连续梁桥硫磺砂浆复合支座的应用研究

2012-11-27田小路

铁道标准设计 2012年12期

田小路

(中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 100000)

预应力混凝土连续梁桥在悬臂施工时，由于墩梁铰接而不能承受悬臂状态下的不平衡弯矩，须采取措施临时将墩梁固结。传统做法是在桥墩顶面永久支座两侧对称设置临时支座，待悬臂施工合龙后拆除临时支座，恢复原结构状态［1］。

临时支座的制作与拆除是连续梁桥施工的一个重要环节。体系转换时，若要人工凿除临时支座，费工费时，劳动强度大［2］。若采用硫磺砂浆电热法拆除，可快速、平稳地实现体系转换。高强度硫磺砂浆具有强度高、易制作、安装拆除方便等优异的性能，在土木工程领域，有着广泛的应用前景［3］。

1 工程概况

成都至重庆铁路客运专线工程CYSG-2标资阳沱江多线特大桥主跨跨越沱江，主桥采用(90+180+90)m预应力混凝土连续梁-钢管混凝土拱组合桥。梁体为单箱两室、直腹板变高度连续箱梁结构。悬臂段采用菱形挂篮悬臂灌注法施工。在1号、2号墩顶支承垫石两侧分别对称设置各6个临时支座，其长、宽均为280 cm×150 cm。临时支座用C55混凝土灌筑，顺桥向分别设置164根长350 cm的φ32 mm螺纹钢筋，上、下端分别锚固于梁体与墩身内，以增加抗震、防滑能力，并承受一定的拉力。为便于合龙时拆除临时支座，设计要求在支座中间设置1层10 cm厚的M50硫磺砂浆间隔层，并埋置电热管。硫磺砂浆层布置如图1所示。

图1 硫磺砂浆层布置

2 硫磺砂浆复合支座工作原理［2］

按一定配合比制作的硫磺砂浆在常温下有较好的强度、承载力，遇热后又能软化并熔化。在临时支座中设置硫磺砂浆层同时解决了临时支座的强度与拆除问题。具体做法为:在制作临时支座时，电阻丝(电热管)预埋入临时支座的硫磺砂浆层中。需要拆除临时支座时，给预埋在硫磺砂浆层内的电阻丝(电热管)通以恒定电流，硫磺砂浆被软化，上部连续梁在自重的作用下，缓缓下降，随之下落到永久支座上。

3 硫磺砂浆配合比

3.1 硫磺砂浆组分

硫磺砂浆由硫磺、水泥、砂子及石蜡构成。砂为骨料，硫磺起粘结作用，水泥为填充料。三者恰当配比制作后构成硫磺砂浆。石蜡在熔化硫磺时可以使硫磺受热均匀、不粘锅、不冒烟、好倾倒。石蜡与硫磺互不融合，熔化后石蜡在下，硫磺液体在上［2］。

3.2 配合比

硫磺砂浆配合比的大致范围，硫磺 ∶水泥 ∶砂子∶石蜡为1∶(0.3～0.6)∶(1～1.5)∶(0.01～0.03)［4］。但究竟哪一种配合比能够达到M50的抗压强度，还需要根据进场原材料技术条件进行试验。本工程水泥采用四川峨胜牌P.O 42.5级水泥;硫磺采用山峰牌硫磺粉;细骨料采用资阳临江镇产细砂;石蜡采用资阳本地产石蜡。

按照3种硫磺砂浆不同的配合比，分别制成3组相同尺寸的试件。测其抗压强度(表1)。

表1 硫磺砂浆的抗压强度

表1表明:(1)3号配合比的抗压强度满足设计要求，选定了3号配合比作为硫磺砂浆的基准配合比;(2)提高硫磺砂浆抗压强度的途径在于增大骨料砂的比重。

4 硫磺砂浆热熔性能试验

4.1 导体比选

硫磺砂浆临时支座的拆除方法有氧气烧熔、电热软化以及人工凿除等。考虑到施工过程中梁体下降的均匀性要求，现场采用电热软化的方案。试验早期曾采用电阻丝进行了硫磺砂浆热熔性能试验，在380 V电压下通电2 h后其熔化半径仅为5 mm，熔化半径外则不受影响，同时由于电阻丝绕阻太复杂，容易出现短路和产热不均匀。结合本工程硫磺砂浆面积大而厚的特点，总结相关试验经验，改进了制作方法，采用电热管作为导体。

4.2 电热管构造

本工程用电热管是以铁管为外壳，沿管内中心轴向均布螺旋电热铁铬合金丝，其空隙填充压实具有良好绝缘导热性能的结晶氧化镁砂，管口两端用陶瓷密封。电热管铁铬合金丝产生的热量完全依靠填充料—氧化镁砂来进行电热能量交换(铁管壳由于材料的热阻与氧化镁砂热阻相比较可以忽略不计)［5］。

4.3 硫磺砂浆导热系数计算

硫磺砂浆的导热系数λ可按质量百分比加权得到［6］。硫磺砂浆的导热系数λ的计算

式中 λ硫磺——硫磺的导热系数，0.27 W/(m·℃)［7］;

λ水泥——水泥的导热系数，0.35 W/(m·℃);

λ砂——砂的导热系数，0.326 W/(m·℃);

λ石蜡——石蜡的导热系数，0.12 W/(m·℃);

W硫磺、W水泥、W砂、W石蜡——硫磺、水泥、砂、石蜡的质量百分比。

根据(1)式可得M50硫磺砂浆的导热系数λ=0.312 W/(m·℃)。

4.4 电热管传热模型

对电热管的传热过程做以下基本假设:

(1)空气温度恒定;

(2)电热管产生的热量全部传递给硫磺砂浆;

(3)电热管表面与硫磺砂浆以热对流方式进行热量交换;

(4)不考虑传热过程中的辐射散热;

(5)不考虑材料物性参数和边界条件随温度的变化［8，9］。

硫磺砂浆模型尺寸为20 cm×10 cm，在模型中设2根φ16 mm电热管。设硫磺砂浆内部温度为Ti=300℃，硫磺砂浆周围空气温度为To=20℃。硫磺砂浆在空气中的传热系数为βu=35.7 W/(m2·℃)，风速 v=1.0 m/s［10］。

选取管单元(PLANE77)对物理模型进行自由网格划分，进行稳态温度场分析，硫磺砂浆热熔时分布云图见图2。

大量的试验资料表明，当硫磺砂浆温度在20～80℃时，膨胀值上升平缓，但超过80℃特别是90℃时，其膨胀值将直线上升，硫磺砂浆出现明显的软化［7］。通过试算，得到电热管间距为5 cm+10 cm+5 cm时硫磺砂浆热熔温度分布云图。图2表明该模型大部分区域处于软化及熔化状态，说明电热管的10 cm布置间距是合理的。

图2 硫磺砂浆热熔温度分布云图

4.5 硫磺砂浆热熔试验

按照选定的硫磺砂浆配合比，在模具中预埋2根φ16 mm电热管。然后在模具中制作成型硫磺砂浆块。硫磺砂浆模型尺寸为20 cm×280 cm×10 cm，模板采用［10型钢组装而成，电热管间距为5 cm+10 cm+5 cm。实践证明，这样制作的硫磺砂浆块在380 V电压时2～3 h即可全部熔化，硫磺砂浆受热既均匀又迅速。同时验证了应用ANSYS有限元软件对硫磺砂浆热熔进行温度场模拟的可行性。硫磺砂浆烧熔前后见图3。

图3 硫磺砂浆热熔前后对比

5 硫磺砂浆无缝施工技术

因硫磺砂浆熔化层面积较大(280 cm×150 cm)，在硬化初期会出现急剧的收缩变形。为减少因温差引起的拉应力，避免硫磺砂浆开裂，现场采用了“跳仓法”施工［11］，即在满足温度应力及浇筑设备能力的前提下，通过合理分缝分块以减少裂缝。具体做法为:把硫磺砂浆熔化层按垂直方向设置施工缝，划分成4小块，每一块为一仓，施工期间实行跳仓浇筑，待一块灌完并冷固收缩后，再浇筑相间块。在每一个施工区域内，一次性浇筑完成。表面初凝后，用草袋盖好保温。这种跳仓浇筑采用了短距离释放应力的办法应对硫磺砂浆早期较大的收缩，待硫磺砂浆经过早期较大的温差和收缩后，各仓浇筑连接成整体，应对以后较小的收缩，其中电热管的布置对控制硫磺砂浆开裂也是有利的。具体浇筑顺序见图4。