港珠澳大桥预制桥墩裂缝控制技术

王新刚，孙业发，徐鸿玉

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066002）

港珠澳大桥预制桥墩裂缝控制技术

王新刚1，孙业发2，徐鸿玉2

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066002）

为解决港珠澳大桥CB03标预制桥墩产生裂缝问题，采用有限元仿真模拟分析墩身内部温度和应变状况，在墩身内部埋设温度和应变传感器进行温度和应变原位测试。确定产生裂缝的根本原因是桥墩施工缝上下层混凝土收缩不同步，在此基础上制定了相应的防裂技术措施，较好地解决了裂缝问题。

港珠澳大桥；预制；桥墩；裂缝；收缩

1 工程概况

港珠澳大桥主体工程CB03合同段墩身采用矩形薄壁空心墩，内部设纵向腹板1道，四周设矩形倒角，采用C50混凝土。16—41号、9—72号为整体式桥墩，施工缝位置在第1节与第2节、第2节与第3节之间。

典型桥墩31号墩身截面尺寸为10 m×3.5 m（横桥向×纵桥向），顺桥向壁厚0.8 m，横桥向壁厚1.20 m，底部实心段厚度为5.5 m，第1次浇筑承台和2.5 m墩身，第2次浇筑10.25 m墩身，第3次浇筑墩帽。

31号桥墩2013年1月31日开始浇筑，2月 21日浇筑完成，历时22 d。31号桥墩混凝土浇筑情况如表1。承台和2.5 m墩身与接高墩身混凝土浇筑龄期差为7 d，接高墩身与墩帽混凝土浇筑龄期差为11 d。

表1 31号桥墩混凝土浇筑情况Table1 No.31 pier concrete pouring

3月3日拆除墩帽外模时发现墩帽长面各有2条裂缝，4条裂缝均位于桥墩轴线两侧约1.4 m处，竖向开裂，较顺直。裂缝在距离施工缝1～2 m范围最宽，约0.2 mm，向上、下延伸，如图1所示。

图1 墩帽裂缝位置图（单位：cm）Fig.1 Pier cap crack location（cm）

3月19日发现承台+2.5 m墩身与接高墩身施工缝上方长面各有2条裂缝，竖向开裂较顺直，宽度约0.2 mm，裂缝长度如图2所示。

其他已经预制完成的桥墩存在类似的裂缝。为了提高工程质量，需要对裂缝产生的原因进行分析研究，并制定相应的防裂技术措施。

图2 墩身裂缝位置图（单位：cm）Fig.2 Pier crack location（cm）

2 混凝土早期开裂原因分析

由于刚浇筑完成的混凝土使用荷载并未作用，而施工荷载或自重通常通过支撑结构来传递，因此早期裂缝并不是因荷载因素造成的。可以认为绝大多数“早期裂缝”是由于变形因素造成的，确切地说，是收缩作用的结果[1]。混凝土收缩主要可分为两大类：温度收缩和湿度收缩。温度收缩包括大体积混凝土急剧温升后引起的温降收缩；与湿度相关的收缩包括混凝土因内外湿度变化引起的各种收缩，如干缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩等。另外，温度作用与湿度作用引起的收缩往往同时发生，相互作用[2]。

为了进一步明确预制桥墩裂缝产生的原因，分别进行了温度应力仿真分析和温度、应变的原位测试分析。

3 预制桥墩温度应力仿真分析

3.1 有限元模型的建立

采用有限元软件midas Civil，根据31号桥墩的实际尺寸建立有限元模型，如图3所示。

根据混凝土配合比，胶凝材料水化热折减系

数取0.79[3]，单位体积混凝土水泥用量当量值为376 kg。混凝土强度进展函数系数a取0.4，系数b取0.95。仿真分析模拟实际施工过程进行，仿真分析计算时间为30 d。

3.2 温度场仿真分析结果

墩身36 h温度场如图4所示，墩身内部温度随时间发展变化如图5所示。

图3 预制桥墩有限元模型Fig.3 Finite element modelofprefabricated pier

图4 墩身36 h温度场Fig.4 36 h temperature field of the pier

图5 墩身内部温度随时间发展变化图Fig.5 Variation ofpier internaltemperature over time

3.3 应力场仿真分析结果

墩身360 h P1主应力场如图6所示，墩身最大P1主应力随时间发展变化如图7所示。

图6 墩身360 h P1主应力场Fig.6 Pier 360 h P1main stress field

图7 墩身P1主应力随时间发展变化图Fig.7 Variation of pier P1main stress over time

由图6和图7可以看出，墩身裂缝实际出现位置与仿真分析结果比较接近。

4 预制桥墩温度及应变的原位测试分析

4.1 应变传感器的埋设

为了解墩身混凝土内部温度和应力的实际发展变化规律，在墩身混凝土内埋设3层带有测温功能的应变计，每层布置5个，应变计布置如图8所示。

4.2 温度测试结果

墩身内部混凝土实测温度曲线如图9所示，与图5对比，混凝土内部最高温度、温峰出现时间及温度发展变化规律与仿真分析基本一致。

4.3 应变测试结果

墩身内部混凝土应变典型测点应变值随时间发展变化曲线如图10所示。

对比图10和图7，实测应变发展变化规律与

墩身主应力仿真分析曲线基本一致。

图8 应变传感器布置示意图Fig.8 Strain sensor layoutdiagram

图9 墩身实测温度曲线Fig.9 The measured temperature curve of pier

图10 应变随时间变化曲线Fig.10 The curves of strain value over time

5 预制桥墩裂缝产生原因分析

根据墩身内部混凝土温度和应变实测结果，当施工缝上下层混凝土浇筑龄期差分别为7 d和11 d时，施工缝上下层混凝土最大温差分别为32.8℃和34.9℃，最大收缩应变差分别为232×10-6ε和246×10-6ε。

综合以上分析，预制桥墩产生裂缝的主要原因是由于施工缝上下层混凝土浇筑存在龄期差，造成混凝土收缩的不同步，先浇筑的混凝土限制了后浇筑混凝土的收缩，随着龄期的增长，混凝土累积应变能超过某一极限时，将会发生能量的释放，从而导致混凝土开裂。

6 预制桥墩防裂技术措施

根据预制桥墩开裂的原因分析，结合现场施工实际条件，防裂技术措施主要有以下三方面。

6.1 减小混凝土降温收缩

减小混凝土的降温收缩，可以通过降低混凝土内部最高温度来实现。

6.1.1 降低混凝土的浇筑温度

1）原材料温度控制

通过延长胶凝材料的存放时间，降低温度；骨料由材料码头倒运至料仓棚内，遮阳存放；拌合水由制冷机组生产，温度控制在10℃以下。

2）混凝土浇筑温度控制

用70 kg冰屑代替混凝土拌和用水；混凝土浇筑尽量避开11:00—16:00时间段；混凝土罐车罐体增加保温层，降低混凝土运输过程中温升；提前做好混凝土浇筑的一切准备，减少混凝土罐车现场的等待时间。

6.1.2 布置冷却水管

根据图6所示的主应力分布，在距施工缝2 m范围内布置冷却水管，施工缝2 m以上部分不布置冷却水管。墩身冷却水管布置如图11所示。

冷却水管采用外径27 mm，壁厚1.0 mm的输水黑铁管，冷却水流速不小于0.6 m/s，同时对冷却水及混凝土内部温度进行监测，确保冷却水管与混凝土温差不超过25℃，当混凝土内部降温速率达到2℃/d时，停止通冷却水。

6.2 减小混凝土湿度收缩

模板拆除后先铺设1层土工布，洒水充分润湿，再覆盖1层塑料薄膜进行保水，并在混凝土内部降温速率超过2℃/d时围裹棉被进行密封保

温保湿养护，养护时间不少于14 d。

图11 墩身冷却水管布置图Fig.11 Cooling water pipe facade layout of the pier

6.3 提高混凝土抗裂性能

改变以往的混凝土搅拌投料程序，采取将胶凝材料、砂和70%的冰水充分搅拌后再投放石子和剩余30%的冰水，这种搅拌工艺称为“裹砂法”。

混凝土浇筑后进行二次振捣[4]。

7 结语

通过一系列的技术措施，最终成功解决了预制桥墩裂缝问题，后续的预制桥墩均未再出现裂缝。实践证明控裂思路正确，技术措施有效，可为类似工程提供借鉴。

[1]JENSEN Ole Mejlhede.Autogenous deformation and RH-Change in perspective[J].Cern ConcRes,2001(5):57.

[2]BAZANT Z P,KIM J K.Consequences of diffusion theory for shrinkage ofconcrete[J].Materials and Structures,1991(2):1-3.

[3]JTS 202-1—2010，水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程[S]. JTS 202-1—2010,Technical specification for thermal cracking controlofmass concrete ofportand waterengineering[S].

[4]樊士广，王宇，王新刚.大体积混凝土温度应力仿真分析及防裂措施[J].中国港湾建设，2015，35（7）：53-56. FAN Shi-guang,WANG Yu,WANG Xin-gang.Temperature stress simulation analysis and crack controlmeasures ofmass concrete[J]. China Harbour Engineering,2015,35(7):53-56.

Control technology for prefabricated pier crack of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

WANG Xin-gang1,SUN Ye-fa2,XU Hong-yu2
（1.Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.No.5 Eng.Co.,Ltd.ofCCCC FirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei066002,China）

In order to solve the prefabricated pier crack problems of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge CB03 tenders,we analyzed the internal temperature and strain condition of the bridge pier with the finite element simulation,and buried the internal temperature and strain sensors in the pier to do the in situ test of temperature and strain.We concluded that the root cause of cracks in the production of construction joints piers on the lower shrinkage of concrete are not synchronized,and developed a corresponding crack technicalmeasures,which can wellsolve the crack problems.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;prefabricated;pier;crack;shrinkage

U655.56

A

2095-7874（2015）12-0066-05

10.7640/zggwjs201512016

2015-08-04

王新刚（1973—），男，河北玉田人，高级工程师，硕士，研究方向为大体积混凝土温度应力计算及裂缝控制、桩基检测。

E-mail：wxg58@126.com