鋼管混凝土復合構造橋墩減少裂縫施工對策

王德喜

(華杰工程咨詢有限公司,北京 100029)

1 工程概述

鋼管混凝土復合構造結構有著承載力高、抗震性能優越、施工便捷等優點,在日本這個多地震國家得到了廣泛的應用。下述工程為改造急彎急坡舊道的道路改良工程,新建1座跨度L=246.8 m的橋梁。工程位于日本北海道十勝平原東北部,橋墩施工期為11月中旬到次年1月下旬,十勝地區1月歷史最低氣溫為1929年的-34.9 ℃。

橋墩基礎采用樁基,為了增加抗震性和減小構造物體積,橋墩采用了鋼管混凝土復合構造結構,結構尺寸詳見圖1和圖2。

圖1 橋墩正面(單位：mm)

圖2 橋墩平面(單位：mm)

2 施工中存在的問題

從橋墩尺寸可以看出,橋長方向的混凝土保護層為50 cm,與橋長垂直方向的混凝土保護層為75 cm,構造上的特點使它成為極易產生溫度裂縫的結構。其產生的原因從混凝土硬化原理上可歸納為內部溫度應力和外部溫度應力兩種情況。

鋼管混凝土復合結構橋墩的溫度應力產生原因可以總括為以下幾點。

(1)中空斷面構造結構。除鋼管下部填充部分混凝土外,鋼管內部采用中空構造,這種結構使鋼管外周溫度應力增大。

(2)大體積混凝土構造結構。水化反應使內部溫度升高,熱量不能有效釋放造成內外溫差加大。

(3)寒冷期施工防寒養生措施解除時,寒冷的外界氣溫致使構造物內外溫差的急劇變化。

由于裂縫產生的機率和產生位置等都會因結構物的條件而產生很大變化,通過對橋墩進行溫度應力解析,根據解析結果研討了減少裂縫對策實施的必要性,同時還對控制裂縫的方法進行了研討。

3 控制裂縫產生采取的措施

3.1 進行溫度應力解析

應用FEM法對溫度應力進行了解析(應用株式會社計算力學研究中心的解析程序ASTEA-MACSver.4)。

(1)解析條件的設定(表1)

表1 解析條件設定標準

混凝土澆筑順序見圖3，內部溫度解析曲線見圖4。

圖3 澆筑混凝土順序(單位：mm)

圖4 CH4測點內部溫度解析曲線

(2)判斷基準的設定

根據混凝土標準規范,裂縫指數按照表2設定。

表2 溫度裂縫控制標準

如果設定不容許產生裂縫,那么就必須從改變混凝土的配合比設計來考慮對策；本工程考慮到經濟性及結構物的用途,設定“容許產生裂縫但不容許裂縫產生過大”為控制目標,設定裂縫指數Icr≥1.0進行目標控制。

(3)溫度應力分析結果

橋墩內部的混凝土溫度變化解析結果見圖4。從解析結果看,混凝土內部溫度的最大值為55 ℃。從溫度應力的解析結果計算裂縫指數,推定出裂縫的產生部位見圖5。

圖5 預想裂縫產生位置(1/4模型)

3.2 減少裂縫產生采取的對策

根據前述的檢測結果,預測到裂縫的產生機率較高。本著以下的原則對施工措施進行了篩選。

(1)充分考慮工程所在地周邊的既有預拌混凝土設施的現有裝備和技術能力,采取切實可行的措施。

(2)施工對策的選用要兼顧企業的收益與利潤，力爭通過調整施工組織設計實現控制目標。

通過篩選,施工中采取了如下抑制裂紋產生的措施。

(1)降低預拌混凝土的溫度

在寒冷期施工的一般做法是通過提高骨料和拌和水溫度,在澆灌時將預拌混凝土溫度控制在20 ℃左右,以防止混凝土在養生過程中溫度的過度下降；而本工程是通過降低拌和水溫度將預拌混凝土溫度控制在10 ℃左右,在做好防寒養生措施的同時,力求降低混凝土內部水化反應的最高溫度。

(2)采取送風降溫措施

在腳手架作業平臺上設置送風機,利用鋼管中空的特點,從鋼管上部向鋼管下部送風以降低混凝土內部的溫度。

(3)延長模板的拆模時間

標準規范中規定了拆模時混凝土必須達到的強度,但達到該強度時推定混凝土的內部溫度正處于高峰期；高橋墩的混凝土澆灌施工一般根據澆筑區劃分重復使用模板,但在混凝土內部高溫期時拆除模板,由于外部溫度極低,會在短時間內造成混凝土內外溫差加大,結構物受到急劇的應力沖擊作用而產生裂縫。為此本工程采用了比鋼制模板絕熱性能優越的木制模板,且為了延長脫模時間,準備了橋墩全面積用量的模板；與此同時為了準確測定混凝土的內部溫度,以便于與解析值進行對比,在結構物的內部設置了溫度傳感器,以準確測定混凝土的內部溫度。

4 裂縫產生抑制措施的效果

4.1 橋墩內部歷時溫度的測定結果

為了確認裂縫產生抑制措施的效果準確性,使解析值與實測值能夠進行比較,將溫度傳感器的位置設定在與溫度解析相同的位置(圖6中共有4處),構造物內部實測的歷時溫度見圖7。

從實測的結果看,實測的最高溫度比解析值下降了13 ℃。另外通過施工組織調整,將模板的存置期間最長設定為48 d,延緩了溫度的急劇下降。由于鋼管中空部下部需要澆筑填充混凝土,送風制冷措施的作用在第2澆筑區上部到第3澆筑區才開始顯現。

圖6 溫度傳感器設置位置(單位：mm)

圖7 CH4測點橋墩內部實測溫度變化曲線

4.2 裂縫情況

底板混凝土在澆筑約1個月后,軀體部的混凝土在澆筑約2個月后,確認產生了裂縫。施工實際產生的裂縫位置見圖8。

與解析計算的預想裂縫產生位置圖比較可以看出,裂縫基本上產生在預測位置。從產生位置及產生時期看,其主要原因是混凝土的溫度應力所引起,但產生的頻率大大低于解析值。裂縫的產生限定在第一澆筑區,其主要原因可以推測為以下2點。

(1)第1澆筑區鋼管中空部澆筑了填充混凝土,送風降溫措施的效果沒能涉及到該區域,防寒養生結束時混凝土的內部溫度沒有得到充分的下降。

(2)在第2澆筑區,軀體部的應力被底板部所約束,不能充分釋放導致裂紋產生。

圖8 裂縫產生位置(1/4模型)

5 結語

日本近年來從充分利用有限資源的危機感出發,提出了打造200年木結構和千年混凝土結構的目標。從鋼筋混凝土結構劣化的機理看,解決了混凝土的開裂和鋼筋的銹蝕這2個主要問題,“千年混凝土結構”的目標可能不會僅僅是夢想。

鋼管混凝土復合構造結構能夠適應現代工程結構向大跨、重載發展和承受惡劣條件的需要,符合現代施工技術的工業化要求,是結構工程科學的一個重要發展方向。我國國土廣闊,混凝土的冬季寒冷期施工非常普遍,防止構造物開裂也是一個重要課題。作為施工管理者,應對應各種事態,從施工組織設計階段檢討裂縫的產生可能,采取合適的措施,提高工程的施工質量。在裂縫產生時應調查究明產生原因,以利于工程施工水平的提高。

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