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 100029)

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=246.8 m的桥梁。工程位于日本北海道十胜平原东北部,桥墩施工期为11月中旬到次年1月下旬,十胜地区1月历史最低气温为1929年的-34.9 ℃。

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。

图1 桥墩正面(单位：mm)

图2 桥墩平面(单位：mm)

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50 cm,与桥长垂直方向的混凝土保护层为75 cm,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。

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。

3 控制裂缝产生采取的措施

3.1 进行温度应力解析

应用FEM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ASTEA-MACSver.4)。

(1)解析条件的设定(表1)

表1 解析条件设定标准

混凝土浇筑顺序见图3，内部温度解析曲线见图4。

图3 浇筑混凝土顺序(单位：mm)

图4 CH4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

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Icr≥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55 ℃。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。

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,在浇灌时将预拌混凝土温度控制在20 ℃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10 ℃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,会在短时间内造成混凝土内外温差加大,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13 ℃。另外通过施工组织调整,将模板的存置期间最长设定为48 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)

图7 CH4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200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。

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