某大桥三维曲面塔清水混凝土施工技术

广州猎德大桥三维曲面塔清水混凝土施工技术中交二航局四公司 廖正根 李桂华 摘 要 广州猎德大桥主塔为“贝壳”状弧形三维曲面塔，就塔施工而言，其施工难度为国内乃至世界之最，塔的外观标准要求达到清水混凝土标准。经过多方共同努力、相互配合、不断试验和摸索，终于建成了业主和桥梁专家们一致认可的清水混凝土三维曲面塔。本文就这种三维曲面塔清水混凝土施工技术作了详细介绍。关键词：三维曲面塔 清水混凝土 施工 技术1名词解释三维曲面塔：三维曲面塔就是塔的任何一点的曲率均不同，任何一面均为不可展开为平面的曲面，即塔从下到上没有相同的断面，也没有相同尺寸的边。清水混凝土：清水混凝土就是混凝土不经过任何修饰，具有理想中的天然混凝土的外观和色泽，即浇筑成型的索塔外表面混凝土具有装饰效果，做到表面非常光滑，棱角分明，内在质量好。2 概述猎德大桥为独塔自锚式悬索桥，跨径组合为47+167+219+47m，全长480m，双向六车道设计。广州猎德大桥索塔外观似两个贝壳状弧形壳体相扣，高128m，横向全宽56m，纵向全宽9.16m。其横桥向内外轮廓分别为椭圆组合而成，顶部开孔。外轮廓由两个椭圆相扣在一起，单肢塔柱横断面类似梯形，其两侧轮廓由一段或两段椭圆组成。横向全宽9.63m8.13m11.43m，外侧宽2m，设有1.2m深、1.2m宽的凹槽似贝壳开口，内设灯光，每当夜幕降临光线从贝壳中射出，更加突出“珍珠”的光彩夺目的效果。索塔轮廓见下图。索塔具体结构设计如下：塔高128m，其中主体结构高103m，顶部装饰高25m，桥面以上高度为108.422m。塔底设计高程为2.925m，塔顶设计高程为130.925m。混凝土设计标号C50，总方量为9974m3。业主要求索塔混凝土的质量达到清水混凝土标准。 3 索塔总体施工方法塔柱采用分段浇筑法施工，塔顶横梁采用钢管支架作为底模支撑，塔柱空心段内腔采用脚手架作为操作平台施工。在索塔施工过程中，设置5道水平横撑使两塔柱固结成整体。索塔施工的主要机械设备有塔吊、电梯、砼拖泵等。施工电梯采用双笼式电梯，设在上、下游侧索塔横桥向塔身外侧，电梯起重量1t，安装高度约95m，附墙架采用在塔柱上埋设对拉螺栓用套筒、连接螺栓附着连接。索塔施工垂直起重设备采用两台125t.m附着式塔吊，塔吊布置在塔柱上、下游两侧塔座顶面，塔吊选择时，采用60m和45m塔吊大臂，并在高度上进行错位，避免相互干扰。4 清水混凝土的施工技术为了使索塔混凝土达到清水混凝土标准，项目部主要做好以下工作：模板体系设计、制作与安装；混凝土原材料的选用、配合比设计；透水模板布的选用及粘贴；预买埋件的特殊处理；混凝土的浇筑、养护。4.1 索塔模板的特殊设计及特殊处理由于索塔形状特殊，因此索塔模板的设计加工质量的好坏将直接影响到索塔的外观线条，可以说索塔模板设计合理以及加工质量好是确保索塔混凝土为清水混凝土的重要措施之一。4.1.1 索塔模板的设计思路由于塔身表面为曲面，且各点的曲率不同，为确保索塔外观质量满足设计及相关要求，索塔外模板采用大面积节段整体钢模板，钢模板面板上粘贴透水模板布，外侧钢模板及透水模板布不考虑周转使用，在模板设计时，为尽量减少拉杆的使用，采用钢桁架作为模板的背带以增大模板的刚度，同时在桁架上布设钢板网作为走道和操作平台。4.1.2 索塔模板的设计原则（1）对于不可展开的空间三维曲面来说，其严格意义上是无穷个渐变的断面轮廓线（面）的组合，对于其模板来说，渐变的轮廓面分割的越小，其成型就越接近理想的空间曲面状态，所以对这种空间三维曲面的模板制作来说，就是要在相关规范允许的条件下及外观成型尺寸误差允许的条件下，将这种不可展开的曲面分割成局部的可展开曲面、可加工的面板部件。（2） 由于本工程塔的景观上的意义，为确保塔身外表面质量符合设计及景观的要求，必须将外模板设计成大面积节段整体大钢模，即需将分割成局部可展开，可加工的面板部件，在满足三维曲面各点的曲率尺寸及塔柱各截面尺寸的条件下汇集成节段的三维曲面面板，即采用三维曲面成型的钢模板技术进行设计、加工和制作。（3）为确保砼塔的空间尺寸的准确，确保曲面模板成型尺寸的准确，同时为确保砼成型的外型质量需尽量减少模板内对拉杆，同时满足模板刚度符合相关规范及本工程的施工要求。因此需将模板的外背楞设计成桁架式外背楞。（4） 索塔混凝土模板必须具有足够的强度、刚度、稳定性和可连续性。模板支撑部位应有足够的支撑面积，同时外表面应为材质一致，几何尺寸精确的整体三维曲面成型的钢模板。其面板的强度、刚度、光泽度、平滑度、精确度、防锈性能、企口接缝和孔位排布要能满足清水混凝土表面的质量要求。（5）合理安排整体模板的拼装方式，按施工起重能力合理分节分块，尽可能减少模板节段数和模板接缝数量。（6）模板内部的对拉杆及加强内支撑不应与索塔内的劲性骨架及相邻预埋件相碰。4.1.3 索塔模板的结构单节模板由四块组成，每块模板由基本构造和桁架构造两部分组成。（1）基本构造本模板采用轻型桁架，并以桁架为部分胎模进行制作。其中钢面板采用8mm钢板，考虑到制作周期及强度与刚度等问题，本模板边框采用14100扁钢或用=14钢板割成。边框冲孔1830长圆孔，间距150mm。面板后布置竖向加强肋10，间隔300mm布置。并与边框相临近的槽钢和边框之间布置一道10100mm扁钢以增加边框刚度。（2）桁架构造桁架宽度取为800mm，桁架主骨为12槽钢，间隔50mm布置，中间撑杆为6.3槽钢。直撑杆间隔7501150mm布置，并在桁架主骨及撑杆之间布置=10mm的接点板进行连接加强。竖向主肋采用10，通长下料，间隔300mm布置一处。索塔典型断面模板构造及拼装图见下图所示： 4.1.4 索塔模板的制作思路砼塔表面的三维立体图利用proENGINEER软件制作，从三维立体图中根据空间曲面的特征，用轮廓等分原则寻找理想的可局部展开的等分段，分成面板块。根据砼塔表面的三维立体图作出模板板面的背肋的形状与结构尺寸，用数控切割机床根据前述背肋的形状，结构尺寸制作相应的模板背肋。根据砼塔表面的三维立体图制作出相应的背肋桁架：4.1.5 索塔模板的特殊处理（1）模板拉杆的处理内外模板间预留螺杆及H型螺母，螺母外设2厘米厚白色塑料垫块（兼做保护层），模板安装后安装外螺杆及螺帽。混凝土浇筑后，将外螺杆、螺帽、塑料垫块拆除，后修补塑料垫块处空洞。在钢筋绑扎时，根据模板的对拉螺杆位置，预先将模板的对拉螺杆安装。模板对拉螺杆构造见下图照片所示。（2）板面的处理同一块模板的面板采用大块钢板制作，以尽可能减少面板的拼缝。如有面板拼缝存在，必须刨边处理以保证良好的拼接。拼接缝必须成一直线，同一面板上的两块钢板间的高差不得大于0.3mm。并且在拼缝的位置不能焊接和用设备打磨，因为打磨会使拼缝处有凹凸感。（3）边框的处理为了使拼装后的模板尺寸精度高，降低拼缝的宽度，使拼缝顺直，模板厂家在制作完毕后，要将模板周边刨边处理，因此模板的制作尺寸要稍大于设计尺寸。（4）模板的表面处理及防腐模板制作完成之后面板外层喷涂三层油漆，分别为底漆防锈漆装饰漆。模板内侧板面在模板拼装完毕之后应铺设一层单面粘胶聚乙烯薄膜，在运输和储存时不得取下。模板安装时撕下聚乙烯薄膜，粘贴透水模板布。4.2 索塔原材料的选择及配合比试验4.2.1混凝土原材料选择（1）混凝土用砂、石应不使用具有碱活性集料，水泥、集料和外加剂应进行含碱量试验，选用碱含量小于0.6%的低碱水泥并控制混凝土中总碱含量。（2）水泥：应优先考虑低水化热水泥，选用同一厂家、同一品种水泥。（3）粗骨料：含泥量、粉屑、有机物质和其它有害物质不得超过设计规定的数值，骨料应具有良好的级配以获得水泥用量低、混凝土强度高、和易性好的组合。粗骨料最大粒径25.0mm。选用同一料厂材料。（4）细骨料：细骨料直接影响着混凝土的和易性和强度，如细骨料偏粗，则和易性差，泌水性大，如偏细，比表面积大。（5）在现场进行模拟试验施工：在大量混凝土配合比试验基础上，现场采用塔柱模板立模进行试验块混凝土浇筑施工，根据试验块混凝土外观质量效果选择外加剂等。外加剂：具有高强、高泵扬程、早强、缓凝等特性。4.2.2混凝土配合比塔柱为C50高强混凝土，具有高集料、低水灰比、高泵扬程、早强、缓凝等特性。混凝土采用泵送入仓，泵送垂直距离较大，施工时对混凝土的可泵性、和易性、泌水性以及缓凝、早强等性能要求很高。混凝土配合比要求：坍落度为1820cm，粗骨料粒径525mm。为了保证混凝土的质量及泵送要求，在浇筑塔身砼之前，由实验室进行混凝土试配以确定混凝土的配比。随着塔柱升高或季节的变化，混凝土配合比做适当调整。塔柱混凝土配合比设计注意事项：（1） 掺入外加剂和粉煤灰，以降低单位水泥用量，并改善混凝土的和易性、可泵性以及达到缓凝早强等要求，改善混凝土的工作性能。（2）夏季、冬季施工时，分别采用砂石料降温、热水拌和，以控制混凝土的出仓温度，同时对混凝土运输车和泵管分别采取降温和保温措施，减少混凝土水分的损失，确保运至现场时的砼其质量、坍落度和扩展度能够满足设计、规范、标准及施工要求，不分层、不离析。（3）每罐砼搅拌时间以90s为宜。4.3透水模板布选择与使用透水模板布是利用物理原理，把刚浇好的混凝土表面多余的空气和水分排出，降低了混凝土表面的水灰比，提高了混凝土的强度和耐磨力，大大延长了混凝土的使用寿命。4.3.1透水模板布的选择为了选用透水模板布，在施工现场做了5组试验块。试验选取了砼排气最不利的俯角侧模板，每块试验块的大小为：长2m，厚1m，高2m，钢筋按照实际施工的钢筋密度进行布置。试验分为独立试验和混合试验两种方法进行。（1）仿真钢筋砼状态下，独立试验仿真钢筋砼状态下，并在模板外增加附着式振捣器辅助振捣。试验中分别采取了：1）在模板表面涂模板漆；2）在模板内表面贴桌宝牌透水模板布；3）在模板内表面贴耐善顿牌透水模板布；4）在模板内表面贴桌宝牌透水模板布；试验后发现：1）涂模板漆的模板拆模后砼表面蜂窝、麻面严重，特别是倒角处，外观质量很差，其效果见照片一；2）贴桌宝牌透水模板布拆模后砼表面基本无气泡现象，砼致密，但其表面布纹明显，外观效果差，其效果见照片二；3）贴耐善顿牌透水模板布拆模后砼表面基本无气泡现象，砼致密，无明显的布纹现象，颜色较深，由于该布较厚，粘贴的平整度较好，表面基本无光泽，总体外观效果较好，其效果见照片三；4）贴福特斯牌透水模板布的模板拆模后砼表面（包括倒角处）基本无气泡现象，砼致密，无明显布纹，但由于该布相对较薄，粘贴的平整度相对较差，表面有部分小皱纹，表面无光泽，接近混凝土外观效果，总体外观最好。其效果见照片四。 照片一：涂模板漆 照片二：贴桌宝牌透水模板布 照片三：贴耐善顿牌透水模板布 照片四：贴福特斯牌透水模板布（2）仿真钢筋砼状态下，混合试验在仿真钢筋砼状态下，一块试验块上的模板分别涂模板漆、贴福特斯牌透水模板布、贴耐善顿牌透水模板布，并在模板外增加附着式振捣器辅助振捣。经过浇注砼试验发现：在混合状态下与独立状态下的试验结果基本相同，仍然是粘贴香港福特斯牌透水模板布的效果最好，故选用香港福特斯牌透水模板布。混合状态下的混凝土外观效果详见照片五照片五（从左向右）：贴福特斯牌模板布、涂模板漆、贴耐善顿牌模板布4.3.2透水模板布的粘贴现场透水模板布的粘贴在厂家专业人员的指导下进行，粘贴程序如下：（1）清洁模板，如果模板表面有油或不平整，会影响胶水的粘力和模板布的平整度。（2）均匀地将胶水薄薄地涂在模板表面及四侧。胶水不能涂得太厚，会堵塞排水层的孔而影响浇筑出来的效果。（3）待几分钟后，胶水颜色变透明，才可粘贴模板布，同时也可以按照模板的尺寸，裁剪好模板布，每边预留5cm左右，作排水用途。胶水的颜色变透明的时间视天气而定。（4）拉紧模板布，羊毛状的一边粘贴模板，固定位置后，用手由中心推向两边，确保牢牢粘贴在表面及四边，如有皱折要即时揭起再铺。（5）拼接位置先将两张模板布重叠约5cm，在重叠中间处切断，把切下来的多余两片拿走，小心地沿连接处往下压，涂多一点胶水，确保两边平整相接，避免浇筑混凝土时混凝土渗入其中。4.4预埋件的特殊处理索塔在施工过程中要预埋很多埋件，而埋件的预埋必然会影响混凝土外观，因此，埋件的处理技术显得非常重要。受力较大的预埋件采用30mm厚钢板，钢板贴在混凝土表面并通过多根32mm精轧螺纹钢筋进行锚固。在塔柱施工过程中，预埋好32mm精轧螺纹钢筋及联结器，精轧螺纹钢筋伸人联结器中8cm，用海绵将精轧螺纹联结器塞好，以免浇筑混凝土时砂浆进入联结器内。拆模后掏出海绵，将30mm厚连接钢板开孔用精轧螺纹钢筋及锚具锚固好，钢板安装前需刷油漆进行防腐处理。预埋件示意图见下图所示：对于小型预埋件，施工时通过在塔柱壁体内预埋“U”型螺栓或锥形螺母代替预埋钢板，施工完毕及时用同色砂浆修补墙体，避免施工预埋件发生锈蚀后影响塔柱外观质量。4.5混凝土养护及成品混凝土保护养护水的质量好坏会对混凝土的外观质量产生较大影响，本桥施工用水及养护用水全部采用纯净水，从项目部接水管至索塔处进行输送。由于施工过程中会对已经浇筑成型的混凝土产生污染，影响外观，尤其是浇筑混凝土时会污染下部节段混凝土，因此必须对成品混凝土进行保护。本桥对成品混凝土保护的做法是：在浇筑混凝土的过程中，尽量避免污染下部索塔混凝土，并派专人用高压水泵不停地冲洗索塔。5 结束语（1）为确保索塔达到清水混凝土标准，除认真做好了上文提到的几项重