱內部的空氣，還是重要的混凝土液面觀察孔。在澆筑過程中，應該保持以下4項原則：應在不同高度位置設置混凝土排氣孔，根據低處排氣孔中漿液噴出情況，判斷混凝土的液面高度，并實時調整混凝土的澆筑速度；排氣孔應設置于鋼混段的高處和各處“死角”，確保空氣能盡量排出；排氣孔應焊有短鋼管，并在其上接有閥門和透明軟管，以便觀察液面，并根據需要隨時關閉；注漿時，應依據低處注漿、高處排氣的原則施工，如發現不密實，應及時補漿，并適當過量補漿，以保證注漿過程中的空氣能夠充分排出。

4 現場施工和超聲檢測

4.1 現場施工

如前文所述，現場施工時，第1階段采用自密實混凝土灌注。澆筑完成后，遵循低處注漿、高處排氣的原則，對鋼混結合段頂部進行注漿，直至排氣孔有均勻、無氣泡的漿體排出時，則代表著注漿完成，如圖6所示。

圖6 花山大橋鋼混段現場注漿過程

4.2 超聲檢測

混凝土澆筑完成后，現場檢測采用超聲斷層掃描方法對鋼混結合段內的混凝土密實情況進行了現場檢測。

超聲斷層掃描是近年來迅速發展的超聲成像技術的一種，不同于常規的超聲檢測技術，該技術是利用超聲波的反射原理進行測試的。為了增強超聲波的探測效果，采用了陣列式超聲探頭，通過多次反射，多次接收，從而提高了反射超聲波的成像效果。本文采用的是俄羅斯ACS公司A1040MIRA超聲波斷層掃描成像儀，該設備有48個超聲探頭，是目前探頭數量最多、探測精度較高的三維超聲斷層掃描設備。現場檢測過程中，由于其中存在著預應力孔洞，在檢測時應與澆筑過程中混凝土密實問題相區別。如圖7所示，為預應力孔洞所在位置的超聲波圖像，與設計圖紙上的位置完全一致。

圖7 預應力孔所在位置檢測結果

GH1鋼混段為第1個澆筑的鋼混段，以GH1鋼混段為例，重點對其注漿質量進行了檢測。在注漿完成后立即進行檢測，發現問題部位的超聲波圖像如圖8所示，疑似存在注漿不密實問題。

圖8 問題部位檢測結果

初步判斷是由于初期注漿速度過快，導致鋼混段內部有空氣未及時排出，存在不密實問題。由于砂漿尚未凝固，此時可以通過調低灌漿速度，讓注漿口持續有漿液冒出，將鋼箱內的空氣慢慢帶出。15 min后，再次測試，結果如圖9所示，混凝土密實度改善明顯。

圖9 工藝調整后檢測結果

5 結語

1）提出了自密實混凝土由底部向上灌注，并在不可澆筑位置，低處注漿、高處排氣的施工方法。施工過程中，按高度設置了排氣孔，一方面方便氣體及時排出，另一方面也便于觀測液面，從而有效保證了橋梁鋼混結合段混凝土澆筑質量。

2）采用超聲法，對混凝土澆筑的密實度進行實時監測確認，將數據處理和信息反饋技術應用于施工，利用超聲探傷監測指導施工，及時改變注漿策略，對混凝土中的缺陷進行補救，確保施工安全、快速。

3）從花山大橋項目完成結果來看，本文所述的施工技術可以有效保證橋梁鋼混段的施工質量，滿足設計要求，所用的一整套關鍵施工方法合理，節省了后期返修費用，通過施工技術優化創新降低了成本，有很好的推廣和實用價值。