某大橋三維曲面塔清水混凝土施工技術(shù)

1、廣州獵德大橋三維曲面塔清水混凝土施工技術(shù)中交二航局四公司 廖正根 李桂華 摘 要 廣州獵德大橋主塔為“貝殼”狀弧形三維曲面塔，就塔施工而言，其施工難度為國(guó)內(nèi)乃至世界之最，塔的外觀標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多方共同努力、相互配合、不斷試驗(yàn)和摸索，終于建成了業(yè)主和橋梁專(zhuān)家們一致認(rèn)可的清水混凝土三維曲面塔。本文就這種三維曲面塔清水混凝土施工技術(shù)作了詳細(xì)介紹。關(guān)鍵詞：三維曲面塔 清水混凝土 施工 技術(shù)1名詞解釋三維曲面塔：三維曲面塔就是塔的任何一點(diǎn)的曲率均不同，任何一面均為不可展開(kāi)為平面的曲面，即塔從下到上沒(méi)有相同的斷面，也沒(méi)有相同尺寸的邊。清水混凝土：清水混凝土就是混凝土不經(jīng)過(guò)任何修飾，具有理

2、想中的天然混凝土的外觀和色澤，即澆筑成型的索塔外表面混凝土具有裝飾效果，做到表面非常光滑，棱角分明，內(nèi)在質(zhì)量好。2 概述獵德大橋?yàn)楠?dú)塔自錨式懸索橋，跨徑組合為47+167+219+47m，全長(zhǎng)480m，雙向六車(chē)道設(shè)計(jì)。廣州獵德大橋索塔外觀似兩個(gè)貝殼狀弧形殼體相扣，高128m，橫向全寬56m，縱向全寬。其橫橋向內(nèi)外輪廓分別為橢圓組合而成，頂部開(kāi)孔。外輪廓由兩個(gè)橢圓相扣在一起，單肢塔柱橫斷面類(lèi)似梯形，其兩側(cè)輪廓由一段或兩段橢圓組成。橫向全寬，外側(cè)寬2m，設(shè)有深、寬的凹槽似貝殼開(kāi)口，內(nèi)設(shè)燈光，每當(dāng)夜幕降臨光線(xiàn)從貝殼中射出，更加突出“珍珠”的光彩奪目的效果。索塔輪廓見(jiàn)下圖。索塔具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：塔高1

3、28m，其中主體結(jié)構(gòu)高103m，頂部裝飾高25m，橋面以上高度為。塔底設(shè)計(jì)高程為，塔頂設(shè)計(jì)高程為?；炷猎O(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C50，總方量為9974m3。業(yè)主要求索塔混凝土的質(zhì)量達(dá)到清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)。 3 索塔總體施工方法塔柱采用分段澆筑法施工，塔頂橫梁采用鋼管支架作為底模支撐，塔柱空心段內(nèi)腔采用腳手架作為操作平臺(tái)施工。在索塔施工過(guò)程中，設(shè)置5道水平橫撐使兩塔柱固結(jié)成整體。索塔施工的主要機(jī)械設(shè)備有塔吊、電梯、砼拖泵等。施工電梯采用雙籠式電梯，設(shè)在上、下游側(cè)索塔橫橋向塔身外側(cè)，電梯起重量1t，安裝高度約95m，附墻架采用在塔柱上埋設(shè)對(duì)拉螺栓用套筒、連接螺栓附著連接。索塔施工垂直起重設(shè)備采用兩臺(tái)附著式塔吊，塔吊

4、布置在塔柱上、下游兩側(cè)塔座頂面，塔吊選擇時(shí)，采用60m和45m塔吊大臂，并在高度上進(jìn)行錯(cuò)位，避免相互干擾。4 清水混凝土的施工技術(shù)為了使索塔混凝土達(dá)到清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目部主要做好以下工作：模板體系設(shè)計(jì)、制作與安裝；混凝土原材料的選用、配合比設(shè)計(jì)；透水模板布的選用及粘貼；預(yù)買(mǎi)埋件的特殊處理；混凝土的澆筑、養(yǎng)護(hù)。4.1 索塔模板的特殊設(shè)計(jì)及特殊處理由于索塔形狀特殊，因此索塔模板的設(shè)計(jì)加工質(zhì)量的好壞將直接影響到索塔的外觀線(xiàn)條，可以說(shuō)索塔模板設(shè)計(jì)合理以及加工質(zhì)量好是確保索塔混凝土為清水混凝土的重要措施之一。4.1.1 索塔模板的設(shè)計(jì)思路由于塔身表面為曲面，且各點(diǎn)的曲率不同，為確保索塔外觀質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)

5、及相關(guān)要求，索塔外模板采用大面積節(jié)段整體鋼模板，鋼模板面板上粘貼透水模板布，外側(cè)鋼模板及透水模板布不考慮周轉(zhuǎn)使用，在模板設(shè)計(jì)時(shí)，為盡量減少拉桿的使用，采用鋼桁架作為模板的背帶以增大模板的剛度，同時(shí)在桁架上布設(shè)鋼板網(wǎng)作為走道和操作平臺(tái)。4.1.2 索塔模板的設(shè)計(jì)原則（1）對(duì)于不可展開(kāi)的空間三維曲面來(lái)說(shuō)，其嚴(yán)格意義上是無(wú)窮個(gè)漸變的斷面輪廓線(xiàn)（面）的組合，對(duì)于其模板來(lái)說(shuō)，漸變的輪廓面分割的越小，其成型就越接近理想的空間曲面狀態(tài)，所以對(duì)這種空間三維曲面的模板制作來(lái)說(shuō)，就是要在相關(guān)規(guī)范允許的條件下及外觀成型尺寸誤差允許的條件下，將這種不可展開(kāi)的曲面分割成局部的可展開(kāi)曲面、可加工的面板部件。（2） 由于本

6、工程塔的景觀上的意義，為確保塔身外表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及景觀的要求，必須將外模板設(shè)計(jì)成大面積節(jié)段整體大鋼模，即需將分割成局部可展開(kāi)，可加工的面板部件，在滿(mǎn)足三維曲面各點(diǎn)的曲率尺寸及塔柱各截面尺寸的條件下匯集成節(jié)段的三維曲面面板，即采用三維曲面成型的鋼模板技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和制作。（3）為確保砼塔的空間尺寸的準(zhǔn)確，確保曲面模板成型尺寸的準(zhǔn)確，同時(shí)為確保砼成型的外型質(zhì)量需盡量減少模板內(nèi)對(duì)拉桿，同時(shí)滿(mǎn)足模板剛度符合相關(guān)規(guī)范及本工程的施工要求。因此需將模板的外背楞設(shè)計(jì)成桁架式外背楞。（4） 索塔混凝土模板必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和可連續(xù)性。模板支撐部位應(yīng)有足夠的支撐面積，同時(shí)外表面應(yīng)為材質(zhì)一致，幾

7、何尺寸精確的整體三維曲面成型的鋼模板。其面板的強(qiáng)度、剛度、光澤度、平滑度、精確度、防銹性能、企口接縫和孔位排布要能滿(mǎn)足清水混凝土表面的質(zhì)量要求。（5）合理安排整體模板的拼裝方式，按施工起重能力合理分節(jié)分塊，盡可能減少模板節(jié)段數(shù)和模板接縫數(shù)量。（6）模板內(nèi)部的對(duì)拉桿及加強(qiáng)內(nèi)支撐不應(yīng)與索塔內(nèi)的勁性骨架及相鄰預(yù)埋件相碰。4.1.3 索塔模板的結(jié)構(gòu)單節(jié)模板由四塊組成，每塊模板由基本構(gòu)造和桁架構(gòu)造兩部分組成。（1）基本構(gòu)造本模板采用輕型桁架，并以桁架為部分胎模進(jìn)行制作。其中鋼面板采用8mm鋼板，考慮到制作周期及強(qiáng)度與剛度等問(wèn)題，本模板邊框采用14×100扁鋼或用=14鋼板割成。邊框沖孔18&#

8、215;30長(zhǎng)圓孔，間距150mm。面板后布置豎向加強(qiáng)肋10，間隔300mm布置。并與邊框相臨近的槽鋼和邊框之間布置一道10×100mm扁鋼以增加邊框剛度。（2）桁架構(gòu)造桁架寬度取為800mm，桁架主骨為12槽鋼，間隔50mm布置，中間撐桿為槽鋼。直撐桿間隔7501150mm布置，并在桁架主骨及撐桿之間布置=10mm的接點(diǎn)板進(jìn)行連接加強(qiáng)。豎向主肋采用10，通長(zhǎng)下料，間隔300mm布置一處。索塔典型斷面模板構(gòu)造及拼裝圖見(jiàn)下圖所示： 4.1.4 索塔模板的制作思路砼塔表面的三維立體圖利用proENGINEER軟件制作，從三維立體圖中根據(jù)空間曲面的特征，用輪廓等分原則尋找理想的可局部展開(kāi)的

9、等分段，分成面板塊。根據(jù)砼塔表面的三維立體圖作出模板板面的背肋的形狀與結(jié)構(gòu)尺寸，用數(shù)控切割機(jī)床根據(jù)前述背肋的形狀，結(jié)構(gòu)尺寸制作相應(yīng)的模板背肋。根據(jù)砼塔表面的三維立體圖制作出相應(yīng)的背肋桁架：4.1.5 索塔模板的特殊處理（1）模板拉桿的處理內(nèi)外模板間預(yù)留螺桿及H型螺母，螺母外設(shè)2厘米厚白色塑料墊塊（兼做保護(hù)層），模板安裝后安裝外螺桿及螺帽。混凝土澆筑后，將外螺桿、螺帽、塑料墊塊拆除，后修補(bǔ)塑料墊塊處空洞。在鋼筋綁扎時(shí)，根據(jù)模板的對(duì)拉螺桿位置，預(yù)先將模板的對(duì)拉螺桿安裝。模板對(duì)拉螺桿構(gòu)造見(jiàn)下圖照片所示。（2）板面的處理同一塊模板的面板采用大塊鋼板制作，以盡可能減少面板的拼縫。如有面板拼縫存在，必須刨

10、邊處理以保證良好的拼接。拼接縫必須成一直線(xiàn)，同一面板上的兩塊鋼板間的高差不得大于。并且在拼縫的位置不能焊接和用設(shè)備打磨，因?yàn)榇蚰?huì)使拼縫處有凹凸感。（3）邊框的處理為了使拼裝后的模板尺寸精度高，降低拼縫的寬度，使拼縫順直，模板廠家在制作完畢后，要將模板周邊刨邊處理，因此模板的制作尺寸要稍大于設(shè)計(jì)尺寸。（4）模板的表面處理及防腐模板制作完成之后面板外層噴涂三層油漆，分別為底漆防銹漆裝飾漆。模板內(nèi)側(cè)板面在模板拼裝完畢之后應(yīng)鋪設(shè)一層單面粘膠聚乙烯薄膜，在運(yùn)輸和儲(chǔ)存時(shí)不得取下。模板安裝時(shí)撕下聚乙烯薄膜，粘貼透水模板布。4.2 索塔原材料的選擇及配合比試驗(yàn)4.混凝土原材料選擇（1）混凝土用砂、石應(yīng)不使用

11、具有堿活性集料，水泥、集料和外加劑應(yīng)進(jìn)行含堿量試驗(yàn)，選用堿含量小于0.6%的低堿水泥并控制混凝土中總堿含量。（2）水泥：應(yīng)優(yōu)先考慮低水化熱水泥，選用同一廠家、同一品種水泥。（3）粗骨料：含泥量、粉屑、有機(jī)物質(zhì)和其它有害物質(zhì)不得超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值，骨料應(yīng)具有良好的級(jí)配以獲得水泥用量低、混凝土強(qiáng)度高、和易性好的組合。粗骨料最大粒徑mm。選用同一料廠材料。（4）細(xì)骨料：細(xì)骨料直接影響著混凝土的和易性和強(qiáng)度，如細(xì)骨料偏粗，則和易性差，泌水性大，如偏細(xì)，比表面積大。（5）在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)施工：在大量混凝土配合比試驗(yàn)基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)采用塔柱模板立模進(jìn)行試驗(yàn)塊混凝土澆筑施工，根據(jù)試驗(yàn)塊混凝土外觀質(zhì)量效果選擇外

12、加劑等。外加劑：具有高強(qiáng)、高泵揚(yáng)程、早強(qiáng)、緩凝等特性。4.混凝土配合比塔柱為C50高強(qiáng)混凝土，具有高集料、低水灰比、高泵揚(yáng)程、早強(qiáng)、緩凝等特性?；炷敛捎帽盟腿雮}(cāng)，泵送垂直距離較大，施工時(shí)對(duì)混凝土的可泵性、和易性、泌水性以及緩凝、早強(qiáng)等性能要求很高?；炷僚浜媳纫螅禾涠葹?820cm，粗骨料粒徑525mm。為了保證混凝土的質(zhì)量及泵送要求，在澆筑塔身砼之前，由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行混凝土試配以確定混凝土的配比。隨著塔柱升高或季節(jié)的變化，混凝土配合比做適當(dāng)調(diào)整。塔柱混凝土配合比設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：（1） 摻入外加劑和粉煤灰，以降低單位水泥用量，并改善混凝土的和易性、可泵性以及達(dá)到緩凝早強(qiáng)等要求，改善混凝土的工作

13、性能。（2）夏季、冬季施工時(shí)，分別采用砂石料降溫、熱水拌和，以控制混凝土的出倉(cāng)溫度，同時(shí)對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)和泵管分別采取降溫和保溫措施，減少混凝土水分的損失，確保運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)的砼其質(zhì)量、坍落度和擴(kuò)展度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及施工要求，不分層、不離析。（3）每罐砼攪拌時(shí)間以90s為宜。4.3透水模板布選擇與使用透水模板布是利用物理原理，把剛澆好的混凝土表面多余的空氣和水分排出，降低了混凝土表面的水灰比，提高了混凝土的強(qiáng)度和耐磨力，大大延長(zhǎng)了混凝土的使用壽命。4.透水模板布的選擇為了選用透水模板布，在施工現(xiàn)場(chǎng)做了5組試驗(yàn)塊。試驗(yàn)選取了砼排氣最不利的俯角側(cè)模板，每塊試驗(yàn)塊的大小為：長(zhǎng)2m，厚1m，高2m

14、，鋼筋按照實(shí)際施工的鋼筋密度進(jìn)行布置。試驗(yàn)分為獨(dú)立試驗(yàn)和混合試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行。（1）仿真鋼筋砼狀態(tài)下，獨(dú)立試驗(yàn)仿真鋼筋砼狀態(tài)下，并在模板外增加附著式振搗器輔助振搗。試驗(yàn)中分別采取了：1）在模板表面涂模板漆；2）在模板內(nèi)表面貼桌寶牌透水模板布；3）在模板內(nèi)表面貼耐善頓牌透水模板布；4）在模板內(nèi)表面貼桌寶牌透水模板布；試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：1）涂模板漆的模板拆模后砼表面蜂窩、麻面嚴(yán)重，特別是倒角處，外觀質(zhì)量很差，其效果見(jiàn)照片一；2）貼桌寶牌透水模板布拆模后砼表面基本無(wú)氣泡現(xiàn)象，砼致密，但其表面布紋明顯，外觀效果差，其效果見(jiàn)照片二；3）貼耐善頓牌透水模板布拆模后砼表面基本無(wú)氣泡現(xiàn)象，砼致密，無(wú)明顯的布紋現(xiàn)象，

15、顏色較深，由于該布較厚，粘貼的平整度較好，表面基本無(wú)光澤，總體外觀效果較好，其效果見(jiàn)照片三；4）貼福特斯牌透水模板布的模板拆模后砼表面（包括倒角處）基本無(wú)氣泡現(xiàn)象，砼致密，無(wú)明顯布紋，但由于該布相對(duì)較薄，粘貼的平整度相對(duì)較差，表面有部分小皺紋，表面無(wú)光澤，接近混凝土外觀效果，總體外觀最好。其效果見(jiàn)照片四。 照片一：涂模板漆 照片二：貼桌寶牌透水模板布 照片三：貼耐善頓牌透水模板布 照片四：貼福特斯牌透水模板布（2）仿真鋼筋砼狀態(tài)下，混合試驗(yàn)在仿真鋼筋砼狀態(tài)下，一塊試驗(yàn)塊上的模板分別涂模板漆、貼福特斯牌透水模板布、貼耐善頓牌透水模板布，并在模板外增加附著式振搗器輔助振搗。經(jīng)過(guò)澆注砼試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在混

16、合狀態(tài)下與獨(dú)立狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果基本相同，仍然是粘貼香港福特斯牌透水模板布的效果最好，故選用香港福特斯牌透水模板布。混合狀態(tài)下的混凝土外觀效果詳見(jiàn)照片五照片五（從左向右）：貼福特斯牌模板布、涂模板漆、貼耐善頓牌模板布4.透水模板布的粘貼現(xiàn)場(chǎng)透水模板布的粘貼在廠家專(zhuān)業(yè)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行，粘貼程序如下：（1）清潔模板，如果模板表面有油或不平整，會(huì)影響膠水的粘力和模板布的平整度。（2）均勻地將膠水薄薄地涂在模板表面及四側(cè)。膠水不能涂得太厚，會(huì)堵塞排水層的孔而影響澆筑出來(lái)的效果。（3）待幾分鐘后，膠水顏色變透明，才可粘貼模板布，同時(shí)也可以按照模板的尺寸，裁剪好模板布，每邊預(yù)留5cm左右，作排水用途。膠水的

17、顏色變透明的時(shí)間視天氣而定。（4）拉緊模板布，羊毛狀的一邊粘貼模板，固定位置后，用手由中心推向兩邊，確保牢牢粘貼在表面及四邊，如有皺折要即時(shí)揭起再鋪。（5）拼接位置先將兩張模板布重疊約5cm，在重疊中間處切斷，把切下來(lái)的多余兩片拿走，小心地沿連接處往下壓，涂多一點(diǎn)膠水，確保兩邊平整相接，避免澆筑混凝土?xí)r混凝土滲入其中。4.4預(yù)埋件的特殊處理索塔在施工過(guò)程中要預(yù)埋很多埋件，而埋件的預(yù)埋必然會(huì)影響混凝土外觀，因此，埋件的處理技術(shù)顯得非常重要。受力較大的預(yù)埋件采用30mm厚鋼板，鋼板貼在混凝土表面并通過(guò)多根32mm精軋螺紋鋼筋進(jìn)行錨固。在塔柱施工過(guò)程中，預(yù)埋好32mm精軋螺紋鋼筋及聯(lián)結(jié)器，精軋螺紋鋼

18、筋伸人聯(lián)結(jié)器中8cm，用海綿將精軋螺紋聯(lián)結(jié)器塞好，以免澆筑混凝土?xí)r砂漿進(jìn)入聯(lián)結(jié)器內(nèi)。拆模后掏出海綿，將30mm厚連接鋼板開(kāi)孔用精軋螺紋鋼筋及錨具錨固好，鋼板安裝前需刷油漆進(jìn)行防腐處理。預(yù)埋件示意圖見(jiàn)下圖所示：對(duì)于小型預(yù)埋件，施工時(shí)通過(guò)在塔柱壁體內(nèi)預(yù)埋“U”型螺栓或錐形螺母代替預(yù)埋鋼板，施工完畢及時(shí)用同色砂漿修補(bǔ)墻體，避免施工預(yù)埋件發(fā)生銹蝕后影響塔柱外觀質(zhì)量。4.5混凝土養(yǎng)護(hù)及成品混凝土保護(hù)養(yǎng)護(hù)水的質(zhì)量好壞會(huì)對(duì)混凝土的外觀質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，本橋施工用水及養(yǎng)護(hù)用水全部采用純凈水，從項(xiàng)目部接水管至索塔處進(jìn)行輸送。由于施工過(guò)程中會(huì)對(duì)已經(jīng)澆筑成型的混凝土產(chǎn)生污染，影響外觀，尤其是澆筑混凝土?xí)r會(huì)污染下部節(jié)段混凝土，因此必須對(duì)成品混凝土進(jìn)行保護(hù)。本橋?qū)Τ善坊炷帘Ｗo(hù)的做法是：在澆筑混凝土的過(guò)程中，盡量避免污染下部索塔混凝土，并派專(zhuān)人用高壓水泵不停地沖洗索