高性能混凝土在高架桥上的应用.pdf

3 3 2 成果应用 城市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 高性能混凝土在高架桥上的应用 李 显 潮 ， 伍 二 发 ( 中交公 路规 划设计 院有 限公 司贵州分 公 司 ， 贵 州贵 阳 5 5 0 0 0 3) 摘 要 ： 现行规 范对 桥梁结构 的使用年 限提出了明确 的要 求 ， 桥梁结 构的耐久性设 计 已成 为重 点 ， 高性 能混凝 土是确保结 构物 耐 久性的重要措施。 该文阐述了， 在贵阳市某主干道高架桥设计中， 从耐久性设计为出发点， 选取了主体结构混凝土等级 ， 并对主梁 及桥墩 按高性能混 凝土进行设计 ， 为高性 能混凝土在桥 梁结构上 的应 用提供参考 。 关键 词 ： 高性能 混凝土 ； 高 架桥 ； 应用 ； 使用年 限； 耐久性 ； 贵 阳市 中图分 类号 ： U 5 2 8 3 5 、 U 4 4 8 2 8 文献 标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3) 0 7 0 3 3 2 0 3 0前言 国家 和行业规 范对桥梁 的设计使用年 限都有 明确规定。因此 ， 桥梁结构 的耐久性应是设计关注 的重点之一 。近期 ， 国内多位院士和著名桥梁专家 均指 出 ： 混凝土结构设 计 中 ， 混凝土强 度 的选用 ， 不仅要满 足强度计算的要求 ，还必须满足耐久性 设计的要求 。这应是当代混凝土结构设计的重要 理念之一。而高性能混凝土是确保结构物耐久性 的重要措施 。 贵 阳市某 高架桥 为 了城市美 观及节 约用地 ， 选用 了独柱墩 、 横 向大悬臂 、 鱼腹式线型连续箱梁 的结构型式 ， 桥墩外轮廓采用花瓶式造型 ， 与上部 箱梁 的曲线相协调 。桥梁上部结构跨径有 3 0 i n ， 3 8 m及 5 2 9 m，均为现浇等截面预应力混凝土连 续箱梁 ， 高架桥全长为 9 1 1 m， 桥面宽度为 2 6 1 m 及 3 3 6 m， 独柱墩墩 顶支座 横 向距离 为 6 m， 道路 等级为城市主干道 ，设计 中除 了满足结构设计安 全度外 ， 从 结构耐久性设计出发 ， 选取 了桥梁结构 中主要部位混凝 土等级 ，对主梁及桥墩采 用高性 能混凝土进行设计 。 1 主体结构设计使用年限的确定 高架桥主要结构包括： 箱梁 、 桥墩 、 承台、 桩基础。 混 凝土结 构耐久 性设计 规 范 ( G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) I 2 1第 3 - 3 条规定 ： “ 城市快速路及 主干道上的桥 梁及其他道路上的大型桥梁 ，设计使用年限不低 于 1 0 0 a ” 。 工程结构可靠性设计统一标准 ( G B 5 0 1 5 3 2 0 0 8 ) 3 1 第 A- 3条规定 ： “ 公路桥涵的设计使用年限 ， 特大桥 、 大桥 、 重要中桥为 1 0 0 a ” 。第 3 3条规定 ： 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 一 l 1 作者简 介 ： 李显潮 ( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 山西 晋中人 ， 硕 士 ， 工程 师 ， 从 事道路桥梁工程设 汁工作 。 “ 工程结构设计时 ，应规定结构 的设计使用年限” ( 强制性条文 ) 。 公路桥涵设计通用规范) ( J T G D 6 0 2 0 0 4 ) 第 1 0 6条规定 ： “ 公 路桥涵 的设计 基准期 为 1 0 0 a ” ( 强制性条文 ) 。 该高架桥的主要结构， 设计使用年限采用 1 0 0 a ， 按此进行混凝 土结构耐久性设计 。 2 混凝土强度等级的确定 影响混凝土强度等级选用的主要因素 ， 除结构 受力条件外 ， 最主要 的是环境作用。根据该桥各主 要部位 的环境情况 和设计使用年限为 1 0 0 a ， 主要 结构混凝 土强度等级确定如下 。 2 1 箱梁 箱梁顶部有复合式桥面铺装 ， 能有效防止雨水 浸蚀 主梁 ， 但在大雨并伴有大风的情况下 ， 箱梁侧 面仍可能偶尔接触雨水。所以， 箱梁的环境作用等 级，按 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 ( J T G T B 0 7 0 1 2 0 0 6 ) l 5 l规定应为 B级 ， 按 混凝土结 构耐久性设计规范 ( G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) 6 1 规定应为 I B级 ， 则混凝土强度最低等级为 C 3 5 。 箱梁为部 分预应力混凝土 A类构件 ， 桥面宽度达 2 6 1 m和 3 3 6 m， 并采用独柱式桥墩 ， 横向为超大悬臂结构 ， 结经构计算 ， 正 应力 、 主应力 和剪 应力均较大 ， 有 必要适 当提高混凝土强度等级 ，故采用 C 5 5级混 凝 土 。 2 2 桥墩墩身 处于干湿交替环境 ，按 J T G T B 0 7 0 1 2 0 0 6规 定 ，环境作用等级应为 c级 ；按 G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 规定应为 I C级 ， 则混凝土度最低等级为 C 4 0 。 设 计采用 C 5 0混凝土。 2 3 桩基与承台 埋于地下 ，温度 、湿度相对稳定的基础构件 ， 环境作用等应为 B级或 I B级 ， 则混凝土强度最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 成果应用3 3 3 低等级为 C 3 5 。采用 C 3 5混凝 土。 3 箱梁和墩身采用高性能混凝土的基本要求 箱梁 和墩 身为本桥结构受力最大 、最 复杂的 部位 ， 也是影响耐久性和安全性的关键部位 。根据 国内已建桥梁 的成功经验 ， 采用高性能混凝土。 高性能混凝土 的定义 ： 具备施工性 ( 即高工作 性 ) 、 高 抗渗 性 、 高体 积稳 定性 ( 硬 化过 程 中不 开 裂 、 收缩徐变小 ) 、 较 高强度 ( C 4 0 ) ， 并 保持强 度 持续增长 ， 最终获得最佳耐久性( 使用年 限不小于 1 0 0 a ) 的优质混凝土 7 J 。( 文献 7 】 即 ： 铁建设 ( 2 0 0 5 ) 1 5 7号 ，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 ， 以 下简称 铁规 ) 该桥箱梁和墩身高性能混凝土设计要点如下 。 3 1 原材料 3 1 1 水 泥 水泥宜 用硅酸盐水泥( P I或 P ) 和普 通硅 酸盐水泥( P 0 ) ； 选用低水化热和含碱量低 的水泥 ； 避免使用早强水泥和 C A含量高 的水 泥 ；与高效 减水剂有很好 的相容性 ； 水泥 的技术要求 ， 可参阅 铁规 【 8 】 第 4 1 条规定。 3 1 2粗骨料 碎石粒 径为 52 5 m m。也可采用碎 卵石 ， 不 宜采用砂岩碎石 ； 碎石颗粒的外形， 应尽量接近等 径状。 针片状颗粒尽量少， 其含量应小于碎石总量的 5 ， 碎石应级配良好 。 碎石应有较高的强度 ， 其抗压 强度应大于 1 0 0 MP a ，饱和状态下应大于 8 0 MP a ， 密度应 大于等于 2 6 5 m3 ；碎石应是 清洁 的， 含 泥量应小于 1 ； 碎石 中不含能与碱反应 的活性成 分 ( 例 如微 晶石英岩 、安 山岩 、硅 质岩和玄武岩 等) ； 碎石压碎指标应符合 铁规 8 表 4 4 5的规 定 ； 碎石 的其他质量要求应符合 公路桥涵施工技 术规范) ( J T J 0 4 1 2 0 0 0 ) ( 简称 公规 ) 9 】 、 建筑用 卵石、 碎石 ( G B T 1 4 6 8 5 2 0 0 1 ) ( 简称 建石 ) 1 0 】 、 铁规 8 的规定。 3 1 3 细骨料 采用 中粗砂 ， 优先采用 优质河砂 ， 也可选用 由 专门机械生产的人工砂 ， 不宜使用天然山砂 。应级 配 良好 ， 细度模量 32 3 ， 砂率在 3 2 4 0 之 间 优选；含泥量小于 l ； 0 6 3 m m筛的累计筛余大于 7 0 ； 0 3 1 5 m m筛的累计筛余为 8 5 9 5 ； 0 1 5 m m 筛的累计筛余大于 9 8 ；其他质量要求，应符合 公规 9 、 建石 1 1 】 、 铁规 8 的规定。 3 1 4 细粒活性矿物掺料 常用的主要细粒潘 l生矿物掺料有 ： 硅灰 、 粉煤灰 、 超细矿渣等。 是商I生 能混凝土必要的组成部分。 硅粉、 粉煤灰和水泥均为胶凝材料， 参与水胶 比计算。 3 1 4 1 硅粉( 代号 S F) 硅粉 中的二氧化硅含量不应小于 8 5 ，比表 面积( B E T N 2吸附法 ) 不小于 1 5 0 0 0 m Z k g 。硅粉 和粉煤灰应同时掺人。硅 粉掺量应 控制在胶凝 材 料总量 的 8 以内。硅粉粒径应小于 1 m， 平均粒 径 0 1 80 2 6 m； 硅粉密度为 2 2# e m 。 在混凝土 中掺入适 当硅粉水剂 ，可 以提高强 度 、 改善工作性 能 、 增加弹性模量 、 减小收缩徐变 、 降低混凝土 的渗透性 、 增强混凝土 的耐久性。硅粉 采用水剂后 ，在混凝 土中分布更 均匀 、能提高工 效 、 降低对环境 的污染 。 3 1 4 2 粉煤灰 ( 代号 F A) 须采用 I 级粉煤灰。烧失量不大于 5 ； 需水 量 比不大于 9 5 ； 细度不大 于 1 2 ( 4 5 m m方孔筛 筛余) ； 三氧化硫含量不大于 3 ， 其中最主要的是 烧失量 和需水量比 、 必须从严控制 。 粉煤灰掺入量不宜大于 2 0 。外 加剂对混凝 土 的质量影响巨大 ， 务必严格控制 。 在混凝 土中掺人适 当粉煤灰 ， 有 明显的减水作 用 ， 较大幅度 地提高混凝土 的工作性能 ， 并有明显 的减水作用 。通过粉煤灰抑制混凝土的升温 ， 可有 效地减少混凝土的开裂 。掺人粉煤灰的混凝土 ， 早 期强度较一般的混凝土低 ，但后期强度有较大增 长 ， 高于一般混凝土， 其抗渗性( 不透水性) 在后期 有 明显增大 ， 高于一般的混凝土。能降低混凝土 中 氯离子的扩散。掺入粉煤灰的混凝土， 体积稳定性 良好 ， 干燥收缩率降低。 3 1 5 纤维掺合料 高性能混凝土 中掺人一定量 的网状树脂纤维 ， 可以提高混凝土的抗拉强度， 降低混凝土的脆性 ， 改善混凝土 的抗裂性能 ， 提高混凝土 的延性 。该桥 可以采用网状聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维。掺人 量约为 1 k # m 。 3 1 6 高效减水剂 使用高效减水剂， 并同时掺入活性矿物质超细 粉 ( 即“ 双掺 ” ) ， 是 降低单方混 凝土用水 量的主要 途径 ， 也是使混凝土获得高性能的途径 。所 以 ， 高 效 减水 剂 成为 高性 能混 凝 土必 不可 少 的组成 材 料 。高效减少剂应具有对水泥的分散能力强 、 减水 率高、 控制坍落度损失 、 提高混凝土的耐久性 ， 以 及 与水泥有 良好的相容性等功能 。 高效减水剂的基本性能， 如表 1 所列Il 4 l。 3 2 配合比设计 3 2 1 配合 比设计的基本 目的 在保证混凝土设计强度 的前提下 ， 尽量提高混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 4 成果应用 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 表 1 G8 8 0 7 6 1 9 9 7对 高效减水剂 的技术要求一 览表 试验项 目 高效减水剂 一 等品 合格品 凝土 的工作 性能和耐久性 ， 同时采用最优水灰 比、 最小水泥用 量 ， 减小混凝 土的水化热 、 提高混凝土 的弹性模量 、 减小混凝土的后期收缩和徐变 。高性 能混凝 土的配合 比特点是 ： 水胶 比低 、 粉体量大 、 浆集 比大 、 粗集料量小 。 该桥高性能混凝 土必须进行专 门的多组配合 比试验 ， 通过对 比分析 ， 择优选用 。择优的基本要 求是： 强度满足设计要求、 弹性模量高 、 工作性能 好 、 抗裂性好 ， 以及粘聚性与保水性好 。 3 2 1 1 耐 久 性 高性能混凝土配制 的 目标 主要是 耐久性 。低 渗透性是混凝土确保耐久性 的第一道防线。要尽 量 降低水泥水化 热和混凝土 内部 的温度升高值 。 要从原材料的选择和配合比上尽量降低混凝土的 干 缩 。 3 2 1 2 强度 施工过程 、 使用期 的混凝土抗压强度 ， 要达 到 设计要求 。水灰 比应小于 0 4 。 3 2 1 3 工作性 高性能混凝土拌合物的工作性 比强度还重 要 ， 是保证混凝土浇筑质量的关健 。要求拌和物具 有高流动性和可泵性。坍落度应大于 1 8 0 m m； 当 要求免振时， 坍落度应大于 2 5 0 m m 。还应具有体 积稳定 、 不离析 、 不泌水 的性能 。 要求坍落度和坍落铺展度 ( 拌和物坍落终了 时铺展的直径 ， 称为铺展度 ) 的比值约为 0 4 。 3 - 2 _ 2 配合比设计的基本法则 3 _ 2 _ 2 1 灰水 比法则 混凝土 的强度与水泥强度成正 比，与灰水 比 成反 比。灰水 比一经确定 ， 绝不能随意变动 。对于 高性能混凝土 ， “ 灰” 包括所有胶凝材料 ， 故灰水 比 称为胶水 比。 3 _ 2 _ 2 2 混凝土密实体积法则 由水 泥( 胶凝材料 ) 、 水 、 砂 、 石组成 的混凝土 达到最佳密实度 ， 同时在可塑状态时 ， 又具有足够 的流动性。 3 _ 2 2 3 最小单位加水量或最小胶凝材料用量法则 在灰水 比固定 、 原材料一定的情况下 ， 使 用满 足工作性的最小加水量( 即最小的浆体量) ， 可得 到体积稳定 的、 经济的混凝土。 3 2 2 4 最 小 水 泥用 量 法则 为降低混凝 土的温升 、提高混凝 土抗 环境因 素侵蚀的能力 ， 在满足混凝土早期强度 的前提下 ， 应尽量减小胶凝材料 中的水泥用量 。 3 2 3 配合 比主要参数的选择 3 _ 2 _ 3 1水胶比 为达到混凝 土 的低 渗透性 以保 证其耐 久性 ， 无论设计强度是多少 ，配制高性能混凝土的水胶 比都不能大于 0 4 ( 对所处环境不恶劣 的工程可以 适 当放宽 ) ， 以保证 昆 凝土密实度 。 该桥要求水泥用量应控制 在 5 0 0 k g m 以内。 用水量应控制在 1 8 5 k g m 以内。水胶 比应控制在 0 2 40 3 8之间。 3 _ 2 _ 3 2 浆集比( 或用胶凝材料总用量表示 ) 浆集 比主要 影响混凝土 的工作性 ，因而也影 响耐久性 ， 在一定程度上还影响强度 、 弹性模量和 干缩率。 根据经验 ， 胶凝材料总用量以不超过 5 5 0 k # r n 为宜， 但为了保证耐久性， 胶凝材料总量最少也不 能低于 3 0 0 k g m ， 重要工程则还要提高。 3 2 3 3 砂石比( 或用砂率或粗集料用量表示 ) 砂率在混凝土中主要影响工作性。 混凝 土结 构施工及验收规范 ( G B 5 0 2 0 4 9 2 ) 【 1 5 1 第 4 2 8 条规 定 ， 泵送混凝土的砂 率宜控制在 4 0 一5 0 之 问。 当水灰 比不 同时 ， 最优砂率有所不 同 ， 但都 在 3 8 4 6 之间。 4 关于结构 耐久性设计 的其它方面 ( 1 ) 混凝土中最大氯离子含量 的限值 ： 所有配筋 的混凝土结构的氯离子含量 ， R C构 件应不大于 0 3 0 ， P C构件应不大于 0 0 6 ( 氯离 子含量指氯离子与水泥用量的 比值 ) 。 ( 2 ) 混凝 土中最大碱含量 的限值 ： 混凝土中最大碱含量应不大于 1 8 k g m 。 ( 3 ) 钢筋的混凝土保护层厚度 ： 参照文献 5 中的有关规定 ， 结合构件受力情况 从严控制各配筋 昆 凝土结构的钢筋保护层厚度 。 ( 下转 第 3 3 9页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m