鄂东大桥宽幅混凝土箱梁防裂措施研究与应用.pdf

第 3 5卷 ， 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5，No 6 De c ，2 0 1 0 鄂东大桥宽幅混凝土箱 梁防裂措 施研 究与应用 陈虎 成 ， 刘 明虎 ， 徐 国平 ， 谭 皓 ( 中交公路规划设计 院有限公司 ， 北 京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要】鄂东大桥主桥为 9 2 6 m混合梁斜拉桥 ， 边跨采 用混凝土箱梁 ， 箱梁 全宽 3 8 I l l ， 施工期 混凝土 防裂问 题突出。针对该桥特点 ， 进行 了综合 防裂措施研究 ， 并应用于实践 ， 施工 期间未见 不 良裂缝 ， 取得 了较好 的效果 。 【 关键词 鄂东大桥 ； 混合梁 ；宽幅混凝 土箱梁 ；防裂研究 中图分类号 U 4 4 8 2 1 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 7 3 0 5 S t u dy a n d I m p l e me n t o f An t i - c r a c k i n g M e a s u r e s f o r W i d e Co nc r e t e Bo x Gi r d e r o f Ed o n g Br i d g e CHEN Huc he ng，LI U M i ng hu，XU Guo pi ng，TAN Hao ( C C C C Hi g h w a y P l a n n i n g a n d D e s i g n C o n s u l t a n t s C O ， L t d B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ) Ke y w o r d s E d o n g B r i d g e ；H y b r i d G i r d e r ；Wi d e C o n c r e t e B o x G i r d e r ； A n t i - c r a c k i n g s t u d y 1 工程概述 鄂 东长 江公路 大 桥位 于湖北 省 黄石 市与鄂 州市 交界 区域 ， 是 上海 一成 都 和大 庆 一广 州 高 速公 路跨 越长江的共用通道 。主桥采用九跨双塔混合梁斜拉 桥( 见图 1 ) 。主梁 中跨采用钢箱梁， 边跨采用混凝 土箱梁， 均采用分离式双箱断面。钢 一混结合 部设 置在中跨， 距索塔 1 2 5 1 T I 。斜拉索采用平行钢丝成 品索。索塔采用混凝土倒 Y型塔 ， 大直径钻孔桩基 础 。中跨 钢箱 梁绝 大 部 分 梁 段采 用悬 臂 拼 装 施 工 ； 边跨 混凝 土 梁采用 支架 分段 逐跨 现浇施 工 。 单侧 预应 力 混 凝土 箱 梁总 长 2 8 7 5 r f l ， 其 中 l 2 5 m 伸 入 主 跨 。 中 心 线 处 梁 高 3 8 m， 全 宽 3 8 0 m。标 准 断 面 顶 板 厚 3 0 c m、 水 平 底 板 厚 3 5 c m、 斜底板厚 3 0 c m、 中腹板厚 5 0 c m。索塔区顶 板 、 水 平底 板 、 斜 底 板 板 厚 渐 变 为 4 0 c m、 5 0 c m， 中 腹板 厚渐 变 为 6 5 c m、 8 0 c m。过 渡墩 处 设 端 横 梁 ， 厚 2 9 m； 辅 助 墩 处 横 梁厚 3 0 m； 索 塔 处 横 梁 2 5 r l l ； 其余非桥 墩处 每 7 5 m( 特 殊 间距 6 5 m、 6 5 5 IT I ) 设 一道 厚 4 5 c m 的横 隔梁 。混凝 土梁标 准 图 1 鄂东大桥主桥桥型布置( 单位： c m ) 收稿 E l 期 】2 0 1 0 0 3 2 6 【 作者简介 陈虎成 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 河北景县人 ， 硕士 ， 工程师 ， 主要从 事公路桥梁设计与施工管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 公路工程 3 5卷 横 断 面见 图 2 。 3 8 O 0 3 3 fi1 9 1 1 6 0 0 1 6 0 0 ,o- b L l 5 o 5 h 3 5 0 3 3 7 5 ： 1 1 2 5 7 5l 6 0 7 5 3 3 7 5 = l 1 2 5 3 5 0 S Q i Q 10 c - 1 1 I I l I I I I 1 ； 醅 埔 枇 1 o 沥 青 混 凝 土 一 - 中 央 分 隔 带 防 撞 护 栏 外 例 防 藉 藿 l 4 -4 一 2 2 厂 。 、 、 二= f l =二= 6 8 0 f 4 4 0 f 7 8 0 ： 7 8 0 f 4 4 0 6 8 0 图 2混凝土梁标准横断面 ( 单位： t il 1 ) 2 问题的提 出 混凝土 箱梁 宽达 3 8 m， 采用 支撑 桩 排架 逐 跨 浇 筑 的方法施 工 ， 在 温变 和混凝 土 收缩影 响下 ， 主梁 易 产生 裂缝 ； 箱梁 内部普 通钢筋 及 预应力 管道较 密 ， 混 凝土 浇筑难 度较 大 ； 主 梁采 用 C 5 5混 凝 土 ， 且 横梁 、 外 腹板 ( 风嘴 ) 体 积较大 ， 高 强 大体 积 混 凝 土 的防 裂 问题特 别突 出 。 箱 梁 防裂措 施如 果处 理不 当 ， 将 降低 结构 的强 度和刚度 ，对桥梁 的承载能力、 正常使用及 耐久性 带来直接危 害， 因此， 为保证 结构的安全性及 耐久 性 ， 避 免混凝 土箱 梁开 裂 ， 有 必要进 行 防裂措施 的研 究 与设计 。 裂缝 是 混凝 土结 构经 常 出现 的问题 ，裂缝 的形 成 一般分 为 2类 ：一 类 是 由外 荷 载 引起 的裂 缝 ， 表 示 结构 承载力 可 能不 足 或存 在 严 重 问题 ； 另 一类 裂 缝是由变形引起 的，由于变形受到约束 ，在构件内 部 产生 自应力 ， 超过 混 凝 土 的抗 拉 强 度 ，引起 混 凝 土 开裂 。引起 结构 变 形 的 因素 包 括 温度 变 化 、 收 缩 、 不均 匀沉 降等 因素 。 裂缝的产生和结构的设计计算模式 、 施工工艺 、 支架 变位 、 混凝 土质量 及 配 比紧密相关 。 3 防裂措施研究与应用 3 1混凝 土 浇筑措施 3 1 1 浇筑 方案 混 凝土 浇筑方 案通 常采 用分块 或分 层 的方式进 行 。由于箱 梁钢筋 较 多 ， 水 平 分 层 浇筑 施 工 缝难 处 理 ， 浇筑方案不做分层考虑。综合考虑梁体施工期 抗裂性能及混凝土工作性能研究了两种梁体分块浇 筑 方案 。 方案 1 ： 横 向分 幅 、 纵 向整跨 浇 筑方案 。 即箱梁 逐跨 浇筑 时预 留桥轴 线 处 1 6 m 宽 的后 浇 带 ， 施 工 顺序 为 自梁端 至钢 混 结 合 段 混 凝土 浇 筑 完 毕 、 张 拉 相应 梁段 的纵 向预 应力钢 束 、 浇筑后 浇带 。 方案 2 ： 横 向整幅 、 纵 向分段浇 筑方 案 。即每跨 纵 向分成 3 4个 施 工段 ， 跨 间设 置 横 向后 浇段 ， 后 浇段长度 1 8 m， 施工段之间预应力钢束采用连接 器连接 ， 施工顺序为 自梁端 向钢混结合段进行每跨 梁体 的浇 筑 ( 相 邻两 跨 的混凝 土 浇 筑前 准 备 工作 可 以同步施 工 ) 、 待 相 邻 两 跨 混 凝 土 浇 筑 均 施 工 完 毕 后浇筑 后 浇段 。 3 1 2温度 场分 析 混凝土箱梁跨度及宽度大 ， 箱梁属薄壁结构、 面 积大 、 厚度薄 ， 但局部厚度较大 ， 且箱梁混凝土强度 等级高达 c 、 水化放热量大 ， 产生 的温度应力不容 忽视 。 按 照 2种 浇 筑 方 案 ， 对 箱 梁 进行 了水 化热 温 度 场及应 力场 分析 ， 计算模 型 见 图 3 。 图 3水 化 热 温 度 场及 应 力 场 分 析模 型 温度及应力计算从浇筑开始 ， 模拟施工后一年 的温度应力发展 ， 计算结果见表 1 ( 其中应力为名义 拉应力) ， 混凝土浇筑 3 d后箱梁应力场分布见 图 4 ， 计算模型考虑的因素和参数有 ： 混凝 土表面 的保温 ； 箱梁侧面和内腔模板保温； 顶面覆 盖土工 材 料 保 温 养 护 ； 表 面 等 效 保 温 系 数 ： 1 8 5 0 k j ( m d o C) ；混 凝 土 导 热 系 数 ： 2 5 4 8 3 k J ( m d o C) ； 未计普通 钢筋及预应 力钢束的影响； 根据现场实际情况 ， 混凝土 的入 仓 温度 按 3 0计 。 3 1 3 浇 筑方 案 比选 及温 控措 施 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 陈虎成 ， 等 ： 鄂东大桥宽幅混凝土箱梁防裂措施研究与应用 7 5 f a J方案 1 图 4 浇筑 3 d后应力场 ( 单位： t m ) 从表 2及图 4可见 ， 采用方案 1浇筑时 ， 顶板干 缩 和温度 收 缩 产 生 的拉 应 力 得 到 了一 定 程 度 的 释 放 ， 与方案 2相 比， 箱 梁 顶板 对 应 龄 期 拉应 力 较 小 ， 相邻中腹板块体对应龄期拉应力也有所降低 ， 但不 明显 ， 1 a 后 应 力相差 较小 。 底 板薄块 、 外 腹板 ( 风 嘴 ) 块 体 内部 3 d后 各 龄 期最 大拉 应力 基本 没 有 变 化 ， 方 案 1对 其 应 力 没有 明显 的影响。这是 由于这些部位的约束条件没有改 变 ， 温度 场没 有变化 ， 分 幅浇筑 不 能有效 解决这 些部 位 的温度应 力 问题 。 综 合 考 虑结 构 受 力 和施 工难 度 ， 最 终 采用 方 案 2 ， 即横 向整 幅 、 纵 向分段 的混 凝 土 浇 筑方 案 。 同时 为提高抗裂性能 ， 后浇段采用了微膨胀混凝土， 中腹 板和外腹板 ( 风嘴 ) 处块体混凝 土内布置 了 0 3 m 间距的冷却水管。经计算 ， 布置冷却水管后 ， 外腹板 ( 风嘴) 块体 内的温度峰值下降为 6 9 1 ， 温度应 力 峰值为 2 5 3 M P a ， 2种方 案 的 比较见 表 2 。 表 2 混凝土浇筑方案 比较表 3 1 4 混凝 土浇 筑工 艺 、 养 护措施 混 凝 土浇筑前 。 应做好施工组织工作 ， 确保混凝土拌合 的产能 ， 以保证 在混 凝 土初 凝 前 能 够 浇 筑 到 预 先 设 定 的方 量 。混凝 土浇 筑按 桥 轴 线 先 中间后 两 侧 对 称 浇 筑 ， 混 凝土分 层厚 度为 2 5 3 0 c m。支 架 上 浇筑 混 凝 土 采用插入式振动棒 ， 对每一部位振捣至混凝土下沉 ， 不再 冒气 泡 、 表 面平 坦 、 泛 浆 为止 ， 避 免漏 振和 过振 。 混凝土浇筑后 。 高性能混凝土对养护的要求很高 ， 施工时应尽 量减少混凝土暴露面和暴露时间 ， 浇筑完后应立 即 抹平进人养护程序 。防止开裂的一个重要原则是尽 可能保持新混凝土不失去水分 ， 温度降低在一定范 围。尽量长时间保持混凝土湿润状态 ， 避免干缩 ， 使 混凝土能够增长强度以抵抗开裂应力。严格控制拆 模时间， 根据实际情况进行选择性拆模 ， 同时要考虑 混凝土的温差不要太大 ， 尤其在低温情况下 ， 构件 内 部和 表面 温差 宜小 于 l 5 。 3 2预 应 力 张拉 措 施 边跨混凝土梁体配置纵 向腹板束 、 底顶板束 以 及横向预应力钢束 ； 腹板 内不设竖向预应力。标准 断 面 的纵 向预 应 力 布置 见 图 5 ， 标 准横 隔 板 预 应力 布置见 图 6 。 预应力钢束 张拉顺序 如下： 混凝土箱梁分 节段浇筑完毕； 先期张拉部分横隔板 预应力钢 束 ， 对标准横隔板先张拉 N 2 ； 张拉纵向腹板预应 力钢束； 按横桥 向由外侧 向桥轴线方 向对称张 拉顶底板束 ； 张拉横隔板剩余预应力及顶底板 横 向预 应力 钢束 。 采用上述张拉 顺序的优点为： 先期 张拉部 分横隔板预应力钢束 ， 能在梁体 内建立一定 的横向 压应力储备 ， 增加梁体 的抗裂能力 ； 先张拉纵向 腹板钢束 ， 后张拉顶底板钢束有利于结构 的协调变 形 ， 减小剪力滞效应 ， 降低开裂风险 ； 顶底板预 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 公路工程 3 5卷 图 5 箱梁标 准断面纵 向预应 力布置 ( 单位： e m ) 3 8 0 0， 2 l 8 0 0 图 6 标准横 隔板预应 力布 置( 单位： e m ) 应力钢束的张拉顺序和混凝土浇筑 方向一致 ， 对防 裂有 利 。 3 3横 隔板 计 算模 式 横隔板在施工过程 的受力模式及结构体系转换 在计算 中不容忽视， 若配束计算模式与施工存在偏 差， 极易引起结构开裂。而恰恰在以往工程设计过 程 中通 常被 设计 者忽视 。 横隔板预应力的配置应该能满足施工过程及正 常运营的要求。箱梁横隔板根据位置 、 施工过程及 成桥阶段受力和支撑模式 的不同 ， 分 为 3种类型 ： 有索区横隔板 ； 无索 区横隔板 ； 墩顶横隔 板 。 计算时将横隔板简化为横桥向的平面杆系进行 分析， 并考虑了横隔板截面的有效翼缘分布宽度 ， 同 时建立了空间实体模 型校核平面杆系分析结果 ， 经 验证两种计算手段基本吻合 。 不同类型横隔板的施工模拟计算过程和现场施 工过程一致 ( 见表 3 ) ， 计算很好地模拟了现场施工 工序 ， 证明横隔板预应力配置是合理的。 3 4施 工支 架设 计 混凝土箱梁采用支撑排架法施工， 并在 中跨合 龙前保 留部分支撑柱。支撑柱的设计要达到计算的 竖 向刚度 ， 为达到 “ 零沉 降” 的 目的， 支撑柱采用桩 基 础 ， 桩基 进入 弱风 化岩 。支 架 要求 按 不 小 于 1 。 0 5 倍箱梁 自重进行预压 ， 以消除非弹性变形。 边跨排架陆上部分采用钻孔灌注桩基础 ， 水 中 部分采用钢管桩基础。根据全桥总体静力分析的结 果 ， 确定排架的各主要杆件选型 ， 纵 向布置见图 7 。 根据上述计算及采用措施确保支架刚度满足 ， 防止 混凝 土箱 梁产 生多 大变形 而 开裂 。 表 3横 隔板分类及计算阶段划分 3 5混 凝 土 配 合 比 试 验 研 究 与 设 计 混凝 土 裂缝 和混 凝 土质 量 密 切相 关 ， 本 桥 混凝 土箱梁由于其 自身 的特点， 对于混凝土提出了如下 要求 ： 配筋较密 ， 预应力波纹管多 ， 再加上采用泵 送施工， 要求混凝 土流动性大 、 坍落度损失小 、 可泵 性好 ， 保水保塑性好 ， 成型后外观质量好。 箱梁跨度大， 采用满堂支架逐跨 浇筑 ， 一次 性方量大、 浇筑时 间长 ； 箱梁宽度大， 采用支架现浇 时 ， 在温变和混凝土收缩影 响下 ， 箱梁易产生裂缝 ， 要求混凝土具有良好 的性能。 箱梁为预应力混凝土结构 ， 长度与断面尺寸 大 ， 承受弯拉荷载 、 弯压荷载和动荷载( 疲劳荷载) ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 陈虎成 ， 等 ： 鄂东大桥 宽幅混 凝土箱 梁防裂 措施研究 与应用 7 7 图 7边 跨 支 架 纵 向 布 置 受 力模 式复 杂 ， 要 求 混 凝 土 强度 高 、 刚度 好 ， 收 缩 和 徐 变小 ， 以减 少预应 力 损失 。 根据上述特点 ， 本桥专 门进行 了“ 超大跨 径混 合 梁斜拉桥 边跨 P C箱 梁 及 钢混 结 合 段砼 防裂 技 术 与耐久 性研 究 ” 的专 题 ， 针 对 箱 梁 不 同部 位 对 混 凝 土工 作性 及物 理 力 学性 能 指 标 的 要求 ， 经试 验 研 究 ， 推荐的混凝土配合 比见表 4 表 6 。 表 4 箱 梁 C 高性 能混凝土配合比 混凝土原材料用量 ( k gmI 3 ) 配合 比设计参数 水泥粉煤灰膨胀剂 水 砂 碎石纤维聚丙烯 减水剂掺量 胶材用量 ( k g m ) 水胶 比 粉煤灰与膨胀剂掺量 混凝土原材料用 量 ( k gmI 3 ) 配合 比设计参数 塑 燮 些 型 壁互 型堡量 3 8 2 5 7 6 5 5 1 1 63 7 5 0 l 0 3 4 1 2 一1 3 5 壁竖 堑 ! ： ： ： 壁 皇 塑 皇 些些型堡量 5 l O 0 3 2 4 2 l 5+l 0 4 结 语 鄂东 大桥 主桥混 凝土 箱 梁宽 达 3 8 m， 采 用 支撑 桩排架 逐跨 浇筑 的 方 法施 工 ， 在 温变 和 混 凝 土 收缩 影响下， 主梁易产生裂缝 ； 箱梁采用 c 混凝土 ， 且横 梁、 外腹板体积较大 ， 高强大体积混凝土的防裂问题 特别 突出 。为此 ， 特 别 进行 了宽 幅混 凝 土 箱 梁 的综 合防裂措施研究与设计 ， 并应用于实践， 施工期间未 见不 良裂缝 ， 取得 了较 好的效 果 ， 包 括 以下 几点 ： 采用了横向整幅、 纵 向分段并设置后浇段 的 混凝土梁浇筑方案 ， 采取 了温控措施 ； 对箱梁预应力钢束 的张拉时机和顺序进行 了研究 ， 提出了合理可行的张拉顺序； 按照不同位置的横隔板受力模式 ， 真实模拟 施工过程 ， 分别采用平 面杆系程序和空间结果分析 手段， 对横隔板进行 了计算分析 ， 配置了合理的预应 力 钢束 ； 进行 了特殊的施工支架设计 ， 提出了严格的 支撑柱竖 向刚度要求和拆除时机要求 ； 进行 了箱梁一般部位 、 钢混结合段 、 后 浇段 等不 同位 置混 凝土 的配 合 比试验研 究 与设计 。 【 参考文献 1 洪显诚 ， 刘志英 预应力 混凝土箱 形薄壁结构裂缝成 因分 析及 处治 J 公路 ， 2 0 0 1 ， 4 9 5 1 2 赵付 安 大 体积 混凝 土 施 工 防裂 措施 研 究 J 山西 建 筑 ， 2 0 0 8 ， 3 4( 1 5 ) ： 1 4 81 4 9 3 查进 超大跨 径混合梁斜 拉桥宽箱 梁高性 能混凝 土防裂技 术与耐久性研究 D 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 8 4 程黛莱 大体积 混凝土防裂 施工技术措 施的探讨 J 湖南交 通科 技 ， 2 0 0 2， 2 8 ( 2 ) ： 6 2 6 3 5 邓 志恒， 罗志佳 ， 林 俊 竖 向预应力损 失对箱 梁腹板 裂缝影 响分析 J 公路工程 ， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 9 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m