大跨鋼-混凝土組合廊橋樓道板混凝土裂縫控制技術(shù)

胡義新，葉成順，別亞威，巫興發(fā)

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交(福州)建設(shè)有限公司，福建 福州 350000；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014)

0 引言

將傳統(tǒng)風(fēng)格的廊橋結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代城市橋梁結(jié)合，既能滿足橋梁通行要求又可滿足景觀建筑、美學(xué)等多樣化要求。廊橋的主體結(jié)構(gòu)多為大跨鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，即主梁為鋼桁架，樓道部位為混凝土結(jié)構(gòu)。廊橋大跨度鋼桁梁安裝完成后，施工樓道混凝土，一般采用支架現(xiàn)澆法或吊?，F(xiàn)澆法?；炷潦┕ぶ泄ば虬才挪豢茖W(xué)且樓道板混凝土厚度較小等，易產(chǎn)生混凝土開裂。對(duì)于薄板混凝土開裂的研究較多，且提出了有效的解決措施。

但針對(duì)后期交叉作業(yè)產(chǎn)生的施工荷載所導(dǎo)致的混凝土開裂，對(duì)其施工工藝和混凝土性能方面的研究與施工經(jīng)驗(yàn)尚淺，給施工帶來較大挑戰(zhàn)。為了降低大跨鋼-混凝土廊橋結(jié)構(gòu)施工時(shí)樓道板混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，有必要從施工工藝優(yōu)選、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及混凝土性能優(yōu)化等方面進(jìn)行研究并指導(dǎo)施工。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)榉蛛x式雙幅變截面連續(xù)梁橋，附屬設(shè)置大跨“鋼-混凝土-木-砌體”組合廊橋結(jié)構(gòu)，其中“木-砌體”為建筑造型需要，“鋼-混凝土”為主要承載結(jié)構(gòu)。主橋兩側(cè)人行道設(shè)置長(zhǎng)廊和古亭，0號(hào)塊頂部橫向分別設(shè)置1座觀景天橋，即展廊。觀江閣基礎(chǔ)位于主橋主墩基礎(chǔ)外側(cè)，觀江閣位于主橋左、右幅兩側(cè)，設(shè)置3層；展廊跨度達(dá)60m，與觀江閣2層相連，高5.1m，距橋面6m；展廊上層與觀江閣第3層相連，高7.5m(至屋頂)。

展廊底部采用大跨鋼桁架作為支撐，分為上、下2層，與兩側(cè)觀江閣混凝土筒體墻體內(nèi)鋼構(gòu)件連接。鋼桁架上、下2層分別設(shè)現(xiàn)澆混凝土樓道板結(jié)構(gòu)，不設(shè)預(yù)應(yīng)力，形成展廊平臺(tái)，展廊樓道板分別位于同層鋼桁架弦桿、橫梁、下縱梁上，板厚10cm，長(zhǎng)6m，寬3m。展廊主要構(gòu)造如圖1所示。

圖1 展廊主要構(gòu)造(單位：m)

2 樓道板混凝土施工開裂機(jī)理分析

混凝土開裂主要為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫，常見的有溫度收縮裂縫、地基沉降差異裂縫、受力裂縫及干縮裂縫。尺寸為10cm×300cm×600cm的樓道板屬于薄板結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性裂縫，主要為溫度收縮裂縫、干縮裂縫。針對(duì)此類裂縫，可通過調(diào)整混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護(hù)等措施解決。

對(duì)于展廊結(jié)構(gòu)的薄板混凝土結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)支架法或吊模法施工，待結(jié)構(gòu)拆除現(xiàn)澆支架或上部增加其他恒載時(shí)，大跨桁架結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生下?lián)?，頂層桁架上的現(xiàn)澆混凝土樓道板承受壓力，底層樓道板承受拉力，極易出現(xiàn)規(guī)則的橫向裂縫，且越到跨中裂縫越寬，進(jìn)而影響廊橋結(jié)構(gòu)的耐久性及美觀度。

3 施工工藝優(yōu)選

3.1 方案對(duì)比分析

廊橋展廊鋼桁架上的混凝土樓道板需在展廊鋼桁架安裝完成后現(xiàn)澆。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共3種方案可供選擇，具體優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1)支架順作法(方案1) 落地支架→澆筑混凝土→上部結(jié)構(gòu)加載→拆除支架。該工法為傳統(tǒng)施工工藝，落地支架澆筑混凝土工藝較成熟，施工操作方便，經(jīng)濟(jì)性較好。但支架影響主橋通行，上部結(jié)構(gòu)加載、拆除支架總體變形量較大，樓道板混凝土易開裂。

2)有支架部分逆作法(方案2) 上部結(jié)構(gòu)加載→落地支架→澆筑混凝土→拆除支架。該工法為傳統(tǒng)施工工藝，落地支架澆筑混凝土工藝較成熟，規(guī)避了上部結(jié)構(gòu)荷載導(dǎo)致的后期下?lián)希?jīng)濟(jì)性較好。但支架影響主橋通行，拆除支架后，混凝土結(jié)構(gòu)荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)下?lián)?，樓道板混凝土仍存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；上部結(jié)構(gòu)的空間干擾使混凝土澆筑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作要求較高。

3)無支架部分逆作法(方案3) 上部結(jié)構(gòu)加載→免拆型支撐模板安裝→澆筑混凝土。該工法為創(chuàng)新施工工藝，無須拆除模板支架，混凝土處于無應(yīng)力狀態(tài)施工，且板底有免拆鋼模板，不開裂；不影響主橋通行；操作方便，安全高效。但免拆型支撐模板需專項(xiàng)設(shè)計(jì)與制作，經(jīng)濟(jì)性一般；上部結(jié)構(gòu)的空間干擾使混凝土澆筑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作要求較高。

3.2 施工工況計(jì)算分析

對(duì)展廊混凝土施工方案1，2進(jìn)行施工計(jì)算分析：①方案1工況 混凝土先澆筑，考慮現(xiàn)澆板自重+鋪裝景觀荷載+觀景亭荷載對(duì)混凝土薄板造成的影響；②方案2工況 混凝土后澆筑，再拆除支架，鋪裝景觀荷載+觀景亭荷載均已作用于鋼桁架上，桁架已產(chǎn)生變形，計(jì)算時(shí)只考慮混凝土板自重。方案3為混凝土后澆筑(無支架)，混凝土薄板施工階段無二次加載情況，只需承受使用階段的荷載(設(shè)計(jì)階段已計(jì)算)，故無須另外計(jì)算施工中產(chǎn)生的裂縫等。

觀景亭荷載按設(shè)計(jì)取1 800kN，均勻加載至觀景亭所在范圍的主桁架上弦桿位置處；鋪裝景觀荷載按設(shè)計(jì)取3 800kN，加載在主桁架上、下弦桿位置處。

現(xiàn)澆薄板單元厚100mm，保護(hù)層厚15mm，沿縱向布置橫筋φ10@150，板底箍筋雙向布置φ10@200；沿橫向每米配12根φ10鋼筋，總截面面積942.36mm2。樓道板彎矩計(jì)算云圖如圖2所示。

圖2 樓道板彎矩計(jì)算云圖(單位：kN·m)

方案1中樓道板最大彎矩M為18.18kN·m，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)中的裂縫計(jì)算公式，計(jì)算其最大裂縫寬度為0.3mm，>0.2mm，不滿足規(guī)范規(guī)定的裂縫限值；方案2中樓道板最大彎矩M為1.95kN·m，計(jì)算其最大裂縫寬度為0.08mm，<0.2mm，滿足規(guī)范要求。

方案1中樓道板拉應(yīng)力超標(biāo)，混凝土開裂；方案2雖然混凝土裂縫寬度滿足要求，但對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有一定影響；方案3設(shè)置免拆模板結(jié)構(gòu)，不存在拆架卸載，可有效規(guī)避樓道板在施工階段出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性開裂，同時(shí)施工便捷，不設(shè)置支架系統(tǒng)，對(duì)展廊下方主橋通行不造成影響。綜上所述，方案3為展廊樓道板混凝土施工最優(yōu)方案。

4 新型鋼筋桁架樓承板設(shè)計(jì)及安裝

4.1 新型鋼筋桁架樓承板設(shè)計(jì)原理

根據(jù)樓道板厚度和澆筑的最大跨度，設(shè)計(jì)專用鋼筋桁架樓承板，主要包括鋼筋桁架與樓承板鍍鋅鋼板底模。鋼筋桁架與樓承板鍍鋅鋼板底模采用門式卡槽連接。大跨度薄壁混凝土施工時(shí)，樓承板底模具有撓性，且由于底模與鋼筋桁架的焊接面積較小，導(dǎo)致樓承板底模承載力小，抗彎強(qiáng)度不足，澆筑時(shí)易發(fā)生斷裂。新型鋼筋桁架樓承板鍍鋅鋼板上設(shè)有縱向的固定槽鋼，可增強(qiáng)鍍鋅鋼板的抗彎強(qiáng)度。

4.2 新型鋼筋桁架樓承板設(shè)計(jì)

根據(jù)樓道板尺寸進(jìn)行樓承板設(shè)計(jì)，選擇30cm的模數(shù)，考慮到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，單片桁架樓承板寬度設(shè)計(jì)為60cm，長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際在場(chǎng)內(nèi)定制，其長(zhǎng)度設(shè)置包括2 850，3 100，10 500，10 700mm 4種。其中，鋼筋桁架高70mm，上、下弦桿鋼筋型號(hào)均為HRB400Eφ8，腹桿鋼筋型號(hào)為冷軋光圓φ4.5。新型鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)

4.3 新型鋼筋桁架樓承板安裝

新型鋼筋桁架樓承板在加工廠提前制作；展廊鋼桁架施工完成后，根據(jù)桁架梁中間間距，布置桁架樓承板位置；構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝；栓釘焊接完成后，按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鋼筋安裝，雙層雙向，間距20cm；鋼筋桁架底部插入門式卡槽，采用扎絲綁扎進(jìn)行加強(qiáng)連接。鋼筋桁架樓承板布設(shè)到位后，在桁架樓承板與底部鋼桁架交接位置焊接螺栓進(jìn)行固定，防止在鋼筋安裝和混凝土澆筑過程中樓承板結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。

5 關(guān)鍵控制要點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5.1 關(guān)鍵控制要點(diǎn)

考慮到主橋運(yùn)營(yíng)期間對(duì)廊橋結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)廊橋作為游客及市民觀景使用，滿負(fù)荷使用概率較高，因此對(duì)廊橋外觀及結(jié)構(gòu)耐久性要求相對(duì)嚴(yán)格，為提升樓道板混凝土質(zhì)量，須采取以下關(guān)鍵措施。

5.1.1鋼桁架預(yù)拱度設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體施工工序，通過對(duì)該部位各施工工況仿真模擬，計(jì)算出在斜撐、水平鋼桁架交點(diǎn)位置及鋼桁架跨中位置增加50～55mm的起拱高度，保證結(jié)構(gòu)的整體線形，減小樓道板混凝土承受的拉應(yīng)力，降低混凝土樓道板結(jié)構(gòu)下?lián)祥_裂風(fēng)險(xiǎn)。

5.1.2混凝土性能優(yōu)化

鋼筋綁扎完成且驗(yàn)收合格后，利用天泵澆筑樓道板混凝土。在混凝土的配制方面采取以下措施。

1)選用質(zhì)量穩(wěn)定、抗裂性能好的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，同時(shí)嚴(yán)格控制混凝土水膠比，保證最小水泥用量；該部位混凝土水泥強(qiáng)度等級(jí)選用42.5級(jí)，水膠比為0.47，水泥用量為300kg/m2，保證混凝土具有良好的和易性和后期發(fā)展強(qiáng)度，以便更好地抵抗裂縫產(chǎn)生。

2)根據(jù)配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果摻入10%UEA膨脹劑，補(bǔ)償混凝土收縮，提高混凝土抗裂性能，有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。

3)在混凝土中加入亂向分布的短鋼纖維，改善樓承板成型后的抗拉、抗彎、抗沖擊能力。

5.1.3混凝土澆筑順序優(yōu)化

考慮展廊上層樓道板受壓、下層樓道板受拉，觀江閣連接部位為剛接，受力較復(fù)雜，且頂層連接部位受拉、底層連接部位受壓，故在混凝土澆筑順序方面進(jìn)行如下優(yōu)化：①先澆筑上層樓道板混凝土，再澆筑下層樓道板混凝土，設(shè)置后澆帶，預(yù)留與觀江閣連接部位的混凝土?xí)翰粷仓? ②對(duì)于跨度60m的主桁架頂部混凝土，應(yīng)從跨中向兩側(cè)澆筑；③先澆筑底層樓道板后澆帶，再澆筑頂層樓道板后澆帶。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

經(jīng)過程控制和裂縫檢測(cè)，該橋展廊混凝土樓道板施工過程中未出現(xiàn)裂縫，保證了混凝土樓道板質(zhì)量；采用優(yōu)化后的工藝及新型鋼筋桁架樓承板等，相比常規(guī)支架法施工，縮短工期15d。廊橋成橋如圖4所示。

圖4 廊橋成橋

6 結(jié)語

1)針對(duì)大跨鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的混凝土施工，應(yīng)用無支架部分逆作法澆筑混凝土，可有效避免大跨鋼結(jié)構(gòu)下?lián)蠋淼拈_裂問題。

2)新型鋼筋桁架樓承板設(shè)有縱向固定槽鋼，可增強(qiáng)鍍鋅鋼板的抗彎強(qiáng)度。

3)對(duì)于廊橋樓道板混凝土的澆筑，須仔細(xì)分析組合結(jié)構(gòu)的受力原理，以確定混凝土的澆筑順序及后澆帶設(shè)置，保證大跨鋼-混凝土組合廊橋結(jié)構(gòu)受力合理，提升結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量及工程耐久性。