全宽预制STC超高韧性混凝土覆面叠合桥面板关键施工技术应用研究

2021-09-06龚景森

中国科技纵横 2021年13期

龚景森

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511450）

0.引言

组合钢板梁结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。非支撑横梁体系钢板组合梁桥在结构上进一步简化，充分发挥钢材和混凝土材料的力学性能，且构造简单，是进一步实现设计标准化、施工快速化、运营管理便捷化的优势选型，有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，是桥梁结构体系的工业化发展的重要方向[1-2]。

由于混凝土抗拉性能弱的特征，在连续钢―混凝土组合梁的负弯矩区，会产生裂缝，影响组合梁的安全性能以及耐久性。组合梁桥为解决负弯矩区段混凝土桥面板承受拉应力的问题，常规有设置墩顶梁段设置张拉预应力或在中间墩顶支座处进行顶升和回落。由于全桥宽预制桥面板的厚度较薄，且有横向预应力钢绞线，因此再设置纵向钢绞线较为困难，而且结构较为繁杂，施工难度较大；中间墩顶支座处进行顶升和回落的施工方法施工桥面板，克服混凝土徐变带来的预应力损失还能储备一定的压应力在桥面板中，以改善桥面板受力情况，但是对顶升量控制难以控制且工序较为繁琐，对施工进度控制不利和机械设备的要求较高[3]。

广东省云浮罗定至茂名信宜（粤桂界）高速公路工程老屋村大桥为钢板组合梁桥结构，其负弯矩区的桥面板C50混凝土顶部采用10cm的STC（超高韧性混凝土混凝土）叠合设计，提升负弯矩区抗拉性能，提高其桥梁结构的承载力和使用寿命。本文针对该类型全宽预应力桥面板的预制施工工艺、关键技术进行分析总结。

1.工程概况

广东省云浮罗定至茂名信宜（粤桂界）高速公路工程老屋村大桥采用双向四车道高速公路标准，设计时速100km/h；桥梁全长448m。桥跨布置为（4×40m+4×40m+3×40m），主梁采用双工字钢板组合梁，单幅组合梁桥面宽12.5m，双幅全宽25.5m。钢主梁采用Q345qC工字型钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉后浇混凝土连接，双主梁之间采用横梁加强横向联系，横梁标准间隙8.0m，钢主梁和横梁之间采用焊接连接，钢板梁腹板结构中心处梁均高2.2m，钢梁全宽7.8m。预制桥面板标准段采用C50混凝土，墩顶负弯矩区两边各6.75m范围内湿接缝及剪力槽和C'类桥面板顶部10cm使用STC材料。桥面板纵向采用钢筋混凝土湿接缝连接，横向全宽预制（预制面板的横断面见图1），设置横向预应力。桥面板存放期≥3个月，以减小收缩徐变。

图1 STC覆面叠合桥面板立面构造图

全宽预制STC超高韧性混凝土叠合桥面板预制施工时钢筋定位精度高、桥面板结构尺寸大、双层混凝土叠合施工、平整度要求高等施工难点。文章结合工程实践为背景，总结分析全宽预应力桥面板两种模板体系施工对比、桥面板质量与精度控制、STC叠合施工等关键施工技术与经验可供类似工程参考借鉴。

2.主要施工工艺简述

预制桥面板主要施工工艺：钢筋半成品加工→钢筋绑扎台座进行钢筋骨架整体绑扎→钢筋骨架整体吊装入模→合模→混凝土浇筑第一层混凝土（C50）→混凝土浇筑第二层混凝土（SCT）→保湿养护→脱模→张拉第一批预应力并压浆、封锚→起吊至二次养护区养护→高温蒸汽养护→堆存达到90d龄期后架设桥面板。

本工程采用钢板组合梁桥面板全宽幅预制，纵向采用湿接缝连接，桥面板预留孔洞与钢梁剪力钉通过后浇混凝土连接形成整体。C'标准桥面板尺寸为3.0m×12.5m，平面构造示意如图2。桥面板设置6束横向预应力钢绞线，考虑到桥面板剪力槽的位置，分两个阶段张拉：

图2 STC覆面叠合桥面板平面构造图

（1）为满足起吊需要，混凝土强度达到设计强度的90% 时，张拉距未穿过剪力槽的4束钢绞线；

（2）为减少因砼收缩产生的预应力损失，待桥面板安装完成且剪力槽砼强度达到设计值100%后张拉其余束钢绞线。

3.模板体系对比分析

3.1 整体式模板法

预制板采用固定式整体模板，模板和预埋在混凝土支墩上的槽钢焊接固定。钢筋在场内加工区加工成半成品后，在台座上绑扎成型，并安装预应力管道。安装端部梳齿板及剪力钉槽口模板，龙门吊提吊吊斗浇筑混凝土。初凝后，覆盖土工布洒水养生、等强7d后安装预应力筋，张拉、压浆、封锚后，50t龙门吊提吊至临时存板区存放。

常规固定固定式整体模板预制桥面板必须待混凝土达到起吊强度并吊出后方可进入下一循环的施工，单个结构施工暂用模板时间较长，周转效率低，场地要求高、模板投入大[4]。由于桥面板的面积较大，浇筑混凝土后与底模吸附力较大，同时由于起吊无法保证绝对的平衡，在起吊出模的瞬间可能造成桥面板受损形成缺边掉角或结构裂缝等问题。固定式整体模板与台座基础连接时，除了考虑竖向荷载外，还考虑板体起吊瞬间与底模间的吸附力，这就要求固定式整体模板与台座基础做必要的锚固措施，以抵抗这种因吸附力产生的上拔力，结构较为繁杂[5]。

3.2 移动式模板法

移动式模板法是指模板体系移动、梁位不动的一种预制方法，其钢筋工程、混凝土工程均与整体式模板法相同，仅在模板的构造与安装方式上存在差异。预制台位安装模板体系分为五大部分，两侧翼缘板下以及中央板下为可移动部分，钢梁对应的两处位置为固定台座，在台座顶面嵌入钢板形成底模。可移动部分设支撑装置，并设滑轨及动力装置，实现模板体系的脱架以及移动。

工艺上，先将底模移动就位，固定在预制台座垫梁上，待桥面板钢筋绑扎后，安装侧模。模板安装要求牢固、稳定、不变形，拼缝严密、不漏浆，并严格控制模板几何尺寸符合设计和规范要求，对预留钢筋通道形成的孔洞，采取分块插入梳齿式薄钢板，防止漏浆。

当桥面板混凝土强度达到2.5MPa以上时，且混凝土芯部与表层、表层与环境温差均不大于15℃，气温无急剧变化，并保证梁体棱角完整后，方可拆除侧模板，拆除模板前首先应拆除模板间的连接，利用龙门吊进行起吊、人工配合。

拆模顺序为，先拆除翼缘板侧端摸，再拆除腹板侧端摸，最后拆除底模推拉杆，如图3、图4所示。

图3 翼缘板端摸及推拉杆拆除示意图

图4 腹板端摸及推拉杆拆除示意图

分块移动底模，将底模移动至下一桥面板浇筑位置，进行下一块桥面板预制，周转使用率较高。移动式模板法类似于长线预制，能够直观反应各桥面板块之间的联系、钢筋关系，对于生产管理有着较高的优势，如图5所示。

图5 底模移动示意图

4.施工精度控制

4.1 剪力槽及钢筋定位

针对剪力槽尺寸和位置不准确、剪力槽钢筋与剪力钉互相冲突问题，在钢底模板限位剪力槽模板，提前在模板上模拟出剪力钉位置，同时与钢板梁加工厂家沟通，在焊接剪力钉时模拟出桥面板位置，解决剪力槽内部钢筋与剪力钉互相冲突问题，如图6、图7所示。

图6 钢梁剪力钉定位

图7 钢梁剪力槽口定位

4.2 结构外观及尺寸

（1）侧模梳齿板拆除时通过龙门吊加导链配合拆除，避免造成模板变形及混凝土棱角损坏；

（2）活动底模行走至下一个浇筑位之后，通过底模撑杆调整底模标高，利用水准仪测量，在每块模板四个角点分别选取一点，各点高差不大于2mm；

（3）活动底模与混凝土台座上固定底模的接触面通过调整底模拉杆及撑杆消除错台；

（4）相邻模板间设置橡胶止浆条防止漏浆。

5. STC叠合工艺

预制桥面板包括下层12cm厚C50混凝土层和上层10cm厚STC层上、下两层混凝土分别在台座上浇筑及养护至龄期后，再张拉横向预应力钢束，最后吊装至存梁区。

STC层内布置有纵、横向钢筋网，其中除按普通预制板配置了HRB400级φ28纵向钢筋和φ20横向钢筋，还分别在纵、横向钢筋间增加了一束HRB400级φ12钢筋。为保证预制板之间的纵向预留钢筋相互错开，相邻预制板的纵向钢筋相互错开30mm。

STC混凝土标号为STC22，由水泥、石英砂、钢纤维、核心料（专利产品，包括硅灰、粉煤灰、高效减水剂等）和水等拌合而成。生产方式采用工厂把固体原材料预拌成干混料，然后现场加水进行二次拌合。每块预制板需要干混料3m³（考虑4%损耗）。

5.1 工艺流程

STC桥面板的制作工艺流程如图8所示。其中桥面预制板保湿养护在台座上进行，养护时间为STC摊铺后的48h；湿接缝凿毛为STC終凝后（约16h），拆除侧模，然后进行湿接缝凿毛。高温蒸汽养护在专用养护台座上进行，持续时间约为5d（包括蒸汽养护升、降温时间和恒温养护时间）。

图8 STC桥面板预制施工工艺流程图

5.2 高压水枪射水凿毛

STC与普通混凝土的粘结非常关键，采用高压水枪进行射水凿毛，确保桥面板表面形成凸凹不平的粘结面，且不存有碎渣及灰尘，在浇筑前保持湿润状态。

5.3 STC生产

5.3.1 STC配合比设计

STC的主要原材料包括水泥、石英砂、石英粉、硅灰、钢纤维、高效减水剂等，为使材料充分拌合均匀，STC的生产一般采用在专业工厂将固态原材料预拌成干混料并计量包装，然后在现场加水进行二次搅拌。STC干混料生产厂家根据本项目的性能要求，先进行试配，拟定初始配合比，再根据原材料的要求确定施工配合比。施工配合比确定后，水泥、石英砂、钢纤维等原材料的品种、规格、产地等不得变化；如果发生变化，需重新制定新的配合比。干混料进场时，干混料生产厂家需提供原材料的产品合格证、出厂检验报告等，并提供STC干混料和水的施工配合比。

干混料进场前，需首先进行外观检查，干混料不得有结团、受潮等情况，袋装的重量偏差等满足要求；然后按批次（同一规格、同一原材料、同一生产厂家，以不超过200t为一批）对干混料进行取样，并根据厂家提供的施工配合比进行配合比验证，验证的主要指标包括STC的抗压强度、抗弯拉强度、弹性模量、干混料中钢纤维含量的均匀性等，合格后方可允许进场。

5.3.2 STC搅拌

STC搅拌为STC干混料和水的拌合。本项目结合STC的材料特性并为保证预制板的结构性能，搅拌采用如下措施：

（1）采用先进的大功率STC专用高速智能搅拌设备，缩短搅拌时间，减少气泡的混入；

（2）采用2台1m³搅拌机分盘搅拌，然后集中卸入布料车内，布料车连续不间断搅拌，然后单片板一次布料完成，保证预制板中钢纤维含量及分布均匀；

（3）搅拌需按照配合比对原材料进行准确计量，并严控搅拌程序和搅拌时间。

STC搅拌首先采用桁吊把称重好的STC干混料投入搅拌机料筒内，干拌30s左右，使干混料处于流动状态；然后按比例计量加入水，进行湿拌合，搅拌过程中通过观察窗口观察拌合物的状态，待STC拌合物流化后，继续搅拌不少于2min，总搅拌时间不少于8min。STC的搅拌程序和搅拌时间控制如表1所示。

表1 STC搅拌程序及搅拌时间控制

5.3.3 STC运输及布料

STC材料的水灰比低，在0.16～0.2之间，为防止运输过程中和分次布料的待料过程中STC表面水分散失导致结皮情况，采用15m³的搅拌运输车一次装料后运至浇筑地点，一次布料完成，中间不停顿。运输过程中保持罐体始终在转动，使料斗内STC一直处于搅动状态，防止骤凝。接料前需对料斗进行充分的清洗，不得有残渣、积水等。

国外的研究表面，纤维取向对STC构件的抗拉性能有显著影响，而浇筑方向对纤维的取向有显著影响，采取如下保障措施：

（1）布料前检查。对钢筋、预埋件等的位置进行检查，确保安装位置准确；对模板尺寸、密封等情况进行检查。

（2）对作业面进行洒水湿润，但不得有积水。

（3）浇筑方向沿长边方向均匀布料。

（4）布料时，料斗于一点卸料，通过STC自流平向其他位置布料。

5.3.4 振捣整平

不同于普通混凝土，STC的振捣主要目的是把搅拌和浇筑过程中混入的气体排出，同时使钢纤维的取向朝向结构有利的方向；采用插入式振捣棒会使钢纤维积聚在振捣棒周围，不利于钢纤维的分布，如图9所示。