花山大桥钢混结合段施工质量研究

李 昂 薛鹏龙 刘厚军 李 雁 雷宏军 朱 阔 王 俊 万 里

1. 南京市城市建设（控股）有限公司 江苏 南京 210037；

2. 南京工业大学土木工程学院 江苏 南京 211816；3. 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 湖北 武汉 430050

桥梁的钢混结合段一直以来都是困扰桥梁施工的重要问题，国内外许多人员对于不同桥梁的钢混结合段进行了研究，但目前施工过程中可能存在的缺陷问题还未能得到很好的解决。

施一春[1]研究了安徽省亳州市涡阳县的涡河三桥，该桥的主塔形状为水滴形，是钢混组合塔独塔斜拉桥，与本文花山大桥的结构形式类似，重点研究了钢混段的受力特性。雍海鸽[2]以山水1号斜拉桥为工程背景，分析不同工况下钢桥塔的受力情况，并对墩塔结合部的钢混段进行局部应力分析和参数研究。程旭东[3]以肇庆市阅江大桥为工程背景，研究了斜拉桥钢混桥塔的温度场及温度效应，同时，建议进行水化热温度的预估计算，以便更好地指导施工。陈克军等[4]以马尾大桥跨江段桥梁工程主桥主跨跨中采用钢箱梁为背景，从桥面吊机、设计与改造施工、钢梁的吊装与调位、钢混段的浇筑施工等方面进行全面研究。苏从辉等[5]以池州长江公路大桥为背景，对主跨828 m的双塔双索面非对称混合梁斜拉桥主梁的施工吊装和钢混结合段施工进行了研究。宋书玉[6]以石首长江公路大桥工程中的主桥钢混结合段施工项目为例，进行钢混段浇筑质量的研究，旨在提升混合梁斜拉桥工程的施工质量。吴晨等[7]在钢套管灌浆结合件中研究了灌浆不足会产生的影响以及锆钛酸铅（PZT）套管灌浆密实度检测方法。闫石等[8]提出了一种基于智能骨料的钢管混凝土柱密实度检测方法。

本文以花山大桥为例，对钢混结合段混凝土密实度的施工监测技术进行研究。

1 工程概况

花山大桥项目位于南京市高淳市环湖线，如图1所示。花山大桥主塔采用斜靠式“心”形拱塔造型，拱塔高度达83.2 m，由42段钢结构拼接而成，在空中形成一个弧形，大桥全长2.22 km，其中主桥部分250 m，在上拱塔和下拱圈分别有4个钢混结合段，如图1（b）所示。混凝土结构段在水面以下，钢结构部分在水面以上。该部分是整个桥塔的核心，上部主塔的所有力将通过这部分传递到下部的桥墩及基础。

图1 花山大桥总览和钢混结合段部位

2 施工难点

以典型的GH1钢混段为例，如图2所示。上拱塔钢混结合段顶端稍微高出主梁顶面，底端基本与主梁底面平齐，且钢结构部分底端在水平面上，以达到较好的景观效果。上拱塔钢混结合面位置处设置承压板，承压板厚60 mm。承压板以上壁板厚32 mm，采用厚24 mm的板肋加劲，加劲肋与承压板顶紧焊接，以扩散钢塔壁传至混凝土面的压应力。承压板以下壁板厚32 mm，不设加劲肋，套在混凝土塔柱端的外侧，在其内侧焊接抗剪栓钉，使钢结构和混凝土结构结合成为整体，剪力钉直径22 mm，高200 mm。承压面上的构造则较为复杂，断面四周布置预应力钢绞线，以抵抗主塔的纵、横向弯矩。简而言之，即在下部设置一个钢箱，在其中灌满混凝土，并结合上部桥塔结构。

由图2构造可知，钢混结合段中既有各种类型的隔板，也有大量的剪力钉，以实现下部混凝土结构与钢结构之间的力学过渡，钢结构与混凝土之间的密实性将是整个力学过渡能否实现的关键因素。原施工方案中，拟采用自密实混凝土、设置排气孔等方法解决这一施工问题，但因现场情况复杂，可能造成质量隐患，需结合现场实际情况进行调整。

图2 花山大桥GH1钢混段实物

3 关键施工技术

3.1 钢混段原施工方案

在施工设计阶段，混凝土浇筑方案是在钢混段的钢箱部分预留了灌注孔和排气孔，如图3所示。

图3 钢混段GH1灌注孔和排气孔

根据原施工方案，混凝土浇筑主要分为2个阶段：首先利用灌注孔向钢混结合段内灌注自密实混凝土；待自密实混凝土浇筑到灌注孔下沿后，封闭灌注孔，再利用钢混段的注浆孔和排气孔进行注浆，以期将无法直接灌注的部分用高强砂浆填充。

实际在安装后发现，部分灌注孔可不需要使用，而注浆也难以依照原方案进行，因而本文提出新的浇筑方案。

3.2 GH1和GH2施工方法

由于GH1和GH2的结构形式和浇筑方式基本相同，所以本文还是以GH1为对象，阐述具体的施工方案和步骤。GH1钢混段长3.5 m、宽3.2 m，总高7.87 m。如图4所示，为便于排气和注浆，新方案在钢混结合段顶部重新安装了注浆孔，且GH1实际在完成现场焊接后，在空间上是倾斜的，因而最终注浆时，将位于低处的排气孔作为注浆孔，高处的排气孔作为最后注浆的排气孔和液面观察孔。

图4 钢混段GH1施工工艺孔位置

钢混段的混凝土浇筑仍然分为2个阶段：第1阶段仍然是自密实混凝土的灌注。如图3所示，底部灌注孔封闭，只保留最上面的灌注孔，将自密实混凝土浇筑至开孔下沿位置，如图4所示，振捣完毕后再封闭灌注孔，待确认已浇筑部分的密实度后，进入混凝土养护阶段。

待自密实混凝土初步成形后，开始第2阶段注浆。采用在钢箱表面预留的排气孔进行注浆。值得注意的是，根据现场情况，应选择较低位置的孔洞作为注浆孔，而较高位置孔洞则应作为排气孔。如图4所示，自密实混凝土浇筑时，排气孔1和排气孔2均为排气孔；而注浆时，排气孔1则作为注浆孔使用，排气孔2则仍然作为排气孔使用。持续注浆，待排气孔2有均匀、无气泡的浆液排出时，说明钢混段的孔洞已被砂浆填充完成。

3.3 GH3和GH4施工方法

钢混段GH3和GH4类似，如图5所示。钢混段长3.5 m、宽3.2 m，GH3的总高为5.15 m，GH4的总高为5.45 m。因为GH3和GH4的结构位置和浇筑方式相同，所以依托GH3阐述具体的施工方案和步骤。

图5 钢混段背部浇筑孔的位置

灌注孔、注浆孔和排气孔均开在钢混段的外壁（背部），如图5所示。第1阶段浇筑时，从底部灌注孔浇筑自密实混凝土至开孔下侧，振捣完成后，封闭浇筑孔。自密实混凝土初步成形后，进行第2阶段的注浆施工。如前文所述，排气孔1作为注浆孔使用，而排气孔2位于较高的位置，仍然作为排气孔使用。从注浆孔进行注浆，等排气孔有均匀的浆体排出时，则证明钢混段全部浇筑完成。

在注浆过程中，排气孔除了用于排出钢箱内部的空气，还是重要的混凝土液面观察孔。在浇筑过程中，应该保持以下4项原则：应在不同高度位置设置混凝土排气孔，根据低处排气孔中浆液喷出情况，判断混凝土的液面高度，并实时调整混凝土的浇筑速度；排气孔应设置于钢混段的高处和各处“死角”，确保空气能尽量排出；排气孔应焊有短钢管，并在其上接有阀门和透明软管，以便观察液面，并根据需要随时关闭；注浆时，应依据低处注浆、高处排气的原则施工，如发现不密实，应及时补浆，并适当过量补浆，以保证注浆过程中的空气能够充分排出。

4 现场施工和超声检测

4.1 现场施工

如前文所述，现场施工时，第1阶段采用自密实混凝土灌注。浇筑完成后，遵循低处注浆、高处排气的原则，对钢混结合段顶部进行注浆，直至排气孔有均匀、无气泡的浆体排出时，则代表着注浆完成，如图6所示。

图6 花山大桥钢混段现场注浆过程

4.2 超声检测

混凝土浇筑完成后，现场检测采用超声断层扫描方法对钢混结合段内的混凝土密实情况进行了现场检测。

超声断层扫描是近年来迅速发展的超声成像技术的一种，不同于常规的超声检测技术，该技术是利用超声波的反射原理进行测试的。为了增强超声波的探测效果，采用了阵列式超声探头，通过多次反射，多次接收，从而提高了反射超声波的成像效果。本文采用的是俄罗斯ACS公司A1040MIRA超声波断层扫描成像仪，该设备有48个超声探头，是目前探头数量最多、探测精度较高的三维超声断层扫描设备。现场检测过程中，由于其中存在着预应力孔洞，在检测时应与浇筑过程中混凝土密实问题相区别。如图7所示，为预应力孔洞所在位置的超声波图像，与设计图纸上的位置完全一致。

图7 预应力孔所在位置检测结果

GH1钢混段为第1个浇筑的钢混段，以GH1钢混段为例，重点对其注浆质量进行了检测。在注浆完成后立即进行检测，发现问题部位的超声波图像如图8所示，疑似存在注浆不密实问题。

图8 问题部位检测结果

初步判断是由于初期注浆速度过快，导致钢混段内部有空气未及时排出，存在不密实问题。由于砂浆尚未凝固，此时可以通过调低灌浆速度，让注浆口持续有浆液冒出，将钢箱内的空气慢慢带出。15 min后，再次测试，结果如图9所示，混凝土密实度改善明显。

图9 工艺调整后检测结果

5 结语

1）提出了自密实混凝土由底部向上灌注，并在不可浇筑位置，低处注浆、高处排气的施工方法。施工过程中，按高度设置了排气孔，一方面方便气体及时排出，另一方面也便于观测液面，从而有效保证了桥梁钢混结合段混凝土浇筑质量。

2）采用超声法，对混凝土浇筑的密实度进行实时监测确认，将数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用超声探伤监测指导施工，及时改变注浆策略，对混凝土中的缺陷进行补救，确保施工安全、快速。

3）从花山大桥项目完成结果来看，本文所述的施工技术可以有效保证桥梁钢混段的施工质量，满足设计要求，所用的一整套关键施工方法合理，节省了后期返修费用，通过施工技术优化创新降低了成本，有很好的推广和实用价值。