北環(huán)高速沙貝立交F匝道橋UHPC梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

郭澤棉

（廣州北環(huán)高速公路有限公司 廣州510507）

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）作為一種先進(jìn)的新型水泥基材料［1，2］，具有高強(qiáng)度、高耐久性和高韌性等特點，目前在國際工程領(lǐng)域如橋梁、建筑、市政、機(jī)場等已有較多應(yīng)用案例，特別是在橋梁建設(shè)領(lǐng)域［3-5］呈現(xiàn)了逐漸增長的趨勢。UHPC 材料的配比研究和制備工藝［6，7］已經(jīng)趨近成熟，國家也制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8］。作為中國首座無筋預(yù)應(yīng)力體系UHPC 橋梁，廣州北環(huán)高速擴(kuò)建項目沙貝立交F 匝道橋在UHPC 橋梁的設(shè)計、施工等多方面都進(jìn)行了開創(chuàng)性的嘗試。本文重在探討該項目在UHPC 梁預(yù)制安裝施工過程的一些技術(shù)難點以及相應(yīng)的解決方案。

1 工程介紹

廣州北環(huán)高速公路是廣東省最早建成的高速公路之一，西連廣佛高速，東接廣深高速，是廣州北部進(jìn)入城區(qū)最主要的交通樞紐之一。北環(huán)高速公路運營服役近25 年，由于車流量不斷攀升，其中沙貝至廣清立交路段日均斷面車流達(dá)21.89 萬輛，是設(shè)計通行量的2 倍以上，擁堵問題不斷加劇。為此，北環(huán)高速公路管理處對北環(huán)西行路段道路進(jìn)行擴(kuò)建，其中擴(kuò)建的沙貝立交F 匝道橋經(jīng)過方案比選，決定采用超高性能混凝土（UHPC）工字型梁結(jié)構(gòu)方案。

F 匝道原橋設(shè)計方案為：橋梁跨徑組合為1 m×13 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土后張空心板梁，橋下凈空為3.7 m。由于橫坡影響，擴(kuò)建橋如沿用原橋設(shè)計，橋下凈空將小于3.5 m，且橋臺施工期間將嚴(yán)重影響橋下交通。

為此擴(kuò)建橋設(shè)計方案定為：橋梁跨徑組合為1 m×16 m，上部結(jié)構(gòu)采用無筋預(yù)應(yīng)力體系的UHPC 工字型梁，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝的施工方案，建筑高度比原橋降低20 cm，且保持了原橋的下凈空標(biāo)準(zhǔn)。本項目橋型如圖1 所示。橋上主梁采用UHPC 工字梁，圖2為主梁的橫截面示意圖。

圖1 UHPC 梁橋型Fig.1 UHPC Beam Bridge

圖2 UHPC 工字梁標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.2 Standard Section of UHPC I-beam

2 工程主要難點

沙貝立交F 匝道橋項目具有以下技術(shù)難點：

2.1 項目體量小，技術(shù)難度高，成本控制壓力大

本項目體量小，但是具有施工難度大，安裝精度高的特點。從模板及臺座配置到UHPC 梁養(yǎng)護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)都存在一定的難度，都需要進(jìn)行不同程度的施工方案優(yōu)化，造成了很大的成本壓力。

2.2 工期緊，安全風(fēng)險高

由于前期方案變更評審論證耗費時間，加之?dāng)U建項目交通壓力。UHPC 梁的預(yù)制、運輸、安裝以及橋面施工的工期僅30 d，且在工期內(nèi)還需要對UHPC 梁的預(yù)制場進(jìn)行就近建設(shè)。成品梁運輸路線靠近高速公路，交通狀況復(fù)雜，安全風(fēng)險相對較高。

3 總體實施方案

3.1 UHPC梁預(yù)制場布設(shè)

擴(kuò)建現(xiàn)場沒有預(yù)制場地條件，預(yù)制場設(shè)距離橋位50 km 外的郊區(qū)。梁場占地1 600 m2，功能上劃分了制梁區(qū)、蒸養(yǎng)區(qū)、存梁區(qū)、預(yù)應(yīng)力加工區(qū)、攪拌站5 個分區(qū)。建設(shè)了2 個制梁臺座，蒸養(yǎng)區(qū)可以放置5 片梁，存梁區(qū)設(shè)計按2 層存放，單排可以放置5 片梁。

3.2 UHPC梁預(yù)制安裝施工流程

結(jié)合UHPC 工字梁的設(shè)計圖紙和結(jié)構(gòu)特點，本項目的施工流程如下：底、側(cè)模安裝→波紋管安裝→端模安裝→UHPC 澆筑→拆模養(yǎng)生→高溫蒸養(yǎng)→張拉、壓漿、封錨→裝車運輸→梁板安裝。從中可以看出，UHPC 梁的施工比常規(guī)混凝土多了高溫蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)，且其波紋管定位、UHPC 澆筑以及張拉和運輸均有一定的特殊性。

3.3 重點流程

3.3.1 UHPC 澆筑

首先根據(jù)具體生產(chǎn)量，配置一組（兩臺）行星式攪拌機(jī)，攪拌缸的容量為1 m3。單梁方量僅2.7 m3，梁體高度僅62 cm，故現(xiàn)場采用一臺叉車配合料斗進(jìn)行UHPC 的運輸與布料，十分簡便、靈活。其次由于施工期間正處于華南地區(qū)的暑期，氣溫較高，所以為控制UHPC 的拌和溫度，拌合用水采用碎冰塊預(yù)先制冷的措施。最后由于UHPC 的流動性非常好，澆筑時采用輕微的模板振搗工藝，避免了UHPC 材料內(nèi)摻鋼纖維的結(jié)團(tuán)和沉底。

3.3.2 高溫蒸養(yǎng)

高溫蒸養(yǎng)需要達(dá)到90℃高溫［9］，故此保溫十分重要。整個蒸養(yǎng)梁的區(qū)間，在梁上覆蓋蒸養(yǎng)網(wǎng)片，蒸養(yǎng)網(wǎng)片上覆蓋保溫材料，從下到上依次為下層油布、保溫杯、上層油布。保溫層進(jìn)行全封閉覆蓋，且必須在四邊預(yù)留出至少0.5 m，并用木方或重物壓實，在蒸養(yǎng)管道處尤其注意防止蒸汽泄漏。

配備3 臺鍋爐與1 臺蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)。整個蒸養(yǎng)區(qū)安裝3～4 個溫度傳感器，分別置于蒸養(yǎng)區(qū)的四角處。在溫度控制系統(tǒng)控制溫升15 ℃/h，達(dá)到指定溫度90 ℃后蒸養(yǎng)2 d 后，采用自然降溫或12 ℃/h 降溫控制。

3.3.3 UHPC 梁起吊與運輸

UHPC 梁板重量相較傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁顯得十分輕盈，故此梁場不用設(shè)置龍門吊，而是采用1 臺25 t的汽車吊配合起重作業(yè)。梁板運輸采用1 臺17.5 m 拖板車，架梁則采用1 臺80 t 汽車吊。起吊點的選擇經(jīng)過精細(xì)計算，避免在吊裝過程中出現(xiàn)工字梁扭曲變形、破壞等技術(shù)問題。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 臺座快速周轉(zhuǎn)

臺座周轉(zhuǎn)的快慢，對工期影響很大，進(jìn)而影響項目造價。本項目UHPC 構(gòu)件在預(yù)制前進(jìn)行了材料的配比優(yōu)化，經(jīng)過配比優(yōu)化的 UHPC 材料［10］，1 d 強(qiáng)度可以達(dá)到90 MPa，將起吊點設(shè)置在距離梁端3 m 的位置，經(jīng)過驗算，即便沒有配筋和施加預(yù)應(yīng)力，1 d 強(qiáng)度的UHPC 梁仍然完全滿足起吊工況下的結(jié)構(gòu)受力與抗裂要求。在施工過程中，梁板澆筑完成后養(yǎng)護(hù)1 d 即移運到蒸養(yǎng)區(qū)，1 個臺座2 d 即可周轉(zhuǎn)1 次，2 個臺座配置條件下，每天可以生產(chǎn)1 片梁。臺座周轉(zhuǎn)速度比常規(guī)鋼筋混凝土梁縮短了5 d 以上（常規(guī)鋼筋混凝土7～10 d 周轉(zhuǎn)1 次），大大降低臺座的建設(shè)成本。

4.2 集中批量蒸汽養(yǎng)護(hù)方案優(yōu)化

原施工方案在臺座上對UHPC 梁進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)生，該方案養(yǎng)護(hù)工作面太分散，且蒸養(yǎng)設(shè)備投入大，經(jīng)濟(jì)性很差。本項目在梁場設(shè)置了專門的蒸養(yǎng)區(qū)，全部預(yù)制梁分2 批次進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。優(yōu)化后將UHPC 梁移運到蒸養(yǎng)區(qū)集中批量蒸汽養(yǎng)護(hù)，集中的蒸養(yǎng)設(shè)備投入少，工作面集中，熱力消耗少，在保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的同時更加節(jié)能環(huán)保。

4.3 預(yù)應(yīng)力管道定位安裝

采用無筋預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，梁體沒有構(gòu)造鋼筋，預(yù)應(yīng)力波紋管定位困難。傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)借助構(gòu)造鋼筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管道定位的方法在本項目中無法實施，因此必須研發(fā)一種新型的預(yù)應(yīng)力管道定位方法。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計論證，確定了依托模板的鋼筋整體定位架方案。其具體做法是在通長的架立鋼筋上安裝坐標(biāo)固定波紋管，整體吊裝到定型模板內(nèi)，與模板精確定位并固定。該方案操作簡單、定位準(zhǔn)確、固定牢靠、且定位鋼筋消耗小，很好地解決了上述問題。

4.4 梁體側(cè)彎矯正

本項目工字型梁存在著側(cè)向剛度偏小，容易發(fā)生側(cè)撓的問題，如在成橋前不予矯正，將影響結(jié)構(gòu)受力，增加疲勞受力。本項目在預(yù)制梁架設(shè)完成后、安裝梁間搭板時，對梁板進(jìn)行逐片檢查，如發(fā)生側(cè)撓，則先把側(cè)撓的梁與相鄰的梁在橫隔梁處固定，然后用手拉葫蘆對跨中施力矯正，完成后安裝梁間搭板，將梁板縱向線型完全固化。

4.5 模板漏漿、安拆問題

UHPC 流動性極高，屬于典型的自流平混凝土，對于防止漏漿的要求大大高于常規(guī)混凝土，因此不宜在模板上開孔、開槽。本項目UHPC 梁采用了工字型式，翼緣與梁底同寬，梁體中心間距較小，中間空隙鋪設(shè)預(yù)制UHPC 板兜底，上面是整體化層，沒有濕接縫，不用預(yù)埋鋼筋，所以也就無需在模板上設(shè)置梳齒板。

UHPC 梁之間需要通過端橫隔梁聯(lián)結(jié)形成整體，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要從預(yù)制梁體里預(yù)埋后澆段端橫隔梁鋼筋。在預(yù)制梁模板上開孔，讓預(yù)埋鋼筋伸出來，這樣造成兩個無法消除的問題：一是漏漿無法避免；二是安拆模板困難。本項目在端橫隔梁位置采用預(yù)埋鋼筋連接套筒、拆模后接出鋼筋的方法，無需在模板上開孔，成功地解決了漏漿與模板安拆的問題。

通過以上技術(shù)，基本杜絕了模板開孔留槽和漏漿的源頭；同時使得安拆模板方便快捷，避免暴力施工對梁體棱角的損傷，有效保障了預(yù)制梁的質(zhì)量。圖3為拆模后的UHPC 工字梁狀態(tài)，從圖3 中可以看出北環(huán)沙貝立交工字梁成功解決了漏漿和模板安拆的技術(shù)難題。

圖3 工字梁在拆模后的狀態(tài)Fig.3 State of I-beam after Removed Template

5 總結(jié)

廣州北環(huán)高速公路擴(kuò)建項目作為國內(nèi)首座無筋預(yù)應(yīng)力體系UHPC 橋梁，其在UHPC 梁預(yù)制安裝施工上，解決了成本控制、臺座快速周轉(zhuǎn)、蒸汽養(yǎng)生、波紋管定位、梁體側(cè)撓及高流動性混凝土防漏漿等一系列關(guān)鍵技術(shù)與難題，探索出一條經(jīng)濟(jì)實用、保障性高、可復(fù)制推廣的技術(shù)路線，對于UHPC 材料在橋梁領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有典型的示范意義。