新疆高寒地区预制桥梁设计及施工要点分析

雷亮

[新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000]

0 引言

新疆地处我国西北，昼夜温差大，非常利于农作物的种植与生产。而在工程行业，建筑物与构筑物整体性能与气温变化同样密切相关。众所周知，混凝土作为建筑材料之一，其具备强度高、成本低的优势，这使得其应用范围广泛[1]。但是，混凝土的强度受温度影响变化较大。已有研究表明，新疆地区的混凝土常年受到干湿交替和温差变化等环境因素的影响，加之上部荷载反复作用，导致混凝土损坏严重，后期养护也产生较大费用[2]。因此，新疆高寒地区作为一种特殊的工程环境，成为专家和学者研究的重点。

混凝土发生破裂，一方面受环境影响，另一方面也存在设计的因素[3]。延长混凝土在高寒地区的使用寿命，应加强防护，既要从施工和材料上加以管控，也要从设计的角度进行分析。将以新疆高寒地区为研究背景，探讨预制桥梁的设计要点以及施工工序。

1 新疆高寒地区工程特点

为了更好地研究新疆高寒地区预制桥梁的设计及施工要点，将新疆高寒地区特殊的工程环境及存在的关键技术难题进行了整理[4]，如表1所示。

表1 新疆高寒地区工程特点及技术难题

在新疆高寒地区，除了温度低这个明显的特点外，还有另外一个隐藏的工程隐患——盐沼泽。极低的气温，导致冰雪难以融化，为使交通正常运转，技术人员通常会采用撒盐的方式加快冰雪融化，这种方法虽然能快速解决交通问题，但长此以往，会使得氯离子渗透进土层，导致土层盐渍化严重，见图1。

图1 新疆高寒地区盐渍土

2 高寒地区预制桥梁的结构设计

2.1 温度对桥梁的影响

在自然环境中，桥梁结构受到多种因素的综合影响。比如，随着温度的昼夜变化，桥梁结构的整体性能也会随之变化。然而，桥梁结构整体性能却不仅受自然温度的影响，还与桥梁自身所处的地理位置、气候变化、光照强度、季节变换的因素有着密切联系。桥梁会通过传导、对流等方式与所处环境的空气介质时刻进行热交换。相关资料显示，温度变化对桥梁结构产生的荷载可分为三类：太阳热辐射作用产生的日照温度荷载；外界环境温度突变导致桥梁内部结构温度出现较大起伏的骤降温差荷载；四季变化产生的年温差荷载。

在高寒地区，太阳辐射对桥梁施工的影响较小，而温度骤降和年温差对桥梁施工的影响较大。这是因为施工周期跨度大，桥梁在不同的施工环境下所受温度荷载不同，因此，温度是桥梁施工时一个不容忽视的因素。二十世纪五六十年代，就已有学者开始研究温度荷载，与其他应力不同的是，温度应力并不服从于常规的胡克定律。

2.2 高寒地区桥梁常见的破坏类型

2.2.1 盐溶液迁移造成混凝土腐蚀

考虑到新疆地区冬季降雪次数多，气温较低，为避免积雪对路面造成不利影响，多采用撒盐的方式进行除雪处理，这使得盐分对桥梁各个部位结构产生侵蚀、腐蚀和破坏，见图2。

图2 某桥梁被腐蚀的桩基

2.2.2 冻融剥蚀破坏

新疆高寒地区，受冻融作用的影响，混凝土构造物会出现剥蚀破坏，见图3。具体表现为混凝土表面发生剥落，使得表层砂浆和骨料暴露于室外，不利于混凝土早期强度的形成。

图3 桥梁混凝土剥落钢筋外露

2.3 高寒地区桥梁结构的设计要点

高寒地区的桥梁结构设计属于特殊地区结构设计，依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）（简称《规范》）可知，高寒地区的环境类别为冻融环境，环境作用等级为Ⅱ类。此类环境反复冻融，会使混凝土大受损伤，前文提到过桥梁常见的损坏多数是因为冻融循环。《规范》中要求，当桥梁处于高寒冻融地区时应注意以下几点：

2.3.1 根据桥梁不同的使用年限，设计不同的混凝土强度。

2.3.2 桥墩所处的不同位置气温差别较大时，应分段设计，以此适应不同的气候环境。

2.3.3 桥梁表面易积水的位置，应尽可能增加排水设计，避免雨水腐蚀桥梁。

2.3.4 桥梁连接部位应尽可能设计得可靠，并做好防腐措施。

3 高寒地区预制桥梁施工

3.1 预制桥梁施工的特点

3.1.1 在高寒地区，由于风沙大、气候恶劣、昼夜温差大且温度低、所处海拔较高，因而使得施工难度进一步加大，导致施工效率低、施工人员积极性不足。

3.1.2 在高寒地区施工中，首要任务是确保预制桥梁混凝土不受冻胀影响过大，同时确保施工人员不被冻伤。

3.1.3 在高寒地区施工中，核心任务是采用较好的加热取暖和保温措施。在养护过程中，前期应多采用蒸汽养护的方式，后期则采用施工棚与燃煤炉相结合的措施。

3.1.4 温度测控在预制桥梁施工中具有至关重要的作用，应采用多种措施相结合的方式实时监测温度，从而为桥梁施工提供必要的信息参考依据，有利于桥梁施工的后续进行，减少问题的发生。

3.1.5 预制桥梁所使用的混凝土与浆体中，需注入一定剂量的防冻剂，使用剂量随温度随时调整。

3.2 高寒地区预制桥梁混凝土的制备及养护

3.2.1 材料的选择

在材料选择上，水泥应使用低碱含量普通硅酸盐水泥，细骨料采用中砂，粗骨料采用粒径为5～25mm碎石，同时使用I级粉煤灰。表2 为新疆某地桥梁混凝土材料组成建议值：

表2 新疆某地桥梁混凝土材料组成建议值

3.2.2 混凝土制备要点

（1）在冬季混凝土施工上料这一环节，各项操作应按照规程进行，原材料温度需要控制在一定范围内，具体实施中应做到每小时对骨料温度进行一次测定，且温度不得高于40℃。

（2）在实验室对混凝土配制过程中，应注意将水灰比控制在较小值内，禁止搅拌混凝土，确保测定出的坍落度在设计的坍落度范围内。

（3）在混凝土搅拌过程中，应按照温度控制原则，优先确定加热的水温数值。若采用添加热水这一方式无法满足混凝土入模要求，则应预先对骨料进行加热。

（4）在对混凝土搅拌前及停止搅拌后，要对搅拌设备采用热水冲洗。为确保原材料可以搅拌均匀，应在一般搅拌时间的基础上延长50%，将搅拌时间控制在2～3min；对前5 次搅拌后的混凝土，确定每一次的坍落度，之后每5 次确定一次坍落度即可，同时要保证坍落度在80～120mm 之内。

（5）水温不同，投料顺序也不同。当水温小于60℃时，投料顺序为：一次性将外加剂、I 级粉煤灰和粗细骨料混合投入，干拌0.5min 后，再投入水泥和水后搅拌3min；当水温高于60℃时，投料顺序为：首先投入粗细骨料，并加水搅拌0.5min 后，再加入水泥和外加剂、I 级粉煤灰，混合拌制3min 后观察混凝土状态。若在加热条件下，混凝土出现坍落度较小或速凝的现象，应考虑降低拌和过程中的温度。

3.2.3 混凝土养护

（1）蒸汽养护

混凝土养护多采用蒸汽养护的方式，养护方法与常规方法一致。桥梁主体浇筑完毕后，桥面板和挡渣墙浇筑则应采取蒸汽养护措施。蒸汽养护措施结束后必须及时覆盖全部混凝土，并在养护过程中做好温度监控。

（2）自然养护

自然养护即混凝土脱模后，不采取其他养护措施，在混凝土表面涂抹养护剂即可，以防止混凝土因为温度变化而开裂。

3.3 施工风险分析

高寒地区施工不同于一般施工环境，外界环境复杂，施工困难，对工程人员的专业素养要求极高。除此之外，预制桥梁在安装过程中也存在很多风险，例如桥梁顶推、焊接及吊装的危险。下面将逐一探讨存在的风险问题：

3.3.1 为了加强技术人员的安全意识和专业知识，应定期开展专业培训和安全知识教育，以实际工程为例，组织学习最新的安全规章制度，强调高寒地区工程的特殊性。

3.3.2 桥梁顶推施工一旦偏移过大，就会造成失稳。因此在施工中要特别注意，横向偏移量尽量不超过10mm。应在桥梁上安装导向位移块，配合桥墩上的千斤顶，以此来纠偏和导向。

3.3.3 焊接强度对桥梁结构的影响。焊工属于特殊工种，不同工人所焊接的质量不同。因此在焊接部位，既要保证焊接材料的统一，也要保证焊接质量的统一，严格控制焊接结果。

3.3.4 在吊装板梁时，要注意控制起吊位置和预制构件的重量，保证预制构件在起重机的吊装范围内，加强起吊机周围人员的安全防护，安排专人监督。

4 结论

本文以新疆高寒地区的特殊环境为背景，分析了这一地区预制桥梁施工特点以及所面临的技术问题。总结了高寒地区预温度对预制桥梁结构的影响，受日照的影响因素较小，主要缘于气温低和年温差大。同时，还研究了气温对预制桥梁结构带来的损害。温度荷载直接影响桥梁结构受力，而低气温则会导致冰雪不化，采取撒盐的措施融化冰雪会使得氯离子增多，导致土地盐碱化，对桥梁基础和预制混凝土都将造成破坏性的影响。

此外还从施工角度分析了高寒地区预制桥梁混凝土的制备要点和养护措施，以及高寒地区预制桥梁存在的风险问题。

我国高寒地区的工程建设也越来越成熟，技术也日渐改善。同时，随着标准化施工的逐步推进，多个地区已经开始实施。预制构件作为标准化施工中的一环，正在逐步代替现场浇筑，提高施工效率。