钢管混凝土在园林景观桥中的应用

2022-07-17张晓瑞

科技研究·理论版 2022年2期

张晓瑞

摘要：在北京市玉渊潭公园南门景观桥主拱的施工中，采用了钢管混凝土泵送顶升技术。施工中从配合比、支撑体系、泵送控制与密实度检测等方面采取了一系列措施，保证了主拱混凝土压注工作的顺利实施，使设计理念得到充分的展现。该桥以新颖、独特的造型在园内发挥了重要的景观效应，实践证明钢管混凝土技术在园林景观建筑中有着广泛的应用前景。

关键词：蝶式拱，钢管混凝土，无收缩配合比，泵送顶升

引言：钢管混凝土是指将混凝土注入钢管内而形成的一种组合结构，钢管与混凝土的结合能更好的发挥这两种材料各自的优点，以提高结构的承载力。该技术虽已被应用，但在园林桥梁中并不多见。该桥采用钢管混凝土系杆拱，具有结构受力稳定、自重轻、跨度大、造型优美的特点，实现了低碳环保、节约材料、缩减工期、降低造价等目的，获得了良好的经济、环境效益和景观效应。

1工程概况

该景观桥位于公园南门内，跨越永定河引水渠，是游人出入公园南门的唯一通道。该桥以桥面系为界，下部采用钢筋混凝土桥台，上部采用钢结构系杆拱。系杆设计为钢箱梁断面，桥面两侧主拱沿铅垂面设置，拱跨31.8m，铅垂高度6.94m，两侧主拱拱身各向外倾斜25度，状似彩蝶之翼，故名为蝶式拱。下部桥台前墙呈曲线型，沿主拱向下延伸，使桥立面具有中承拱桥之优美造型。主拱作为承重拱，所有桥面系的荷载都通过刚性吊杆传递给拱肋，再由拱肋传至两侧拱脚并通过系杆至桥台，因此主拱承受较大轴力，是主要的承重构件。根据设计要求，主拱采用钢管混凝土，以同时满足结构与造型两个方面要求。拱壁为无缝钢管，采用Q345钢，外径636mm，壁厚12mm，内部填充C50无收缩混凝土[1]。

2施工要求及技术关键点

主拱圈采用泵送顶升法压注C50无收缩自密实混凝土，借助混凝土的自重挤压密实。钢管混凝土与普通混凝土结构相比，具有结构断面小、自重轻、跨度大、承载力高、节省钢筋、易于养护、造型优美等特点，但在混凝土配合比、主拱支撑体系架设等方面技术要求较高，在泵送顶升过程与密实度控制等方面控制难度较大。

2.1配合比

与普通混凝土相比，钢管混凝土应具有良好的和易性，同时具有收缩补偿的特点，以满足免振要求。因此合理的配制是顺利施工的前提保障。

2.2支撑体系架设

该桥为体现园林建筑之特色，两主拱外倾25度。混凝土压入拱腔后，荷载会急剧增大，合理的架设支撑可有效保证拱的侧向稳定，因此要编制专项支撑方案。

2.3泵送顶升

泵送顶升是靠泵压力将混凝土从低处向高处顶升压注，骨料在顶升过程中处于悬浮状态，通过不断挤压将拱腔内混凝土的气体排除，虽然顶升法具有先进的理论基础，但在实施中要控制好压注速度，做到均衡施压以防止主拱失稳。

2.4密实度控制

由于钢管内的混凝土无法振捣，并且伴随着龄期增长，混凝土会产生收缩。虽然在混凝土配比中考虑了补偿收缩的性能，但现场施工中存在着不确定因素。因此對混凝土密实度的控制与检测也需制定详细措施。

3分析及应对措施

针对上述问题我们逐一分析并采取了一系列技术措施，具体如下：

3.1原材料的质量要求

应选用低水化热的水泥，防止水化热过高而引起拱内混凝土收缩过大;选用级配良好的河砂，细度模数2.5～2.8，含泥量≤3%，泥块含量≤1%，通过0.315mm筛孔的砂不应少于15%;粗骨料宜为5～25㎜连续级配碎石，并达到含泥量≤1%泥块含量≤0.5%，针片状颗粒含量≤10%的要求，在满足泵送条件下，优先选用粒径较大的骨料，以降低用水量，减少水化热。

3.2配合比要求

为充分发挥钢管混凝土的性能，防止在水化过程中由于混凝土收缩导致钢管内混凝土不密实，造成主拱质量缺陷，制定了以下配比要求：（1）水灰比<0.4;（2）在保证混凝土工作性能的前提下，尽量减少水泥用量，掺入适量的Ⅰ级粉煤灰，优化混凝土内部的孔隙结构，使混凝土内部更加密实，提高混凝土的耐久性;（3）适当增大混凝土坍落度以满足可泵与免振要求，坍落度宜控制在180～220㎜;（4）为确保腔体内混凝土填充密实，掺入微膨胀剂，以满足补偿收缩的要求，其水中限制膨胀率为0.02%～0.04%;（5）选择高效减水剂，延缓初凝时间，确保混凝土泵送顺利完成;（6）在初配的基础上，按水胶比增加0.02和减少0.02进行试拌对比，并确定最终配合比。

3.3支撑体系架设方案

在压注过程中支撑将在水平与垂直两个方向承受较大外力，为确保主拱侧向稳定，制定了以满堂支架为基础，沿桥身纵轴向两侧主拱延伸布置碗扣式钢管支架的方案，支架高12m，总平面尺寸40.5m×20.6m，具体如下：

（1）该桥所处昆玉河底为方砖面层，基层平整坚实，故与地面接触统一铺设60mm厚垫木，支架上部与主拱接触面铺14mm厚的钢垫板;（2）为加强立杆稳定性，除扫地杆外第一排纵、横向水平杆距立杆顶部200mm，其余各步间隔≤1200mm，与主拱接触的主要受力点立杆间距为300mm、600mm，其余为900mm、1200mm;（3）剪刀撑沿支架四周由底至顶连续布置，中间每搁四排立杆也设置一道纵向剪刀撑，同时在支架两端与中部每隔4排立杆从顶向下每2步架设置一道水平剪刀撑，并沿最外侧立杆搭设斜撑，以保证支架的整体稳定性[2]。

3.4泵送顶升的控制

主拱跨度31.8m，铅垂高度6.94m，内径612mm，正常情况下拱内混凝土将按一次压注到顶实施，同时两侧拱脚处设φ150注浆孔，拱顶设一处φ150排气孔。混凝土自两侧拱脚同时压入，保证连续实施并在初凝前完成，待排气孔处冒浆后方可停注，并及时封闭注浆孔，混凝土凝固后注浆孔与排气孔处以与拱壁同厚钢板焊接封闭。但考虑施工中存在不确定因素，因此做了临时钻孔排气的准备，一旦拱内混凝土因气泡或断层而引起堵塞，当立即钻孔排气以保证压注质量。

3.5密实度的控制

为保证拱内混凝土密实度，在压注实施之后应进行超声波检测及拱壁人工敲击检测，在施工当中也采取了排浆观察和核对混凝土用量两项监控措施。

4实施与检测

4.1混凝土配合比

实验室针对C50无收缩混凝土配制的质量要求进行了试配，并按基准水胶比±0.02进行了调整及对比，确定了本工程的C50无收缩混凝土配合比如表1所示：

由于实验室所用骨料均为干燥的，因此对现场砂、石含水量进行了检测后，将砂、石所含水分从水中扣除，得到调整后的最终施工配合比如表2所示。

4.2主拱混凝土压注

为确保混凝土的缓凝保塑指标，应尽可能在气温较低的时间进行压注，经对一周的温度测定，我们定于早晨6时正式实施压注。

为避免注压不均衡而产生水平推力，施工中两侧拱脚同步注浆，首先从两个泵送孔各注入1m3与混凝土内砂浆成分相同的水泥浆，然后空泵续压片刻，待指令发出后，采取相同的泵压力同步压入混凝土。实施中要控制压注速度，做到先慢速逐渐提升后并保持匀速，管内两侧混凝土尽量保持在同一水平面稳步上升，高差不应超过1m。当施工中北侧压注速度过快时，我们及时调整并保持该侧空泵持压，防止混凝土出现倒流，待南侧混凝土上升到与北侧同一高度时，再继续送料施压。为确保混凝土初凝之前注浆完毕，在施工过程中有专人负责控制罐车内的混凝土存量，保证压注不间断，不长时间压车。随着混凝土的持续压入约7～8min，先前注入的水泥砂浆自排气孔中喷冒出来，持续时间约20s。伴随着腔体内排出砂浆的高度变化趋于稳定，并逐渐转化为混凝土，说明混凝土内气体已基本排出，经核对混凝土的用量无误后，方可认为腔体内混凝土已达到密实要求，然后停止注浆并及时封闭压注孔。待混凝土凝固后，所有注浆、排气孔均用钢板焊接封闭。

在对另一侧主拱实施压注时，由于吸取了经验，压注时间缩短约了1～2min，排出物中的气体相对较少，取得了更好的效果[3]。

4.3检测

压注实施后我们对主拱的各项指标进行了检测，其结果如下：

4.3.1密实度检测

在混凝土终凝后，派专人持测锤进行敲击管壁检测，没有发现空鼓、清脆的声音，可初步判定管内混凝土是密实的。而后在龄期达到28天时，又进行了超声波检测，均未发现空鼓情况，说明钢管内混凝土达到了无收缩微膨胀的设计要求。

4.3.2主拱倾斜度变化检测

主拱吊装就位后，为防止混凝土在压注过程中荷载的增加造成主拱倾斜角度过大，我们预留了变形量，拱倾斜度为24.0度，在压注实施中，于拱脚架设经纬仪，拱顶悬挂铅垂线，观察拱角度、位移在整个施工过程中的变化，发现主拱无明显变化，且最终倾角24.3度，满足设计要求。

4.3.3混凝土强度检测

主拱混凝土压注4d后经检测实际强度为设计强度的101%，28d同条件试块强度达120%，如表3所示，充分显示了钢管混凝土结构与普通混凝土相比其优越的结构性能。

结束语：该桥主拱采用钢管混凝土，在主拱混凝土施工4d后就进行了桥面系的施工，与普通混凝土结构相比大大缩短了施工周期，节约了劳动力，在保证结构稳定的前提下又达到了低碳环保、降低造价的目的，目该桥在公园内发挥重要的通行和景观作用。实践证明钢管混凝土结构在造型新颖的园林建筑中同样适用。

参考文献

[1]蔡绍怀《现代钢管混凝土结构》2003年4月