工程施工新技术新工艺新材料新设备使用

1、工程施工新技术、新工艺、新材料、新设备使用吴忠黄河特大桥是叶中高速公路南段的咽喉工程， 在施工过程中 采用了大量的新技术、 新工艺、 新材料， 确保了大桥的工程进度和质 量，采用的新工艺、新技术有：低应变桩基测试技术、双壁钢套箱进行深水基础施工、 薄壁混凝土套箱基础施工、 轻型三角托架梁部施工、C50高性能混凝土的配制与应用、 光纤传感测试技术、 90 米悬灌梁线型控制技术。1、低应变桩基测试技术吴忠黄河特大桥全桥钻孔桩共计量及其完整性， 本合同段采用了美国206 根， 为了检测出钻孔桩的质PDI 公司生产的桩基完整性测试仪（P.T.I）对全部桩基进行测试，通过低应变反射波法进行分析，测出反射

2、波时域曲线， 最后判断出桩基的类别。 通过检测， 吴忠黄河特 大桥全部钻孔桩桩身完整， 混凝土达到了设计标号， 无明显缺陷， 桩 长和波速正常，满足设计要求，均为类桩。2、双壁钢套箱（围堰）深水基础施工由于主桥 18# 墩位于黄河河心部位，施工时受到河水的影响，不 能按照通常的方法进行承台基础施工，因而采用双壁钢套箱（围堰）进行承台施工。具体的施工方法为：钢套箱平面尺寸 17.85m9.7m，面板采用 8mm 钢板，内部框架 采用 75m75mm 8mm 角钢制作，套箱厚 80cm，净空比承台轮廓尺 寸大 60cm，套箱全高 8.5m，箱底置于承台底以下 2m ,上下分三节，节高分别为 2.5

3、m、 3m、 3m，平面上每节分 12 块，最大吊重约 4.3t，节与节、块与块之间采用螺栓连接，并加防水胶垫，以便拆除。钢套箱拼装采用自组群吊的方法，具体为：桩基灌注结束后，逐 根将钻孔钢护筒接长， 并在护筒顶端将其连接形成整体， 上部放置工 字钢吊梁，挂上倒链组成群吊，同时拆除钻孔桩平台。在护筒高于施工水位 1.0m 处安装托架，并铺设垫梁及枕木。在托架的垫木上准确放出钢沉井的平台位置，利用浮吊和 10t 导链进行首节钢套箱拼装，拦装完后注水检查，观察有无漏水现象。第一节套箱拼装结束后，用 10t 导链将其吊起，拆除托架、垫梁和枕木，均匀下沉至浮起，注水 下沉至套箱顶面露出水面 0.5m

4、时停止下沉，然后挂上倒链，护筒间设临时支撑，将套箱固定，再拼装接长套箱，并注水下沉。下沉过程中， 通过设于护筒上的导向装置来保证套箱的平面位置。 为增加套箱自重，利于下沉， 同时也为增大套箱底部刚度，在底节套箱内灌注水 下混凝土。 当套箱刃脚落于河床时， 利用抓斗或吸泥机使套箱继续下 沉，直至刃脚越过承台底 2m 后停止下沉，同时在套箱外围抛填片石进行护脚。套箱下沉到位后，继续用抓斗或吸泥机对箱底进行清理，然后灌注水下混凝土封底，养生 7 天后，在套箱内抽水，进行承台施工。3、薄壁混凝土套箱法基础施工主桥 15#、 17#、 19#墩位于黄河浅滩上，由于受到黄河水位的影响， 水位已超过承台顶面

5、， 因而采用薄壁混凝土套箱进行基础承台施 工。混凝土套箱壁厚为 60cm，根据各墩承台尺寸，混凝土套箱内净 空每侧均比承台大 80cm，在混凝土套箱内配双层 20 螺纹钢筋网，用以增加混凝土套箱的刚度。 套箱在各墩地表进行预制， 预制高度为4 米，底部混凝土表面设角钢作为刃角，以利于混凝土套箱的下沉。当混凝土强度达到设计强度时， 开始均匀对称下沉套箱， 下沉过程中 采用不排水开挖， 用吸泥机将刃角四周泥土吸出， 并用冲击抓斗配合 冲抓， 使套箱均匀下沉。 下沉时及时进行测量， 以确保套箱位置的准 确。当套箱下沉到设计标高以后，开始对套箱内的泥土面进行整平，将泥浆清理干净， 利用多点导管对水下混

6、凝土进行封底作业， 封底混 凝土厚度为 1.5 米，最后进行承台混凝土的浇注。4、轻型三角托架梁部施工墩顶 0#段、 1#段是主桥悬灌梁施工中的第一作业段，也是连续 梁施工中较为繁琐的一部分， 因此， 如何正确选用托架形式将直接影 响到墩顶 0#段、 1#段的施工进度和质量。在以往的施工中，较多的采用万能杆件在墩侧拼装， 或直接在地面支立排架， 增加了施工的难度，同时也增大了施工成本。 吴忠黄河特大桥墩顶 0#段、 1#段由 4m3m+4m共三段组成，其中 0#段段处于墩顶，不需外加支撑， 1#段则需支立托架现浇完成，每侧混凝土数量为 75m3。同时由于墩身为箱型薄壁墩， 壁厚 50cm，如采

7、用万能杆件等拼装形式，一是需埋设大量型钢，整个墩顶支撑部位墩身均须加强，且型钢为一次性材料，不能倒用；再者万能杆件拼装要求精度高，而产生的变形又大，不利于 0#段、 1#段的施工。鉴于以上情况，我们选用了预应力三角托架形式，即墩身施 工时， 在相应部位埋设托架预埋件， 并在托架预埋件处增设墩身内部 横系梁。三角托架采用 30b 和25a 槽钢拼制而成，并通过横系梁处预留的孔道用 32 精轧螺纹钢连接起来，为保证托架与墩身接触紧 密， 每根螺纹钢需用千斤顶张拉 54t 力后锚固。 具体形式见托架示意 图。托架支立完成后，在托架顶面铺设 28 分配梁，并加铺混凝土楔块后放置 4m段底模。为验证此托

8、架的安全性，我们选取了两个墩身分别进行了模拟加载试验，结果证实，该托架实际变形只有 4mm，有效地保证了施工的强度、刚度和稳定性。 0#段、 1#段施工最短工期为25 天，使梁部施工工期大大地缩短，为悬灌梁的施工提供了大量的 时间。预 应 力 三 角托架 示 意 图5、 C50 高性能混凝土的配制和应用吴忠黄河特大桥主桥采用 C50 级高性能混凝土施工， 高性能混凝土主要以混凝土的高工作性、 高强度、 高耐久性为特征， 从而区别于普通混凝土。（ 1）高性能混凝土配合比的配制根据施工规范对高性能混凝土的要求，混凝土中的原材料要严格进行控制，细骨料应采用级配良好的中砂，细度模数在 2.6 2.9之

9、间，含泥量应小于 2% ；粗骨料应使用坚硬、级配良好的碎石，骨 料的抗压强度应比所配的混凝土强度提高 50%以上，含泥量应小于1%，针片状颗粒含量应小于 5% ，骨料的最大粒径宜小于 25mm；所用水灰比宜控制在 0.24 0.38 的范围内；高效减水剂的掺量宜为胶结料的 0.5%1.8% 。我们在高性能混凝土的配合比选取时，进行了多种配合比试验，最后配合比选定为水泥 : 细骨料 : 粗骨料 : 粉煤灰 :30 60 90 100压碎值（ %）软石含量（ %）粗骨料各项指标检测表20.0010.033.216.00.55.097.1硅粉 : 水 : 减水剂 =1:1.49:2.24:0.1:0

10、.08:0.356:0.0177 , 其中混凝土中的水泥用量为 480kg/m3 。吴忠黄河特大桥高性能混凝土所用材料的选用及指标如下：水泥: 采用银川生产的赛马牌 P.O42.5R 普通硅酸盐水泥，其中水泥的各项检测指标见表（一） 。水泥各项指标检测表28 天3 天28 天结试 验 项 目细 度 80 m方孔筛余（ %）凝结时间 初 凝 / 终 凝安 定 性（沸 煮 法）稠 度 标准稠度 （%）/ 用水量 （ml）胶 砂 流 动 强 度（ cm） (W/C=0.44)3 天1:2.5 胶 抗 折砂流动强度（ Mpa） 抗 压论试 验 结 果2.02 h 32 min / 3 h 47min合

11、 格26.8 / 13411.67.089.5240.467.9合表（一）技术标准 GB175 92 10.0%45 min / 10 h无裂缝、无翘曲5.07.023.052.5格 粗骨料：选取青铜峡卡子庙产的 5 16 mm石灰岩碎石，其级配及其它指标见表（二） 。表二筛 孔 尺 寸（ mm）累 计 筛 余（ %）累计筛余符合规范级配（ %） 0 0 10视 比 重（ g/cm3） 2.7堆 集 密 度（ g/cm3） 1.582.5 筛 底99.8 095 1006.619.3细骨料各项指标检测表0.6358.60.1690.912.537.15.002.522.1振 实 密 度（ g/

12、cm3） 1.63振 实 空 隙 率（ %） 40结 论堆集空隙率（ %） 41符合 5 16 mm 连续级配细骨料：采用渠口中砂，其级配及其它指标见表（三） 。筛 孔 尺 寸（ mm）累 计 筛 余（ %）累计筛余符合规范级配（%）视 比 重（ g/cm 3）振 实 密 度（ g/cm3）细 度 模 数 MX表三0.315820 10 0252.71.782.910 25 4170 70 92堆集密度（ g/cm 3）堆集空隙率（ %）振实空隙率（ %）90 1001.753534筛余0结 论 合 格粉煤灰： 采用青铜峡大坝电厂生产的 I 级袋装干灰，分分析见表（四） 。粉煤灰化学成分分析表

13、其化学成表四检 验 项 目 细度 烧矢量 CaO MgO FeO3 AL2O3 SiO2 K2O单 位 %标 准 指 标GB1596 91 12 5 Fe O3 + AL2O3 + SiO2 70（ I 级 ）检验结果 干灰 6.40 3.66 4.77 4.9 7.67 27.14 48.13 0.67硅 粉： 石嘴山市普通硅粉， SiO2 含量在 85%以上。减水剂： 山西万荣厂生产的 UNF3A 型缓凝高效减水剂。拌合水： 吴忠市自来水Na2O0.93SO331.21经过试验试配，高性能混凝土的 7 天强度达到 54.8Mpa， 28 天强度达到 59.6Mpa，同时在吴忠黄河特大桥梁部

14、高性能混凝土的施工 过程中，梁体混凝土的 28 天强度均超过了混凝土设计强度标准，证明了高性能混凝土在桥梁建设上已成功进行运用。（ 2）高性能混凝土的特点高性能混凝土中掺有粉煤灰和硅粉，提高了混凝土的强度和 耐久性。A、粉煤灰对混凝土性能的影响在混凝土中掺入一定量的粉煤灰以后，取代了混凝土中的部分 水泥和骨料，能够减少混凝土的用水量，相应降低了水灰比，改善了 混凝土的和易性，减少了混凝土的泌水率，防止了混凝土离析现象的 发生，同时能够提高混凝土的密实性及抗渗性，并改善混凝土的抗化 学侵蚀性。B 、硅粉对混凝土性能的影响硅粉的主要成分是二氧化硅，占其含量的 85 95% , 硅粉粒径为 0.1

15、1.0 m，是水泥颗粒粒径的 1/50 1/100 ，硅粉松散容重 为 250 300kg/m3 , 填充在水泥颗粒之间，能将水泥水化产生的 Ca(OH)2转化为 CSH凝胶（即火山灰反应） ，从而大幅度提高混凝土强 度和降低混凝土的渗透性。掺硅粉后的水泥浆体中的毛细孔会相应减小， 从而能提高混凝土 的密实性、抗渗性和耐久性。由于硅粉颗粒极细， 能改善混凝土拌合物的和易性， 增加粘聚力，减少离析，增强可泵性，可配制高流动度的混凝土。低水灰比与普通混凝土相比， 高性能混凝土的水灰比较低， 在吴忠黄河特 大桥梁部混凝土中的水灰比为 0.356 ，从而减小了混凝土的孔隙率 和渗透性， 因此低水灰比是

16、保证混凝土高耐久性和高强度的前提条件 之一。水泥用量低吴忠黄河特大桥主桥梁部 C50 高性能混凝土中的水泥含量为480kg/m3，而普通 C50级混凝土中的水泥含量均超过 500kg/m3，由于 水泥用量的减少， 从而降低了混凝土的水化热， 而由于混凝土中粉煤 灰和硅粉的掺入，提高了混凝土的强度。粗骨料中的最大粒径小高性能混凝土中粗骨料最大粒径为 16mm，因为骨料最大粒径小，则骨料与水泥浆界面应力差较小，而应力差大会引起混凝土裂缝。（3）高性能混凝土施工过程质量控制混凝土拌制高性能混凝土的拌制与普通混凝土拌制有很大的区别， 必须采用 强制式拌合机进行拌合，而且拌制时宜采用“二次投料法”的拌合

17、施 工工艺进行施工，因采用“二次投料法”可以达到提高水泥砂浆与砂子界面粘结强度的目的。其拌合施工工艺如下：混凝土拌合时，先投入粗骨料和细骨料， 并加入 70%的水，先拌合 30 秒钟，然后投入水泥继续拌合，最后再加入粉煤灰、硅粉和减水剂以及剩余的 30%的水量进行拌合，每盘混凝土的拌合时间不少于 2 分钟。混凝土浇注高性能混凝土中由于掺加了粉煤灰和硅粉， 和易性较好， 不易产生离析的现象， 同时由于混凝土中的各种成分之间粘结能力比普通混 凝土增强， 造成其流动性差， 因此混凝土浇注完毕后要立即进行收面， 而且不能采用普通混凝土中所使用的木抹子进行， 应该用铁抹子代替木抹子。混凝土养护高性能混凝

18、土浇注过程中， 混凝土表面失水较快， 在其表面形成一道硬壳，即“假凝”现象，因此吴忠黄河特大桥主桥梁部施工时，在混凝土浇注完毕后立即用润湿的麻布进行覆盖养护， 并不断地向麻 布上洒水，使其充分润湿，以达到混凝土养护的目的。6、光纤传感测试技术吴忠黄河持大桥跨度大，施工工艺复杂，技术含量高，而且设计 和施工的难度较大。 为了保证桥梁结构的安全性和可靠性， 首先应从 设计、 施工及运营三个阶段加以考虑， 做好桥梁施工阶段的实时健康 监测是保证其安全的重在环节， 而采用先进有效的光纤传感测试技术 又是做好整个桥梁健康监测的重要条件。 将光纤传感器应用于吴忠黄河特大桥施工阶段的应力监测， 不仅可以检验

19、施工质量， 保证施工安全， 测定各施工阶段的结构受力状态和结构性能， 为完善桥梁设计理论和施工工艺提供科学的依据， 还可推动光纤传感测试技术在我国桥梁结构健康监测中的应用和发展。 此外， 施工阶段埋设的光纤应变传 感器可以永久使用， 这不仅为今后通车鉴定试验提供梁体内部测点初 始数据，也为今后通车若干年该桥的长期健康监测打下了重要的基础。（ 1）监测孔跨的确定根据大桥的总体布置情况， 并结合施工进度计划， 选择黄河大桥上游幅桥梁的固定墩旁两主跨进行监测，即 1618 号墩之间的两跨。该孔跨跨度最大，且因固定墩的存在，使得其受力比其它孔跨复杂。（2）监测断面的选择在悬臂施工过程中，支座截面（即悬

20、臂根部）的变矩随着悬臂长度的增加而增大， 所以在首先考虑监测该截面附近的应力状况， 这里选择距离墩中心 2m 的两个截面。在悬臂施工阶段， 跨中断面应力较小， 但为监测体系转换过程中 的应力变化， 以及合拢通车后最大正弯矩区的应力状况， 必须对跨中 截面的应力进行监测。 因此选择 1617 及 1718 号墩之间的两个跨中 断面。根据连续梁的受力特点，单跨的 1/4 截面弯矩和剪力相对较大，也应进行监测。因此施工过程中共计选择了 6 个断面，即 44 号段、55/56 号段、 61 号段、 67 号段、 76 号段和 81/82 号段。（3）测点布置在断面上根据梁的受力特点， 其上下翼缘的应力

21、最大， 所以传感 器尽量布置在上下翼缘， 且具有一定的保护层； 考虑到箱梁的扭转和畸变影响的特点， 应在各角点布置传感器； 再考虑到箱梁的剪力滞效应， 应该在各室顶底板中间布置传感器， 以确定该处与腹板处 （角点）的差异。所以光纤传感器测点的布置为各断面处箱梁顶板布设 7 个，箱梁底板布设 5 个传感器。（4）施工阶段传感器布置数量布置光纤应变传感器总数为 72 个，差动应变传感器布置总数为30 个。（5）主要仪器设备现场主要使用的是 FTI 10 光纤传感数据采集仪， SQ 2 数字电桥差动传感器数据采集仪，笔记本电脑等设备。（6）数据采集周期A、各截面的传感器测试初值的时间为该截面所在梁段

22、的现浇混凝土终凝时刻（即混凝土浇注完毕 810 小时，以实际测得的终凝时间为准）。B、每天例行测试两次：第一次为早晨日出前开始；第二次为中 午最高温度时间内测完。C、每一节段的预应力张拉前后各测一次。D、每次移动或安装挂篮前后各测一次。E、每次浇注下一段混凝土前后各测一次。F、各截面的应变测试工作一直进行到全桥合拢后 10 天暂告一段落。G、待桥面铺装施工（二期荷载）开始后再恢复例行测试工作，一直到大桥竣工进行动静载试验前结束。（7）光纤应变传感器的安装埋设A、根据绑扎钢筋和浇注混凝土的顺序，按先底板后顶板的顺序安装埋设传感器。光纤应变传感器安装埋设施工的主要材料设备项 目光纤应变传感器内 容

23、72 只 EOF 型埋入式光纤应变传感器说 明按监测大纲要求，吴忠黄河特大桥监测 6 个断面的应变情况，每个断面埋入 12 只光纤应变传感器，共计 72 只光纤应变传感器。光纤信号传输线法兰盘热缩管金属波纹软管集线箱光纤信号测试仪器72 条两端带标准 ST 型光纤插头的 TC/FO 型光纤信号传输线144 个标准 ST 型光纤连接法兰盘20 米规格为 12mm 的热缩管400 米规格为 12mm 的金属波纹管6 个 600mm 300mm 400mm的集线箱FTI 10 型光纤测试仪 2 台按每个测点位置到测试集线箱的距离，确定每条传输线的长度。72 个用于传输线的连接， 72 个用于与测试仪

24、器相连的 ST 型光纤插头的保护。用于传输线连接处的密封用于传感器自带传输线的保护共计 6 个测试断面，每个断面配置一个集线箱。B、按照方案要求，在距中腹板 1500mm 处，以底板钢筋为固定端焊接集线箱固定支架，将集线箱固定在距底板上方 300mm 处。直径为 100mm 的钢管从底板钢筋处连接到集线箱，以作为传输线进入集线箱的孔道。C、确定传感器的埋设位置，作出明显的标记，以利于确定焊接 传感器安装支架的位置和传感器的精确定位，按照监测技术的要求，埋设传感器的角度误差应不超过 1 度，位置误差不超过 5mm。D、在预埋传感的位置处焊接传感器安装支架。传感器安装支架应确保传感器的精确定位，并

25、起到对传感器与传输线的保护作用。E、将传感器的中间传感器部分用白纱布缠裹好，使用钢筋绑扎 丝将传感器固定在安装支架上， 并在传感器上方用均匀密排的钢筋棒 （其长度应大于 200mm，以便绑扎）进行防护，以避免混凝土浇注 时对传感器的直接冲击。F、将传输线沿横向钢筋的下缘走线，并穿入进入集线箱的钢管孔道， 将传感器传输线的尾部固定在集线箱内的预定位置。 沿钢筋下缘走线时， 应将传输线用绑扎丝与钢筋绑扎一起，凝土浇注时对传输线的冲击破坏，在传输线 以防止混G、在集线箱内，将传感器传输线尾端的光纤插头接入光纤信号 测试仪， 检验传感器的传输信号， 如测试数据正常， 则传感器已成功安装，可按混凝土的正

26、常浇注过程进行混凝土的浇注。H、 在进行顶板传感器安装时， 先用直径为 100mm 的钢管从顶板 钢筋处连接到集线箱， 之后便可是按照上述方法安装传感器， 并将传 输线引入到集线箱内。（8）光纤应变传感器的数据采集A、考虑到施工现场的实际情况，采用 FTI 10 型光纤测试仪进行现场数据采集。B、将传感器的编号和出厂系列号输入 FTI 10 型光纤测试仪。C、在每次采集前应检查接头是否干净。D、在每次采集前，确认仪器中的出厂系列号和所采用传器号对应。E、采集并记录时间、数据及结构状态。（9）监测数据分析大桥在未通车之前，影响混凝土内部应力的因素为混凝土收缩、 混凝土徐变、和温度的影响，其计算方

27、法为：A、混凝土收缩：其混凝土收缩计算公式为： s(t, ) =14810-6 （1 e-0.03t） 其中： s(t, ) 为计算龄期 t 时的收缩应变值；t 为计算龄期（天）B、混凝土徐变：采用 CEB-FIP1978模式，计算表达式为：（ t, ） = a+b+f +0.108计算说明：因徐变与应力相关，要比收缩的处理复杂得多，有可变荷载、 加载龄期、 计算龄期等因素的影响并且考虑徐变后应力发 生变化， 反过来再影响徐变， 因此是一个迭代收敛的过程。 但对于静 定结构而言， 如不考虑预应力损失的影响， 混凝土收缩和徐变只引起 位移的变化， 不引起内力和应力的变化， 只需对不同的加载龄期和计 算龄期内的荷载（自重、预加力等）引起的徐变迭加即可。而预应力 的损失一般占张拉力的 30%左右， 张拉时已发生大部分， 而长期应力损失只占张拉力的 8%10%， 其影响比较小， 因此对于徐变计算的影响可以考虑折减 5%。C、温度影响的处理温度影响可以根据实际温度场进行温度分布分析， 进而对结构进行温度应力分析。 由于实际温度要引起混凝土应力产生， 因此在应变中去除其它应变后所得即为由应力引起的应变。（ 10）大桥合拢后的监测