于浩業(yè)

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

1 引言

鋼-混結(jié)合段的力學(xué)性能對混合梁斜拉橋耐久性及服役年限影響較大［1］。目前，國內(nèi)外混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段填充材料一般多采用傳統(tǒng)的高強(qiáng)度混凝土材料。施工過程中澆筑密實(shí)度差、脫空嚴(yán)重等現(xiàn)象屢見不鮮，很難達(dá)到均勻傳力的理想運(yùn)營狀態(tài)，無法滿足百年服役的高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，該問題也是國內(nèi)外橋梁工程迫切解決的問題［2］。

鋼-混結(jié)合段是混合梁斜拉橋混凝土梁與鋼梁傳力關(guān)鍵部位，結(jié)合段填充密實(shí)度則是控制大橋質(zhì)量的關(guān)鍵?；钚苑勰┗炷粒≧PC）材料是介于混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間的超高性能混凝土材料［3-4］，可以改善結(jié)合段內(nèi)部混凝土密實(shí)度低、耐久性差的問題，對提高鋼-混結(jié)合段的施工質(zhì)量和耐久性具有重要作用［5-7］。

本文結(jié)合石首長江公路大橋鋼-混結(jié)合段施工技術(shù)需求，對RPC澆筑工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對RPC工作性能及澆筑方法的可行性進(jìn)行評估，以滿足鋼-混結(jié)合段的設(shè)計(jì)需求，研究結(jié)果可為同類橋梁施工提供借鑒。

2 研究主體

石首長江公路大橋?yàn)橹骺?20 m的雙塔非對稱混合梁斜拉橋［8］，橋跨布置為（3×75）m＋820 m＋（300＋100）m。北邊跨采用PK斷面混凝土梁，長251.5 m，中跨與南邊跨采用PK斷面鋼箱梁。鋼-混結(jié)合段位于北側(cè)橋塔，長5.2 m，采用箱形格室，長2.0 m，高0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度0.6 m、0.79 m。鋼格室腹板與鋼板設(shè)置直徑為65 mm的圓孔，穿入直徑20 mm鋼筋形成剪力鍵（PBL鍵）。通過預(yù)應(yīng)力鋼束，將鋼箱梁與混凝土結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)填充材料為活性粉末混凝土（RPC）。其中，鋼格室頂板設(shè)置澆筑孔，腹板設(shè)置連通孔，以保障填充材料可自由流動(dòng)。鋼混結(jié)合段采用先拼裝、后填充的方法施工。鋼-混結(jié)合段位置與構(gòu)造如圖1所示。

圖1 鋼混結(jié)合段位置與結(jié)構(gòu)示意

3 鋼混結(jié)合段澆筑工藝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

石首長江公路大橋鋼-混結(jié)合段采用帶后承壓板的格室形式，格室內(nèi)設(shè)置了開孔板連接件，孔內(nèi)貫通鋼筋，混凝土梁段的縱向鋼筋也伸入到格室內(nèi)部，同時(shí)還配置有大量縱向預(yù)應(yīng)力束，從而加大了鋼格室內(nèi)RPC灌注的施工難度，容易導(dǎo)致局部格室的材料灌注不密實(shí)。因此本次模型試驗(yàn)?zāi)康臑椋海?）檢驗(yàn)活性粉末混凝土（RPC）自密實(shí)性能；（2）驗(yàn)證鋼混結(jié)合段澆筑工藝的可行性［9-10］。

3.2 模型設(shè)計(jì)

綜合考慮模型試驗(yàn)的真實(shí)性、有效性以及不同鋼格室澆筑的難易程度，根據(jù)石首長江公路大橋鋼-混結(jié)合段總體構(gòu)造圖擬定局部模型尺寸及構(gòu)造［11-12］。選擇實(shí)橋鋼-混結(jié)合段鋼格室的1/2，即底板的兩個(gè)格室、斜腹板兩個(gè)格室和豎腹板一個(gè)格室（A和B區(qū)域）。局部澆筑模型的鋼格室形式與尺寸構(gòu)造見圖2a，模型構(gòu)建采用Q235B鋼板（厚16 mm）制作而成。對鋼格室局部澆筑孔、排氣孔及壓漿孔進(jìn)行接高處理，澆筑前的模型如圖2b、圖2c所示。模型鋼格室的尺寸、縱向鋼筋、縱向預(yù)應(yīng)力、PBL鋼筋數(shù)量以及位置、開孔的大小和數(shù)量均按照實(shí)橋制作和安裝。

圖2 RPC澆筑試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.3 澆筑試驗(yàn)

鋼-混結(jié)合段模型澆筑方量約為9 m3，環(huán)境溫度5～10℃，入模溫度為12℃。拌和站攪拌RPC的干粉料、水以及外加劑遵循湖南大學(xué)橋梁工程研究所要求進(jìn)行配置。RPC力學(xué)性能如表1所示。

表1 RPC填充材料力學(xué)性能

RPC拌和后坍落度實(shí)測值為695 mm，滿足650±50mm標(biāo)準(zhǔn)。RPC從下格室中部澆筑少量入模，在下格室未澆滿的情況下分別澆筑斜腹板和豎腹板，直到下格室、豎腹板和斜腹板全部澆筑滿RPC。施工過程中未振搗，完全依賴材料自身工作性能達(dá)到密實(shí)。

4 超聲波檢測原理與方法

4.1 超聲波檢測原理

在土木工程領(lǐng)域超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，可對混凝土密實(shí)度、損傷缺陷以及均勻性進(jìn)行檢測評估。根據(jù)鋼-混結(jié)合段的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，鋼與混凝土材料組成的兩種介質(zhì)增加了檢測難度。以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的超聲檢測為例，由于聲波在固體與氣體中的波速存在顯著差別，5種常見的鋼-混凝土澆筑缺陷如圖3所示。

圖3 鋼-混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷檢測原理

其中，圖3a為混凝土質(zhì)量完整；圖3b為發(fā)射源附近存在鋼-混凝土脫粘缺陷；圖3c為發(fā)射源與接收源附近存在鋼-混凝土脫粘缺陷；圖3d為發(fā)射源與接收源連線存在混凝土孔洞缺陷；圖3e為既存在孔洞缺陷又存在脫粘缺陷。由圖3可知，超聲波具有不同形式的傳播路線，從而可以通過接收源采集的超聲參數(shù)變化特征確定缺陷的形式與分布位置。當(dāng)鋼-混結(jié)合段局部澆筑模型存在鋼與RPC脫粘缺陷或RPC內(nèi)部空洞缺陷的情況時(shí)，超聲波在相應(yīng)位置傳播時(shí)亦會(huì)發(fā)生類似的繞射孔洞現(xiàn)象，故可通過超聲波在測區(qū)內(nèi)部傳播的首波聲時(shí)、波形及幅值特征判別缺陷類型。

4.2 檢測設(shè)備

鋼-混結(jié)合段檢測設(shè)備采用ZBL-U520非金屬超聲波檢測儀，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 ZBL-U520檢測儀技術(shù)參數(shù)

4.3 檢測方法

RPC澆筑密實(shí)度檢測首先采用5 kg鐵錘對模型不同位置進(jìn)行敲擊初檢，根據(jù)聲音辨別模型內(nèi)部澆筑質(zhì)量。再對可能存在內(nèi)部缺陷的區(qū)域以及通過錘擊法確定的疑似脫空區(qū)域進(jìn)行超聲法檢測。RPC澆筑質(zhì)量檢測方法見圖4。

圖4 RPC澆筑質(zhì)量檢測流程

5 鋼-混結(jié)合段模型澆筑質(zhì)量檢測

5.1 錘擊法檢測

在模型試驗(yàn)未振搗以及未采用二次補(bǔ)灌RPC的情況下，采用錘擊法初步判斷不密實(shí)的位置有4處。根據(jù)可疑區(qū)域的空間位置、大小及測試面的數(shù)量，進(jìn)一步確定對應(yīng)區(qū)域的RPC澆筑質(zhì)量的超聲檢測方式及測點(diǎn)布置。

5.2 超聲法檢測

超聲波檢測前測定鋼材與RPC基準(zhǔn)波速，分別對RPC超聲波波速與Q235B鋼材的超聲波波速進(jìn)行測定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對，鋼材超聲波波速約5 900 m/s，在RPC介質(zhì)中傳播速度約4 750 m/s。超聲測試區(qū)布置如圖5所示。

圖5 超聲測試區(qū)示意

如圖6所示，模型共有5個(gè)主要的測試區(qū)域。除D區(qū)外，其余測區(qū)均沿橋梁軸向方向以恒定間距布置測點(diǎn)。每個(gè)區(qū)域的超聲測試方法如表3所示。

圖6 超聲波測點(diǎn)布置

表3 測區(qū)信息與測點(diǎn)間距布置

5.3 檢測結(jié)果與分析

采用錘擊法與超聲法對以上五個(gè)測區(qū)的鋼混結(jié)合段RPC澆筑第一類缺陷（內(nèi)部不密實(shí)區(qū)、孔洞、異物等）與第二類缺陷（核心混凝土和鋼板膠結(jié)不良）做出判別。根據(jù)表3測區(qū)信息，分別將A區(qū)3號測點(diǎn)、K區(qū)斜測點(diǎn)b、K區(qū)斜測點(diǎn)9號以及錘擊法預(yù)判為密實(shí)的一個(gè)點(diǎn)的表面金屬鋼板割開并在U形澆筑口位置鉆取RPC芯樣，檢驗(yàn)實(shí)際澆筑質(zhì)量是否與檢測結(jié)果吻合。

割開鋼板的RPC表面與RPC芯樣（見圖7），割開鋼板后的RPC表面均密實(shí)飽滿，取芯中無明顯欠密實(shí)區(qū)、麻面孔洞、無肉眼可見斷層等病害。因此可以判斷此處不存在第一類缺陷。但是由于在切割鋼板的過程中會(huì)對RPC表面造成損傷，第二類缺陷無法驗(yàn)證，因此第二類缺陷主要依據(jù)錘擊法和超聲法共同進(jìn)行檢測。

圖7 模型內(nèi)部RPC表面與取芯樣本

鋼-混結(jié)合段內(nèi)部缺陷采用綜合判定法（NFP法）進(jìn)行評定。經(jīng)錘擊法初檢，A區(qū)為澆筑密實(shí)區(qū)域。各測點(diǎn)的多參數(shù)綜合分析值NFP＞1，說明測區(qū)A不存在第一類缺陷，該區(qū)域內(nèi)RPC密實(shí)、內(nèi)部無孔洞等缺陷存在。各測點(diǎn)超聲信號的波速或幅值未見異常，測區(qū)A不存在第二類缺陷，該區(qū)域鋼與RPC無脫空情況。

水平格室西側(cè)溢漿孔對應(yīng)的B區(qū)為澆筑密實(shí)區(qū)域。測點(diǎn)1的超聲信號波速異常，結(jié)合錘擊法的判別可知，測點(diǎn)1存在第二類缺陷，該區(qū)域鋼與RPC存在脫空情況，RPC沉縮是形成脫空的主要原因。測點(diǎn)2～4超聲信號的波速或幅值未見異常，不存在第二類缺陷，該區(qū)域鋼與RPC無脫空情況。

水平格室東側(cè)溢漿孔對應(yīng)的C區(qū)為澆筑欠密實(shí)區(qū)域。該區(qū)域滿足對測的條件，測線與測點(diǎn)布置同B區(qū)。各測點(diǎn)的多參數(shù)綜合分析值 NFP＞1，說明測區(qū)C不存在第一類缺陷。各測點(diǎn)的超聲信號波速均異常，結(jié)合錘擊法的判別可知，各測點(diǎn)均存在第二類缺陷。

D區(qū)為澆筑密實(shí)、疑似欠密實(shí)均存在區(qū)域。該區(qū)域僅滿足斜測條件，故沿公共邊的走向布置1條測線，沿梁高方向以100 mm的間距布置9個(gè)斜測點(diǎn)。各測點(diǎn)的NFP值均大于1，說明測區(qū)D不存在第一類缺陷。測點(diǎn)4與測點(diǎn)11的超聲信號波速異常，測點(diǎn)9的超聲信號幅值異常，結(jié)合錘擊法的判別可知，測點(diǎn)4、測點(diǎn)9與測點(diǎn)11存在第二類缺陷。未振搗以及鋼板表面灰塵較多是測點(diǎn)4形成脫空的主要原因，RPC沉縮以及頂板澆筑口未接高是測點(diǎn)9與11形成脫空的主要原因。其余各自超聲信號的波速或幅值未見異常，不存在第二類缺陷。

K區(qū)為澆筑密實(shí)、疑似欠密實(shí)均存在的區(qū)域。該區(qū)域僅滿足斜測的條件，故垂直于橋軸線方向根據(jù)錘擊激振初檢結(jié)果布置四條測線，測線方向與橋軸線方向平行，頂面以150 mm的間距沿橋軸線方向布置3～4個(gè)接收源換能器斜測點(diǎn)，發(fā)射源換能器經(jīng)對中確定相鄰面的對應(yīng)測點(diǎn)位置后隨即進(jìn)行測試。各測點(diǎn)的多參數(shù)綜合分析值NFP＞1，說明測區(qū)K不存在第一類缺陷。測點(diǎn)2、測點(diǎn)4、測點(diǎn)6、測點(diǎn)8以及測點(diǎn)9超聲信號的波速異常，結(jié)合錘擊法的判別可知，測點(diǎn)2、4、6、8、9存在第二類缺陷。其余各測點(diǎn)超聲信號的波速或幅值未見異常，不存在第二類缺陷。

6 鋼與RPC脫空原因分析及工藝優(yōu)化

6.1 鋼與RPC脫空原因分析

結(jié)合模型試驗(yàn)可以將鋼與混凝土的脫空分為2種情況：①內(nèi)部混凝土不密實(shí)；②鋼與混凝土界面脫離。

（1）內(nèi)部混凝土空洞以及不密實(shí)形成的原因主要是材料工作性能不佳、鋼構(gòu)件構(gòu)造復(fù)雜、混凝土澆筑速度過快、混凝土壓注位置和壓注方向不適合或者振搗不足所致。

（2）鋼與混凝土界面脫離形成的原因主要是混凝土在構(gòu)造復(fù)雜的格室內(nèi)由于澆筑速度過快導(dǎo)致沉縮緩慢發(fā)展、振搗不足、鋼表面灰塵或泥土較多、排氣孔設(shè)置不合理、混凝土澆筑速度過快、混凝土壓注位置和壓注方向不適合。

6.2 鋼混結(jié)合段RPC施工工藝優(yōu)化

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用目前的RPC澆筑工藝影響了其結(jié)構(gòu)密實(shí)度，效果欠佳。為了提高鋼混結(jié)合段的施工質(zhì)量，建議采用以下澆筑方法：

（1）首先從鋼混結(jié)合段下格室中間位置的澆筑孔下料，直至灌注材料填滿下格室。

（2）然后澆筑鋼混結(jié)合段上格室與豎腹板交界處，同時(shí)澆筑斜腹板頂板澆筑口逐個(gè)鋼格室（從低向高的順序）直至灌注材料填滿豎腹板。

（3）最后澆筑鋼混結(jié)合段上格室（從兩側(cè)向中間）RPC直至灌注材料填滿上格室。澆筑方法如圖8所示。

圖8 鋼混結(jié)合段RPC優(yōu)化澆筑工藝

7 結(jié)論

通過對比鋼混結(jié)合段局部澆筑模型檢測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）鋼混結(jié)合段RPC澆筑工藝試驗(yàn)基本可以反映出RPC實(shí)際的工作性能以及在施工中存在的問題，總體而言RPC澆筑工藝基本可行，但仍然存在優(yōu)化的空間。

（2）為保證 RPC與鋼板的粘結(jié)力以及澆筑的密實(shí)性，盡可能減小與鋼板脫空脫粘的情況，施工前應(yīng)對鋼格室進(jìn)行高壓水槍清洗，徹底清除雜物、灰塵、泥土和鐵銹。

（3）鋼混結(jié)合段應(yīng)增設(shè)排氣孔。從檢測的結(jié)果可知，澆筑孔、壓漿孔和排氣孔附近的密實(shí)度較好，接高后孔洞能夠?qū)Ω袷覂?nèi)的RPC保持一定的壓力，保證RPC沉縮后也能夠及時(shí)得到補(bǔ)充，并提高密實(shí)度。

（4）結(jié)合模型試驗(yàn)的澆筑情況以及RPC的工作性能，格室內(nèi)的澆筑順序應(yīng)從低向高的順序進(jìn)行，以提高結(jié)構(gòu)密實(shí)性。