大跨徑V型結構橋梁高性能混凝土的研究與應用

李海卿,田桃濤

(中交第二航務工程局有限公司,廣東 珠海 519000)

前言

大跨徑連續(xù)梁橋是我國建橋史上跨度規(guī)模最大工程、綜合建設條件最復雜的特大型橋梁工程。它代表著中國乃至世界橋梁建設的最高水平,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。單懸臂梁是簡支梁的一端從支點伸出以支承一孔吊梁的體系；雙懸臂梁是簡支梁的兩端從支點伸出形成兩個懸臂的體系懸臂梁橋有單懸臂梁和雙懸臂梁兩種。兩種體系構造比較復雜、行車不夠平順,目前已較少采用。

大跨徑連續(xù)梁橋建設中面臨了四大挑戰(zhàn)條件：氣象條件差,面臨著大風、季風、龍卷風等的威脅；水文條件復雜；基巖埋藏深；加劇了建設難度。這就要求采用的混凝土不僅具有強度高,還應具有高彈模、高密實度、低滲透性、高體積穩(wěn)定性、高耐久性和大流動性,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、基本性能以及長期耐久性問題得到了廣泛關注,直接關系到整個橋梁結構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島東端北側,橫跨閩江,溝通南臺島與馬尾區(qū)、中心城區(qū),是連接馬尾新城馬尾片區(qū)與倉山片區(qū)的重要橋梁,同時也是南臺島向寧德、浙江方向輻射的重要通道。

項目起于環(huán)島路的終點,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,經縱七路,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場高速公路二期。

馬尾大橋為城市快速路,計算行車速度80km/h,按雙向八車道設計,兩側設非機動車道、人行道,橋面寬度42.5米,滿足內河Ⅱ級、1000噸級海輪通航標準(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模式進行建設,該項目由主橋、南連接線和北連接線3個部分組成,南岸接線長約1.9公里,北岸接線長約2.8公里,跨江段橋長約1.684公里,道路全長約6.384公里；具體建設內容：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)箱梁結構,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應力混凝土結構,截面為單箱雙室直腹板截面。橋墩采用順橋向變厚度實心墩,墩頂設兩層裝飾檐,基礎采用群樁結構。

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)箱梁結構,墩身為花瓶式實心墩,基礎為鉆孔灌注樁。

本項目的建設,對溝通與疏散閩江兩岸、推進城市“東擴南進”以及促進馬尾新城的開發(fā)建設起著舉足輕重的作用。

1.2 工程結構形式

馬尾大橋跨江段橋梁結構為多跨空腹式連續(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。其上構箱梁主要由V型結構(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-混結合段外,其余橋跨均為混凝土箱梁。橋面按雙向八車道設計,單幅箱梁橫斷面為單箱雙室結構,寬20.25m。

樁基礎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262根,樁身上段設計永久鋼護筒。承臺共37個,其中14#、15#墩2個主墩采用整體式承臺,其余35個橋墩均采用左右幅分離式承臺。跨江段墩身采用順橋向變厚度實心墩,墩頂設兩層裝飾檐,增加景觀效果。

馬尾大橋跨江段橋型結構見圖1～7組圖。

圖1 V型結構橋梁全景效果圖

圖2 白天V型結構橋梁效果圖

圖3 夜里V型結構橋梁效果圖

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型結構混凝土施工控制要點

V型結構采用C55混凝土,由攪拌站集中拌制,混凝土罐車運輸,泵車直接布料、澆筑。箱梁V撐支架現澆段結構及受力均較為復雜,加之縱向及豎向預應力管道集中,鋼筋密集,混凝土方量大,為了確保質量并防止有害裂縫出現,澆筑時需采取必要措施減小混凝土水化熱的產生,采用分層澆筑時,應合理確定分層的位置,并盡量減小各層混凝土齡期差,加強箱梁內外澆水養(yǎng)生,及箱內的通風降溫,避免內外溫差過大造成混凝土的開裂。

順橋向澆筑順序為從墩身到跨中,橫橋向澆筑順序為先底板后腹板、從下到上。由于V構下弦坡度較大,澆筑時應采取措施避免模板上浮和先澆砼溢出。澆筑時應分層分塊澆筑,并保證大小里程對稱澆筑,兩邊腹板對稱澆筑,以避免對模板產生不均勻荷載,混凝土分層厚度為30,插入式振搗器進行振搗。頂表面的混凝土應壓實抹平。混凝土初凝后,安排專人覆蓋土工布、灑水養(yǎng)護,24小時保持濕潤狀態(tài),養(yǎng)護時間不少于7天。

2 高性能混凝土的配合比設計與原材料

大跨徑連續(xù)梁橋設計使用壽命為100年。因此,要求混凝土具有高耐久性；同時,在施工過程中應具有良好的工作性(大流動、可灌性、可泵性、均勻性等),良好的力學性能,早期強度高后期持續(xù)增長；良好的尺寸穩(wěn)定性；合理的適用性與經濟性等。為了滿足這些要求,進行了高性能混凝土的配合比設計,提出了以抗裂性和耐久性為核心混凝土配合比設計的五大優(yōu)化設計準則[1-8]。

2.1 高性能混凝土配合比設計

(1)低用水量

指在滿足工作性條件下盡量減少用水量。混凝土高拌合水量的后果是：抗壓和抗折強度降低、吸水率和滲透性增大、水密性降低、干縮裂縫出現的幾率加大、砂石與水泥石界面粘結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配設計,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,來達到降低含砂率,減少用水量和水泥用量之目的。該法則是計算混凝土配合比的基礎,根據這一法則來確定配合比中的漿集比與砂率,可確保混凝土的強度、耐久性與經濟性。

(4)水膠比

在一定范圍內,混凝土的強度與水膠比成反比。減少水膠比,混凝土的抗壓強度和體積穩(wěn)定性提高。但為保證混凝土的抗裂性能,水膠比應適當,不宜過小,過小的水膠比易導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,顯著降低用水量,減小水膠比,控制水泥用量,密實混凝土內部結構,保證混凝土力學性能持續(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)梁橋建設過程中,將優(yōu)選原材料作為提高混凝土質量的重要保證環(huán)節(jié),通過多次調研、試驗比較,進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級普通硅酸鹽水泥,其物理化學性能見表1,各項指標均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準要求。

表1 水泥物理化學性能檢測結果

粉煤灰：采用福建大唐電廠F類I級粉煤灰,其物理化學性能見表2,各項指標均符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準中I級要求。

表2 粉煤灰性能檢測結果

礦粉：采用福建源鑫S95級礦粉,其物理化學性能見表3,各項指標均符合GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準中S95級要求。

表3 礦粉性能檢測結果

細集料：采用福建閩江中砂,其檢測結果見表4,各項指標均符合GB/T 14684-2011《建設用砂》標準中Ⅱ區(qū)要求,為非活性細骨料。

表4 細集料檢測結果

粗集料：采用福建三通海花崗巖碎石,5-20mm、5-25mm兩種連續(xù)級配,其檢測結果見表5,各項指標均符合GB/T 14685-2011《建設用碎石、卵石》標準中Ⅰ類要求,為非活性粗骨料。

表5 粗集料檢測結果

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。其檢測結果見表6,各項指標均符合GB 8076-2008《混凝土外加劑》標準中高性能減水劑技術指標要求。

表6 外加劑性能檢測結果

水：采用倉山區(qū)飲用水,其物理性能檢測結果見表7,各項指標均符合JGJ 63-2006《混凝土用水標準》標準中預應力混凝土用水要求。

表7 水的物理性能檢測結果

3 橋梁高性能混凝土配制與應用

依據大跨徑連續(xù)梁橋掛籃施工的特點,重點針對大跨徑橋梁240m連續(xù)梁鋼混結構,從混凝土性能的具體技術要求、混凝土原材料的質量控制和優(yōu)選、高性能混凝土配合比的設計和優(yōu)化、高性能混凝土的制備和性能等方面開展了較為系統(tǒng)和深入的研究。

3.1 大跨徑V型結構橋梁高性能混凝土結構特點與設計要求

大跨徑V型結構橋梁包括現澆的V形空腹箱梁,其主要特點為：

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

(2)預應力混凝土結構,要求混凝土強度高、剛度好(彈性模量大),收縮徐變小,以減少混凝土結構的預應力損失。

(3)空腹箱梁屬薄壁結構,面積較大,混凝土易產生塑性開裂,且鋼筋保護層厚度較薄。

(4)預應力現澆箱梁采用C55預應力混凝土,配合比設計要求如下：

A要求84d氯離子擴散系數小于2.5×10-12/s；

B 初始坍落度160-200mm,擴展度500～600mm；

C 混凝土凝結時間控制：初凝時間控制在20小時；

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,坍落度和流動度損失小；

F 混凝土坍落度經時損失控制：1小時坍落度損失不超過20mm；

G 混凝土含氣量2.5-4.0%。

H 考慮混凝土結構回彈強度滿足要求,應嚴格監(jiān)控混凝土振搗及養(yǎng)護。

大跨徑連續(xù)箱梁均采用C55高性能混凝土,具體技術要求為：設計強度等級為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)于同等級的普通混凝土。

3.2 高性能混凝土配合比

對于大跨徑連續(xù)梁采用3個不同的配合比設計方案,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性能

根據表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,無泌水現象,工作性良好；具有較高的力學性能,早期強度發(fā)展較快,壓縮彈性模量達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,試驗結果表明采用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間內的塑性收縮(凝縮)測得的數據作時程曲線。混凝土凝縮值隨膠凝材料用量的增大而增大,成型后3h內,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等級可達P12以上,抗凍性可達F300,28d標準碳化深度在5mm左右,并具有良好的抗鋼筋銹蝕性能。采用NEL法(CCES01-2004)對大跨徑連續(xù)橋梁高性能混凝土抗氯離子滲透性進行試驗。混凝土氯離子擴散系數與時間成指數關系,隨時間延長而不斷降低,7d以后氯離子擴散系數降低基于緩慢。三組混凝土試件的84d氯離子擴散系數相差不大,均小于2.5×10-12/s,具有良好的抗氯離子滲透性。

3.4 工程應用

大跨徑連續(xù)橋梁采用掛籃施工技術,均采用以上配合比施工,從現場施工效果和質量來看,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、力學性能和抗裂性。見圖8V型結構橋梁施工過程組圖。

圖8 V型結構橋梁施工過程圖

4 結論

在大跨徑連續(xù)橋梁重大工程建設中,高性能混凝土的制備、基本性能及長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期壽命,本文針對橋梁主體結構部位分別從結構特點及要求、原材料、高性能混凝土的配合比與性能進行研究,得出以下結論：

(1)大跨徑連續(xù)梁橋均采用不同的混凝土配合比,混凝土配合比參數變化不大,具有良好的工作性、力學性能和耐久性；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及適當提高含砂率、增大流動性和保水性、提高可泵性的技術路線,保證了泵送澆筑施工要求。

(2)本文的研究工作緊密結合大跨徑連續(xù)梁橋工程建設,與項目現場試驗室進行了頻繁的討論、分析、學術交流和現場試拌,實行了全程質量跟蹤和技術服務,及時將科研成果進行轉化和應用,并從多個角度和環(huán)節(jié)提出了高性能混凝土生產應用的技術要點,建立了相應的耐久性保障體系,直接為工程實踐提供了有力指導。從現場施工效果和質量來看,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計和施工的要求。

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