武汉青山长江大桥边主梁超压重混凝土施工技术

武汉青山长江大桥边主梁超压重混凝土施工技术

付少英   ,程声智

中铁大桥局集团有限公司   湖北 武汉 430034

摘要：对于大跨度斜拉桥，为保持施工阶段边中跨荷载平衡，保证结构抗倾覆稳定性，并确保在施工阶段和运营状态时辅助墩和过渡墩支座处不出现负反力，需要在辅助墩、过渡墩、边跨梁端等处配置压重荷载。本文对武汉青山长江大桥主桥16#边墩墩顶超高密度混凝土配制与施工进行深入研究，配制出容重不小于5.89t/m3的超高密度压重混凝土，通过对配合比设计、施工方案、施工控制的不断优化，确保了压重混凝土的施工质量和进度要求。

关键词：压重混凝土；斜拉桥；混凝土配合比；施工技术

Construction technology of overpressure concrete

for the side main beam of Wuhan Qingshan Yangtze River Bridge

FU Shaoying,Cheng Shengzhi

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan 430034,China)

Abstract:For long-span cable-stayed bridges, in order to maintain the load balance of the side and mid-span during the construction phase, which ensure the anti-overturning stability of the structure, it is necessary to perform heavy loads at auxiliary piers, transition piers and side-span beam ends. In that way, there is no negative reaction force at the auxiliary pier and the transition pier support during the construction phase and operation state. In this paper, the preparation and construction of ultra-high-density concrete on the top of the 16# side pier of the main bridge of Qingshan Yangtze River Bridge in Wuhan are studied in depth. The ultra-high-density compacted concrete with a bulk density of not less than 5.89t/m3 is prepared. The continuous optimization of construction control ensures the construction quality and schedule requirements of the weighted concrete.

Key words: Weighted concrete; Cable-stayed bridge; Concrete mix ratio; Construction technology

1工程概况

青山长江公路大桥为武汉市四环线东北跨越长江段，是四环线上的两个过长江通道之一，是四环线贯通、发挥环线全线功能的关键性工程。路线全长为7.548km，全线均为桥梁，其中长江大桥（主桥、滩桥、跨堤孔桥）全长4.374km，两岸接线桥梁长3.174km。

青山桥南汊主航道桥桥跨布置为（100+102+148＋938＋148+102+100）=1638m斜拉桥，采用双塔双索面全漂浮体系，主跨主梁采用整体式钢箱梁，边跨采用钢-混凝土结合梁主梁（即钢箱结合梁），主塔采用A型混凝土塔，主塔处主梁采用全漂浮体系，纵向设置阻尼器，横向设置抗风支座，边墩、辅助墩设置减隔振支座，主桥桥式立面布置如图1所示。

图1  青山长江公路大桥主桥桥式布置图（单位：m）

2钢箱梁压重构造设计

2.1 主桥边跨钢箱结合梁压重设计总体方案

武汉市四环线青山长江大桥边跨主梁采用钢箱混凝土结合梁，中跨主梁采用整体钢箱梁，钢箱梁与钢箱梁混合面设于主塔中跨侧18.0m处，边跨结合梁总长368m。边跨钢箱结合梁由槽型钢主梁与混凝土结合板通过剪力钉结合为一整体，结构外轮廓总宽48m，全高4.47m，其中钢主梁高4.06m，混凝土结合板标准厚度0.37m，混合段处加厚。青山长江公路大桥边跨跨径较大（最大跨度148m），且桥面宽、荷载重，运营状态下在辅助墩处出现较大的支座负反力，且主梁墩顶负弯矩较大，容易使桥面板在拉应力作用下产生开裂。

解决辅助墩支座负反力的常规方法有两种：①设置拉索体系联结主梁与墩身，如丹麦的厄勒海峡桥；②压重，如我国南京二桥等公路桥利用钢箱梁内部空间施加压重块。同时根据钢箱-混结合梁斜拉桥的结构和受力特点，常规改善墩顶负弯矩区桥面板的受力主要措施通常有：①桥面板的安装次序及与钢梁的结合时机选择；②通过支点顶落梁措施导入预压应力；③通过预应力筋在桥面板内施加预压应力。根据计算研究结果，采用预应力筋对桥面板施加预应力，因混凝土弹性压缩、收缩徐变、管道摩阻等原因，预应力损失为18%-25%，能够传递至混凝土桥面板的有效预压力占总预压力的80%左右。青山长江大桥边跨钢梁为钢槽梁，隔板间距3m，钢梁截面大，整体刚度较大，预应力施加在钢梁中的比重更高，对桥面板的预压力效率较低，分析结果显示，有效预压力的52%-60%施加在钢梁上，钢梁上、下缘压应力增大，钢梁受力极为不利，施加在桥面板中的预压力为有效压力的40%-48%，预应力效率较低。

经过研究，青山长江大桥边跨结合梁采用无预应力筋桥面板，通过结合梁结构体系转换为桥面板导入预应力，从而改善墩顶负弯矩区桥面板受力问题；边跨钢梁在边墩、辅助墩顶节段内设置压重箱，箱内灌注铁砂混凝土以压重。墩顶主梁压重需灌注铁砂混凝土重量分别为：16#、23#墩顶各13000kN，17#、22#墩顶各6500kN，18#、21#墩顶各4800kN。

2.2 主桥边跨钢箱梁墩顶压重结构形式

主桥边跨钢主梁在边墩、辅助墩顶节段内设置压重箱，每个墩顶支点节段均设置24个压重箱。每个压重箱均通过箱底纵梁、高强螺栓与钢主梁的横梁加劲板连接，压重箱由Q235C的钢材焊接而成。墩顶主梁压重需灌注铁砂混凝土重量分别为：边墩墩顶13000kN、辅助墩顶6500kN、次辅助墩顶4800kN。压重箱尺寸结构见图2-1和2-2（单位：mm）。

图2-1  压重箱横断面图

图2-2  压重箱纵断面图

根据压重箱尺寸，考虑箱内操作空间，计算得到边墩的理论压重密度不得小于5.9t/m³，辅助墩分别为4.6t/m³，3.3t/m³，详见表1。

表1  主桥钢梁墩顶压重设计情况统计表

3超高密度混凝土压重配合比设计

本文以边墩超高密度混凝土配制与施工为例进行分析研究，按照设计要求，边墩（16#）压重混凝土容重按5.89t/m3控制。普通混凝土容重在2.3t/m3-2.5t/m3, 配制重混凝土必须以达到设计容重为首要目标，同时兼顾混凝土和易性以及施工工艺需要，对于强度要求相对较低。考虑到压重混凝土仅重量控制，必要的条件下可以在压重箱内布置部分钢筋、型钢等比重较大材料。

3.1 原材料选取

3.1.1 水泥

水泥的用量以满足混凝土和易性为主，考虑到边墩压重混凝土骨料密度较大，为防止混凝土拌合出现骨料下沉，需要适当增加混凝土的黏聚性，因此选用比表面积较大、强度等级较高的P•O 52.5水泥，各项指标检测结果如表2所示。

表2  水泥的检测技术指标

3.1.2 集料

    压重混凝土中集料的表观密度对容重起着至关重要的作用，因此在集料选取过程中应选择表观密度大、级配良好的重集料。为了充分利用重集料较大的表观密度，根据集料表观密度和混凝土的容重要求，以每1 m3混凝土中最多能掺入量为原则。本项目采用粒径范围为5-31.5mm的冰铜铁作为粗集料，细集料采用粒径范围为3-6mm小钢珠和0-3mm细铁粉，通过试验确定，小钢珠和细铁粉掺配比例为56%：44%。冰铜铁实测表观密度为6825kg/m3，计算取6820kg/m3，小钢珠表观密度实测值7190kg/m3，细铁粉表观密度实测值7000kg/m3。

3.1.3 减水剂

考虑到钢箱梁顶板开孔小、箱梁内空间较小不易振捣等现场条件，混凝土应具有一定流动性，且铁砂混凝土容重大，与泵管摩擦系数大，对泵管损害较大，极易堵管，因此现场考虑吊斗施工，浇筑时间长，混凝土的凝结时间也应满足要求，因此选用缓凝型高性能聚羧酸减水剂，其各项检测指标如表3所示。

表3 减水剂的检测技术指标

3.1.4 水

选用地下水，其各项性能指标符合《公路桥涵施工技术规范》要求。

3.2 配合比设计

3.2.1 确定水胶比和单位用水量

依据试验确定水胶比W/B=0.462，根据试验室试拌结果，满足现场施工要求，选用减水剂掺量βa=1.25%，确定每立方米混凝土用水量mwo=180kg。

3.2.2 计算基准胶凝材料用量

每立方米混凝土中胶凝材料用量为mb0=mw0/(W/B)=180/0.462=390kg/m3，不掺加任何掺合料，因此每立方米混凝土中水泥用量为mc0=390kg/m3。

3.2.3 减水剂用量

每立方米混凝土外加剂用量为mj=390×1.25%=4.875kg/m3。

3.2.4 选定砂率

根据粗细集料情况和混凝土配合比的特点及试拌情况，选用砂率βs=54%，其中铁砂由小钢珠和细铁粉组成，根据试验确定，每方混凝土小钢珠用量与细铁粉用量比例为56%：44%。

3.2.5 粗细集料计算

采用体积法计算每方混凝土铁砂（mso）、铁矿石（mgo）用量，

       （1）

βs= ms0/（mg0+ ms0）×100%              （2）

ρc水泥的密度取3100kg/m3；

ρg粗集料冰铜铁的表观密度取实测值6820kg/m3；

ρs小钢珠表观密度取实测值7190kg/m3、铁粉表观密度取7000kg/m3；

ρw水的密度取1000kg/m3；

α混凝土含气量百分数，α取1。

代入公式（1）（2）计算得：ms0 =2600kg/m3；mg0=2185kg/m3。小钢珠的质量为2600×56%=1456kg/m3，细铁粉的质量为2600×44%=1144kg/m3。

3.2.6 初步配合比确定

由此得到初步配合比，每立方混凝土材料用量见表4。

表4 超高密度混凝土初步试验配合比

3.2.7 配合比的试配、调整与确定

按15L进行试配拌合后，混凝土性能符合要求。理论配合比的表观密度实测值与计算值之差的绝对值未超过计算值的2%，不用调整。由此得到基准配合比（每方混凝土各原材料用量）见表5。

表5 超高密度混凝土基准配合比

3.2.8 计算配重钢材

按照设计要求，16#墩压重混凝土容重要达到5890kg/m3，考虑到施工偏差，计算取6000kg/m3。考虑到现场养护条件下混凝土容重的损失，压重混凝土的密度计算取值5280kg/m3。钢材的表观密度取7850kg/m3，计算需配钢材的量，计算得到钢材占28%，压重混凝土占72%。换算成每方用量，钢材的质量为7850×28% = 2198kg。

根据计算及试验结果，确定拟用于武汉青山长江大桥南汊主航道桥主梁边跨16#墩压重铁砂混凝土最终试验室配合比见表6。

表6 超高密度混凝土最终试验配合比

4 超高密度压重混凝土施工

4.1 压重混凝土拌制

墩顶压重混凝土采用钢材、铁砂混凝土进行混合压重施工。压重混凝土施工前，需精确计算各压重舱的压重量，根据计算的各压重箱所需材料分别对每个压重箱所需钢材及其他各种材料进行逐一称重，称重完成后运输至现场分类分区存放。钢材施工时将事先切割好的钢材在压重箱内进行堆码，完成后施工铁砂混凝土。铁砂混凝土采用550搅拌机于梁面上方进行搅拌，利用6t自备吊将骨料集装袋吊至搅拌机进料口进行上料，袋装水泥、外加剂和水均采用人工进行上料。

4.2 压重混凝土运输与浇筑

根据各压重箱压重混凝土计算表，各压重箱实际施工体积占压重箱有效体积的78%，剩余22%体积可满足钢箱梁箱室空余体积要求。C2压重箱内钢板及铁砂混凝土具体分层见图3所示。

图3  压重箱钢板及铁砂分层图（单位：mm）

将称重完成的钢板用装载机转运至压重箱室预留口，人工将钢板搬运至压重箱内并进行堆码，堆码时要求堆码整体，钢板之间密切，尽可能减少空隙。堆码完成一部分后用大锤进行锤击，减少钢板间空隙。在梁面预留口与压重箱进料口间安装传料管，在混凝土灌注口上方安装漏斗。底层钢板堆码完成后，灌注第一层压重混凝土。将拌制好的压重混凝土用手推车运至灌注口，直接通过漏斗灌注至压重舱内。混凝土的振捣采用插入式振动棒，其移动距离不得大于30cm。当混凝土灌注至压重箱加劲环以上位置时，箱内施工空间有限，于灌注口外对混凝土进行振捣，将压重混凝土振捣平整。第一层铁砂混凝土灌注完成后将混凝土表面铺平进行第二层钢板堆码，完成后灌注第二层铁砂混凝土直至全部灌注完成。

4.3 压重质量控制

压重质量通常采用现场检查压重混凝土容重计算浇筑体积的方法来控制。浇筑压重混凝土前，首先要根据所需的压重质量计算出每个压重箱内所需浇筑的混凝土体积，在压重箱内做好混凝土浇筑高度的标记。

在混凝土浇筑时，对现场混凝土取样制作同条件试件，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，每组3个。将试件与压重箱内混凝土在同等条件下进行养护，养护完成后称重，确定混凝土的单位干质量，结果显示每个浇筑部位的混凝土代表容重均大于5280kg/m3的设计要求，混凝土同条件养护试件的实际容重见表7。

表7 混凝土同条件养护试件实际容重

5 结语

青山长江大桥作为千米级全漂浮体系斜拉桥的代表工程，具有大跨、重载、超宽三个特点，结合梁工程应用中负弯矩区桥面板易开裂的问题更为突出，且边跨钢梁压重荷载大而箱室内压重空间有限，压重混凝土容重要求较高。经过大量的试验比对、数理分析，全面掌握了压重混凝土的质量要点，通过确定混凝土材料组分，优选原材料，成功配制出符合设计要求的超高密度压重混凝土，经过两年运营检验，压重混凝土的应用达到预期目标，有效解决了千米级斜拉桥的压重难题。

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作者简介：付少英（1991-），男，工程师，2013年毕业于石家庄铁道大学无机非金属材料专业，工学学士。