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桥 梁 钢管混凝土复合构造桥墩减少裂缝施工对策 王德 喜 ( 华杰工程咨询有限公司 ，北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘要 ： 简述在 日本 北海道 十胜地 区冬 季钢 管混 凝土桥墩施 工 过 程 中采 取 的 施 工措 施 ， 首 先 采 用 F E M 法 对 温 度 应 力进 行 解 析 ， 找 出影响桥墩产 生裂缝 的要素 ， 设定施 工控 制 目标 ； 通过采 取 降 低预 拌 混 凝 土 的 温 度 、 采 取 送 风 降 温 措 施 、 采 用 比钢 制 模 板 绝 热性 能优 越 的 木 制模 板 且 延 长模 板 的拆 模 时 间 3种 手 段 ， 在施 工过程 中埋设 温度 传感器测定相 关部位 的温度 变化 ， 与解 析 结 果进 行 比较 论 证 了施 工 对 策 实施 的 效 果 ， 从 施 工 角 度 介 绍 了寒 冷地 区 的钢 管 混凝 土 复合 结 构桥 墩 裂 缝控 制 方 法 。 关 键 词 ： 钢 管 混 凝 土 复 合 构 造 ；桥墩 ；裂 缝 ；施 工 对 策 中 图分 类 号 ： U 4 4 3 2 2 文 献 标 识 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 42 9 5 4( 2 0 1 1 ) 0 30 0 5 50 3 1 工程 概述 钢管 混凝 土复 合构 造 结 构 有 着 承 载力 高 、 抗 震 性 能优越 、 施 工便 捷等 优点 ， 在 日本这 个多 地震 国家得 到 了广 泛 的应 用 。下述 工程 为改 造急 弯急坡 旧道 的道 路 改 良工 程 ， 新 建 1座跨 度 L = 2 4 6 8 m 的桥 梁 。工 程 位 于 E l 本 北海 道十 胜平原 东北 部 ， 桥墩 施工期 为 l 1 月 中 旬 到 次 年 1月 下 旬 ， 十 胜 地 区 1月 历 史 最 低 气 温 为 1 9 2 9年 的 一 3 4 9 。 桥墩 基础 采用 桩基 ， 为 了增加 抗 震 性 和 减 小构 造 物体 积 ， 桥墩采 用 了钢管 混凝 土复 合构 造结 构 ， 结 构 尺 寸详 见 图 1 和 图 2 。 2施工 中存在 的问题 从桥墩尺寸可以看 出， 桥长方 向的混凝土保护层 为 5 0 c m， 与 桥长 垂 直 方 向的 混凝 土保 护 层 为 7 5 c m， 构 造上 的特点 使 它成 为极 易产生 温度 裂缝 的结 构 。其 产 生 的原 因从 混凝 土硬 化 原理上 可 归纳 为 内部 温度 应 力 和外 部温度 应力 两种 情况 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0一I 1 0 5 ；修回 日期 ： 2 0 1 01 2一O 1 作者简介 ： 王德喜( 1 9 6 6 一)， 男 ， 工 程师 ， 1 9 8 7年毕业 于西南交通 大学 工 学 学 士 。 i I o i i i ii i i i i , l l h ii i ii I II 1 , 计暂 行规定 。 参考 文献 ： 1 韩林海 钢管混 凝土结 构一理论与 实践 M 2版 北京 ： 科学 出 版社 ， 2 0 0 7 2 蔡绍怀 现代钢管混凝土结 构 修订 版 M 北 京 ： 人 民交通 出版 铁道 标准设 计R AI LW AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 j ( 3 ) I 2 2 5 0 0l I J I J 图 1 桥 墩 正 面 ( 单 位 ： mm) 图 2桥 墩 平 面 ( 单 位 ： mm ) 钢管 混凝 土复 合结 构桥 墩 的温度应 力产 生原 因可 以 总括为 以下 几点 。 ( 1 ) 中空断 面构造 结 构 。 除钢 管 下部 填 充 部分 混 凝 土外 ， 钢 管 内部采 用 中空构 造 ， 这 种结 构使 钢管外 周 温 度应 力增 大 。 ( 2 ) 大体 积混 凝土 构 造 结构 。水化 反 应使 内部 温 度 升高 ， 热量 不 能有效 释放 造成 内外 温差 加大 。 ( 3 ) 寒 冷 期 施 工 防 寒 养 生 措 施 解 除 时 ， 寒 冷 的外 界 气温 致使 构造 物 内外温 差 的急剧 变化 。 由于裂缝 产 生 的机率 和产 生位置 等都 会 因结构 物 的条件 而产 生很大 变 化 ， 通 过 对 桥 墩进 行 温 度 应 力解 析 ， 根据解 析 结果研 讨 了减少 裂缝 对策 实施 的必 要性 ， 同 时还对 控制 裂缝 的方 法进 行 了研讨 。 Il l II I I I II 11 4P 社 2 0 0 7 3 徐升桥 铁 路桥 梁 罕遇地 震设 计 研究 J 铁道 工程 学报 ， 2 0 0 8 ( S ) 4 韦建刚 ， 陈宝春 钢管混凝土拱 桥拱肋 刚度设计取 值分析 J 交 通 运输工程学报 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 2 ) ： 3 43 9 5 5 H堰 _滚 H援 ，瓣 一 桥 梁 王德喜一钢管混凝土复合构造桥墩减少裂缝施工对策 3控 制裂缝产 生采 取的措 施 3 1 进行 温度应 力解 析 应用 F E M法 对温度 应力进 行 了解 析 ( 应 用株式 会 社计 算力 学 研 究 中心 的解 析 程 序 A S T E A MA C S v e r 4) 。 ( 1 ) 解析 条件 的设定 ( 表 1 ) 表 1 解 析 条件 设 定 标 准 单位水泥用量 ( k g m ) 绝热温度上升特性 材料的热物理性 值及物理特性 2 8 6 Q = Q ( 1 一 e ) 混凝土标准规范施工篇 参照混凝土标 准规 范施 工篇决定 施工时期 1 1月中旬至 1 月下旬 混 凝 土 温 度 2 0 羹 养 生 方 法 供 热 养 生 气温 施工顺序 混 凝土 浇 筑 顺 序 见 图 3 ， 内 部 温 度 解 析 曲 线 见 图 4。 8l 图 3浇 筑 混 凝 土 顺 序 ( 单 位 ： mm) 6 0 雾 墨3 0 - H 2 0 蓬 ： 经过时 间， d 图 4 CH 测 点 内部 温 度 解 析 曲线 ( 2 ) 判断基 准 的设 定 根据 混凝 土标准 规范 ， 裂缝指 数按照 表 2设定 。 表 2温 度 裂 缝 控 制 标 准 项 目 裂缝指数 ( ， c )裂缝产生机率 5 6 如果设 定不 容许 产 生裂 缝 ， 那 么就 必 须从 改 变 混 凝土 的配合 比设计 来 考虑 对 策 ； 本工 程 考 虑 到经 济性 及结构 物 的用途 ， 设 定 “ 容 许 产 生 裂 缝 但 不 容许 裂 缝 产生过 大” 为 控制 目标 ， 设定 裂缝 指数 ， 1 0进 行 目 标 控制 。 ( 3 ) 温度应 力分析 结果 桥墩 内部 的混凝 土温度 变 化解 析 结果 见 图 4 。从 解 析结 果看 ， 混 凝土 内部温 度 的最 大值 为 5 5 。从 温 度应力 的解析 结果 计算 裂 缝指 数 ， 推 定 出 裂缝 的产 生 部位 见图 5 。 Ri g ht Le n 图 5预 想 裂 缝产 生位 置 ( 1 4模 型 ) 3 2 减 少裂 缝产生 采取 的对 策 根据 前述 的检测 结 果 ， 预 测 到裂 缝 的产 生 机率 较 高 。本着 以下 的原则对 施工措 施进 行 了筛选 。 ( 1 ) 充分 考虑工 程所 在地 周 边 的既 有 预拌 混凝 土 设施的现有装备和技术能力 ， 采取切实可行的措施。 ( 2 ) 施工对策 的选用要兼顾企业 的收益与利润， 力 争通过 调整施 工组织设 计 实现控 制 目标 。 通 过 筛 选 ， 施 工 中采 取 了如 下 抑 制 裂 纹 产 生 的 措施 。 ( 1 ) 降低预拌混凝土的温度 在寒 冷期施 工 的一 般做法 是通 过提 高骨 料和拌 和 水 温度 ， 在 浇 灌 时 将 预 拌? 昆凝 土 温度 控 制 在 2 0 左 右 ， 以防止混凝土在养生过程 中温度 的过度下降； 而本 工程 是通 过降低拌 和水 温度将 预拌混 凝土温 度控制 在 1 0 左右 ， 在 做 好 防寒 养 生 措施 的同 时 ， 力求 降 低 混 凝 土 内部 水化反应 的最 高温度 。 ( 2 ) 采取 送风 降温措施 在脚 手架作业 平 台上设 置 送 风机 ， 利 用 钢管 中空 的特点 ， 从 钢管 上部 向钢 管 下部 送 风 以 降低 混凝 土 内 部 的温度 。 ( 3 ) 延 长模板 的拆模 时 间 标准 规范 中规 定 了 拆 模 时 混 凝 土 必 须 达 到 的强 度 ， 但达到该强度时推定混凝 土的内部温度正处于高 峰期 ； 高桥墩的混凝土浇灌施工一般根据浇筑区划分 重复使用模板， 但在混凝土内部高温期时拆除模板 ， 由 于外 部温度 极低 ， 会在 短 时 问 内造 成混 凝 土 内外 温 差 铁道标 准设 计R AI L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 j ( 3) 王德喜一钢管混凝土 复合构造 桥墩减少 裂缝 施工对策 加大 ， 结 构 物 受 到 急 剧 的应 力 冲击 作 用 而 产 生 裂 缝 。 为此本 工程 采用 了 比钢 制模 板绝 热性 能优 越 的木制模 板 ， 且 为 了延 长脱 模 时间 ， 准 备 了桥墩 全 面积用 量 的模 板 ； 与此同时为了准确测定混凝土的内部温度 ， 以便于 与解析值 进行 对 比 ， 在 结 构 物 的 内部 设 置 了温 度 传感 器 ， 以准 确测定 混 凝土 的 内部温度 。 4裂 缝产 生抑 制措 施的效 果 4 1 桥 墩 内部历 时温 度 的测定 结果 为 了确认 裂缝 产 生抑 制 措 施 的效 果准 确 性 ， 使 解 析值 与实 测值 能够 进行 比较 ， 将 温度 传 感 器 的位 置 设 定在 与温 度解析 相 同的位 置 ( 图 6中共 有 4处 ) ， 构 造 物 内部实 测 的历 时 温度见 图 7 。 从 实 测 的结 果看 ， 实测 的最 高 温 度 比解 析值 下 降 了 1 3 。另外通 过施 工组 织调 整 ， 将 模板 的存 置期 间 最长设 定 为 4 8 d ， 延 缓 了温 度 的 急剧 下 降 。 由于 钢 管 中空部 下部 需要 浇筑 填 充 混 凝 土 ， 送 风制 冷措 施 的作 用在第 2浇 筑 区上部 到第 3浇筑 区才 开始显 现 。 图 6温 度 传 感 器 设 置 位 置 ( 单位 ： mm ) ， 6 0 氲 0 赠4 0 藿3 0 2 0 1 0 0 经过 时间， d 图 7 CH 测点桥墩 内部 实测温度 变化 曲线 4 2 裂 缝情 况 底板混 凝 土在浇 筑 约 1个 月 后 ， 躯 体 部 的混 凝 土 在浇筑 约 2个 月 后 ， 确 认 产 生 了裂 缝 。施 工实 际产 生 的裂缝 位置 见 图 8 。 与解析计 算 的 预 想 裂 缝 产 生 位 置 图 比较 可 以 看 出 ， 裂缝 基本 上产 生 在 预 测 位 置 。从 产 生位 置 及 产 生 时期看 ， 其 主要原 因是 混凝 土 的温度应 力 所引起 ， 但 产 生 的频率 大大 低 于解析 值 。裂缝 的产 生 限定在 第一 浇 铁道标准设计R AI L W AY S T A ND A RD D E S I G N 2 0 1 1 ( 3 ) 桥 梁 筑 区 ， 其 主要 原 因可 以推测 为 以下 2点 。 ( 1 ) 第 1浇 筑 区 钢 管 中空 部 浇 筑 了填 充 混 凝 土 ， 送风 降 温措施 的效 果 没 能 涉 及 到该 区域 ， 防寒 养生 结 束 时混凝 土 的 内部 温度 没有 得到 充分 的下 降 。 ( 2 ) 在第 2浇筑 区 ， 躯 体 部 的应 力 被 底 板 部 所 约 束 ， 不 能 充分 释放 导致裂 纹 产生 。 图 8裂 缝产 生 位 置 ( 1 4模 型 ) 5 结 语 日本 近年 来从 充 分 利 用 有 限资 源 的危 机感 出发 ， 提 出 了打 造 2 0 0年 木 结 构 和 千年 混 凝 土 结构 的 目标 。 从 钢 筋混凝 土 结构 劣化 的机 理 看 ， 解 决 了混凝 土 的开 裂和 钢筋 的锈 蚀这 2个 主要 问题 ， “ 千 年 混凝 土 结 构 ” 的 目标 可 能不会 仅仅 是 梦想 。 钢管混 凝 土复合 构造 结构 能够 适应 现代 工程结 构 向大跨 、 重 载发 展和 承受 恶劣 条件 的需要 ， 符合 现代 施 工技术的工业化要求 ， 是结构工程科学的一个重要发 展 方 向 。我 国 国土广 阔 ， 混凝 土 的冬 季寒 冷 期 施 工 非 常 普遍 ， 防止 构造 物 开 裂 也 是 一个 重 要 课 题 。作 为施 工 管理 者 ， 应 对应 各种 事态 ， 从施 工组 织设 计 阶段 检讨 裂缝 的产 生 可能 ， 采取 合适 的措 施 ， 提 高工 程 的施 工质 量 。在裂 缝产 生 时应 调 查 究 明产 生 原 因 ， 以利 于 工程 施工 水平 的提 高 。 参 考文献 ： 1 四川省交通厅公路规划勘察设 计研究 院 公路钢管混凝土桥 梁设 计与施工指南 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 8 2 库马 梅塔 ， 保罗 J M 蒙特 罗 混凝土 M 北京 ： 中国电力 出版 社 ， 2 0 0 8 3 日本混凝 土协会 ， 混凝 土标 准规范施工篇 S 4 笠井芳 夫 混凝土工程师考试 问答 M 东京 ： 技术书院 ， 2 0 0 4 5 韩林海 ， 杨有 福 现代钢 管混 凝土结构技术 M 2版 北 京 ： 建筑 工 业 出版 社 ， 2 0 0 7 6 蔡 绍怀 现代钢管混凝土结 构 修订 版 M 北 京 ： 人 民交通出版 社 2 0 0 7 5 7