“水滴型”索塔混凝土裂縫控制技術(shù)

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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)號為C50，屬典型高標(biāo)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(biāo)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(dá)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(biāo)的要求，對主塔實心段和空心段混凝土配合比進(jìn)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?；炷翉姸葷M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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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谒鶓冶劢Y(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(biāo)，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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(dá)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(jìn)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(hù)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?，避免混凝土長距離“流動”現(xiàn)象。

4) 控制鋼筋保護(hù)層厚度

合適的鋼筋保護(hù)層厚度有利于避免混凝土表面裂紋，保護(hù)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(hù)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(biāo)號的定制混凝土墊塊，還需避免扎絲頭侵入保護(hù)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(biāo)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(dá)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(xì)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。