歐陽天武

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 青島 266061)

目前我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期,處于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)的路網(wǎng)建設(shè)不可避免。由于寒區(qū)每年有3個(gè)月淺冬、3個(gè)月深冬的天氣，為滿足工程建設(shè)進(jìn)度需求，冬期施工成為必然，但低溫惡劣的氣候不利于混凝土強(qiáng)度的持續(xù)增長，混凝土性能受氣候條件影響強(qiáng)烈[1,2]。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹寒冷地區(qū)懸臂澆筑連續(xù)梁冬季施工保溫棚設(shè)計(jì)、混凝土質(zhì)量控制及安全保證措施，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

佳鶴鐵路改造工程跨鶴大高速公路特大橋位于鶴崗市東山區(qū)，橋梁全長8 393.84 m，于DK28+583.94處采用60 m+100 m+60 m連續(xù)梁跨越鶴大高速公路，交叉角度為32o18＇，墩高8.5～11.5 m，梁高沿縱向近圓曲線變化，中心點(diǎn)截面處梁高7.56 m，邊支點(diǎn)及跨中截面處梁高4.56 m。連續(xù)梁為單箱單室截面，采用掛籃懸臂澆筑法施工，全橋設(shè)0#梁段、12節(jié)懸澆梁段，中、邊跨各設(shè)一節(jié)合龍段，全梁共計(jì)55個(gè)節(jié)段。

佳鶴鐵路位于黑龍江省東北部，地處小興安嶺和三江平原的緩沖地帶，地形平坦開闊，起伏較緩，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱短促，最冷月平均氣溫為-17.5～-18.2 ℃，極端最低溫度為-34.5 ℃，冬、春季少雨多大風(fēng)，氣溫變化劇烈。

2 冬期施工關(guān)鍵技術(shù)

為了保證混凝土工程質(zhì)量，跨鶴大高速公路特大橋采用?32 mm精軋螺紋鋼、型鋼、?48 mm(壁厚3.2 mm)鋼管搭設(shè)暖棚對(duì)箱梁進(jìn)行全封閉方式保溫，暖棚外側(cè)包裹防水棉被、底板處設(shè)珍珠巖,采用雙鍋爐及熱風(fēng)炮保溫、保濕養(yǎng)護(hù)法施工?，F(xiàn)場連續(xù)梁保溫棚采用情況見圖1。

圖1 現(xiàn)場連續(xù)梁保溫棚

2.1 掛籃段保溫棚設(shè)計(jì)

底部保溫棚利用掛籃前后端橫梁結(jié)合底板預(yù)留錨栓孔，通過采用?32 mm的精軋螺紋鋼吊掛兩根橫向雙拼16#槽鋼，在橫向槽鋼上順橋向鋪設(shè)8#槽鋼，間距為0.8 m與橫梁焊接固定。工字鋼上鋪設(shè)防水棉被及清水板，清水板上錯(cuò)茬堆碼兩層袋裝珍珠巖，珍珠巖上方鋪設(shè)一層防火卷材。

梁體兩側(cè)搭設(shè)單排鋼管架，鋼管立桿間距和水平桿步距均為1.2 m，立桿底部焊接在縱梁8#槽鋼上。三角掛籃主桁架縱梁上方設(shè)置4道橫向I20工字鋼，縱向設(shè)I10工字鋼，兩側(cè)豎向鋼管頂端焊接在I10工字鋼。側(cè)面鋼管架與掛籃外模腹板支架通過連接桿件做橫向連接固定。主桁架之間頂部為可拆卸式頂蓋，進(jìn)出材料通過整體吊裝頂蓋完成。在鋼管架外側(cè)掛設(shè)加厚型防水棉被，防水棉被用?20 mm螺紋鋼作勁性骨架，用8#鐵絲將?20 mm螺紋鋼與鋼管連接固定，側(cè)面包裹的防水棉被與梁體底部、頂部防水棉被搭接1 m，搭接端用繩索全面固定。

掛籃前端部保溫棚搭設(shè)與側(cè)面搭法類似，不同之處為前端設(shè)置了4片可拆卸式加厚型防水棉被骨架片，移動(dòng)掛籃或測量定位時(shí)可拆除，以減小風(fēng)阻或消除視線影響。掛籃段保溫棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 掛籃保溫棚結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 已澆梁段保溫棚設(shè)計(jì)

在梁體頂板使用2 m高鋼管作為立柱，立柱橫向、縱向間距均為1.2 m。為方便人員通行及材料運(yùn)輸，立柱距離梁面0.2 m處搭設(shè)縱、橫向腳手架鋼管，在距離梁面1.8 m處搭設(shè)第2層縱、橫向鋼管，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鋼管，橫向鋼管懸挑于梁體翼緣板外約0.9 m。網(wǎng)格搭設(shè)完畢在縱向鋼管上滿鋪清水板及防水棉被，防水棉被上方采用鐵絲網(wǎng)固定防止被陣風(fēng)吹起。

底部保溫棚通過底板預(yù)留錨栓孔采用?32 mm的精軋螺紋鋼吊掛兩根橫向雙拼16#槽鋼，雙拼16#槽鋼沿橋縱向每3 m設(shè)一道，在橫向槽鋼上順橋向鋪設(shè)I10工字鋼，間距為0.8 m與橫梁焊接固定。工字鋼上鋪設(shè)清水板及防水棉被，在防水棉被上錯(cuò)茬堆碼兩層袋裝珍珠巖，其上方鋪設(shè)一層防火卷材。

梁體兩側(cè)搭設(shè)單排鋼管架，鋼管立桿間距及水平桿步距均為1.2 m，立桿底部焊接在I10工字鋼縱梁上。側(cè)面鋼管架與連續(xù)梁通過腹板處通氣孔用?48 mm鋼管橫向固定。已澆梁段保溫棚結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 已澆梁段保溫棚結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.3 掛籃段與已澆梁段保溫棚搭接

掛籃段保溫棚寬度為12 m，已澆梁段保溫棚寬度為9 m，掛籃段保溫棚比已澆梁段保溫棚每側(cè)寬出1.5 m。此處保溫棚搭接時(shí)，掛籃段后端每側(cè)定制一塊5 m寬保溫棚布與掛籃側(cè)面及已澆梁段棚布進(jìn)行連接，與掛籃側(cè)面連接時(shí)搭接長度為1 m，與已澆梁段連接時(shí)考慮外滑梁及操作平臺(tái)影響搭接長度按2.5 m設(shè)置。為確保掛籃段與已澆段棚布的密封性，此處連接轉(zhuǎn)角處棚布外側(cè)加設(shè)一道繩索捆綁。掛籃段與已澆梁段搭接見圖4。

圖4 掛籃段與已澆梁段保溫棚搭接

2.4 熱工計(jì)算

根據(jù)冬期施工相關(guān)文件規(guī)定，混凝土出機(jī)溫度不小于10 ℃，施工前測定材料溫度并進(jìn)行熱工計(jì)算，滿足要求后才能組織大面積施工。

混凝土拌和物的理論溫度T0，根據(jù)組成材料的溫度，按熱平衡原理推導(dǎo)的公式(以C50混凝土配合比)進(jìn)行計(jì)算：

T0=[0.92(mceTce+msTs+msaTsa+mgTg)+

4.2Tw(mw-ωsamsa-ωgmg)+cw(ωsamsaTsa+

ωgmgTg)-ci(ωsamsa+ωgmg)]/[4.2mw+

0.92(mce+ms+msa+mg)]

式中：Tw為水溫度；mce為水泥用量，取值408 kg；ms為摻合料用量，取值72 kg；msa為砂用量，取值738 kg；mg為碎石用量，取值1 060 kg；mw為水用量，取值145 kg；Tce為水泥溫度，取值5 ℃；Ts為摻合料溫度，取值5 ℃；Tsa為砂溫度，取值5 ℃；Tg為碎石溫度，取值5 ℃；ωsa為砂含水率，取值3%；ωg為碎石含水率，取值1%；cw為水的比熱容，取值4.2 kJ/(kg·K)；ci為冰的溶解熱，取值0 kJ/(kg·K)。

混凝土拌合物出機(jī)溫度：T1=T0-0.16(T0-Tp)。式中：Tp為攪拌機(jī)棚內(nèi)溫度，取10 ℃。

當(dāng)水溫加熱至40 ℃時(shí)，則T0=11.10 ℃，T1=10.92 ℃。

當(dāng)水溫加熱至50 ℃時(shí)，則T0=12.84 ℃，T1=12.38 ℃。

當(dāng)水溫加熱至70 ℃時(shí)，則T0=16.33 ℃，T1=15.32 ℃。

當(dāng)水溫加熱至80 ℃時(shí)，則T0=18.07 ℃，T1=16.78 ℃。

當(dāng)拌合用水溫度加熱至40 ℃以上時(shí)，混凝土拌合物出機(jī)溫度均滿足規(guī)范要求。

2.5 供熱措施

每個(gè)主墩采用2 t的蒸汽鍋爐進(jìn)行供熱，主管道為?89 mm的無縫鋼管，沿翼緣板上方外側(cè)水平布置；根據(jù)連續(xù)梁分段長度設(shè)置分支閥門及副管道進(jìn)入箱室內(nèi)及底板底部，副管道采用?60 mm的無縫鋼管輸送暖氣，最末端安裝智能泄水閥。

為防止蒸汽鍋爐出現(xiàn)故障，每個(gè)主墩處加設(shè)1臺(tái)1 t的常壓熱水鍋爐輔助供熱；?89 mm主管道沿箱梁頂板邊緣布置，設(shè)三通管通過?57 mm網(wǎng)狀管道對(duì)腹板外側(cè)進(jìn)行加熱。熱水鍋爐輔助保溫管布置見圖5。

圖5 熱水鍋爐輔助保溫管布置 圖6 串筒管布置 圖7 測溫線布置

為確保掛籃內(nèi)溫度，箱室內(nèi)及頂板處各設(shè)1臺(tái)70 kW燃油熱風(fēng)炮。

掛籃段底板處空間有限，同時(shí)為保溫棚內(nèi)溫度最低處，為加強(qiáng)溫度控制，在底板四角設(shè)4臺(tái)15 kW電熱風(fēng)炮加強(qiáng)溫控。

2.6 拌合站

攪拌樓、輸送帶采用10 cm厚阻燃保溫板整體密封并設(shè)置蒸汽供熱管道，配料機(jī)設(shè)置在料棚內(nèi)；料倉棚內(nèi)合格倉及待檢倉底面、隔墻均鋪設(shè)蒸汽管道，用于砂石料及周圍環(huán)境的加熱。每座拌合站采用4 t的蒸汽鍋爐供暖，室外主管道埋深不小于凍結(jié)深度+0.5 m。

3 混凝土施工質(zhì)量控制措施

3.1 混凝土初期溫度控制

由于鶴崗市冬季整體氣溫低，為確?；炷脸鰴C(jī)溫度不低于10 ℃，拌合用水按80 ℃進(jìn)行控制，拌合投料順序嚴(yán)格按照砂石料、熱水、水泥、外加劑的順序進(jìn)行，尤其是砂石料和熱水混合后，保持不少于30 s的攪拌時(shí)間。對(duì)佳鶴鐵路跨鶴大高速公路特大橋及鶴崗特大橋冬季施工連續(xù)梁的實(shí)踐統(tǒng)計(jì)表明，拌合用水為80 ℃時(shí)在混凝土入模溫度、混凝土強(qiáng)度增長等方面明顯好于60 ℃拌合用水，對(duì)比水溫越低時(shí)80 ℃效果越明顯。為確?；炷寥肽囟炔坏陀? ℃，現(xiàn)場必須合理控制混凝土澆筑進(jìn)度，防止?jié)仓r(shí)間過長造成混凝土散熱多而達(dá)不到入模溫度要求。

3.2 混凝土運(yùn)輸過程溫度控制

混凝土運(yùn)輸車罐體外面采用專用保溫被進(jìn)行保溫；混凝土運(yùn)輸過程中適當(dāng)加快運(yùn)輸速度，縮短混凝土從攪拌完畢到入模的時(shí)間；同時(shí)精確計(jì)算混凝土所需時(shí)間，確?；炷凉捃嚨竭_(dá)現(xiàn)場后不會(huì)久等。

3.3 澆筑過程溫度控制

東北地區(qū)由于地理位置原因，冬季下午3點(diǎn)左右天黑，所以混凝土澆筑安排在每天10:00～14:00是最佳時(shí)間。為防止混凝土澆筑過程中揭開掛籃處“頂蓋”造成棚內(nèi)溫度降低，澆筑前提前在掛籃前端及頂部處各安裝1根DN350串筒管，用于底板、腹板及頂板的混凝土澆筑。串筒管布置見圖6。

3.4 測溫儀器合理布置

混凝土芯部溫度采用SH-TW80型混凝土無線測溫儀測量，PC端安裝專用軟件后能集成數(shù)據(jù)查看、曲線顯示、報(bào)表導(dǎo)出等功能；智能手機(jī)安裝專用軟件后可隨時(shí)查看溫度數(shù)據(jù)及曲線等。環(huán)境溫度采用常規(guī)掛式溫濕度計(jì)測量?；炷翝仓霸谙淞褐胁績蓚?cè)腹板、頂板及底板位置預(yù)埋測溫線；混凝土澆注后，安排專人對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行監(jiān)控及記錄，確保混凝土芯部溫度與相應(yīng)位置混凝土表面溫度溫差不大于15 ℃[3]；混凝土內(nèi)外溫差過大時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力及外部表面產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂紋。在升、降溫期間每1 h檢測一次，在恒溫期間每2 h檢測一次，確保暖棚內(nèi)各測點(diǎn)溫度不得低于5 ℃?；炷辽郎厮俣炔坏么笥?0 ℃/h，降溫速度不得大于5 ℃/h。測溫線布置見圖7。

3.5 其他溫度控制措施

保溫棚內(nèi)主要靠蒸汽管道、熱水管道保溫，夜間溫度低時(shí)主要依靠調(diào)高電熱風(fēng)炮檔位及啟用柴油熱風(fēng)炮進(jìn)行輔助升溫。

保溫棚內(nèi)溫度控制的關(guān)鍵是箱梁底板底部溫度的控制；冷、熱空氣由于密度差異，冷空氣沉積在掛籃底模板與保溫棚底部之間區(qū)域，熱空氣則聚集在保溫棚頂部，造成保溫棚內(nèi)溫度成梯形分布：底部溫度為5～10 ℃，箱梁內(nèi)溫度為10～20 ℃，頂板處棚內(nèi)溫度則超過20 ℃。為確保底板處棚內(nèi)溫度不小于5 ℃，在掛籃底模已布設(shè)蒸汽管道的前提下，在四個(gè)角再各設(shè)1臺(tái)15 kW電熱風(fēng)炮(Ⅰ檔為9 kW、Ⅱ檔為15 kW)，白天采用Ⅰ檔、晚上采用Ⅱ檔補(bǔ)充進(jìn)行供熱。

3.6 混凝土養(yǎng)護(hù)濕度控制

由于冬季氣溫干燥，同時(shí)在供熱管道及暖風(fēng)機(jī)等作用下，保溫棚內(nèi)濕度幾乎為零。為確?；炷琉B(yǎng)護(hù)所需濕度，將箱室內(nèi)其中的1根蒸汽供熱管道尾部閥門部分打開，直接將蒸汽放入保溫棚內(nèi)加濕。由于箱室內(nèi)及頂板頂溫度高且混凝土外露，混凝土初凝后使用棚內(nèi)存放的同溫度水直接灑水養(yǎng)護(hù)并覆蓋土工布，養(yǎng)護(hù)期間每2 h至少灑水1次確?；炷撂幱跐駶櫊顟B(tài)。

4 施工檢算

由于冬季施工時(shí)在梁上、掛籃上增加了保溫棚、加熱設(shè)備等荷載，同時(shí)迎風(fēng)面積增大還需額外考慮風(fēng)荷載、雪荷載等影響，故冬期施工引起荷載變化時(shí)應(yīng)進(jìn)行施工檢算。施工檢算包括臨時(shí)結(jié)構(gòu)檢算(臨時(shí)固結(jié)、掛籃及保溫棚架自身結(jié)構(gòu)安全)和橋梁結(jié)構(gòu)檢算(施工階段截面應(yīng)力及抗剪承載力、梁體產(chǎn)生的豎向撓度等)兩部分。根據(jù)相關(guān)要求由施工單位委托有相應(yīng)資質(zhì)的第三方檢算單位進(jìn)行臨時(shí)結(jié)構(gòu)檢算、由設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)梁體結(jié)構(gòu)的檢算，所有檢算符合要求后方可組織保溫棚架的施工。主要檢算結(jié)果為：

(1)臨時(shí)固結(jié)精軋螺紋鋼所受拉應(yīng)力σ為85.7 MPa，小于允許拉應(yīng)力465 MPa，且有2倍提高安全系數(shù)作為安全儲(chǔ)備，臨時(shí)固結(jié)抗傾覆滿足要求。

(2)截面上緣在施工階段全部受壓，最大壓應(yīng)力為12.32 MPa，小于規(guī)范容許壓應(yīng)力23.9 MPa；截面下緣最大壓應(yīng)力為10.42 MPa，小于規(guī)范容許壓應(yīng)力23.9 MPa，施工階段各截面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(3)最大懸臂階段中支點(diǎn)最大剪力為19 804.23 kN，最大彎矩430 293.76 kN·m，比設(shè)計(jì)運(yùn)營階段主力工況剪力、彎矩小得多，因此施工階段抗彎、抗剪承載力滿足要求。

(4)連續(xù)梁最大懸臂節(jié)段的撓度增加了8.1 mm。

5 安全防護(hù)措施

5.1 掛籃防傾覆措施

掛籃傾覆事故大部分發(fā)生在移動(dòng)過程中，考慮到鶴崗冬季氣溫變化劇烈多大風(fēng)，為防止掛籃移動(dòng)過程中遭遇突發(fā)的陣風(fēng)，施工過程中采取三項(xiàng)措施防止掛籃傾覆：

(1)為減小風(fēng)阻力，移動(dòng)時(shí)掛籃前端、后端棚布全部打開。

(2)移動(dòng)時(shí)掛籃主桁架縱梁的精軋螺紋鋼錨固松開至移動(dòng)時(shí)錨固墊板與主桁架縱梁剛好處于不受力狀態(tài)，移動(dòng)過程中每片主桁架縱梁不少于2組錨固參與防護(hù)。

(3)冬期施工前在掛籃每個(gè)主桁架尾部兩側(cè)加焊一組防傾覆裝置，具體布置見圖8。防傾覆裝置由20 mm厚、250 mm寬鋼板加工制作，主鋼板每側(cè)背部加焊80 mm、寬20 mm厚鋼板起加勁板作用，主鋼板防傾覆倒鉤與軌道壓梁的間距為10 mm。

圖8 防傾覆裝置

5.2 防火措施

項(xiàng)目部建立冬季施工安全生產(chǎn)保證體系，制定安全包保責(zé)任制，逐級(jí)簽訂安全承包合同并明確責(zé)任主體。

嚴(yán)格執(zhí)行用火申請管理制度，每次電焊時(shí)必須有專人持接火盆接焊渣等殘余火點(diǎn)；每個(gè)保溫棚內(nèi)安排2名有責(zé)任心的職工為專職看火員，24 h吃住在連續(xù)梁保溫棚內(nèi)。

火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域配備了足夠數(shù)量的消防滅火器材及水箱，且做到人人會(huì)使用并加強(qiáng)現(xiàn)場巡查。

在混凝土養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)將煙或燃燒氣體排至棚外，并應(yīng)采取防止煙氣中毒和防火的措施。

連續(xù)梁主電纜必須使用耐寒電纜，確保電纜在寒冷氣候下即使是受到外界力作用仍保持良好的彈性和彎曲性，具有良好的物理、電氣及耐老化性能，確保電纜自身不出現(xiàn)安全隱患；避免因線路老化、經(jīng)常搬運(yùn)導(dǎo)致電線受損而引發(fā)火災(zāi)。

臨時(shí)用電線路的安裝、維修、拆除，均須由經(jīng)過培訓(xùn)并取得上崗證的專業(yè)電工完成，非電工不準(zhǔn)進(jìn)行電力安裝作業(yè)。

6 結(jié)束語

跨鶴大高速公路特大橋連續(xù)梁保溫棚整體應(yīng)用效果較好，具有良好的可靠性和適應(yīng)性，能滿足連續(xù)梁冬期快速施工的要求。不足之處主要有：

(1)由于東北地區(qū)嚴(yán)寒季節(jié)長，建議鍋爐全部采用蒸汽鍋爐，以防鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)水管結(jié)冰堵塞。

(2)由于掛籃段分塊拼裝篷布因測量或掛籃前移等原因需要多次打開，掛籃頂部篷布與豎向篷布搭接需加強(qiáng)，篷布損耗快易發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象，篷布接合部密封情況是保證掛籃段保溫效果的關(guān)鍵。