斜拉索橋主塔防開裂的措施研究

朱曙光 劉金平

（1、湖南省核工業地質局三O 四大隊（下屬長沙中核工程監理咨詢有限公司），湖南 長沙 410000 2、長沙中核工程監理咨詢有限公司，湖南 長沙 410000）

1 斜拉索橋主塔概況

菊花灣大橋主塔為H 形鋼筋混凝土結構。主塔自承臺頂以上塔高106.475 米，主梁路冠頂面以上高75.0 米。主梁結構頂面以上7.5m 處及以下7.5m 處分別為材料分界線，下分界線以下采用C40 混凝土，上分界線以上采用C50 混凝土，兩道分界線之間為C55 混凝土。

為了減小塔柱自由長度，改善塔柱受力性能，增強大橋景觀效果，在距塔頂41 米處設置一上橫梁。上橫梁以上部分稱為上塔柱，上橫梁以下至主梁結構頂面以上稱為中塔柱，主梁梁底以下承臺以上稱為下塔柱。上塔柱高41m，中塔柱高34m，下塔柱高31.475m。

橫橋向上塔柱及下塔柱均為鉛垂布置，中塔肢向外傾斜，斜率為12：340；縱橋向主塔不傾斜。上塔柱兩塔肢間距為28.5m，下塔柱兩塔肢間距為30.9m。主塔上塔柱及中塔柱采用單箱單室截面，下塔柱考慮船撞設計為實心截面。上塔柱橫橋向寬度3.5m，順橋向寬度為6m；中塔柱橫橋向寬度為3.5m，順橋向寬度由6m 漸變至7.345m；下塔柱橫橋向寬度由3.5m 漸變至7m，順橋向寬度由7.345m 漸變至8m。

主塔上橫梁采用箱型截面，跨中梁高3m，支點梁高4m（與主塔交接處）。順橋向寬5.2m，采用單箱單室截面，壁厚頂底板厚0.6m，腹板厚0.8m。

主塔下橫梁采用箱型截面，梁高3.6m（路冠處），順橋向寬7.0m，采用單箱單室截面，頂板壁厚0.5m，底板厚0.8m，腹板厚1.2m。

2 施工總部署

2.1 主塔節段劃分

根據主塔的結構特點，分成19 個節段澆筑，外模模板體系為液壓自爬模，內模為井筒平臺模板體系，節段澆筑高度控制6.0m（鉛垂距離）以內。根據塔柱結構變化，整個塔柱施工分成5個典型施工區段：下塔柱施工節段（①-⑤節段），0#塊施工節段（第⑥節段），中塔柱施工節段（⑦- 11節段），上橫梁施工節段（第 12、 1 3節 段），上塔柱至塔尖（1 3 - 19節段），具體節段劃分見圖1。

圖1 主塔施工節段劃分圖

2.2 塔柱混凝土各節段標號

根據主塔設計圖紙及施工節段，①至④節段澆筑C40 混凝土，⑤至⑧節段及主梁0#塊澆筑C55 混凝土，⑨節段以上部分及上橫梁澆筑C50 混凝土。

2.3 塔柱施工部署

主塔塔柱施工除下塔柱第一節外均采用爬模爬架施工，下橫梁與塔柱同步施工，上橫梁施工等爬模爬架經過后再進行施工，即塔梁異步施工。

2.4 主要施工方法及工藝要點

2.4.1 塔柱施工施工方法介紹

下塔柱為實心段，第①節段采用大塊木模施工，節段垂直高度為6m，完成第①節段澆筑后，在第②節段安裝爬模系統、下平臺立桿及平臺鋪板，掛設好安全網，在進行混凝土澆筑時應控制好混凝土上口澆筑高度并確保混凝土面的平齊。對于液壓爬模不能兼顧的地方，應搭設臨時跳板，以確保安全施工。

在第③節段澆筑時，安裝導軌及吊裝平臺，在進行混凝土澆筑時應控制好混凝土上口澆筑高度并確保混凝土面的平齊。

2.4.2 塔柱施工工藝流程

承臺完成施工并預埋主塔鋼筋→第①節段鋼筋、冷卻水管安裝→第①節段模板安裝→第①節段混凝土澆筑→第①節段模板拆除、切割→第②節段鋼筋、冷卻水管安裝→第②節段模板及爬模系統安裝→第②節段混凝土澆筑→第②節段模板拆除、切割→第③節段鋼筋、冷卻水管安裝→第③節段模板及導軌系統安裝→第③節段混凝土澆筑→第③節段模板拆除、切割→爬模爬升→施工④、⑤、⑥節段→0#塊施工→上塔柱施工→上橫梁施工（即塔柱與上橫梁異步施工）。

2.4.3 主塔施工模板

主塔施工的爬模體系由進口Visa 面板、H20 木工字梁、橫向背楞和專用連接件組成。面板與豎肋（木工字梁）采用自攻螺絲正面連接，豎肋與橫肋（雙槽鋼背楞）采用連接爪連接，在豎肋上兩側對稱設置兩個吊鉤。兩塊模板之間采用芯帶連接，用芯帶銷固定，從而保證模板的整體性，使模板受力更加合理、可靠。木梁直模板為裝卸式模板，拼裝方便，在一定的范圍和程度上能拼裝成各種尺寸大小的模板。

3 混凝土開裂機理及早期裂縫控制的原則

3.1 混凝土開裂機理

混凝土是膠凝材料，顆粒狀集料，水，以及必要的外加劑和摻合料按一定比例配制是一種抗壓強度高而抗拉強度較低的人工石材，為不均質體。施工時由于各種原因：如溫度變化、模板支架剛度不夠、膠凝材料化學反應、凝結時材料的收縮、膨脹、不均勻沉陷等導致產生裂縫；還有由外部影響引起的裂縫；養護條件不當和人為破壞引起的裂縫等。

混凝土發生開裂必須具備三個條件：收縮變形的大小、約束的程度、實時的抗拉強度。

3.2 早期裂縫控制原則

已有裂縫的擴展比新生成裂縫容易。早期開裂主要是影響因素是收縮，收縮的內在動力是溫度和濕度的變化。砼開始凝固水化熱相應較大，高強混凝土膠凝材料用量高，收縮性大，溫度和收縮變形所致開裂可能性大；高性能砼由流態變為固態，濕度發生質的變化。為了減小早期裂縫的產生，就要采取防溫度變化的措施，做好濕養護防止表面水蒸發過快，同時盡量用低水化熱的水泥；另外從結構和材料上提高混凝土的抗裂性能，結構上在應力較大或收縮易變形部位增加配筋或設置防裂網，砼材料上可摻入纖維類或提高材料的抗拉性。

3.3 高塔柱混凝土產生裂縫的類型與預防

高塔柱混凝土主要裂隙類型有溫度裂縫，失水收縮裂縫、沉陷裂縫、自收縮裂紋、干燥收縮裂縫、碳酸化化學反應引起的裂縫。

主要預防措施從材料上、設計配合比、施工工藝上綜合統籌考慮。采用中低熱水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量，控制好水灰比，同時摻加合適的外加劑和合適的活性摻和料，提高砼材料本身的抗拉性能，改善混凝土的攪拌和施工工藝，控制混凝土的入模溫度，在大體積混凝土內部設置冷卻管道，通冷水或者冷氣冷卻，減小混凝土的內外溫差，對混凝土的澆筑完成及時進行全覆蓋濕養護，延長混凝土的養護時間；另外增加構造措施和施工工藝控制。

4 菊花灣大橋主塔防裂研究

主塔采用高性能混凝土，砼體積大，形狀也變化大，工序較多，施工工藝復雜，導致開裂的因素較多，開裂是多因素綜合造成。控制裂縫從原材料質量控制、配合比設計，混凝土的生產、運輸，施工用支架要、模板，施工振搗，養生，結構設計，質量控制手段等多方面綜合考慮。因此需要各環節上把關。

主塔是一種“回”型箱體結構，橋塔均有一定的壁厚，混凝土材料傳熱性和周期性溫差變化下，內外壁會出現傳熱性和熱效應“滯后”現象，塔內外溫度差明顯，容易形成不同的溫差和收縮差，產生彎拉應力，與自約束應力疊加，也可能導致裂縫出現。為減少主塔裂縫的產生，研究從以下幾個方面著手：

4.1 整體頂升模板，保證混凝土施工質量和接縫質量，在施工過程中把握好頂升時間和養護時間，即確保砼質量又提升工程進度。

采用了進口Visa 面板、H20 木工字梁、橫向背楞和專用連接件組成，模板有足夠的強度和剛度剛度，且支撐牢固，拉桿抗拉強度要有足夠的富余系數，采用了雙螺帽。模板拆除的時間控制合理，通過上述措施，有效控制了塔柱產生沉陷裂縫。

4.2 勁性骨架外側設置防裂鋼筋網。

勁性骨架外設置防裂鋼筋網，加強主墩在構造面的一個整體性，防止表面混凝土開裂，增強混凝土抗裂能力；鋼筋焊接網是在工廠由全自動、智能化生產線制造而成，網片鋼度大，彈性好，間距均勻準確，焊接點強度高。網狀結構的鋼筋網，能把載荷均勻分布擴散，加上鋼筋網同混凝土粘結錨固性好，能有效改善混凝土表面的抗裂性能，防止表面開裂。

4.3 采取高性能混凝土

（1）優化配合比。

（2）對于大體積混凝土布設冷凝管降溫。

（3）控制混凝土入模溫度。

（4）加強混凝土施工的過程管控。

（5）加強砼養生。

4.3.1 配合比優化

在保證強度的前提下減少混凝土發熱量，即盡量減少水泥水化熱，諸如采用水化熱低的水泥、減少水泥用量、加入粉煤灰和高效減水劑等。

（1）外加劑：摻量1.05%緩凝型減水劑，以減少水泥的用量，減緩水化熱的發生速度。

（2）摻合料：砼中摻入一級粉煤灰，利用粉煤灰的活性 有減少部分水泥用量，同時改善了砼的和易性和可泵性，粉煤灰的摻入降低了水化熱，減少砼升溫過快。其摻量見配比。

（3）粗、細骨料：采用5～25mm 連續級配的反擊破碎石，碎石母巖本身強度大于70Mpa 以上，石子含泥量控制不大于1%，細集料砂子用優質河砂，含泥量不得大于2%。

4.3.2 配合比中堿含量計算

堿過高會縮短水泥凝結時間，增大需水量，為有效控制混凝土骨料發生堿集料反應，吸水膨脹，導致混凝土的損傷和開裂等，嚴重的會破壞混凝土結構，故通常要求堿含量低于3.0kg/m3。

C50 塔柱配合比為：水泥（P.O42.5）：拌合水：細骨料（II 區中砂）：粗骨料（5～25mm）：摻合料（F 類I 級）：外加劑（PCA?-I）=1:0.32：1.30：2.32：0.1113：0.0117；水泥用量485kg/m3水灰比0.32。

C40 塔柱配合比為：水泥（P.O42.5）：拌合水：細骨料（II 區中砂）：粗骨料（5～25mm）：摻合料（F 類Ⅱ級）：外加劑（PCA?-I）=1:0.43：1.95：3.05：0.175：0.0123；水泥用量366kg/m3水灰比0.43。

C50 主橋塔柱配合比設計坍落度為160～200；C40 塔身配合比設計坍落度為140～180，在拌制混凝土之前要嚴格控制原材料全部為合格優質材料，拌制混凝土過程中嚴格控制水膠比，不可隨意加水，要嚴格控制坍落度及混凝土的流動性，若流動性不滿足要求可以適當調整外加劑。

檢測普通硅酸鹽42.5 水泥堿含量為0.53%；檢測粉煤灰堿含量為1.47%；檢測PCAR-I 高性能減水劑總堿量為0.66%。

根據配合比對以總的堿含量進行計算：

C40 塔身配合比中水泥用量為366kg/m3×0.53%=1.94kg/m3；粉煤灰用量為64kg/m3×1.47%=0.93kg/m3;0.94kg/m3×0.2=0.19kg/m3；外加劑用量為4.52kg/m3×0.66%=0.03kg/m3堿含量總計2.16kg/m3，滿足要求。

C50 主橋塔柱配合比中水泥用量為485kg/m3×0.53%=2.57kg/m3；粉煤灰用量為54kg/m3×1.47%=0.79kg/m3;0.79kg/m3×0.2=0.158kg/m3；外加劑用量為5.66kg/m3×0.66%=0.04kg/m3堿含量總計2.77kg/m3，滿足要求。

4.4 對于大體積混凝土布設冷卻管降溫

菊花灣大橋主塔下塔柱為大體積實心混凝土，宜埋設冷卻管降溫，并設置測溫點，加強對內外溫度的監控。

4.4.1 冷卻水管埋設

為消除溫度應力，在澆筑混凝土前，預埋鋼管作冷卻水管，冷卻管用鋼管外徑42mm，壁厚3.5mm，鋼管布置上下層120cm,水管間距1m。為保證冷卻管不被混凝土漿液堵塞，在混凝土開始澆筑時就通水以保證冷卻水的正常循環。通過循環冷卻水確保混凝土內外溫差不大于20℃。當混凝土內部溫度和環境溫度差小于20℃時，可以停止通入循環水。（圖2）

圖2 菊花灣大橋主塔冷卻管布置圖

冷卻管降溫要求如下：（1）冷卻管層間距為1.2m 且各層進出口水管均高出分層澆筑施工節段(節段高度按4.5m 計)頂面1m。（2）冷卻管采用熱傳導性能較好、并有一定強度的輸水管(Φ42×3.5)。（3）冷卻管在埋設及澆筑混凝土過程中應防止堵塞漏水和震壞。（4）冷卻管自澆筑混凝土時即通入冷水，通水時間應至溫度峰值過后。（5）根據具體情況在控制混凝土水化熱的前提下，可適當調整輸水管布置。（6）確定輸水量，并對流量，水溫做完整的施工記錄。（7）冷卻管使用完后，即灌漿封孔，并將伸出節段頂面部分截除。（8）冷卻管平面位置和每層高度可根據承臺內鋼筋布置做適當調整，以期不設或少設冷卻管架立鋼筋。（9）施工前對大體積砼進行溫控設計。

4.4.2 混凝土的測溫

為保證已澆筑砼的質量，便于及時調整施工方法，避免砼的溫度裂縫，需嚴格對砼進行溫度控制。

（1）測溫方法：①測點布置：設在每一施工段節的底部、中下部、中部、中上部和表面，其垂直間距控制在600-800mm，水平間距控制在1200-1500mm，在測溫點部位埋設電子測溫元件和設置一部分PVC 管測溫孔，②采用電子測溫儀測溫和溫度計測溫。電子測溫儀接通預先埋設的電子測溫元件，測溫儀將直接顯示埋設點的內部溫度；溫度計吊入PVC 管測溫孔人工讀數，測溫人員記錄各點溫度并隨時分析溫度變化的幅度。

（2）測溫控制：大體積砼澆筑完成后，早期水化強，溫度升高較快，后期降溫較慢。根據此特征，布置測溫時間安排，測溫從砼澆筑完成后2h 開始至3 天內，每隔2h 測溫一次，到砼內部溫度出現下降以后，每隔4h 測一次，當砼內部測試溫度與大氣溫度之差（日最低氣溫）小于25℃，可停止測溫。在測溫過程中，若發現砼最高溫度與砼表面溫差20℃，或砼表面與大氣溫差超過25℃時，即時對結果進行分析，并對水量進行調整，使內外溫差降低到20℃以下，并用流出的熱水對砼表面進行養護。嚴格控制內外溫差不超過20℃。

通過內外溫差控制在20℃以內，塔柱在澆筑3 天內未產生裂縫，繼續養生，7 天、28 天觀測塔柱未發現裂縫。

4.5 控制溫凝土入模溫度

控制混凝土入模溫度一般高于25℃。夏季澆筑混凝土應降低溫度，用冷水或加冰屑拌和混凝土、降低骨料溫度，必要時再采取預冷粗骨料的措施。但混凝土澆筑溫度太低時，受環境較高溫度影響的表面硬化較快，內部溫度升高時產生膨脹，會使先硬化的表面受拉而開裂。在夏季施工，要采取冷水澆筑模板外側面、設置遮蓋避免陽光直射、在下午開始降溫或晚上澆筑等措施，并控制入模溫度最高不超過30℃。

冬季混凝土內部溫度遠高于氣溫，內部水化快，溫差較大，易產生開裂。冬季為提高混凝土澆筑溫度，通過加熱水攪拌的方式，若骨料溫度高于5℃,拌和水的加熱溫度不宜高于70℃，若骨料的溫度低于5℃，拌和水的加熱溫度宜高于70-80℃，但攪拌投料順序為投入骨料和已加熱的水，攪拌均勻后，再投入水泥；另砼運輸罐外包毛毯保溫等，確保冬期施工入模溫度不宜低于5℃。

4.6 加強混凝土施工的過程管控

4.6.1 澆筑順序：為避免的約束和砼的不均勻的沉降，對較厚的混凝土澆筑，用分層澆筑；對平面面積較大的，可采用分段澆筑；對平面面積較大的以及較厚的混凝土澆筑，可采用分層分段澆筑結合使用。主塔柱采取分層澆筑，對塔柱與下橫梁同時澆筑，可能會因下橫梁現澆支架沉降在交接處產生裂縫。相反，采取恰當的澆筑順序會減少開裂，如先澆筑下橫梁砼使支架提前加壓穩定，再澆筑塔柱。

4.6.2 澆筑時分層：柱塔結構的平面尺寸較大，采用全面分層的方式，做到第一層全面澆筑完畢，回來澆筑第二層時，第一層澆筑的砼還未初凝，如此逐層進行，每層300-400mm 厚，直至澆筑完畢。

4.6.3 加強振搗管控：混凝土澆筑時振動棒應與布料密切配合，砼振搗時應選用機械插入式高頻振動器，做到垂直插入、快插慢拔、逐點移動，不得漏振，振動器的插點間距為1.5 倍振動器的作用半徑(一般為300～400mm)，并相互吻接，插入下層混凝土50mm，以消除兩層之間的接縫，振動時間10～15 秒，以砼表面泛漿，不出氣泡為準，不可過振。振搗時嚴防坡腳、鋼筋密集部位、轉角、預應力錨墊板周圍、塔柱同上下橫梁聯結部位漏振，防止底板筋下和錨箱周圍混凝土不實。模板外側設置附著式高頻振動器，要根據混凝土的澆筑進度和高度，適時開啟，不能空振和過振。

4.6.4 重視表面保護：在氣溫驟降頻繁的季節，對重要部位新澆筑的混凝土，進行頂面、側面的表面保護，或推遲拆模時間或在模板內襯保溫材料等辦法。

4.6.5 采用微膨脹混凝土技術：這是利用氧化鎂在水泥水化過程中的變形特性，使混凝土產生延遲性微膨脹體積變形，在特定約束條件下，產生預壓應力，補償混凝土降溫收縮的拉應力，防止產生裂縫的技術。如塔柱與上橫梁異步施工時，先施工塔柱，再施工上橫梁，為避免新舊混凝土界面出現裂縫，上橫梁混凝土添加微膨脹劑。

4.7 采取必要的措施改善結構受力

4.7.1 在塔柱內側合適的高度設置鋼管對撐，每10-15 米設置一道，防止在塔柱與下橫梁結合部外側因拉應力產生裂縫。（圖3）

圖3 鋼管對撐安裝示意圖

4.7.2 在上塔柱斜拉索錨固應力集中區設配置環形預應力筋，即抵抗拉索在箱壁內產生的拉力，又能提高混凝土的抗裂性能，防止砼產生裂縫。（圖4）

圖4 環形預應力筋布置圖

4.7.3 下橫梁、上橫梁支撐體系直到體系轉換時拆除。

4.7.4 加強塔內通風，在塔身兩側，設置通風孔；施工澆筑一段砼后，從下部用高壓風機吹風，形成塔內與塔外空氣對流。

4.8 加強砼養生

應在混凝土還處于塑性時開始冷卻表面。夏季可在澆筑混凝土時，向模板表面澆涼水，以推遲混凝土溫峰時間，并降低溫峰；混凝土內部達到溫峰后開始降溫時則應控制降溫速率，避免在混凝土升溫后尤其是在溫度最高時拆模，更不能立即澆涼水。冬季盡量使用導熱系數小的模板（如主塔爬模面板采用了Visa 木模），以減小混凝土中心和表面的溫差。

另外，注意養護的時間不得少于7 天，如添加了粉煤灰，最好延長至14 天。

5 結論

5.1 對于“回”型結構的厚壁箱型塔柱，澆筑時盡量減少水化升降溫導致的拉應力，用低水化熱的膠凝材料，高性能混凝土配比設計，控制砼入模溫度、采取降溫措施，減少內外溫差。

5.2 施工時增加模板剛度和密封性，加強振搗與養生，控制混凝土施工質量，防止出現砼不密實和養護不到位產生裂縫。對高塔柱增加一些臨時支撐，防止拉壓應力的產生。

5.3 設計時，增加構造配筋或增設防裂鋼筋網，在索塔區增加環形預應力筋，能減少裂縫的產生。

綜上，通過對菊花灣斜拉橋主塔防開裂的預研，并在施工過程中采取了正確的防治措施，基本消除了斜拉索橋主塔開裂問題，在提升混凝土斜拉橋整體施工質量的同時，為今后類似的高、大體積混凝土預防裂縫作了有益的嘗試。