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        連續(xù)梁橋硫磺砂漿復(fù)合支座的應(yīng)用研究

        2012-11-27 07:17:58田小路
        鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 2012年12期
        關(guān)鍵詞:施工

        田小路

        (中鐵十六局集團第四工程有限公司,北京 100000)

        預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工時,由于墩梁鉸接而不能承受懸臂狀態(tài)下的不平衡彎矩,須采取措施臨時將墩梁固結(jié)。傳統(tǒng)做法是在橋墩頂面永久支座兩側(cè)對稱設(shè)置臨時支座,待懸臂施工合龍后拆除臨時支座,恢復(fù)原結(jié)構(gòu)狀態(tài)[1]。

        臨時支座的制作與拆除是連續(xù)梁橋施工的一個重要環(huán)節(jié)。體系轉(zhuǎn)換時,若要人工鑿除臨時支座,費工費時,勞動強度大[2]。若采用硫磺砂漿電熱法拆除,可快速、平穩(wěn)地實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。高強度硫磺砂漿具有強度高、易制作、安裝拆除方便等優(yōu)異的性能,在土木工程領(lǐng)域,有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

        1 工程概況

        成都至重慶鐵路客運專線工程CYSG-2標(biāo)資陽沱江多線特大橋主跨跨越沱江,主橋采用(90+180+90)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋。梁體為單箱兩室、直腹板變高度連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。懸臂段采用菱形掛籃懸臂灌注法施工。在1號、2號墩頂支承墊石兩側(cè)分別對稱設(shè)置各6個臨時支座,其長、寬均為280 cm×150 cm。臨時支座用C55混凝土灌筑,順橋向分別設(shè)置164根長350 cm的φ32 mm螺紋鋼筋,上、下端分別錨固于梁體與墩身內(nèi),以增加抗震、防滑能力,并承受一定的拉力。為便于合龍時拆除臨時支座,設(shè)計要求在支座中間設(shè)置1層10 cm厚的M50硫磺砂漿間隔層,并埋置電熱管。硫磺砂漿層布置如圖1所示。

        圖1 硫磺砂漿層布置

        2 硫磺砂漿復(fù)合支座工作原理[2]

        按一定配合比制作的硫磺砂漿在常溫下有較好的強度、承載力,遇熱后又能軟化并熔化。在臨時支座中設(shè)置硫磺砂漿層同時解決了臨時支座的強度與拆除問題。具體做法為:在制作臨時支座時,電阻絲(電熱管)預(yù)埋入臨時支座的硫磺砂漿層中。需要拆除臨時支座時,給預(yù)埋在硫磺砂漿層內(nèi)的電阻絲(電熱管)通以恒定電流,硫磺砂漿被軟化,上部連續(xù)梁在自重的作用下,緩緩下降,隨之下落到永久支座上。

        3 硫磺砂漿配合比

        3.1 硫磺砂漿組分

        硫磺砂漿由硫磺、水泥、砂子及石蠟構(gòu)成。砂為骨料,硫磺起粘結(jié)作用,水泥為填充料。三者恰當(dāng)配比制作后構(gòu)成硫磺砂漿。石蠟在熔化硫磺時可以使硫磺受熱均勻、不粘鍋、不冒煙、好傾倒。石蠟與硫磺互不融合,熔化后石蠟在下,硫磺液體在上[2]。

        3.2 配合比

        硫磺砂漿配合比的大致范圍,硫磺 ∶水泥 ∶砂子∶石蠟為1∶(0.3~0.6)∶(1~1.5)∶(0.01~0.03)[4]。但究竟哪一種配合比能夠達(dá)到M50的抗壓強度,還需要根據(jù)進(jìn)場原材料技術(shù)條件進(jìn)行試驗。本工程水泥采用四川峨勝牌P.O 42.5級水泥;硫磺采用山峰牌硫磺粉;細(xì)骨料采用資陽臨江鎮(zhèn)產(chǎn)細(xì)砂;石蠟采用資陽本地產(chǎn)石蠟。

        按照3種硫磺砂漿不同的配合比,分別制成3組相同尺寸的試件。測其抗壓強度(表1)。

        表1 硫磺砂漿的抗壓強度

        表1表明:(1)3號配合比的抗壓強度滿足設(shè)計要求,選定了3號配合比作為硫磺砂漿的基準(zhǔn)配合比;(2)提高硫磺砂漿抗壓強度的途徑在于增大骨料砂的比重。

        4 硫磺砂漿熱熔性能試驗

        4.1 導(dǎo)體比選

        硫磺砂漿臨時支座的拆除方法有氧氣燒熔、電熱軟化以及人工鑿除等??紤]到施工過程中梁體下降的均勻性要求,現(xiàn)場采用電熱軟化的方案。試驗早期曾采用電阻絲進(jìn)行了硫磺砂漿熱熔性能試驗,在380 V電壓下通電2 h后其熔化半徑僅為5 mm,熔化半徑外則不受影響,同時由于電阻絲繞阻太復(fù)雜,容易出現(xiàn)短路和產(chǎn)熱不均勻。結(jié)合本工程硫磺砂漿面積大而厚的特點,總結(jié)相關(guān)試驗經(jīng)驗,改進(jìn)了制作方法,采用電熱管作為導(dǎo)體。

        4.2 電熱管構(gòu)造

        本工程用電熱管是以鐵管為外殼,沿管內(nèi)中心軸向均布螺旋電熱鐵鉻合金絲,其空隙填充壓實具有良好絕緣導(dǎo)熱性能的結(jié)晶氧化鎂砂,管口兩端用陶瓷密封。電熱管鐵鉻合金絲產(chǎn)生的熱量完全依靠填充料—氧化鎂砂來進(jìn)行電熱能量交換(鐵管殼由于材料的熱阻與氧化鎂砂熱阻相比較可以忽略不計)[5]。

        4.3 硫磺砂漿導(dǎo)熱系數(shù)計算

        硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ可按質(zhì)量百分比加權(quán)得到[6]。硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ的計算

        式中 λ硫磺——硫磺的導(dǎo)熱系數(shù),0.27 W/(m·℃)[7];

        λ水泥——水泥的導(dǎo)熱系數(shù),0.35 W/(m·℃);

        λ砂——砂 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù),0.326 W/(m·℃);

        λ石蠟——石蠟的導(dǎo)熱系數(shù),0.12 W/(m·℃);

        W硫磺、W水泥、W砂、W石蠟——硫磺、水泥、砂、石蠟的質(zhì)量百分比。

        根據(jù)(1)式可得M50硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.312 W/(m·℃)。

        4.4 電熱管傳熱模型

        對電熱管的傳熱過程做以下基本假設(shè):

        (1)空氣溫度恒定;

        (2)電熱管產(chǎn)生的熱量全部傳遞給硫磺砂漿;

        (3)電熱管表面與硫磺砂漿以熱對流方式進(jìn)行熱量交換;

        (4)不考慮傳熱過程中的輻射散熱;

        (5)不考慮材料物性參數(shù)和邊界條件隨溫度的變化[8,9]。

        硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×10 cm,在模型中設(shè)2根φ16 mm電熱管。設(shè)硫磺砂漿內(nèi)部溫度為Ti=300℃,硫磺砂漿周圍空氣溫度為To=20℃。硫磺砂漿在空氣中的傳熱系數(shù)為βu=35.7 W/(m2·℃),風(fēng)速 v=1.0 m/s[10]。

        選取管單元(PLANE77)對物理模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析,硫磺砂漿熱熔時分布云圖見圖2。

        大量的試驗資料表明,當(dāng)硫磺砂漿溫度在20~80℃時,膨脹值上升平緩,但超過80℃特別是90℃時,其膨脹值將直線上升,硫磺砂漿出現(xiàn)明顯的軟化[7]。通過試算,得到電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm時硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖。圖2表明該模型大部分區(qū)域處于軟化及熔化狀態(tài),說明電熱管的10 cm布置間距是合理的。

        圖2 硫磺砂漿熱熔溫度分布云圖

        4.5 硫磺砂漿熱熔試驗

        按照選定的硫磺砂漿配合比,在模具中預(yù)埋2根φ16 mm電熱管。然后在模具中制作成型硫磺砂漿塊。硫磺砂漿模型尺寸為20 cm×280 cm×10 cm,模板采用[10型鋼組裝而成,電熱管間距為5 cm+10 cm+5 cm。實踐證明,這樣制作的硫磺砂漿塊在380 V電壓時2~3 h即可全部熔化,硫磺砂漿受熱既均勻又迅速。同時驗證了應(yīng)用ANSYS有限元軟件對硫磺砂漿熱熔進(jìn)行溫度場模擬的可行性。硫磺砂漿燒熔前后見圖3。

        圖3 硫磺砂漿熱熔前后對比

        5 硫磺砂漿無縫施工技術(shù)

        因硫磺砂漿熔化層面積較大(280 cm×150 cm),在硬化初期會出現(xiàn)急劇的收縮變形。為減少因溫差引起的拉應(yīng)力,避免硫磺砂漿開裂,現(xiàn)場采用了“跳倉法”施工[11],即在滿足溫度應(yīng)力及澆筑設(shè)備能力的前提下,通過合理分縫分塊以減少裂縫。具體做法為:把硫磺砂漿熔化層按垂直方向設(shè)置施工縫,劃分成4小塊,每一塊為一倉,施工期間實行跳倉澆筑,待一塊灌完并冷固收縮后,再澆筑相間塊。在每一個施工區(qū)域內(nèi),一次性澆筑完成。表面初凝后,用草袋蓋好保溫。這種跳倉澆筑采用了短距離釋放應(yīng)力的辦法應(yīng)對硫磺砂漿早期較大的收縮,待硫磺砂漿經(jīng)過早期較大的溫差和收縮后,各倉澆筑連接成整體,應(yīng)對以后較小的收縮,其中電熱管的布置對控制硫磺砂漿開裂也是有利的。具體澆筑順序見圖4。

        圖4 硫磺砂漿分塊及澆筑順序(單位:cm)

        6 硫磺砂漿制作工藝

        6.1 材料與器材

        材料:水泥、硫磺、砂、石蠟、電熱管(280 cm)。主要施工器材見表2。

        表2 主要器材設(shè)備

        6.2 硫磺砂漿的制作步驟

        (1)備料:硫磺砂漿實行跳倉澆筑,每倉硫磺砂漿材料用量為硫磺75.0 kg,細(xì)砂114.8 kg,水泥48.4 kg,石蠟1.0 kg。

        (2)炒水泥砂:生好火爐,將稱好的砂子倒入炒砂鍋內(nèi),并用鐵鏟攪拌,使砂受熱均勻,隨后倒入水泥與砂子一起炒拌。

        (3)熔化硫磺:先將石蠟放入鐵鍋中。置于火爐上加熱,再將稱好的硫磺倒入鐵鍋內(nèi)加熱至130~150℃熔化,邊熔邊放邊攪,使其逐漸熔化為稻草黃色液體。

        (4)拌和硫磺砂漿熱熔物:用紅外測溫儀將水泥砂混合料的溫度控制在120~130℃,再將鐵鍋內(nèi)的硫磺石蠟熱熔液倒入水泥砂鐵鍋內(nèi)拌和,直到均勻一致為止??刂茰囟仁潜WC硫磺砂漿流動性的關(guān)鍵。試驗表明,要保證硫磺砂漿有良好的流動性,便于拌和及澆筑入模,拌和物的溫度宜控制在140~160℃。

        (5)預(yù)熱:在拌和硫磺砂漿的同時,另用噴燈加熱試模,間接的對其中的C55混凝土進(jìn)行加熱。

        (6)硫磺砂漿入模:由塔吊吊起鐵鍋直接向固定好電熱管的試模灌入。在砂漿入模時,要輕輕敲擊試模,使其均勻密實、直到無氣泡上浮為止。硫磺砂漿的澆筑溫度應(yīng)保持在135~145℃,

        (7)拆模養(yǎng)護:試模冷卻不燙手即可拆模。

        6.3 注意事項

        (1)電熱管必須按圖紙給定的間距固定好,同時要固定在硫磺砂漿中層,以利于均勻熔化。硫磺砂漿的模型預(yù)留孔洞大于16 mm。

        (2)硫磺和硫磺砂漿的熬制溫度應(yīng)控制在130~150℃和140~160℃范圍內(nèi),不宜過高或過低。硫磺砂漿的澆灌溫度以及砂子的預(yù)熱溫度應(yīng)為135~145℃和40~60℃,施工時環(huán)境溫度較低時取上限,反之可取下限值[12]。

        (3)硫磺砂漿的施工環(huán)境溫度,不宜低于5℃,相對濕度不應(yīng)大于80%[13]。施工環(huán)境溫度低于5℃時,應(yīng)采取保溫措施。

        7 結(jié)語

        (1)通過試驗,得到了抗壓強度滿足設(shè)計要求的高強度硫磺砂漿配合比。

        (2)在燒熔試驗中采用電熱管作為導(dǎo)體,通過計算得到硫磺砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。同時應(yīng)用ANSYS有限元軟件對硫磺砂漿熱熔進(jìn)行溫度場模擬,得到了電熱管合理間距,證明了這種計算方法的可行性,在硫磺砂漿的溫度場計算中可以應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行初步設(shè)計指導(dǎo)。

        (3)“跳倉法”新工藝的應(yīng)用,減小了一次澆筑硫磺砂漿結(jié)構(gòu)尺寸,減輕硫磺砂漿的內(nèi)外約束,有利于散熱和降低最高溫升,對控制硫磺砂漿溫度變形裂縫的發(fā)生和展開效果顯著。

        (4)在以上幾點基礎(chǔ)上,通過制作硫磺砂漿復(fù)合支座的具體實踐,掌握了硫磺砂漿的熬制溫度和澆筑溫度,總結(jié)形成了硫磺砂漿的施工工藝。

        (5)成渝客運專線資陽沱江多線特大橋連續(xù)梁臨時支座大面積、高強度硫磺砂漿通過各種改進(jìn)措施得以成功實施,為后續(xù)連續(xù)梁懸臂施工及體系轉(zhuǎn)換奠定了良好的基礎(chǔ),為以后的硫磺砂漿施工提供了經(jīng)驗。

        [1]鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.TZ324—2010鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))懸臂澆筑施工技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

        [2]姜云霞,伍必慶,任少英.先簡支后連續(xù)裝配式板橋施工中硫磺砂漿復(fù)合支座的應(yīng)用研究[J].公路,2004(1):65-68.

        [3]張宏杰,李建樹,常志奇.高強度硫磺砂漿臨時支座的配置及應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2003(3):21-22.

        [4]中華人民共和國鐵道部.TB10302-96鐵路軌道及施工驗收規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,1996.

        [5]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,2003.

        [6]曹劍波.高強度硫磺砂漿的配置及應(yīng)用[J].公路,2002(2):82-85.

        [7]劉紅,阮靈偉,蔣蘭芳,胡立大.基于ANSYS的熱板溫度場模擬與優(yōu)化設(shè)計[J].模具工業(yè),2010(9):18-21.

        [8]龔曙光主編.ANSYS工程應(yīng)用實例解析.北京:機械工業(yè)出版社,2003.

        [9]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2010]241號 鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

        [10]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

        [11]中華人民共和國建設(shè)部.GB50212—91建筑防腐蝕工程及驗收規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992.

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