大跨徑V型結(jié)構(gòu)橋梁高性能混凝土的研究與應(yīng)用

李海卿,田桃濤

(中交第二航務(wù)工程局有限公司,廣東 珠海 519000)

前言

大跨徑連續(xù)梁橋是我國(guó)建橋史上跨度規(guī)模最大工程、綜合建設(shè)條件最復(fù)雜的特大型橋梁工程。它代表著中國(guó)乃至世界橋梁建設(shè)的最高水平,被稱作世界橋梁的之稱。

大跨徑連續(xù)梁橋有單懸臂梁和雙懸臂梁兩種。單懸臂梁是簡(jiǎn)支梁的一端從支點(diǎn)伸出以支承一孔吊梁的體系；雙懸臂梁是簡(jiǎn)支梁的兩端從支點(diǎn)伸出形成兩個(gè)懸臂的體系懸臂梁橋有單懸臂梁和雙懸臂梁兩種。兩種體系構(gòu)造比較復(fù)雜、行車不夠平順,目前已較少采用。

大跨徑連續(xù)梁橋建設(shè)中面臨了四大挑戰(zhàn)條件：氣象條件差,面臨著大風(fēng)、季風(fēng)、龍卷風(fēng)等的威脅；水文條件復(fù)雜；基巖埋藏深；加劇了建設(shè)難度。這就要求采用的混凝土不僅具有強(qiáng)度高,還應(yīng)具有高彈模、高密實(shí)度、低滲透性、高體積穩(wěn)定性、高耐久性和大流動(dòng)性,即采用高性能混凝土。在這一重大工程中,高性能混凝土的制備、基本性能以及長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注,直接關(guān)系到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久壽命和安全性。

1 工程概況

1.1 工程主要情況

福州市馬尾大橋及其接線工程位于福州市南臺(tái)島東端北側(cè),橫跨閩江,溝通南臺(tái)島與馬尾區(qū)、中心城區(qū),是連接馬尾新城馬尾片區(qū)與倉(cāng)山片區(qū)的重要橋梁,同時(shí)也是南臺(tái)島向?qū)幍?、浙江方向輻射的重要通道?/p>

項(xiàng)目起于環(huán)島路的終點(diǎn),快速部分以高架橋上跨福泉高速,沿規(guī)劃紅線往東北展現(xiàn),經(jīng)縱七路,上跨南江濱道路,跨越閩江,至閩江北岸后,上跨北江濱道路后,跨越福馬鐵路、福馬路,最后主線快速接上機(jī)場(chǎng)高速公路二期。

馬尾大橋?yàn)槌鞘锌焖俾?計(jì)算行車速度80km/h,按雙向八車道設(shè)計(jì),兩側(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道、人行道,橋面寬度42.5米,滿足內(nèi)河Ⅱ級(jí)、1000噸級(jí)海輪通航標(biāo)準(zhǔn)(單孔雙向通航凈寬191.2米,通航凈高不小于24米)。

馬尾大橋及其接線工程采用BT模式進(jìn)行建設(shè),該項(xiàng)目由主橋、南連接線和北連接線3個(gè)部分組成,南岸接線長(zhǎng)約1.9公里,北岸接線長(zhǎng)約2.8公里,跨江段橋長(zhǎng)約1.684公里,道路全長(zhǎng)約6.384公里；具體建設(shè)內(nèi)容：福州馬尾大橋及其接線橋梁工程、橋下道路工程、照明工程、管網(wǎng)工程、交通工程、互通立交、綠化工程、監(jiān)控工程等。工程總投資約35.4億元,南、北接線合同工期為720天,馬尾大橋合同工期為900天,是目前福州城區(qū)規(guī)模最大的跨江大橋。

馬尾大橋跨江段橋梁包括1～18#墩,其橋孔跨布置為71+9×83+71+71+83+123.5+240+123.5+83+71=1684m,為多孔V型變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),其中主跨采用V型空腹式鋼-砼混合連續(xù)箱梁,跨中92m采用鋼箱梁,其余部分全部采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),截面為單箱雙室直腹板截面。橋墩采用順橋向變厚度實(shí)心墩,墩頂設(shè)兩層裝飾檐,基礎(chǔ)采用群樁結(jié)構(gòu)。

南、北接線包括高架橋及地面輔道,其中北高架橋部分各含兩條主線橋及12條匝道,南接線橋梁部分包括兩條主線橋及15條匝道。高架橋上部為整體連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),墩身為花瓶式實(shí)心墩,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

本項(xiàng)目的建設(shè),對(duì)溝通與疏散閩江兩岸、推進(jìn)城市“東擴(kuò)南進(jìn)”以及促進(jìn)馬尾新城的開(kāi)發(fā)建設(shè)起著舉足輕重的作用。

1.2 工程結(jié)構(gòu)形式

馬尾大橋跨江段橋梁結(jié)構(gòu)為多跨空腹式連續(xù)箱梁,分主、副橋兩部分,且左右分幅,全長(zhǎng)1684m。副橋孔單幅11跨,橋跨組合為71+9×83+71=889m,主橋孔單幅7跨,橋跨組合為71+83+123.5+240+123.5+83+71=795m。其上構(gòu)箱梁主要由V型結(jié)構(gòu)(分為上下弦、交叉橫隔)和懸臂段、合龍段組成,除240m主跨跨中90m為鋼箱梁+左右各6.5m鋼-混結(jié)合段外,其余橋跨均為混凝土箱梁。橋面按雙向八車道設(shè)計(jì),單幅箱梁橫斷面為單箱雙室結(jié)構(gòu),寬20.25m。

樁基礎(chǔ)分為端承樁和摩擦樁兩類,樁徑為2.2m的樁共236根、1.8m的樁共26根,合計(jì)262根,樁身上段設(shè)計(jì)永久鋼護(hù)筒。承臺(tái)共37個(gè),其中14#、15#墩2個(gè)主墩采用整體式承臺(tái),其余35個(gè)橋墩均采用左右幅分離式承臺(tái)?？缃味丈聿捎庙槝蛳蜃兒穸葘?shí)心墩,墩頂設(shè)兩層裝飾檐,增加景觀效果。

馬尾大橋跨江段橋型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～7組圖。

圖1 V型結(jié)構(gòu)橋梁全景效果圖

圖2 白天V型結(jié)構(gòu)橋梁效果圖

圖3 夜里V型結(jié)構(gòu)橋梁效果圖

圖4 馬尾大橋跨江段副橋橋型布置圖

圖5 馬尾大橋跨江段主橋橋型

圖6 主墩斷面示意圖

圖7 連續(xù)墩斷面示意圖

1.3 V型結(jié)構(gòu)混凝土施工控制要點(diǎn)

V型結(jié)構(gòu)采用C55混凝土,由攪拌站集中拌制,混凝土罐車運(yùn)輸,泵車直接布料、澆筑。箱梁V撐支架現(xiàn)澆段結(jié)構(gòu)及受力均較為復(fù)雜,加之縱向及豎向預(yù)應(yīng)力管道集中,鋼筋密集,混凝土方量大,為了確保質(zhì)量并防止有害裂縫出現(xiàn),澆筑時(shí)需采取必要措施減小混凝土水化熱的產(chǎn)生,采用分層澆筑時(shí),應(yīng)合理確定分層的位置,并盡量減小各層混凝土齡期差,加強(qiáng)箱梁內(nèi)外澆水養(yǎng)生,及箱內(nèi)的通風(fēng)降溫,避免內(nèi)外溫差過(guò)大造成混凝土的開(kāi)裂。

順橋向澆筑順序?yàn)閺亩丈淼娇缰?橫橋向澆筑順序?yàn)橄鹊装搴蟾拱?、從下到上。由于V構(gòu)下弦坡度較大,澆筑時(shí)應(yīng)采取措施避免模板上浮和先澆砼溢出。澆筑時(shí)應(yīng)分層分塊澆筑,并保證大小里程對(duì)稱澆筑,兩邊腹板對(duì)稱澆筑,以避免對(duì)模板產(chǎn)生不均勻荷載,混凝土分層厚度為30,插入式振搗器進(jìn)行振搗。頂表面的混凝土應(yīng)壓實(shí)抹平?；炷脸跄?安排專人覆蓋土工布、灑水養(yǎng)護(hù),24小時(shí)保持濕潤(rùn)狀態(tài),養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7天。

2 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)與原材料

大跨徑連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)使用壽命為100年。因此,要求混凝土具有高耐久性；同時(shí),在施工過(guò)程中應(yīng)具有良好的工作性(大流動(dòng)、可灌性、可泵性、均勻性等),良好的力學(xué)性能,早期強(qiáng)度高后期持續(xù)增長(zhǎng)；良好的尺寸穩(wěn)定性；合理的適用性與經(jīng)濟(jì)性等。為了滿足這些要求,進(jìn)行了高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì),提出了以抗裂性和耐久性為核心混凝土配合比設(shè)計(jì)的五大優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1-8]。

2.1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

(1)低用水量

指在滿足工作性條件下盡量減少用水量?；炷粮甙韬纤康暮蠊牵嚎箟汉涂拐蹚?qiáng)度降低、吸水率和滲透性增大、水密性降低、干縮裂縫出現(xiàn)的幾率加大、砂石與水泥石界面粘結(jié)力和鋼筋與混凝土握裹力減小、混凝土干濕體積變化率加大和抗風(fēng)化能力降低。一般高性能混凝土用水量要求不大于165Kg/m3。

(2)低水泥用量

系指在滿足混凝土工作性和強(qiáng)度條件下,盡量減小水泥用量,從而減少混凝土的收縮、降低混凝土的溫升、提高混凝土的抗裂性和抵抗環(huán)境因素侵蝕的能力。

(3)最大堆積密度

系指優(yōu)化混凝土中集料的級(jí)配設(shè)計(jì),獲取最大堆積密度和最小孔隙率,以便盡可能減少水泥砂漿的用量,來(lái)達(dá)到降低含砂率,減少用水量和水泥用量之目的。該法則是計(jì)算混凝土配合比的基礎(chǔ),根據(jù)這一法則來(lái)確定配合比中的漿集比與砂率,可確?；炷恋膹?qiáng)度、耐久性與經(jīng)濟(jì)性。

(4)水膠比

在一定范圍內(nèi),混凝土的強(qiáng)度與水膠比成反比。減少水膠比,混凝土的抗壓強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性提高。但為保證混凝土的抗裂性能,水膠比應(yīng)適當(dāng),不宜過(guò)小,過(guò)小的水膠比易導(dǎo)致混凝土自生收縮增大。

(5)活性摻合料與高效減水劑雙摻

活性摻合料與高效減水劑雙摻,可以發(fā)揮二者的超疊加效應(yīng),顯著降低用水量,減小水膠比,控制水泥用量,密實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),保證混凝土力學(xué)性能持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展,并可明顯提高混凝土的耐久性。

2.2 高性能混凝土原材料及性能

大跨徑連續(xù)梁橋建設(shè)過(guò)程中,將優(yōu)選原材料作為提高混凝土質(zhì)量的重要保證環(huán)節(jié),通過(guò)多次調(diào)研、試驗(yàn)比較,進(jìn)行混凝土原材料的優(yōu)選。

水泥：采用江蘇泰州楊灣海螺P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其物理化學(xué)性能見(jiàn)表1,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水泥物理化學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

粉煤灰：采用福建大唐電廠F類I級(jí)粉煤灰,其物理化學(xué)性能見(jiàn)表2,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標(biāo)準(zhǔn)中I級(jí)要求。

表2 粉煤灰性能檢測(cè)結(jié)果

礦粉：采用福建源鑫S95級(jí)礦粉,其物理化學(xué)性能見(jiàn)表3,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》標(biāo)準(zhǔn)中S95級(jí)要求。

表3 礦粉性能檢測(cè)結(jié)果

細(xì)集料：采用福建閩江中砂,其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ區(qū)要求,為非活性細(xì)骨料。

表4 細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果

粗集料：采用福建三通?；◢弾r碎石,5-20mm、5-25mm兩種連續(xù)級(jí)配,其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T 14685-2011《建設(shè)用碎石、卵石》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類要求,為非活性粗骨料。

表5 粗集料檢測(cè)結(jié)果

外加劑：采用中交武漢港灣新型材料有限公司LN-SP、江蘇蘇博特新材料有限公司的PCA-I(內(nèi)含降粘引氣組分)減水率大于25%聚羧酸類高性能減水劑。其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6,各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB 8076-2008《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)中高性能減水劑技術(shù)指標(biāo)要求。

表6 外加劑性能檢測(cè)結(jié)果

水：采用倉(cāng)山區(qū)飲用水,其物理性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7,各項(xiàng)指標(biāo)均符合JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)應(yīng)力混凝土用水要求。

表7 水的物理性能檢測(cè)結(jié)果

3 橋梁高性能混凝土配制與應(yīng)用

依據(jù)大跨徑連續(xù)梁橋掛籃施工的特點(diǎn),重點(diǎn)針對(duì)大跨徑橋梁240m連續(xù)梁鋼混結(jié)構(gòu),從混凝土性能的具體技術(shù)要求、混凝土原材料的質(zhì)量控制和優(yōu)選、高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、高性能混凝土的制備和性能等方面開(kāi)展了較為系統(tǒng)和深入的研究。

3.1 大跨徑V型結(jié)構(gòu)橋梁高性能混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求

大跨徑V型結(jié)構(gòu)橋梁包括現(xiàn)澆的V形空腹箱梁,其主要特點(diǎn)為：

(1)配筋密集,泵送施工,要求混凝土流動(dòng)性大、保水保塑性好,且具有良好的外觀質(zhì)量。

(2)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),要求混凝土強(qiáng)度高、剛度好(彈性模量大),收縮徐變小,以減少混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失。

(3)空腹箱梁屬薄壁結(jié)構(gòu),面積較大,混凝土易產(chǎn)生塑性開(kāi)裂,且鋼筋保護(hù)層厚度較薄。

(4)預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土,配合比設(shè)計(jì)要求如下：

A要求84d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于2.5×10-12/s；

B 初始坍落度160-200mm,擴(kuò)展度500～600mm；

C 混凝土凝結(jié)時(shí)間控制：初凝時(shí)間控制在20小時(shí)；

D 膠凝材料最小用量、水膠比滿足規(guī)范要求；

E 混凝土拌合物和易性良好,坍落度和流動(dòng)度損失?。?/p>

F 混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失控制：1小時(shí)坍落度損失不超過(guò)20mm；

G 混凝土含氣量2.5-4.0%。

H 考慮混凝土結(jié)構(gòu)回彈強(qiáng)度滿足要求,應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控混凝土振搗及養(yǎng)護(hù)。

大跨徑連續(xù)箱梁均采用C55高性能混凝土,具體技術(shù)要求為：設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55,工作性好,收縮變形性好,混凝土抗裂性、抗?jié)B性、抗碳化和抗鋼筋銹蝕能力優(yōu)于同等級(jí)的普通混凝土。

3.2 高性能混凝土配合比

對(duì)于大跨徑連續(xù)梁采用3個(gè)不同的配合比設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化后三種配合比列于表8中,在高性能混凝土中摻入大量礦物摻合料可明顯改善混凝土的變形性能,減小收縮徐變,提高抗裂性。

表8 C55橋梁高性能混凝土配合比

3.3 高性能混凝土性能

(1)混凝土工作性與力學(xué)性能

根據(jù)表8制備的三組連續(xù)橋梁高性能混凝土黏聚性、保水性良好,無(wú)泌水現(xiàn)象,工作性良好；具有較高的力學(xué)性能,早期強(qiáng)度發(fā)展較快,壓縮彈性模量達(dá)40GPa以上。

(2)混凝土變形性

大跨徑連續(xù)橋梁混凝土的變形性能和抗裂性,試驗(yàn)結(jié)果表明采用P.O 42.5水泥+摻入30%-50%的礦物摻合料可明顯改善混凝土的變形性能和抗裂性。混凝土從成型到初凝這段時(shí)間內(nèi)的塑性收縮(凝縮)測(cè)得的數(shù)據(jù)作時(shí)程曲線。混凝土凝縮值隨膠凝材料用量的增大而增大,成型后3h內(nèi),凝縮值迅速增加,6h后基本穩(wěn)定。三組試件的凝縮值都不大于600×10-6m/m。

(3)混凝土耐久性

大跨徑連續(xù)橋梁混凝土具有良好的耐久性,摻30%-50%礦物摻合料的箱梁C55高性能混凝土抗?jié)B等級(jí)可達(dá)P12以上,抗凍性可達(dá)F300,28d標(biāo)準(zhǔn)碳化深度在5mm左右,并具有良好的抗鋼筋銹蝕性能。采用NEL法(CCES01-2004)對(duì)大跨徑連續(xù)橋梁高性能混凝土抗氯離子滲透性進(jìn)行試驗(yàn)?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間成指數(shù)關(guān)系,隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷降低,7d以后氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低基于緩慢。三組混凝土試件的84d氯離子擴(kuò)散系數(shù)相差不大,均小于2.5×10-12/s,具有良好的抗氯離子滲透性。

3.4 工程應(yīng)用

大跨徑連續(xù)橋梁采用掛籃施工技術(shù),均采用以上配合比施工,從現(xiàn)場(chǎng)施工效果和質(zhì)量來(lái)看,所配制的大跨徑連續(xù)橋梁高性能混凝土具有良好工作性、力學(xué)性能和抗裂性。見(jiàn)圖8V型結(jié)構(gòu)橋梁施工過(guò)程組圖。

圖8 V型結(jié)構(gòu)橋梁施工過(guò)程圖

4 結(jié)論

在大跨徑連續(xù)橋梁重大工程建設(shè)中,高性能混凝土的制備、基本性能及長(zhǎng)期耐久性受到高度重視。為了保證橋梁混凝土的耐久性和長(zhǎng)期壽命,本文針對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)部位分別從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求、原材料、高性能混凝土的配合比與性能進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論：

(1)大跨徑連續(xù)梁橋均采用不同的混凝土配合比,混凝土配合比參數(shù)變化不大,具有良好的工作性、力學(xué)性能和耐久性；混凝土要求具有很好的和易性和可泵性以滿足泵送要求,采用大摻量礦物摻合料和高性能外加劑雙摻技術(shù)及適當(dāng)提高含砂率、增大流動(dòng)性和保水性、提高可泵性的技術(shù)路線,保證了泵送澆筑施工要求。

(2)本文的研究工作緊密結(jié)合大跨徑連續(xù)梁橋工程建設(shè),與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室進(jìn)行了頻繁的討論、分析、學(xué)術(shù)交流和現(xiàn)場(chǎng)試拌,實(shí)行了全程質(zhì)量跟蹤和技術(shù)服務(wù),及時(shí)將科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,并從多個(gè)角度和環(huán)節(jié)提出了高性能混凝土生產(chǎn)應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn),建立了相應(yīng)的耐久性保障體系,直接為工程實(shí)踐提供了有力指導(dǎo)。從現(xiàn)場(chǎng)施工效果和質(zhì)量來(lái)看,所配制的大跨徑連續(xù)梁橋高性能混凝土均具有良好的綜合性能,較好地滿足了工程設(shè)計(jì)和施工的要求。

[1]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程CECS 207-2006[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2006．

[2]中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與施工指南CECS 01-2004[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005．

[3]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司.工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司.高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014．

[4]馮乃謙.高性能與超高性能混凝土技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2015．

[5]馮乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004．

[6]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范JTG/T B07-01-2006[S].北京：人民交通出版社,2006．

[7]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTG/T F50-2011[S].北京：人民交通出版社,2011．

[8]李海卿.綠色高性能混凝土原材料的選用與質(zhì)量控制[J].混凝土世界,2017．