熊 恩 钟德明

(1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001； 2.浙江宏达建设集团有限公司，浙江 诸暨 311800)

钢桁架桥梁矩形钢管节点混凝土施工技术探讨

熊 恩1钟德明2

(1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001； 2.浙江宏达建设集团有限公司，浙江 诸暨 311800)

结合虎门大道B号人行天桥节点矩形钢管混凝土，对矩形钢管混凝土钢结构的制作安装、微膨胀混凝土配合比的设计和施工作了分析和介绍，指出矩形钢管混凝土可以提高结构承载力和稳定性，具有很大的发展潜力。

节点，矩形钢管混凝土，制作安装，配合比，混凝土浇筑

0 引言

矩形钢管混凝土作为一种钢混组合结构，它是在矩形钢管中充填混凝土而形成的一种结构形式。由于钢管和混凝土的相互作用，各取所长从而使得钢管混凝土结构具有承载力高、结构自重轻、塑性和延性增强、抗震和抗风性能好、耐火性能好等特点[1]。由于矩形截面钢管结构具有良好的加工特点和优越的使用性能，自1952年在英国首次生产后，在国外建筑结构和桥梁结构中得到了非常广泛的应用。但矩形钢管桁架在我国建筑结构中应用还不多，在桥梁工程中就应用的更少。随着我国对市政桥梁景观要求的提高，矩形钢管桁架结构由于建筑形状简洁、美观轻巧，因此是一种具有很大发展潜力的结构形式。

钢桁架作为桥梁工程中一种典型的结构形式，其节点是整个结构的关键部位。矩形钢桁架的腹杆不仅承受轴向力和剪力，还承受很大的弯矩。矩形钢桁架结构由于钢管截面薄壁空心及各杆件之间直接焊接的特点，支管轴向刚度要远大于径向刚度，使得节点受力复杂且应力集中；同时在腹杆轴力作用下的弦杆表面容易发生压陷或拉伸变形，即节点变形[2]。因此矩形钢管桁架结构承载力和抗弯刚度的主要影响因素甚至是控制因素为节点的强度问题和柔度问题。对于强度问题，钢桁架的破坏常发生在节点附件的弦杆管壁，从而导致结构材料性能不能充分发挥。对此问题如果采用增大截面的方法，容易造成浪费；外贴钢板，则不美观；特别是在支座处节点，因受很大的支座反力，极易导致节点失效，如果采用下弦杆加劲处理操作起来又比较困难。但采用在节点附近的弦杆内充填混凝土，不但可以避免节点附近的弦杆受压而破坏，而且可以协助管壁受压，减小弦杆截面尺寸。从而可提高节点、杆件及桁架整体的刚度和承载力，降低桁架的建筑高度，使得桁架弦杆、节点和整体受力都得到改善和加强，因此可以优化设计，节省材料和投资。对于柔度问题，由于国内对矩形钢管的力学计算缺乏规范和依据，通常认为构件连接点是刚性的；但事实上，节点刚性很难达到理论要求，而是具有局部柔度。节点柔度不但降低结构承载力，还会改变结构的变形，降低临界荷载，并引起结构自振频率和振动模态的变化。采用节点附近区域充填混凝土的方法可以有效提高节点刚度，从而避免由于节点局部柔度产生的不利影响。

然而目前国内对于钢桁架节点矩形钢管混凝土设计施工尚无规范和依据。矩形钢管混凝土要求混凝土与钢管内壁完整的结合在一起，不能有脱离也不能由于混凝土膨胀对钢管产生较大的应力。因此对钢管的加工质量和混凝土配合比以及施工操作要求都比较高。本文结合虎门镇虎门大道B号人行天桥钢桁架节点矩形钢管混凝土的施工，介绍矩形钢管混凝土施工的关键技术。

1 工程概况

虎门大道B号人行天桥上部结构设计为空腹钢桁架，主桥分两跨跨越虎门大道，跨径分别为22.20 m和16.90 m。桁架宽、高均为5.2 m，整个桁架由弦杆、竖杆和横杆组成，没有斜杆(见图1)。本桥杆件用钢均采用Q345C，矩形钢管，主受力部位均按一级焊缝焊接。其中上、下弦杆截面尺寸为500 mm×500 mm，壁厚20 mm；竖杆截面尺寸400 mm×400 mm，壁厚20 mm；横联截面尺寸为300 mm×300 mm，壁厚12 mm；支点处横梁截面尺寸为300 mm×400 mm，壁厚16 mm。桥梁设计荷载总体计算时按3.9 kN/m2～4.2 kN/m2，局部计算时按5 kN/m2。总体计算按空间杆系结构模型进行计算时，钢桁架弦杆最大应力为79.7 MPa，竖杆最大应力100.7 MPa，一阶竖向自振频率为5.0 Hz。故本桥钢桁架节点处应力集中，为增强节点处的承载力和稳定性在支点处的节点附近区域弦杆采用钢管混凝土结构。节点矩形钢管混凝土采用C50微膨胀混凝土。节点充填混凝土的弦杆长1.6 m，并设置封板和内隔板(具体构造见图2)。封板及内隔板尺寸为460 mm×460 mm×20 mm，内隔板上设置间距为8 cm的φ160 mm孔以方便混凝土通过。

2 节点充填混凝土段钢结构施工

2.1 钢桁架的制作安装

钢桁架杆件钢板由专业厂家卷制，在厂家先卷成两块[型钢，再焊接成矩形钢管。钢板必须平直、无锈蚀或受过冲压并应提供产品合格证，对厚度、各种力学性能等均应满足规范要求。卷制钢管前应将钢板根据规范开成60°±5°的坡口[3]，卷制过程中应注意保证管断平面与管轴线垂直，同时应控制好截面倒角的弯曲半径。钢管卷制好后应对钢管的焊缝和倒角处进行检测，所有焊缝均按一级焊缝的要求施工和检测。为保证焊缝质量，对接焊缝的宽度应在1 cm左右并在焊缝下设置钢垫板。杆件的焊接采用自动焊，所有焊缝均必须作超声波检测，并抽取不少于总量5%的焊缝做X线检测。钢管经自检和第三方检测合格后方可进行桁架的预拼装。

钢桁架先在厂家拼装好弦杆和横联，形成上下两片桁片。拼装时应在弦杆上做好标记，做到横杆的定位准确，横杆与弦杆有焊缝的一侧连接。弦杆之间的连接为避免出现十字焊缝，应将弦杆上、下两块[型钢在接头处错开50 cm左右(如图3所示)。上、下两个桁片及竖杆加工好后，运输至现场平整压实好的场地上进行预拼装。预拼装时应先在上、下弦杆上做好竖杆位置的标记，保证好竖杆的垂直度和定位的准确性。

因杆件连接方式均为焊接，故结构焊缝比较多。为尽量避免产生焊接变形和残余应力的出现，施工中所有手工焊均采用CO2气体保护焊。CO2保护焊采用SM-56或KM-56焊丝，CO2气体纯度应大于99.5%。焊接参数为：电压180 V～250 V，电流20 A～28 A。焊接方法采用分段退焊法。焊接前应清除焊缝坡口处的铁锈、水分和油污。焊接时应保证CO2气体瓶内压力大于1.0 MPa，并采取适当的防火、防雨和防潮措施。

2.2 混凝土封板及节点内隔板的安装

对于位于两节弦杆拼接处附近的封板可于弦杆连接前焊接在弦杆内规定的位置。对于未在弦杆拼接处附近的封板和内隔板的则先将其焊接在一块拼接弦杆的[型钢内，焊接前应将两块[型钢均做好安装封板或内隔板位置的标记。两块[型钢合龙焊接好后，在另外一块[型钢划好标记的位置按间距5 cm左右开直径为2 cm的圆孔，然后在开孔的位置施焊(见图4)。因混凝土封板尺寸刚好与弦杆内径相同，故按此方法施工后即能保证封板和内隔板安装准确、牢固及整个混凝土充填段的密封。

3 节点矩形钢管混凝土施工

3.1 混凝土配合比

本桥节点矩形钢管混凝土设计为C50微膨胀混凝土。因混凝土标号高，浇筑完后收缩比较大，而节点矩形钢管混凝土要求混凝土与钢管内壁完整的结合在一起，故控制好混凝土的膨胀率和密实程度是关键。混凝土的膨胀率受混凝土强度、水灰比、水泥强度、水泥品种及用量、养护条件等的影响，但主要由膨胀剂的掺入量决定。实验研究表明当膨胀剂实际掺入量达到12%时膨胀率有明显提高[4]，当掺入量超过16%可能对自由状态下的混凝土强度有所降低，对于钢管混凝土一般膨胀率控制在0.015%～0.03%之间。在施工时膨胀剂的最佳掺入量应根据当地的混凝土原材料性质通过试验来确定。

对于钢管混凝土还要求其具有较好的工作性能，也就是和易性比较好、不泌水、不离析。考虑到通过增加单位用水量来增加混凝土和易性难以保证强度，且有可能出现离析的现象，当用水量过大时不仅需增加水泥用量甚至会导致混凝土收缩加大。故考虑采用掺入粉煤灰和添加减水剂的方法来增加混凝土的和易性。对于粉煤灰的掺入量，工程研究表明一般掺入量为10%左右较为合理[5]。参考CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程的要求：对于手工浇筑法且有穿心部件的钢管混凝土其水灰比不应大于0.4，粗骨料粒径应控制在5 mm～20 mm，坍落度不宜小于15 cm。结合现有的试验研究和工程实际经验以及相关规范要求，在保证混凝土强度和满足工作性能的条件下，参考JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程进行配合比设计。本工程所采用的材料如下：水泥：东莞华润52.5R水泥；粉煤灰：虎门沙角电厂Ⅰ级粉煤灰；碎石：东莞大岭山镇5 mm～20 mm碎石；砂：东江河中粗砂；减水剂：东莞市华杰牌减水剂；膨胀剂：东莞市道滘镇明发牌UEA膨胀剂。

参考JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程，结合所用材料，选用单位用水量188 kg，水灰比0.38，粉煤灰掺入量10%，膨胀剂掺入量15%，减水剂1.5%(按胶凝材料质量计)，计算得到微膨胀混凝土配合比见表1。

表1 微膨胀混凝土的最佳配合比 kg/m3

根据此配合比进行试验所得的膨胀效果良好(如图5所示)，但在施工中应根据砂、石的含水率对用水量作适当调整。通过试验发现，当在水灰比不变的情况不掺入膨胀剂时有明显干缩变形，下沉高度约3.5 mm；膨胀剂掺入量超过18%时，其膨胀过大，超过试模高1 mm左右；掺入量少于12%时，膨胀不足，离试模顶差1 mm左右。

3.2 矩形钢管混凝土浇筑

矩形钢管混凝土要求混凝土与钢管内壁紧密结合，混凝土配合比是一个主要因素，但混凝土的密实性对其影响也比较大。混凝土的密实性与混凝土的工作性能和施工操作方法有着直接的关系。根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》内径大于350 mm的钢管，采用手工浇筑方法施工时，可采用内部振捣器施工。根据弦杆纵坡，通气孔设置在混凝土充填范围的最高处，灌浆孔设置在混凝土充填范围的最低处。通气孔直径设置为10 cm左右，灌浆孔尺寸可根据实际需要设置，但不应小于通气孔。因节点混凝土浇筑范围比较小，不宜采用泵送法，故采用手工浇筑法。混凝土浇筑时其坍落度应大于150 mm，在200 mm左右比较合适。混凝土应尽量采用商品混凝土，如采用人工拌合时，应严格按照配合比采用称重法进行。人工浇筑时可采用漏斗，用铁锹将混凝土从漏斗浇入钢管内。振动方法采用插入式振捣棒结合外部振捣器共同振捣的方法。对于可以用内部振捣器振捣的地方可采用直径2.5 cm或3 cm振捣棒振捣，每次振捣时间不应少于30 s；对于两块内隔板中间振捣棒无法进入的地方可采用附着式混凝土振捣器振捣，每次振捣时间不应少于1 min。

混凝土浇筑完后可采用敲击钢管的方法初步检测，如有异常则采用超声波检测；对不密实的部位采用开孔压浆的方法进行补强。待混凝土浇筑达到设计强度的50%后应将通气孔和灌浆孔采用钢板封闭焊接好。

4 结语

矩形钢管混凝土在虎门大道B号人行天桥钢桁架节点的应用中，严格按照施工方法控制钢桁架、封板和内隔板的制作安装；严格按照配合比配置微膨胀混凝土和按照浇筑及振捣方法进行混凝土的浇筑。其施工结果如下：1)混凝土和易性优良，现场测试其坍落度为180 mm～220 mm，混凝土粘聚性好，施工过程未出现离析和分层现象。2)混凝土与管壁紧贴，经超声波探测钢管内混凝土密实、无空洞。3)混凝土28 d强度可达到60 MPa～63 MPa。4)各种钢构件焊接的焊缝经超声波和X光检测均满足一级焊缝的要求。B号天桥施工完后成为了虎门大道的标志性建筑，在工期、质量和经济效益方面效果良好，并得到了业主和质监单位的好评，对今后同类工程的施工有着广泛的借鉴意义。

[1] 赵光华，马 星.矩形钢管混凝土结构在多层住宅中的应用研究[J].四川建筑，2003(2):52-53.

[2] 李运喜.受压弦杆填充混凝土的矩形钢管(钢箱)桁架静力性能研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2008.

[3] CECS 28∶90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

[4] 叶 青,李丽琴,王建东.掺膨胀剂混凝土膨胀的可靠性探讨[J].混凝土，2003(5):9-12.

[5] 王学哲.超大跨径拱桥高强微膨胀C50钢管混凝土配合比设计[J].铁道建筑技术，2009(6):87-90.

[6] JGJ 55—2011，普通混凝土配合比设计规程[S].

Explore technology of concrete construction in node rectangular steel truss bridge

Xiong En1Zhong Deming2

(1.UrbanConstructionCollege,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;2.ZhejiangHongdaConstructionGroupCo.,Ltd,Zhuji311800,China)

Combining with the No.B pedestrian node rectangular steel pipe concrete of Humen Avenue, the paper analyzes and introduces the manufacturing and installation of the rectangular steel pipe concrete, design and construction of the micro-expansion concrete mix proportion, and points out the rectangular steel pipe concrete can improve the structural loading capacity and stability, so it has better potential for development.

node, rectangular steel pipe concrete, manufacturing and installation, mix proportion, concrete grouting

2015-03-01

熊 恩(1985- ),男，硕士，助教; 钟德明(1983- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)14-0101-03

U448.211

A