“水滴型”索塔混凝土裂缝控制技术

杨 勇， 詹元林， 刘 涛

(1.保利长大工程有限公司， 广州 510620； 2.湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201)

随着科技的发展和社会的进步，人们的审美意识和对美学的追求日益提高，作为跨越障碍、通济利涉的桥梁工程，在满足安全、实用、经济的前提下，桥梁之美越来越得到重视，一座成功的桥梁往往成为一个城市或地区的地标性建筑[1-2]。作为斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁的重要承载结构，索塔的造型对桥梁美学设计的影响巨大，混凝土索塔因承载能力强、可塑性好等优点被广泛用于大跨径桥梁。但受混凝土性能所限，国内已建成的大跨径桥梁混凝土索塔开裂现象普遍，这对桥梁结构的耐久性造成了不利影响[3-6]。

珠海市洪鹤大桥工程位于珠海横琴自贸区，跨越芒洲国家级湿地公园，主桥索塔设计为“水滴”造型，线型圆润柔和、大气优美。但索塔造型特殊，受力相对复杂，索塔混凝土结构易产生裂缝。鉴于此，为提高索塔结构的安全性和耐久性，结合索塔的的受力特点，本文对异形混凝土索塔的裂缝控制措施进行了研究。

1 工程概况

珠海市洪鹤大桥工程全长9.654 km，主航道桥为2座首尾串联的主跨500 m的双塔双索面叠合梁斜拉桥，其跨径布置均为(73+162+500+162+73)m=970 m，如图1所示。

单位：m

主航道桥索塔为“水滴型”钢筋混凝土结构，其中3#主塔高153.6 m，塔柱采用圆角矩形截面。下塔柱高27.3 m，横桥向按统一斜率布设截面，内外侧斜率分别为1/3.152、1/4.687，塔柱横桥向宽5.37 m～7.953 m、顺桥向宽9.0 m，基本壁厚1.2 m。中塔柱高71.5 m，横桥向内外侧斜率均为1/4.6，截面等宽5.117 m，顺桥向宽9.0 m～7.5 m，基本壁厚1.0 m×0.8 m(顺桥向×横桥向)。上塔柱高54.8 m，横桥向宽4.0 m～5.117 m、顺桥向等宽7.5 m，塔柱由单箱单室截面斜柱整合为单箱双室截面直柱。中、下塔柱过渡段及上塔柱斜、直交接段采用圆曲线连接，中、下塔柱过渡段内外圆曲线半径分别为40.0 m、50.0 m，上塔柱斜、直交接段圆曲线半径为50.0 m。下横梁为预应力混凝土结构，截面高5.0 m，横桥向长36.966 m，顺桥向宽8.0 m，采用单箱单室截面，顶、底、腹板厚度均为0.8 m。主塔起始段、下横梁与塔柱结合部、中塔柱合拢段为实心混凝土结构，属典型大体积混凝土结构。主塔1#～7#斜拉索通过混凝土齿块直接锚固在塔柱上， 8#～20#斜拉索锚固在钢锚梁上，其中一个钢锚梁同时锚固边、中跨对应的2根斜拉索。主塔混凝土标号为C50，3#主塔混凝土总量为10 350 m3。主塔构造如图2所示。

2 索塔裂缝控制难点

洪鹤大桥主塔设计为“水滴”造型，结构形式复杂，易产生结构性裂缝，构造截面及截面刚度变化较大，在塔柱构造截面突变位置易产生应力集中，引发混凝土开裂，索塔混凝土裂缝控制主要有以下难点：

1) 主塔多处为实心大体积混凝土结构，且为C50高标号混凝土，大体积实心段及截面突变处的温度应力控制难度大。

2) 塔柱构造复杂，斜率大，钢筋密集，塔柱施工过程中，易在塔柱根部受拉区产生受力裂缝。

(a) 正立面

(b) 侧立面

3) 下横梁跨径大，与同标高的塔柱同步施工，下横梁与下塔柱形成的倒梯形结构，在下横梁分层浇筑时，下塔柱的横桥向变形易导致下横梁底板受拉而出现裂缝。

4) 斜拉索锚固区受力复杂，塔柱结构受索力不平衡、空间索水平分力、塔柱内外温差等因素影响，塔柱易出现内力不均而导致开裂。

3 索塔控裂措施

3.1 大体积混凝土控裂技术

洪鹤大桥主塔横桥向尺寸为5.37 m～7.953 m、顺桥向尺寸为9.0 m～7.5 m，塔柱基本壁厚0.8 m～1.2 m，多处设计为实心结构，混凝土标号为C50，属典型高标号大体积混凝土结构[7]。在工程实践中，大体积混凝土温控一般采用减少水泥用量以降低混凝土绝热温升、避免使用早强型水泥、采用缓凝型外加剂延长混凝土水化时间避免水化热集中释放等措施。这与主塔施工对混凝土的性能指标要求刚好相反，主塔采用液压爬模工艺分节段施工，为控制施工工期，缩短相邻节段间混凝土的龄期差，混凝土早期强度需满足液压爬模预埋件的锚固要求，一般按3 d强度达到35 MPa控制，这就要求混凝土的强度能够快速发展，常用措施有增加水泥用量、使用早强型水泥及外加剂。

为避免主塔大体积混凝土效应的不利影响，同时满足液压爬模施工对混凝土性能指标的要求，对主塔实心段和空心段混凝土配合比进行差异化设计。对于实心段大体积混凝土，因施工节段数量较少，在确保混凝土强度满足要求的前提下，尽量减少水泥用量，提高粉煤灰、矿粉等材料的掺量，以降低混凝土的绝热温升[8]。对于空心段混凝土，施工节段数量较多，为了满足液压爬模对混凝土早期强度的要求，则适当增加水泥用量，以加快混凝土早期强度发展。经过多次试验优化，最终确定了2 个配合比参数，如表1 所示。

表1 主塔混凝土基准配合比

为掌握主塔大体积混凝土各龄期温度应力发展情况，以主塔首节为例，采用Midas/FEA软件建立有限元模型，对主塔大体积混凝土实际施工情况进行仿真模拟。根据结构对称性，取塔柱首节混凝土的1/2进行分析。主塔首节温度应力云图如图3所示。

仿真计算结果显示，主塔首节混凝土各龄期的最大拉应力为1.56 MPa，出现在混凝土浇筑后的第3天，该拉应力值约为同龄期混凝土在标准养护条件下劈裂抗拉强度的0.71倍，具有较高的抗裂保障。

在实际施工中，采取以下2方面措施来提高主塔大体积混凝土的抗裂性能：1) 采取措施控制大体积混凝土的绝热温升，避免混凝土产生过大的温度拉应力，包括选用低热水泥，采用双掺技术，使用缓凝型外加剂，控制混凝土入模温度、通冷却水等；2) 通过控制材料质量、加强施工管理、优化施工工艺等措施，提高各龄期混凝土的自身强度，从而提高混凝土自身的抗裂性能，降低混凝土结构产生裂缝的风险[9]。

(a) 3 d应力场

(b) 7 d应力场

(c) 28 d应力场

(d) 180 d应力场

3.2 大斜率塔柱受拉区控裂措施

洪鹤大桥下塔柱内外侧斜率分别为1/3.152、1/4.687，中塔柱内外侧斜率均为1/4.6，在下塔柱施工阶段，塔柱为外倾悬臂结构，下塔柱内侧受拉；中塔柱施工阶段，塔柱为内倾悬臂结构，中塔柱外侧受拉。在倾斜塔柱悬臂施工过程中，如不采取对拉或对撑措施，在塔柱悬臂结构的根部易产生受力裂缝，且影响塔柱的线型控制，因此在施工阶段合理设置塔柱临时横撑及对拉措施可改善索塔成桥状态的应力。

根据内力优化目标，该桥下塔柱设置了1道对拉体系，采用2束15Φ15.2 mm预应力钢绞线，对拉力合计3 600 kN；中塔柱设置3道临时横撑，每道横撑采用2根Φ1 300 mm×12 mm钢管，自下横梁往上每隔18 m设置1道，横撑主动对顶力分别为3 000 kN、2 000 kN、2 000 kN，如图4所示。

为了分析设计的对拉对撑措施对塔柱内力的优化效果，采用Midas/ FEA建模对塔柱结构在施工期的受力状态进行仿真计算[10]，按照实际施工工序，下、中塔柱分别建模计算。分析结果显示，下塔柱施工至与下横梁顶同标高位置，在无对拉辅助措施的情况下，下塔柱根部最大拉应力为0.68 MPa，出现在下塔柱根部内侧；增加对拉力后，最大拉应力减小为0.07 MPa，说明施加对拉力后，基本抵消了塔柱倾斜产生的拉应力。中塔柱施工过程中，分阶段安装3道临时横撑，并分别施加到设计对顶力，中塔柱在各施工阶段的内力值如表2所示，塔柱结构的应力状态均在允许范围内，说明临时横撑的设置合理，可避免塔柱倾斜而导致混凝土结构开裂。

3.3 大跨径横梁预张抗裂措施

下横梁为预应力混凝土结构，横桥向长36.966 m，采用落地式钢管贝类支架施工，与同标高的塔柱同步浇筑施工，支架按横梁混凝土重量的1.1倍进行预压，以消除支架非弹性变形。下横梁与塔柱结合处为实心段大体积混凝土，按前述大体积混凝土温控要求进行施工。

下横梁混凝土分2次浇筑，第1次浇筑底板与腹板，第2次浇筑顶板[11]。在横梁顶板混凝土浇筑前，在横梁底腹板与下塔柱形成了相对稳定的“倒梯形”钢筋混凝土结构。当横梁顶板浇筑后，其混凝土自重相当于荷载作用于“倒梯形”结构，导致下塔柱产生向外侧的位移，使得下横梁底部混凝土受拉，如图5所示。经计算，横梁顶板与同标高塔柱混凝土浇筑时，下塔柱在没有约束的情况下，将出现1.4 mm的侧向位移，横梁底板最大拉应力1.73 MPa，基本接近混凝土允许拉应力限值1.80 MPa，底板混凝土开裂风险较高。

表2 中塔柱应力计算结果

单位：cm

为避免横梁产生有害裂缝，结合横梁底腹板混凝土浇筑后的结构形式，预先张拉部分横梁预应力钢束。即在第2次浇筑横梁混凝土前，预先张拉4束横梁底板预应力束，预应力束型号为19Φ15.2 mm，控制张拉力取3 700 kN，采用两端对称张拉工艺。经计算，张拉部分预应力后，横梁在浇筑顶板混凝土时，底板、腹板全截面处于受压状态，最小压应力0.19 MPa，横梁底板不会产生裂缝。

图5 下横梁混凝土分层浇筑时结构受力示意

3.4 斜拉索锚固区抗裂措施

主塔1#～7#斜拉索通过混凝土齿块直接锚固在塔柱上， 8#～20#斜拉索锚固在钢锚梁上，其中一个钢锚梁同时锚固边、中跨对应的2根斜拉索。受索力不平衡、空间索横向分力及塔柱内外温差等因素的影响，塔壁存在复杂的内应力而易导致开裂。在混凝土齿块锚固区的塔壁内分层设置环向预应力，呈“井”字形交叉布置，共设置了168束19Φ15.2 mm的环向预应力钢束，通过预应力来抵消斜拉索作用在塔壁上的纵桥向、横桥向水平分力[12]。

钢锚梁定位原则为斜拉索的中心线、钢锚梁的中心线、钢锚梁边跨(中跨)侧边界线三者在顺桥向铅锤面内投影交于一点。斜拉索的竖向分力通过钢锚梁直接传递给塔柱承担，横桥向水平分力则利用在塔壁上设置的横向钢挡块传递给塔壁，而顺桥向水平分力则随着斜拉索在梁端锚固距离的增加而逐渐增大。为了避免不同斜拉索顺桥向水平分力的不同导致钢锚梁弹性伸长量不一致，而致使塔壁承受水平剪力，在中跨侧锚梁与钢牛腿的接触面之间，设置由不锈钢板和四氟板构成的滑动摩擦副[13-14]，边跨侧不设置摩擦副，以确保斜拉索在恒载作用下的水平分力全部由钢锚梁承担。斜拉索张拉时，松开中跨侧滑动摩擦副的限位装置，边跨侧则采用高强螺栓固定，钢锚梁沿纵向可通过四氟板摩擦面纵向滑动，避免施工中出现两侧挂索不同步或索力不平衡，造成钢锚梁位置失控而冲击塔壁。待二期恒载施工完成后，采用高强螺栓限制中跨侧滑动摩擦副位移，钢锚梁与塔壁形成整体受力，使钢锚梁在运营阶段沿纵向不能产生位移。

3.5 其他措施

1) 缩短节段间的龄期差

主塔截面尺寸大，最大截面尺寸达9.0 m×7.953 m，采用液压爬模分节段施工，共分为36个节段，不同节段混凝土之间存在5 d～10 d的龄期差，上层混凝土水化过程中出现热膨胀时，会受到下层先浇筑混凝土的约束，导致塔柱分节段施工缝附近的混凝土开裂。施工过程中，采取措施提升施工效率，缩短塔柱分节段施工的周期，减小龄期差。

2) 减小塔柱内外塔壁温差

塔柱为空心结构，下塔柱基本壁厚1.2 m，中塔柱基本壁厚1.0 m×0.8 m(顺桥向×横桥向)，属于壁体型大体积混凝土，混凝土水化反应致使塔壁呈中间温度高、表面温度低的规律分布。事实上，由于塔柱内腔相对封闭，空气流动缓慢，塔柱内壁混凝土热量散失相对较慢；而随着塔柱高度的增加，空气流动速度逐渐增大，塔柱外壁混凝土热量更容易散失，从而导致塔柱内外壁表面产生温差，进而产生温度拉应力，这一现象在气温较低的季节更为显著[15]。施工过程中，应在塔柱外壁采取保温措施，如采用导热系数低的木模、延缓拆模时间等，适当减缓塔柱外壁散热速度，减小塔柱内外壁温度拉应力。

3) 确保混凝土均匀

塔柱钢筋密集，特别是截面尺寸变化部位，钢筋间隙小。混凝土浇筑时，粗集料不易穿过钢筋间隙，钢筋外侧净保护层内粗集料相对减少，混凝土不均匀，强度会有所降低，使得塔柱表面出现开裂的风险增大。在主塔混凝土配合比设计时，应根据钢筋间隙大小合理选择粗集料的粒径。施工过程中，采取措施确保混凝土布料均匀，避免混凝土长距离“流动”现象。

4) 控制钢筋保护层厚度

合适的钢筋保护层厚度有利于避免混凝土表面裂纹，保护层厚度过大或过小都不利于混凝土防裂和耐久性，该主塔钢筋保护层净厚度统一为50 mm，允许偏差为+10 mm、-7 mm。施工时，应保证钢筋的加工、安装精度，专门设计劲性骨架定位，采用同标号的定制混凝土垫块，还需避免扎丝头侵入保护层混凝土内。

5) 做好预埋件防腐处理

主塔表面设置的永久预埋件，安装前需按要求做好防腐处理，避免预埋件腐蚀膨胀导致塔柱混凝土开裂。施工临时预埋件采用可拆卸式预埋件，施工完成后及时拆除并封闭塔柱表面孔洞。

6) 加强混凝土养生工作

做好塔柱混凝土的养生工作，随着塔柱施工高度的增加，风力逐渐增大，应采取有效措施避免干缩裂缝。

4 结束语

通过对异形混凝土索塔抗裂措施的总结，形成了满足现场施工需求的索塔混凝土裂缝控制技术，并用于指导实体工程的施工应用，从实际效果来看，珠海市洪鹤大桥3#主塔索塔线型柔顺，色泽均匀，各项实测指标均满足设计及规范要求，虽在交工验收时，发现塔柱起始段、横梁与塔柱结合段存在少量裂缝，但裂缝宽度小于规范允许值，且数量显著少于同类型主塔结构，基本达到了预期的抗裂效果。

在异形混凝土索塔施工实践中，结合理论分析，主要有以下经验：

1) 根据索塔分节段施工对混凝土性能指标的要求，通过差异化的混凝土配合比设计，在保证混凝土强度等指标满足施工要求的前提下，优化混凝土配合比设计，减小大体积混凝土水泥用量，从而减小混凝土的温度应力，是实现截面多变的高标号大体积混凝土温控的有效措施。

2) 采取对拉和对撑的措施有利于改善大斜率塔柱的受力状态，也有利于异形索塔的线型控制，是有效的抗裂措施。

3) 预张拉部分横梁底板预应力束，作为大跨径横梁混凝土分层浇筑时的应力安全储备，可避免横梁底板裂缝，实际施工中需注意预张拉力的控制。

4) 斜拉索锚固区受力复杂，设置环向预应力，在钢锚梁与钢牛腿间设置摩擦副，让钢锚梁在斜拉索张拉过程随荷载协同变形，确保斜拉索水平力全部由钢锚梁承受，有利于防止斜拉索锚固区混凝土塔壁开裂。

5) 加强施工管理，提升施工精细化水平，提高施工效率和工程质量，也是避免塔柱混凝土裂缝的重要措施。