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        “水滴型”索塔混凝土裂縫控制技術(shù)

        2022-03-22 03:12:24詹元林
        公路交通技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:塔柱橫橋索塔

        楊 勇, 詹元林, 劉 濤

        (1.保利長大工程有限公司, 廣州 510620; 2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201)

        隨著科技的發(fā)展和社會的進步,人們的審美意識和對美學(xué)的追求日益提高,作為跨越障礙、通濟利涉的橋梁工程,在滿足安全、實用、經(jīng)濟的前提下,橋梁之美越來越得到重視,一座成功的橋梁往往成為一個城市或地區(qū)的地標性建筑[1-2]。作為斜拉橋、懸索橋等大跨徑橋梁的重要承載結(jié)構(gòu),索塔的造型對橋梁美學(xué)設(shè)計的影響巨大,混凝土索塔因承載能力強、可塑性好等優(yōu)點被廣泛用于大跨徑橋梁。但受混凝土性能所限,國內(nèi)已建成的大跨徑橋梁混凝土索塔開裂現(xiàn)象普遍,這對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性造成了不利影響[3-6]。

        珠海市洪鶴大橋工程位于珠海橫琴自貿(mào)區(qū),跨越芒洲國家級濕地公園,主橋索塔設(shè)計為“水滴”造型,線型圓潤柔和、大氣優(yōu)美。但索塔造型特殊,受力相對復(fù)雜,索塔混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫。鑒于此,為提高索塔結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,結(jié)合索塔的的受力特點,本文對異形混凝土索塔的裂縫控制措施進行了研究。

        1 工程概況

        珠海市洪鶴大橋工程全長9.654 km,主航道橋為2座首尾串聯(lián)的主跨500 m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,其跨徑布置均為(73+162+500+162+73)m=970 m,如圖1所示。

        單位:m

        主航道橋索塔為“水滴型”鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中3#主塔高153.6 m,塔柱采用圓角矩形截面。下塔柱高27.3 m,橫橋向按統(tǒng)一斜率布設(shè)截面,內(nèi)外側(cè)斜率分別為1/3.152、1/4.687,塔柱橫橋向?qū)?.37 m~7.953 m、順橋向?qū)?.0 m,基本壁厚1.2 m。中塔柱高71.5 m,橫橋向內(nèi)外側(cè)斜率均為1/4.6,截面等寬5.117 m,順橋向?qū)?.0 m~7.5 m,基本壁厚1.0 m×0.8 m(順橋向×橫橋向)。上塔柱高54.8 m,橫橋向?qū)?.0 m~5.117 m、順橋向等寬7.5 m,塔柱由單箱單室截面斜柱整合為單箱雙室截面直柱。中、下塔柱過渡段及上塔柱斜、直交接段采用圓曲線連接,中、下塔柱過渡段內(nèi)外圓曲線半徑分別為40.0 m、50.0 m,上塔柱斜、直交接段圓曲線半徑為50.0 m。下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),截面高5.0 m,橫橋向長36.966 m,順橋向?qū)?.0 m,采用單箱單室截面,頂、底、腹板厚度均為0.8 m。主塔起始段、下橫梁與塔柱結(jié)合部、中塔柱合攏段為實心混凝土結(jié)構(gòu),屬典型大體積混凝土結(jié)構(gòu)。主塔1#~7#斜拉索通過混凝土齒塊直接錨固在塔柱上, 8#~20#斜拉索錨固在鋼錨梁上,其中一個鋼錨梁同時錨固邊、中跨對應(yīng)的2根斜拉索。主塔混凝土標號為C50,3#主塔混凝土總量為10 350 m3。主塔構(gòu)造如圖2所示。

        2 索塔裂縫控制難點

        洪鶴大橋主塔設(shè)計為“水滴”造型,結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫,構(gòu)造截面及截面剛度變化較大,在塔柱構(gòu)造截面突變位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中,引發(fā)混凝土開裂,索塔混凝土裂縫控制主要有以下難點:

        1) 主塔多處為實心大體積混凝土結(jié)構(gòu),且為C50高標號混凝土,大體積實心段及截面突變處的溫度應(yīng)力控制難度大。

        2) 塔柱構(gòu)造復(fù)雜,斜率大,鋼筋密集,塔柱施工過程中,易在塔柱根部受拉區(qū)產(chǎn)生受力裂縫。

        (a) 正立面

        (b) 側(cè)立面

        3) 下橫梁跨徑大,與同標高的塔柱同步施工,下橫梁與下塔柱形成的倒梯形結(jié)構(gòu),在下橫梁分層澆筑時,下塔柱的橫橋向變形易導(dǎo)致下橫梁底板受拉而出現(xiàn)裂縫。

        4) 斜拉索錨固區(qū)受力復(fù)雜,塔柱結(jié)構(gòu)受索力不平衡、空間索水平分力、塔柱內(nèi)外溫差等因素影響,塔柱易出現(xiàn)內(nèi)力不均而導(dǎo)致開裂。

        3 索塔控裂措施

        3.1 大體積混凝土控裂技術(shù)

        洪鶴大橋主塔橫橋向尺寸為5.37 m~7.953 m、順橋向尺寸為9.0 m~7.5 m,塔柱基本壁厚0.8 m~1.2 m,多處設(shè)計為實心結(jié)構(gòu),混凝土標號為C50,屬典型高標號大體積混凝土結(jié)構(gòu)[7]。在工程實踐中,大體積混凝土溫控一般采用減少水泥用量以降低混凝土絕熱溫升、避免使用早強型水泥、采用緩凝型外加劑延長混凝土水化時間避免水化熱集中釋放等措施。這與主塔施工對混凝土的性能指標要求剛好相反,主塔采用液壓爬模工藝分節(jié)段施工,為控制施工工期,縮短相鄰節(jié)段間混凝土的齡期差,混凝土早期強度需滿足液壓爬模預(yù)埋件的錨固要求,一般按3 d強度達到35 MPa控制,這就要求混凝土的強度能夠快速發(fā)展,常用措施有增加水泥用量、使用早強型水泥及外加劑。

        為避免主塔大體積混凝土效應(yīng)的不利影響,同時滿足液壓爬模施工對混凝土性能指標的要求,對主塔實心段和空心段混凝土配合比進行差異化設(shè)計。對于實心段大體積混凝土,因施工節(jié)段數(shù)量較少,在確保混凝土強度滿足要求的前提下,盡量減少水泥用量,提高粉煤灰、礦粉等材料的摻量,以降低混凝土的絕熱溫升[8]。對于空心段混凝土,施工節(jié)段數(shù)量較多,為了滿足液壓爬模對混凝土早期強度的要求,則適當(dāng)增加水泥用量,以加快混凝土早期強度發(fā)展。經(jīng)過多次試驗優(yōu)化,最終確定了2 個配合比參數(shù),如表1 所示。

        表1 主塔混凝土基準配合比

        為掌握主塔大體積混凝土各齡期溫度應(yīng)力發(fā)展情況,以主塔首節(jié)為例,采用Midas/FEA軟件建立有限元模型,對主塔大體積混凝土實際施工情況進行仿真模擬。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性,取塔柱首節(jié)混凝土的1/2進行分析。主塔首節(jié)溫度應(yīng)力云圖如圖3所示。

        仿真計算結(jié)果顯示,主塔首節(jié)混凝土各齡期的最大拉應(yīng)力為1.56 MPa,出現(xiàn)在混凝土澆筑后的第3天,該拉應(yīng)力值約為同齡期混凝土在標準養(yǎng)護條件下劈裂抗拉強度的0.71倍,具有較高的抗裂保障。

        在實際施工中,采取以下2方面措施來提高主塔大體積混凝土的抗裂性能:1) 采取措施控制大體積混凝土的絕熱溫升,避免混凝土產(chǎn)生過大的溫度拉應(yīng)力,包括選用低熱水泥,采用雙摻技術(shù),使用緩凝型外加劑,控制混凝土入模溫度、通冷卻水等;2) 通過控制材料質(zhì)量、加強施工管理、優(yōu)化施工工藝等措施,提高各齡期混凝土的自身強度,從而提高混凝土自身的抗裂性能,降低混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險[9]。

        (a) 3 d應(yīng)力場

        (b) 7 d應(yīng)力場

        (c) 28 d應(yīng)力場

        (d) 180 d應(yīng)力場

        3.2 大斜率塔柱受拉區(qū)控裂措施

        洪鶴大橋下塔柱內(nèi)外側(cè)斜率分別為1/3.152、1/4.687,中塔柱內(nèi)外側(cè)斜率均為1/4.6,在下塔柱施工階段,塔柱為外傾懸臂結(jié)構(gòu),下塔柱內(nèi)側(cè)受拉;中塔柱施工階段,塔柱為內(nèi)傾懸臂結(jié)構(gòu),中塔柱外側(cè)受拉。在傾斜塔柱懸臂施工過程中,如不采取對拉或?qū)未胧?,在塔柱懸臂結(jié)構(gòu)的根部易產(chǎn)生受力裂縫,且影響塔柱的線型控制,因此在施工階段合理設(shè)置塔柱臨時橫撐及對拉措施可改善索塔成橋狀態(tài)的應(yīng)力。

        根據(jù)內(nèi)力優(yōu)化目標,該橋下塔柱設(shè)置了1道對拉體系,采用2束15Φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線,對拉力合計3 600 kN;中塔柱設(shè)置3道臨時橫撐,每道橫撐采用2根Φ1 300 mm×12 mm鋼管,自下橫梁往上每隔18 m設(shè)置1道,橫撐主動對頂力分別為3 000 kN、2 000 kN、2 000 kN,如圖4所示。

        為了分析設(shè)計的對拉對撐措施對塔柱內(nèi)力的優(yōu)化效果,采用Midas/ FEA建模對塔柱結(jié)構(gòu)在施工期的受力狀態(tài)進行仿真計算[10],按照實際施工工序,下、中塔柱分別建模計算。分析結(jié)果顯示,下塔柱施工至與下橫梁頂同標高位置,在無對拉輔助措施的情況下,下塔柱根部最大拉應(yīng)力為0.68 MPa,出現(xiàn)在下塔柱根部內(nèi)側(cè);增加對拉力后,最大拉應(yīng)力減小為0.07 MPa,說明施加對拉力后,基本抵消了塔柱傾斜產(chǎn)生的拉應(yīng)力。中塔柱施工過程中,分階段安裝3道臨時橫撐,并分別施加到設(shè)計對頂力,中塔柱在各施工階段的內(nèi)力值如表2所示,塔柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)均在允許范圍內(nèi),說明臨時橫撐的設(shè)置合理,可避免塔柱傾斜而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

        3.3 大跨徑橫梁預(yù)張抗裂措施

        下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),橫橋向長36.966 m,采用落地式鋼管貝類支架施工,與同標高的塔柱同步澆筑施工,支架按橫梁混凝土重量的1.1倍進行預(yù)壓,以消除支架非彈性變形。下橫梁與塔柱結(jié)合處為實心段大體積混凝土,按前述大體積混凝土溫控要求進行施工。

        下橫梁混凝土分2次澆筑,第1次澆筑底板與腹板,第2次澆筑頂板[11]。在橫梁頂板混凝土澆筑前,在橫梁底腹板與下塔柱形成了相對穩(wěn)定的“倒梯形”鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)橫梁頂板澆筑后,其混凝土自重相當(dāng)于荷載作用于“倒梯形”結(jié)構(gòu),導(dǎo)致下塔柱產(chǎn)生向外側(cè)的位移,使得下橫梁底部混凝土受拉,如圖5所示。經(jīng)計算,橫梁頂板與同標高塔柱混凝土澆筑時,下塔柱在沒有約束的情況下,將出現(xiàn)1.4 mm的側(cè)向位移,橫梁底板最大拉應(yīng)力1.73 MPa,基本接近混凝土允許拉應(yīng)力限值1.80 MPa,底板混凝土開裂風(fēng)險較高。

        表2 中塔柱應(yīng)力計算結(jié)果

        單位:cm

        為避免橫梁產(chǎn)生有害裂縫,結(jié)合橫梁底腹板混凝土澆筑后的結(jié)構(gòu)形式,預(yù)先張拉部分橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束。即在第2次澆筑橫梁混凝土前,預(yù)先張拉4束橫梁底板預(yù)應(yīng)力束,預(yù)應(yīng)力束型號為19Φ15.2 mm,控制張拉力取3 700 kN,采用兩端對稱張拉工藝。經(jīng)計算,張拉部分預(yù)應(yīng)力后,橫梁在澆筑頂板混凝土?xí)r,底板、腹板全截面處于受壓狀態(tài),最小壓應(yīng)力0.19 MPa,橫梁底板不會產(chǎn)生裂縫。

        圖5 下橫梁混凝土分層澆筑時結(jié)構(gòu)受力示意

        3.4 斜拉索錨固區(qū)抗裂措施

        主塔1#~7#斜拉索通過混凝土齒塊直接錨固在塔柱上, 8#~20#斜拉索錨固在鋼錨梁上,其中一個鋼錨梁同時錨固邊、中跨對應(yīng)的2根斜拉索。受索力不平衡、空間索橫向分力及塔柱內(nèi)外溫差等因素的影響,塔壁存在復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力而易導(dǎo)致開裂。在混凝土齒塊錨固區(qū)的塔壁內(nèi)分層設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力,呈“井”字形交叉布置,共設(shè)置了168束19Φ15.2 mm的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束,通過預(yù)應(yīng)力來抵消斜拉索作用在塔壁上的縱橋向、橫橋向水平分力[12]。

        鋼錨梁定位原則為斜拉索的中心線、鋼錨梁的中心線、鋼錨梁邊跨(中跨)側(cè)邊界線三者在順橋向鉛錘面內(nèi)投影交于一點。斜拉索的豎向分力通過鋼錨梁直接傳遞給塔柱承擔(dān),橫橋向水平分力則利用在塔壁上設(shè)置的橫向鋼擋塊傳遞給塔壁,而順橋向水平分力則隨著斜拉索在梁端錨固距離的增加而逐漸增大。為了避免不同斜拉索順橋向水平分力的不同導(dǎo)致鋼錨梁彈性伸長量不一致,而致使塔壁承受水平剪力,在中跨側(cè)錨梁與鋼牛腿的接觸面之間,設(shè)置由不銹鋼板和四氟板構(gòu)成的滑動摩擦副[13-14],邊跨側(cè)不設(shè)置摩擦副,以確保斜拉索在恒載作用下的水平分力全部由鋼錨梁承擔(dān)。斜拉索張拉時,松開中跨側(cè)滑動摩擦副的限位裝置,邊跨側(cè)則采用高強螺栓固定,鋼錨梁沿縱向可通過四氟板摩擦面縱向滑動,避免施工中出現(xiàn)兩側(cè)掛索不同步或索力不平衡,造成鋼錨梁位置失控而沖擊塔壁。待二期恒載施工完成后,采用高強螺栓限制中跨側(cè)滑動摩擦副位移,鋼錨梁與塔壁形成整體受力,使鋼錨梁在運營階段沿縱向不能產(chǎn)生位移。

        3.5 其他措施

        1) 縮短節(jié)段間的齡期差

        主塔截面尺寸大,最大截面尺寸達9.0 m×7.953 m,采用液壓爬模分節(jié)段施工,共分為36個節(jié)段,不同節(jié)段混凝土之間存在5 d~10 d的齡期差,上層混凝土水化過程中出現(xiàn)熱膨脹時,會受到下層先澆筑混凝土的約束,導(dǎo)致塔柱分節(jié)段施工縫附近的混凝土開裂。施工過程中,采取措施提升施工效率,縮短塔柱分節(jié)段施工的周期,減小齡期差。

        2) 減小塔柱內(nèi)外塔壁溫差

        塔柱為空心結(jié)構(gòu),下塔柱基本壁厚1.2 m,中塔柱基本壁厚1.0 m×0.8 m(順橋向×橫橋向),屬于壁體型大體積混凝土,混凝土水化反應(yīng)致使塔壁呈中間溫度高、表面溫度低的規(guī)律分布。事實上,由于塔柱內(nèi)腔相對封閉,空氣流動緩慢,塔柱內(nèi)壁混凝土熱量散失相對較慢;而隨著塔柱高度的增加,空氣流動速度逐漸增大,塔柱外壁混凝土熱量更容易散失,從而導(dǎo)致塔柱內(nèi)外壁表面產(chǎn)生溫差,進而產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力,這一現(xiàn)象在氣溫較低的季節(jié)更為顯著[15]。施工過程中,應(yīng)在塔柱外壁采取保溫措施,如采用導(dǎo)熱系數(shù)低的木模、延緩拆模時間等,適當(dāng)減緩塔柱外壁散熱速度,減小塔柱內(nèi)外壁溫度拉應(yīng)力。

        3) 確?;炷辆鶆?/p>

        塔柱鋼筋密集,特別是截面尺寸變化部位,鋼筋間隙小?;炷翝仓r,粗集料不易穿過鋼筋間隙,鋼筋外側(cè)凈保護層內(nèi)粗集料相對減少,混凝土不均勻,強度會有所降低,使得塔柱表面出現(xiàn)開裂的風(fēng)險增大。在主塔混凝土配合比設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)鋼筋間隙大小合理選擇粗集料的粒徑。施工過程中,采取措施確?;炷敛剂暇鶆颍苊饣炷灵L距離“流動”現(xiàn)象。

        4) 控制鋼筋保護層厚度

        合適的鋼筋保護層厚度有利于避免混凝土表面裂紋,保護層厚度過大或過小都不利于混凝土防裂和耐久性,該主塔鋼筋保護層凈厚度統(tǒng)一為50 mm,允許偏差為+10 mm、-7 mm。施工時,應(yīng)保證鋼筋的加工、安裝精度,專門設(shè)計勁性骨架定位,采用同標號的定制混凝土墊塊,還需避免扎絲頭侵入保護層混凝土內(nèi)。

        5) 做好預(yù)埋件防腐處理

        主塔表面設(shè)置的永久預(yù)埋件,安裝前需按要求做好防腐處理,避免預(yù)埋件腐蝕膨脹導(dǎo)致塔柱混凝土開裂。施工臨時預(yù)埋件采用可拆卸式預(yù)埋件,施工完成后及時拆除并封閉塔柱表面孔洞。

        6) 加強混凝土養(yǎng)生工作

        做好塔柱混凝土的養(yǎng)生工作,隨著塔柱施工高度的增加,風(fēng)力逐漸增大,應(yīng)采取有效措施避免干縮裂縫。

        4 結(jié)束語

        通過對異形混凝土索塔抗裂措施的總結(jié),形成了滿足現(xiàn)場施工需求的索塔混凝土裂縫控制技術(shù),并用于指導(dǎo)實體工程的施工應(yīng)用,從實際效果來看,珠海市洪鶴大橋3#主塔索塔線型柔順,色澤均勻,各項實測指標均滿足設(shè)計及規(guī)范要求,雖在交工驗收時,發(fā)現(xiàn)塔柱起始段、橫梁與塔柱結(jié)合段存在少量裂縫,但裂縫寬度小于規(guī)范允許值,且數(shù)量顯著少于同類型主塔結(jié)構(gòu),基本達到了預(yù)期的抗裂效果。

        在異形混凝土索塔施工實踐中,結(jié)合理論分析,主要有以下經(jīng)驗:

        1) 根據(jù)索塔分節(jié)段施工對混凝土性能指標的要求,通過差異化的混凝土配合比設(shè)計,在保證混凝土強度等指標滿足施工要求的前提下,優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計,減小大體積混凝土水泥用量,從而減小混凝土的溫度應(yīng)力,是實現(xiàn)截面多變的高標號大體積混凝土溫控的有效措施。

        2) 采取對拉和對撐的措施有利于改善大斜率塔柱的受力狀態(tài),也有利于異形索塔的線型控制,是有效的抗裂措施。

        3) 預(yù)張拉部分橫梁底板預(yù)應(yīng)力束,作為大跨徑橫梁混凝土分層澆筑時的應(yīng)力安全儲備,可避免橫梁底板裂縫,實際施工中需注意預(yù)張拉力的控制。

        4) 斜拉索錨固區(qū)受力復(fù)雜,設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力,在鋼錨梁與鋼牛腿間設(shè)置摩擦副,讓鋼錨梁在斜拉索張拉過程隨荷載協(xié)同變形,確保斜拉索水平力全部由鋼錨梁承受,有利于防止斜拉索錨固區(qū)混凝土塔壁開裂。

        5) 加強施工管理,提升施工精細化水平,提高施工效率和工程質(zhì)量,也是避免塔柱混凝土裂縫的重要措施。

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