碗形箱梁施工关键技术研究与实践

徐登票,陈忠欣,张荣敦

(温州交通建设集团有限公司,浙江 温州 325003)

0 引 言

随着国内城市基础设施建设的不断推进,大量结构新颖、造型美观的互通立交、城市高架桥以及景观桥梁不断涌现。碗形箱梁桥以线条流畅、美观大方等特点,备受设计者青睐[1]。碗形混凝土箱梁的外形和受力均较为复杂,变曲率的弧形断面不易控制,对模板及支撑系统的设计和施工带来了较大难度。对于表面不在同一平面内的碗形箱梁,要保证其外形的美观,必须使模板与箱梁有相同的弧形,普通的木模板是难以做到,而采用钢模又过于笨重,且造价高。此外,近年来在国内外桥梁施工中,许多桥梁外观要求达到清水混凝土的效果,即浇筑成型后的混凝土表面平整光洁,不作任何装饰,无大面积鼓包或蜂窝麻面、气泡、开裂,成色均匀一致,混凝土浇筑无明显 “冷缝”,接缝过渡自然,无错台、漏浆现象,保持混凝土原汁原味的质感效果,对模板的设计和施工要求更高[2-3]。另外,碗形箱梁的腹板是曲面形状,为腹板混凝土的浇筑带来了较大的难度。因此,必须对碗形箱梁的施工支架模板的支撑体系和混凝土浇筑工艺进行研究,确保浇筑完成后的碗形箱梁各项指标都满足设计要求。

在此背景下,温州交通建设集团有限公司通过现场调研和工程实践相结合的方法,对碗形箱梁施工的关键技术进行研究,开发出施工简便快捷、造价低和可循环利用的支架模板支撑体系和混凝土浇筑工艺,并将之推广到该类型桥梁的施工中去。

1 工程概况

某大桥工程上部结构为现浇等高度预应力混凝土箱形连续梁,三跨一联,等跨布置,单跨跨径为35 m,箱梁采用碗型断面 (见图1),上、下分幅,单幅宽12 m,分幅间距0.5 m。箱梁高1.8 m,宽24 m,单箱三室断面,箱梁结构顶面和底面平行布置,横坡通过支座垫石和梁底锲块进行调整。

图1 上部结构箱梁断面图(单位:cm)

该碗形箱梁采用支架现浇方法施工,其工艺流程如图2。

图2 碗形箱梁施工流程图

2 碗形箱梁施工支架模板支撑体系研究

2.1 碗型箱梁施工组合模板支架体系设计

现浇碗型箱梁施工模板支架体系采用 “竹塑模板片+仿形钢托架+碗扣式钢管满堂架”的组合体系,见图3。

图3 模板支架体系

支架分上下两个部分,下部支架采用碗扣式钢管满堂搭设,上部支架为箱梁模板仿形钢托架。碗扣式支架其接头传力可靠,搭设时不用拧螺栓,不受人为因素影响。立杆连接为同轴心承插,各杆件轴心交于一点,架体受力以轴心受压为主,因而承载力高,不易发生失稳坍塌。用作模板支架时,顶部插入可调托座。横杆与立杆连接工人用一把铁锤敲击辅助完成,速度快、功效高。全部杆件系列标准化,便于实施仓储、运输、现场堆放的现代化管理,工程成本较低。支架上部箱梁模板仿形钢托架为轻钢制作的仿形支架片,设计主要考虑的是克服现场场地的限制,作业人员操作方便,仿形支架片连接组成稳定可靠的托架系统,支架片利用汽车吊运至施工跨部位,只要通过作业人员安装就可以完成,模板拆除时,只要拆卸托架片的连接钢管,支架片自然放倒在碗扣式支架的顶部平台上,腾出空间拆除模板片,有利于施工。

箱梁底模采用竹塑模板,主要是材料本身板面光滑平亮,保证混凝土外表光洁度,达到清水模板要求;模板与混凝土很难粘接,脱膜容易,浇筑混凝土表面质量光滑,无须混凝土的抹灰作业;模板质量比普通模板较轻,易于弯曲,适用于变截面及弧度较大的曲面结构模板,且模板轻便,给施工带来方便,极大的缩短工作时间;耐水性好,材料鼓胀率小于 0.06%(竹质、木质的鼓胀率均超过12%～17%),永不分层,耐酸碱;可切割 (切完后无须封边,无须刮漆)、打孔,满足电焊作业条件;力学性能高,强度高于 《混凝土模板用胶合板(GB/T17656-1999)》国家标准相关要求;另外此类型模板为再生材料,废料通过回炉可以很快重新生产,使用成本低,只相当于竹、木模板的30%～50%,满足工程的需求,更利于环保材料在工程建设中运用及推广。

2.2 碗型箱梁组合模板支架体系的实施

2.2.1 碗扣式钢管满堂支架搭设

碗扣式钢管立杆为定尺杆件,为满足箱梁底部纵坡平顺的要求,立杆底部及与箱梁底部模板下木方接触的顶端采用可调节底托与顶托,底托与顶托外露丝杆不超过15 cm,当通过调节螺杆还不能满足要求时,可利用在底托下方垫枕木来完成。支架搭设定位、高度严格按设计坐标、高程实施测量放样 (见图4)。

为保证支架的稳定性,确保整个支架系统为几何不变体系,支架外围、中间每三排三列 (三跨)从底到顶设剪刀撑,底层、顶层、中间每三步设水平剪刀撑,立杆上端包括可调螺杆伸出顶层水平杆的长度不大于70 cm(除翼板边缘3列1.8 m段不大于50 cm外),剪刀撑穿越每步皆与立杆扣件连接,不允许虚扣,每隔3层布设水平剪刀撑。每道剪刀撑由底到顶、从左到右连续布置。剪刀撑用6 m长Φ48×3 mm普通钢管连续布置,钢管接长采用对接扣件接长,立向剪刀撑与地平面成45°～60°夹度,水平向剪刀撑与桥梁纵向成45°～60°夹度[4]。与碗扣支架连接处必须用扣件紧固,剪刀撑必须上至底模板,下至地面,顶和底必须设置水平剪刀撑。

图4 碗扣式钢管满堂支架搭设

2.2.2 满堂支架上方轻钢仿形托架体系安装

轻钢仿形托架片用无缝钢管依据箱梁底部设计弧形工厂弯曲加工成型,设纵、横两层规格为Ф48×3.5 mm钢管,将模板荷载传至支架。钢管曲率满足桥梁横断面梁底曲率变化要求,梁底4 m为直线段,两侧各4 m为圆弧钢管,间距与相应支架区段排距相同 (端横梁和横隔梁段采用单钢管,腹板及空箱段采用双钢管,翼板边缘2 m采用三并排钢管)。纵向钢管置于横向钢管之下,布置间距与相应支架区段列距相同,置于碗扣式支架顶托上;横向与纵向钢管扣件连接。轻钢仿形托架与下部支架体系通过剪刀撑连接,确保托架以上体系与下部支架体系连成牢固稳定的整体,避免混凝土浇筑过程中因集中荷载与动荷载造成托架上部体系整体位移,如图5所示。

图5 轻钢仿形托架体系

2.2.3 轻钢托架体上方模板体系安装

托架上方安装10 cm×10 cm方木,方木与托架通过铁丝固定,其上安铺15 mm覆膜竹胶板作为箱梁模板。方木纵桥向布置,方木与方木中心间距23 cm,置于横向钢管上。模板通过铁钉与下部木方钉牢,因竹塑模板本身的硬度,铁钉很难直接通过钉锤钉入,另一方面亦是为了避免钉入过程中可能对模板面造成损伤,在铁钉拟钉入的位置,采用电钻预开孔后再依孔钉入铁钉与下部木方钉牢。模板铺设时要注意纵横接缝通缝,缝宽一致,接缝宽度不得大于1.5 mm,接缝利用粘贴海绵条或胶质材料嵌填,利于后期混凝土表面观感 (见图6)。

图6 模板安装

2.2.4 组合模板支架体系预压

模板支撑体系安装完成后,尚需通过预压实验检查支撑体系的稳定性,确保混凝土浇筑的质量与安全。

预压前,用彩条布铺在模板上保护模板不被受损和污染,计算出箱梁各段的自重,采用砂袋按各段设计自重的120%进行预压。预压过程分三级加载,第一级加载到总重的80%,第二级加载到总重的100%,第三级加载到总重的120%,各级加载时间间隔在1天左右,加载时以混凝土浇筑的先后顺序从一端向另一端阶梯式加载。观测位置设在每跨纵向的0、1/4、2/4、3/4、4/4处设置5个断面,每个断面设置3个观测点,基础中同样设置,观测点上下对应,加载过程中分别在80%、100%、120%满载情况下各观测一次,120%满载后分别每天观测两次,并做好记录。全部加载后不能立即卸载,需恒压72小时,直到沉降稳定为止。预压完逐级卸载,卸载与堆载次序相反,卸载次序为:120%→100%→80%→0。每卸一次载进行一次测量,并做好记录,以求出非弹性变形和弹性变形,观测时间每30分钟一次,连续3次无变化时即可进行下一步卸载,以此类推。预压后,做出加载预压与变形、卸载与变形的曲线关系图和详细记录。

3 底板和腹板混凝土的浇筑工艺研究

箱梁混凝土分两次浇筑。第一次浇筑底板及箱梁翼板和腹板,翼板和腹板浇筑至上倒角处 (如图7所示)。第一次浇筑养生7天后,再进行第二次顶板部分浇筑,两次浇筑的接茬部位按施工缝处理。第二次浇筑前,先将混凝土表面浮浆和松动的石子凿除,将钢筋上的锈斑及浮浆刷净,再用高压水冲洗干净。

图7 箱梁混凝土浇筑示意图

混凝土浇筑遵循由低到高、对称浇筑、纵向分段、水平分层的原则。浇筑顺序为:先浇筑中间腹板倒角外侧1 m左右宽底板混凝土,纵向浇筑长度根据气温实际控制,保证在初凝前进行第二次混凝土浇筑→浇筑中间腹板混凝土,腹板浇筑时少量的混凝土溢出用人工抹平→浇筑两腹板中间水平段剩余底板→两侧弧形段中间约1.5 m底板→浇筑弧形上口的小梁及剩余弧形腹板。

由于曲线腹板不设内模 (设内模混凝土无法灌入和浇捣,易形成空洞),底板混凝土一次性浇筑,混凝土会下滑涌起,所以曲线腹板部分混凝土应分三次浇筑完成。第一次在中间腹板底部八字角处设置压板并向底板延伸1 m,先浇筑一段靠近中间腹板底部的混凝土 (见图8(a)),以抑制浇筑中间腹板混凝土时向曲线腹板侧涌出,第二次浇筑中间腹板以及曲线腹板顶部混凝土,最后浇筑曲线腹板中间剩余部分的混凝土 (见图8(b))。为控制碗形箱梁底板混凝土的浇筑厚度,在板面按每平方米均匀布置厚度控制点1个,控制点采用短钢筋预先绑扎在底板钢筋网上,其长度为超出底板厚度5 cm以上,待混凝土浇筑完成后割除。

图8 曲线底板混凝土浇筑

振捣时,振动棒垂直插入应快入慢出,分层振捣,每层厚度不大于30 cm,并正确控制好振捣时间,既充分使混凝土振捣密实,混凝土表面无蜂窝麻面和气泡,又不产生过振现象,其移动间距不大于振动棒作用半径的1.5倍,即45～60 cm。振捣时插点均匀,成行或交错式前进,以免过振或漏振,振动时间约20～30秒,每一次振动完毕后,徐徐拔出振动棒,以混凝土表面不再泛浆下沉为振捣密实标准。振捣时注意不得碰模板、钢筋、波纹管及其他预埋件。对每一振动部位必须振到该部位混凝土密实为止,也就是混凝土停止下沉,不再冒气泡,表面呈现平坦、泛浆[5]。

在浇筑同时,按照规定制作混凝土试件,除标养试件外,并现场养护3组试件,进行强度检查,以便确定预应力张拉和拆模落架时间。

箱梁浇筑完成后在混凝土初凝后立即洒水养生,为防止收缩裂缝,在箱梁顶部和侧面覆盖白色土工布等不褪色的保水材料进行养生,每天浇水次数以保持混凝土处于足够润湿状态为准,养生期不少于7天[5]。

4 实施效果

结合碗形箱梁的施工实践,采用本项目研究提出的 “竹塑模板片+仿形钢托架+碗扣式钢管满堂架”的组合模板支架体系和混凝土浇筑技术,同传统钢木模板相比,模板费用节约36%左右,模板安装时间可缩短50%,大大缩短了施工周期,并降低了施工成本;同时确保了箱梁整体线形,满足了箱梁达到清水混凝土的效果,如图9所示,取得了较好的经济和社会效益,为其它异形混凝土现浇箱梁施工提供了可靠的技术支撑。

图9 成型的碗形箱梁

5 结 语

碗形箱梁施工模板支架体系采用 “竹塑模板片+仿形钢托架+碗扣式钢管满堂架”的组合体系,可以简单方便地适应碗形箱梁的曲线底板的定型需要。箱梁曲线腹板混凝土分三次浇筑完成,成功地解决混凝土浇筑的流动性问题并保证施工质量。本文的研究成果为碗形箱梁的施工提供可靠的技术支撑,同时能够降低工程造价,缩短工期,保障施工安全,可以为类似工程提供借鉴。

[1]刘君,屠汉林,何新,等.碗型混凝土箱梁施工组合模板及支撑体系应用研究[J].建筑施工,2009,31(11):998-1000.

[2]徐新华,苏君明.鱼腹式预应力混凝土现浇连续箱梁施工[J].施工技术,2007,36(11):96-98.

[3]杨凤鹤,张宝鸿,张海荣.城市立交工程大型鱼腹式混凝土箱梁模板的设计与施工[J].建筑施工,2008,30(7):585-587.

[4]JGJ130-2011,建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].

[5]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].