大跨鋼-混凝土組合廊橋樓道板混凝土裂縫控制技術

胡義新，葉成順，別亞威，巫興發

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

0 引言

將傳統風格的廊橋結構與現代城市橋梁結合，既能滿足橋梁通行要求又可滿足景觀建筑、美學等多樣化要求。廊橋的主體結構多為大跨鋼-混凝土結構，即主梁為鋼桁架，樓道部位為混凝土結構。廊橋大跨度鋼桁梁安裝完成后，施工樓道混凝土，一般采用支架現澆法或吊模現澆法。混凝土施工中工序安排不科學且樓道板混凝土厚度較小等，易產生混凝土開裂。對于薄板混凝土開裂的研究較多，且提出了有效的解決措施。

但針對后期交叉作業產生的施工荷載所導致的混凝土開裂，對其施工工藝和混凝土性能方面的研究與施工經驗尚淺，給施工帶來較大挑戰。為了降低大跨鋼-混凝土廊橋結構施工時樓道板混凝土的開裂風險，有必要從施工工藝優選、新型結構設計及混凝土性能優化等方面進行研究并指導施工。

1 工程概況

某大橋主橋為分離式雙幅變截面連續梁橋，附屬設置大跨“鋼-混凝土-木-砌體”組合廊橋結構，其中“木-砌體”為建筑造型需要，“鋼-混凝土”為主要承載結構。主橋兩側人行道設置長廊和古亭，0號塊頂部橫向分別設置1座觀景天橋，即展廊。觀江閣基礎位于主橋主墩基礎外側，觀江閣位于主橋左、右幅兩側，設置3層；展廊跨度達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，與兩側觀江閣混凝土筒體墻體內鋼構件連接。鋼桁架上、下2層分別設現澆混凝土樓道板結構，不設預應力，形成展廊平臺，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6m，寬3m。展廊主要構造如圖1所示。

圖1 展廊主要構造(單位：m)

2 樓道板混凝土施工開裂機理分析

混凝土開裂主要為結構性裂縫和非結構性裂縫，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構，易出現非結構性裂縫，主要為溫度收縮裂縫、干縮裂縫。針對此類裂縫，可通過調整混凝土配合比、振搗、養護等措施解決。

對于展廊結構的薄板混凝土結構，采用傳統支架法或吊模法施工，待結構拆除現澆支架或上部增加其他恒載時，大跨桁架結構會產生下撓，頂層桁架上的現澆混凝土樓道板承受壓力，底層樓道板承受拉力，極易出現規則的橫向裂縫，且越到跨中裂縫越寬，進而影響廊橋結構的耐久性及美觀度。

3 施工工藝優選

3.1 方案對比分析

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澆。結合現場實際情況，共3種方案可供選擇，具體優缺點如下。

1)支架順作法(方案1) 落地支架→澆筑混凝土→上部結構加載→拆除支架。該工法為傳統施工工藝，落地支架澆筑混凝土工藝較成熟，施工操作方便，經濟性較好。但支架影響主橋通行，上部結構加載、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) 上部結構加載→落地支架→澆筑混凝土→拆除支架。該工法為傳統施工工藝，落地支架澆筑混凝土工藝較成熟，規避了上部結構荷載導致的后期下撓，經濟性較好。但支架影響主橋通行，拆除支架后，混凝土結構荷載會使結構下撓，樓道板混凝土仍存在開裂風險；上部結構的空間干擾使混凝土澆筑對現場操作要求較高。

3)無支架部分逆作法(方案3) 上部結構加載→免拆型支撐模板安裝→澆筑混凝土。該工法為創新施工工藝，無須拆除模板支架，混凝土處于無應力狀態施工，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設計與制作，經濟性一般；上部結構的空間干擾使混凝土澆筑對現場操作要求較高。

3.2 施工工況計算分析

對展廊混凝土施工方案1，2進行施工計算分析：①方案1工況 混凝土先澆筑，考慮現澆板自重+鋪裝景觀荷載+觀景亭荷載對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，桁架已產生變形，計算時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(設計階段已計算)，故無須另外計算施工中產生的裂縫等。

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

現澆薄板單元厚100mm，保護層厚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。樓道板彎矩計算云圖如圖2所示。

圖2 樓道板彎矩計算云圖(單位：kN·m)

方案1中樓道板最大彎矩M為18.18kN·m，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)中的裂縫計算公式，計算其最大裂縫寬度為0.3mm，>0.2mm，不滿足規范規定的裂縫限值；方案2中樓道板最大彎矩M為1.95kN·m，計算其最大裂縫寬度為0.08mm，<0.2mm，滿足規范要求。

方案1中樓道板拉應力超標，混凝土開裂；方案2雖然混凝土裂縫寬度滿足要求，但對結構耐久性有一定影響；方案3設置免拆模板結構，不存在拆架卸載，可有效規避樓道板在施工階段出現結構性開裂，同時施工便捷，不設置支架系統，對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方案。

4 新型鋼筋桁架樓承板設計及安裝

4.1 新型鋼筋桁架樓承板設計原理

根據樓道板厚度和澆筑的最大跨度，設計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，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，導致樓承板底模承載力小，抗彎強度不足，澆筑時易發生斷裂。新型鋼筋桁架樓承板鍍鋅鋼板上設有縱向的固定槽鋼，可增強鍍鋅鋼板的抗彎強度。

4.2 新型鋼筋桁架樓承板設計

根據樓道板尺寸進行樓承板設計，選擇30cm的模數，考慮到結構的優化組合，單片桁架樓承板寬度設計為60cm，長度根據現場實際在場內定制，其長度設置包括2 850，3 100，10 500，10 700mm 4種。其中，鋼筋桁架高70mm，上、下弦桿鋼筋型號均為HRB400Eφ8，腹桿鋼筋型號為冷軋光圓φ4.5。新型鋼筋桁架樓承板結構如圖3所示。

圖3 新型鋼筋桁架樓承板結構

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，根據桁架梁中間間距，布置桁架樓承板位置；構件運輸至現場進行安裝；栓釘焊接完成后，按設計圖紙進行鋼筋安裝，雙層雙向，間距20cm；鋼筋桁架底部插入門式卡槽，采用扎絲綁扎進行加強連接。鋼筋桁架樓承板布設到位后，在桁架樓承板與底部鋼桁架交接位置焊接螺栓進行固定，防止在鋼筋安裝和混凝土澆筑過程中樓承板結構發生位移。

5 關鍵控制要點及現場應用情況

5.1 關鍵控制要點

考慮到主橋運營期間對廊橋結構的影響，同時廊橋作為游客及市民觀景使用，滿負荷使用概率較高，因此對廊橋外觀及結構耐久性要求相對嚴格，為提升樓道板混凝土質量，須采取以下關鍵措施。

5.1.1鋼桁架預拱度設置

結合現場具體施工工序，通過對該部位各施工工況仿真模擬，計算出在斜撐、水平鋼桁架交點位置及鋼桁架跨中位置增加50～55mm的起拱高度，保證結構的整體線形，減小樓道板混凝土承受的拉應力，降低混凝土樓道板結構下撓開裂風險。

5.1.2混凝土性能優化

鋼筋綁扎完成且驗收合格后，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)選用質量穩定、抗裂性能好的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，同時嚴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度等級選用42.5級，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展強度，以便更好地抵抗裂縫產生。

2)根據配合比設計及試驗結果摻入10%UEA膨脹劑，補償混凝土收縮，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行如下優化：①先澆筑上層樓道板混凝土，再澆筑下層樓道板混凝土，設置后澆帶，預留與觀江閣連接部位的混凝土暫不澆筑; ②對于跨度60m的主桁架頂部混凝土，應從跨中向兩側澆筑；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 現場應用情況

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

圖4 廊橋成橋

6 結語

1)針對大跨鋼-混凝土組合結構的混凝土施工，應用無支架部分逆作法澆筑混凝土，可有效避免大跨鋼結構下撓帶來的開裂問題。

2)新型鋼筋桁架樓承板設有縱向固定槽鋼，可增強鍍鋅鋼板的抗彎強度。

3)對于廊橋樓道板混凝土的澆筑，須仔細分析組合結構的受力原理，以確定混凝土的澆筑順序及后澆帶設置，保證大跨鋼-混凝土組合廊橋結構受力合理，提升結構的外觀質量及工程耐久性。