墩梁加固环状狭小空间混凝土灌注技术.pdf

2 0 1 5年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 2 5 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 2 5 0 4 墩 梁加 固环 状狭 小 空间混凝土灌注技术 王 媛 ， 叶智威 ， 张吉庆 ( 深圳市路桥 建设 集团有 限公司 ， 广东 深圳5 1 8 0 2 9 ) 摘 要 ： 结合 一 高架桥 墩 梁 固结外 包混凝 土加 固施 工 实践 ， 介 绍 在钢 管箍 内狭 小 空 间中灌 注混凝 土施 工技 术的 原理 、 施 工工 艺、 质 量控 制方 法及 处理措 施 。设 计 出了一 种新 型 泵 管接 头 ， 给 出 了混凝 土输 送 泵 出 口泵 压公 式 。 实测数 据 分析 结果表 明 ， 自密 实混凝 土 阻力 系数 为 4 0时 ， 既 能保证 混凝 土顶 升 的最 小灌 注压力， 又能保证灌注混凝土的密实度和均 匀度， 防止 离析。本文提 出的技术及参数可应 用于桥 梁墩 柱、 建筑结构柱的加 固及钢管混凝土拱桥管内混凝土灌注。 关 键词 ： 墩 梁 固结 自密 实混凝 土 阻力 系数 灌 注压 力 密 实度 中图分 类 号 ： T U 3 9 1 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 7 0 8 1 工 程 概 况 一 高架 桥结 构 形 式 为预 应 力 单 箱 双 室 箱形 梁 桥 ， 桥 墩共 有 三种类 型 ： 带扩 大头 独柱 墩 、 无 扩 大头 双柱墩 和分联 墩 。 由于桥 梁 长期 超 负 荷 运 行 ， 加 上 结 构 整体 升降温 、 预应力混凝土长期收缩徐变、 离心力作用 、 梁 缝被混凝土残块堵塞 、 部分支座失效等多种 因素的长 期累积作用， 曲线梁出现横 向爬移及梁体 、 盖梁、 桥墩 开裂等病害， 需要加 固。曲线桥加固 ， 主要从主粱 限位 和桥墩加固人手。当主梁横 向位移较为严重时， 墩柱 结构可采用墩梁 固结的方式加 固， 需在墩柱外 围安装 钢管箍 并灌 注 混凝 土 。本加 固工程 共 加 固桥墩 4 2根 ， 其 中墩梁固结 3 7根 ， 墩身加固 5根。墩梁固结及墩身 加 固构 造 如 图 1所 示 。根 据 施 工 进 度 安排 ， 混 凝 土灌 注施工 工 期 1 个 月 ， 总计 灌 注混凝 土 3 7 4 i n 。 图 1 墩梁 固结及墩身加 固构造 本 工程 中 ， 墩梁 固结 外包 混凝 土施 工有 两个 难点 ： 施工空间受原有结构限制 ； 加 固结构物尺寸小 、 构 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 1 3； 修回 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 5 作者简 介： 王嫒 ( 1 9 6 5 一) ， 女 ， 陕西宝鸡人 ， 高级工程师。 造 复杂 ( 内部 有 外 包 钢 筋 网 、 钢 管 箍 内部 剪 力 键 及 墩 柱锚筋等构造) ， 难 以有效振捣。如果采用传统施 工 方法存在如下三个缺点 ： 混凝土灌注须分节段施工 ， 效率低下； 无法保证管内混凝土的密实度 ； 无法保 证 管 内混凝 土与 主梁梁 底 固结 。为此 需要 在混凝 土 配 合比、 混凝土灌注施工设备 、 监控手段等方面进行专项 设计 ， 以确保 墩梁 固结施 工 成效 。 2 混凝 土灌 注施工设计 2 1 混 凝土 灌注 施工设 计原 理 采 用新 型泵 管接头 并优 化 出气管 构造 来保证 混 凝 土 与主 梁 固结效 果 ， 既 简 单 又 经济 。 自密实 混 凝 土 拌 合物具有良好 的工作性能 ， 即使在配筋密集 的条件下 无需 振 捣便 能均 匀密 实 成 型 ， 且 具有 优 良 的抗 离 析性 能 。灌 注过 程 中混凝 土 为 流 动状 ， 由于在 钢 管 箍 开 孔 处与其它部位问存在压力差 ， 混凝土液面并非水平 ， 而 是如图 2 ( a ) 中所示的曲面。混凝土灌注过程 中， 液面 逐渐上升， 达到图 2 ( b ) 所示的液面分布 ， 此时需要依 靠混 凝 土泵 中 出 口泵 压 将 混 凝 土 液 面 向 出气 口处 推 进 ， 钢管箍内气体逐渐排 出直至混凝土充满钢板箍 内 空 间 。 当混凝 土充 满钢 板箍 内空 间后混 凝 土泵持 续施 压 直至混凝土从 出气管中流出。出气管内径小于混凝土 泵 管 内径 ， 以此保 证 混凝 土 从 出气 管 流 出过 程 中钢 管 箍 内混 凝土 内部 仍能保 持 一定 压力 。 待钢管箍 内气体排净 ， 出气管 中开始流出混凝土 骨 料时 ， 采用 木 楔封 闭 出气 管 ， 此过 程 中混 凝 土泵保 持 压力 ， 关闭新型泵管接头中的节流阀， 混凝土泵拆除后 钢管箍 内混凝土仍处于持压状态， 如图 2 ( c ) 所示 。 2 6 铁道建筑 出气管 敦 柱 混凝 土液面 混凝土泵 r ( a ) 液面在 捧气 管下方 出气管 一 混凝土液 面 混凝土泵 ： r ( b ) 液面在捧气管上方 出 笪 ： 一 ， 敷 相 。 混凝 土泵 r ( c ) 灌注完成 图 2 灌注过程 中混凝土液面分布形状 根据加固效果及设计对混凝土强度的要求 ， 最终 确定 采用 C 4 0 自密 实微 膨 胀 混 凝 土 。混 凝 土 配合 比 参照自密实 混凝 土设 计与施 工指 南( C E C S 0 2 2 0 0 4 ) 设计 ， 要求混凝土满足以下 8项性能指标 ： 1 ) 水 泥选用 较 稳定 的普通 硅 酸 盐水 泥 ； 掺合 料 是 自密实混凝土不可缺少的组成部分 ； 胶凝材料总量为 5 0 0 k g m 左右 ， 不宜 大于 6 0 0 k g m 。 2 ) 砂率在 4 5 以上 ， 最高可到 5 0 。 3 ) 参照墩柱 与外包 钢管之间的间隙确定骨料最 大粒径 ， 一 般粗 骨料 最大粒 径 不得大 于 1 0 n l I l l 。 4 ) 自密实性能等级 I 级 ， 5 0 0 m m流经时间 控 制在 2 5 s ， L型仪 器 ( 钢 筋 净 距 4 0 m m) 测 得 的 昆凝 土阻塞 率 H ， H 0 8 0 。 5 ) 运到现场的混凝土坍落度介 于 2 6 0 2 7 0 mm； 扩展度 6 5 0 7 5 0 m m， 以 7 5 0 mm左 右 为佳 ； 混凝 土 坍 开后 ， 垂 直 两方 向直径 偏差 平均 值不 允许 超过 2 c m。 6 ) 坍落 扩展 度试 验 后混 凝 土 圆周无 泌 水 ， 也 不 出 现 砂浆 圈 ， 粗 骨料 在边 缘 和 中央分布 同样 均匀 。 7 ) 测混凝土坍落度时 ， 中心与边缘高度差不允许 大于 2 0 m m。 8 ) 混凝土强度达到设计值 ， 并具有微膨胀性能。 混凝土配合 比设计完成后 ， 应制作试验柱 以验证 自密 实 混凝 土的 流 动性 及 混 凝 土施 工 质 量 ， 并 进 一 步 获得混凝土运输过程中坍落度损失、 运输时间 、 运输车 辆数 目等参数 ， 为 正式 开始混 凝土 灌注施 工 提供 参考 。 2 2试 验柱设 计及 施工 试验 柱模 型置 于 2 0 c m厚 的 C 1 5混凝 土垫 层 上 ， 墩柱采用直径 1 3 m 的平 口混凝土排水管模拟 ， 高度 2 0 m， 嵌入混凝土垫层 2 0 c m。外包钢管箍采用内径 1 8 I n钢 管模 拟 ， 高 度 1 7 m， 嵌入 混 凝 土垫 层 2 0 c m。 内外 管 问按 照实 际墩柱 加 固设计 尺寸 绑扎 钢筋 。为保 证模 型整 体在 混凝 土灌 注过 程 中的 稳 定性 ， 在模 型外 部搭 设钢 管骨 架 。为 保证 内管 稳 定 性 ， 在 内部设 置 三 层 直径 1 6 m m 钢筋 骨架 。试验 柱模 型如 图 3所 示 。 混凝土管嵌入 钢管嵌入 2 0 c m厚C 2 0 垫层2 0 t il l 垫层2 0 c m 混凝土 垫层 f a ) 立 面 t 3j 24 o18 j3 ot ( b 1 平 面 图 3试验柱模 型构造 ( 单位 ： 13 1 1 ) 根据试验柱施工经验 ， 得 出 C 4 0自密实微膨胀 昆 凝土配合 比， 如表 1所示 。 表 1 C 4 0自密实微膨胀混凝土配合 比 2 3 混 凝土 输送 泵选 择 混 凝土 灌注 施工 过 程 中 ， ? 昆凝 土 泵 送 系统 压 力 由 2 0 1 5年第 7期 王 媛等 ： 墩梁加 固环状狭小空 间混凝 土灌 注技术 2 7 混凝土 自重静压力 、 垂直上升阻力 、 水平输送管 、 弯管、 输送 泵 内损 压力 等组 成 。混凝 土输 送泵 出 口泵压 必须 大 于上述 压 力总 和 。 混 凝土 输送 泵压 力 P 按 下式 计算 P= Th + PH + 1 + 0 1 n l +0 2 n 2+P s ( 1 ) A P H ： 1 4 4 ( 3 0 0一S 1 )+ 1 3( 4 0 0一S ) ( 2 ) 式 中 ： 为 混凝 土 重 度 ， 取 2 5 k N m ； h为 墩 柱 最 大 灌 注 高度 ， 取 1 0 m； 尸 为混 凝 土输 送管 每 米压 力 损 失 ， MP a m； 为混凝土输送管路的累计水平换算距离 ， 参 照表 2换算得到水平 累计长度为 1 1 3 n l ； 1 1, 为管路截 止 阀数 目， 取 为 1 个 ； n ： 为 管路 分 配 阀数 目， 取 为 0 ； P ， 为混凝土在墩柱外包钢管箍 中流动时受到外包 钢筋 网、 钢管箍 内部剪力键及墩柱锚筋的阻力 ， 取值为混凝 土在钢管箍 内最大静压力乘以安全系数 ， 即 P ， = 伽 ， 根据施工经验 ， 取 ： 4 0 ； S 。 为混 凝土坍落度 ， 取为 2 6 0 l i l m； V 2为 混 凝 土 在 输 送 管 中 的 平 均 流 速 ， 取 为 2 03 ms 表 2 混凝土输送管水平换算 长度 混凝 土 自重产 生 的静 压力 T h=2 51 0=2 5 0 P a ， 合 0 2 5 MP a 。按 照式 ( 2 ) 计算 得 到混 凝土 输送 管 中每 米压力损失 PH：5 8 9 6 2 P a ， 取 为0 0 0 5 9 MP a m。 混 凝土输送 管累计 长度 为 1 1 3 i n ， 则 得到 混凝 土输送 管 中压力损失值为 P H L=0 0 0 5 91 1 3=0 6 6 7 MP a 。 混凝土在 钢管箍 中流动受 到 的阻力取 为 4 y h=4 0 2 5= 1 0 MPa。 综合以上计算 结果得到 泵送 系统总压力 P = 0 2 5+0 6 67+1 0 +0 1 x 1 0 +0 2 0 +1 0 =3 01 7 MP a 。考虑混凝土灌注过程 中不可预估 的压力损失 ， 取 安全 系数 2 0 ， 得 到泵 送 系统 总压 力 P= 2 0 3 0 1 7 = 6 0 3 4 MP a ， 取 为 7 MP a 。 根据以上计算 ， 混凝土泵车选择 H B T 6 0 1 3 9 0车 载 式混 凝 土输 送泵 ， 其泵 送混 凝 土 理论 出 口泵 压 为 1 3 MP a ， 可 满足要 求 。 实际灌注过程 ， 泵 车泵送系统压力为 68 MP a 与计算结果基本吻合 。 2 4泵 管接 头设 计 泵管 接 头在混 凝 土泵送 到位 后应 能在 保持 泵压 情 况下关闭截止阀， 确保钢管箍内混凝土处于受压状态 。 在保证各墩柱混凝土流水化施工的同时应减少其制作 材料用量。为此 ， 专 门设计 了新 型泵管接头 ( 专利 申 请 号 ： 2 0 1 4 2 0 6 1 6 6 6 5 0 ) ， 如 图 4所 示 。钢板 2移 动 到 位后 ， 其前端部分可拆下循环利用 ， 保证各墩柱混凝土 灌 注流 水施 工 同时节 约 5 0 泵管 接头 材料 。 图 4泵管接头构造 根据墩柱高度选择泵管规格 ， 一般采用低压泵管 ， 外径 1 3 3 m m， 内径 1 2 5 m m。根据泵管尺寸在钢管箍 上开 孔 ， 焊 接混 凝土 泵送 接头 。为 防止 混凝 土 回流 ， 在 泵 送 接头 上 安装 截 止 阀 。截 止 阀 采用 1 0 m m 厚 钢 板 及 直径 1 3 3 m m 钢 管 加 工 。螺 栓 根 据 出 口泵 压 选 取 ， 一 般 使用 M1 2螺 栓 能满足 要求 。 2 5出气 管设计 出气管选用小直径钢管 ， 内径选为混凝土最大骨 料粒径 的 3 4倍 ， 长度 0 61 0 m。如果净空条件 允许 ， 出气管 应 当向上弯 曲 9 0 。 ， 管 口高 出主梁 梁底 0 51 0 n l ， 同时做好加固措施， 防止出气管在混凝土 自重作 用下 发 生弯 曲 、 脱 落 。 2 6泵管 接头及 出气 孔安 装 混凝土泵管接头位置及出气孔开孔位置与桥墩加 固结构 形式 有关 。图 5为 圆柱 墩常用 结 构形式 泵管 接 头及出气管安装示意 图。出气管安装在泵管接头对面 的钢板 箍顶 部 ， 若 主 梁宽宽 度较 小 ， 可 将 出气管 延伸 至 主梁宽度以外 ， 出气 口向上抬高 0 51 0 m。 出气管 箍开 口位 置 图 5 泵管接头及 出气管安装示 意 3 混凝 土灌 注施工工艺 混凝土灌注施工工艺流程如图 6所示 。灌注施工 2 8 铁道建筑 不 能满 足 使用 要求 开始 下一 根墩 柱混 凝土 灌注 施工 施工准 备 制 作泵管接头及 出气管 钢 板箍开孔， 安装 泵管接 头、出气管等 构件 查 构件 是否妥 、 配制 自密实微 膨胀混凝士 混凝土运输 至施工现场 否 测 嚣 使 里 二 i 塑 圭 堡 璧 l能满足 I 使用要求 连接混凝土输送泵I 与泵管接头 I 润 管、开始泵送混凝 土 1昆 凝 土是否灌注 型 堡 是 封闭节止阀、拆除泵管 混凝土养 护， 7 d 后 切除 泵管接头及出气口钢管 焊接封 口钢 板， 外观修整 泵送 过程 中检查 是否有混 凝 土灌注不密 实部位 l有 铁锤 敲击钢管 无效 一 做好 标记， 混凝土达 到 一 定强度后在钢板箍 上开孔注浆 图 6混凝土灌注施工 工艺流程 要 注意 如下几 点 ： 1 ) 进料短管宜选用混凝土泵管制作 ， 与钢管箍 问 必 须焊 接牢 固 ， 不 得漏 焊 ， 防止在 混凝 土灌 注过 程 中因 水 平管 颤动 而脱 焊 ， 造 成顶 升失败 。 2 ) 泵管连接时用水湿润泵管后随即开始灌注。 3 ) 混凝土坍落度对混凝土输送 泵出 口泵 压影响 十分 明显 ， 因此 必须 严格 控 制 混 凝 土 塌 落度 及 灌 注 施 工时 间 。 4 ) 钢管 内的混凝 土 灌 注必 须 一 次性 完 成 ， 当混 凝 土供应量不能确保一根钢管箍连续灌 注时就停 止施 工 ， 防止混凝土石子 回落出现堵塞现象造成灌注失败。 5 ) 截 止 阀 闸板 缝 可 使 用 黄 油 涂 缝 ， 防 止 漏 气 泄压 。 6 ) 混凝土灌注过程 中注意使用灌注后泵管 中的 混凝 土制 作 同条件 试块 。 7 ) 灌 注施 工时 流 出的混凝 土应集 中堆放 。 4 结 语 1 ) 钢 管箍 内混凝 土 灌注 施 工全 过程 中 ， 混 凝 土配 合 比的设 计是 核心 工作 。混 凝土拌 合 物既要 具有 极好 的工 作性 能 ， 又要实 现 钢管箍 的“ 紧箍效 应 ” 。 2 ) 实 际泵 送系统 泵 压 68 MP a ， 据 此反 算 得 到混 凝 土在具 有 复杂 内部构 造 的钢管箍 内行 进过 程 中的 阻 力 系数经 验值 为 4 0 。 3 ) 泵 送速 度不 宜 过快 ， 应 保 证 混凝 土 液 面缓 慢 持 续 上升 至顶部 ， 直 至从 出气管 中溢 出骨 料 。 4 ) 钢 管 箍 顶 部 出气 管 是 保 证 钢 管 箍 内混 凝 土 与 主 梁有效 固结 的重要 部 件 ， 应 重 点 设 计 。若 有 条 件应 通过计算 确定其最佳管径及位置 。一般管径不 宜过 小 ， 选 为混 凝 土 最 大 骨料 粒 径 的 3 4倍 ， 长 度 0 6 1 0 m。如 果 净 空 条 件 允 许 ， 出气 管 应 当 向 上 弯 曲 9 0 。 ， 管 口高 出主梁梁 底 0 51 0 m， 安 装 位置 位 于 钢 管 箍顶 部 ， 同时做 好加 固措 施 ， 防止 出气管 在混 凝 土 自 重作用下发生弯曲、 脱落。 5 ) 采用 本 施 工 方 法 进 行 空 间 狭小 的 墩 梁 固结 外 包混凝土灌 注， 能够“ 全断面” 、 “ 一 次性” 、 “ 全密 实” 完 成施 工 。 6 ) 采用 新 型泵管 接 头 ， 泵送 系统 拆 除 后钢 管箍 内 混凝土仍处于持压状 态， 且在保证各墩柱混凝 土流水 施 工 的情 况下 可减少 材料 用量 。 7 ) 本施 工 方 法 同样 适 用 于 结 构 柱 加 固及 钢 管 混 凝 土拱桥 钢管 内的混 凝 土灌 注施 工 。 参 考 文 献 1 曹兴 ， 魏 洋 ， 李 国芬 ， 等 钢筋混凝土桥墩加 固与修复技 术研 究 J 施工技术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 6 ( 4 O ) ： 6 0 6 4 2 孙文龙 ， 李世春 某桥梁墩柱偏位成 因分析及处 治建议 J 北方交通 ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 7 ) ： 3 9 4 2 3 李化建 ， 谭盐宾 ， 谢永江 ， 等 自密 实混凝 土的特 点及其在 高 速铁路 中的应用 J 铁道建筑 ， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 1 4 3 1 4 5 4 李寿福 1 2 8 m 系杆拱桥 钢管混凝 土浇 筑施 工技术 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 3 ( 9 ) ： l 2 1 3 5 中华 人民共 和国住 房 和城 乡建设 部 J G J T 1 0 2 O 1 1 混 凝 土泵送施 工技术 规程 s 北 京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 011 6 中国土木工程学会 C C E S 0 2 2 o 0 4 自密实混凝土设计 与 施工指南 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 ( 责任 审编 李付军)