鋼管混凝土復(fù)合構(gòu)造橋墩減少裂縫施工對策

王德喜

(華杰工程咨詢有限公司,北京 100029)

1 工程概述

鋼管混凝土復(fù)合構(gòu)造結(jié)構(gòu)有著承載力高、抗震性能優(yōu)越、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),在日本這個多地震國家得到了廣泛的應(yīng)用。下述工程為改造急彎急坡舊道的道路改良工程,新建1座跨度L=246.8 m的橋梁。工程位于日本北海道十勝平原東北部,橋墩施工期為11月中旬到次年1月下旬,十勝地區(qū)1月歷史最低氣溫為1929年的-34.9 ℃。

橋墩基礎(chǔ)采用樁基,為了增加抗震性和減小構(gòu)造物體積,橋墩采用了鋼管混凝土復(fù)合構(gòu)造結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)尺寸詳見圖1和圖2。

圖1 橋墩正面(單位：mm)

圖2 橋墩平面(單位：mm)

2 施工中存在的問題

從橋墩尺寸可以看出,橋長方向的混凝土保護(hù)層為50 cm,與橋長垂直方向的混凝土保護(hù)層為75 cm,構(gòu)造上的特點(diǎn)使它成為極易產(chǎn)生溫度裂縫的結(jié)構(gòu)。其產(chǎn)生的原因從混凝土硬化原理上可歸納為內(nèi)部溫度應(yīng)力和外部溫度應(yīng)力兩種情況。

鋼管混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)橋墩的溫度應(yīng)力產(chǎn)生原因可以總括為以下幾點(diǎn)。

(1)中空斷面構(gòu)造結(jié)構(gòu)。除鋼管下部填充部分混凝土外,鋼管內(nèi)部采用中空構(gòu)造,這種結(jié)構(gòu)使鋼管外周溫度應(yīng)力增大。

(2)大體積混凝土構(gòu)造結(jié)構(gòu)。水化反應(yīng)使內(nèi)部溫度升高,熱量不能有效釋放造成內(nèi)外溫差加大。

(3)寒冷期施工防寒養(yǎng)生措施解除時,寒冷的外界氣溫致使構(gòu)造物內(nèi)外溫差的急劇變化。

由于裂縫產(chǎn)生的機(jī)率和產(chǎn)生位置等都會因結(jié)構(gòu)物的條件而產(chǎn)生很大變化,通過對橋墩進(jìn)行溫度應(yīng)力解析,根據(jù)解析結(jié)果研討了減少裂縫對策實施的必要性,同時還對控制裂縫的方法進(jìn)行了研討。

3 控制裂縫產(chǎn)生采取的措施

3.1 進(jìn)行溫度應(yīng)力解析

應(yīng)用FEM法對溫度應(yīng)力進(jìn)行了解析(應(yīng)用株式會社計算力學(xué)研究中心的解析程序ASTEA-MACSver.4)。

(1)解析條件的設(shè)定(表1)

表1 解析條件設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)

混凝土澆筑順序見圖3，內(nèi)部溫度解析曲線見圖4。

圖3 澆筑混凝土順序(單位：mm)

圖4 CH4測點(diǎn)內(nèi)部溫度解析曲線

(2)判斷基準(zhǔn)的設(shè)定

根據(jù)混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,裂縫指數(shù)按照表2設(shè)定。

表2 溫度裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)

如果設(shè)定不容許產(chǎn)生裂縫,那么就必須從改變混凝土的配合比設(shè)計來考慮對策；本工程考慮到經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)物的用途,設(shè)定“容許產(chǎn)生裂縫但不容許裂縫產(chǎn)生過大”為控制目標(biāo),設(shè)定裂縫指數(shù)Icr≥1.0進(jìn)行目標(biāo)控制。

(3)溫度應(yīng)力分析結(jié)果

橋墩內(nèi)部的混凝土溫度變化解析結(jié)果見圖4。從解析結(jié)果看,混凝土內(nèi)部溫度的最大值為55 ℃。從溫度應(yīng)力的解析結(jié)果計算裂縫指數(shù),推定出裂縫的產(chǎn)生部位見圖5。

圖5 預(yù)想裂縫產(chǎn)生位置(1/4模型)

3.2 減少裂縫產(chǎn)生采取的對策

根據(jù)前述的檢測結(jié)果,預(yù)測到裂縫的產(chǎn)生機(jī)率較高。本著以下的原則對施工措施進(jìn)行了篩選。

(1)充分考慮工程所在地周邊的既有預(yù)拌混凝土設(shè)施的現(xiàn)有裝備和技術(shù)能力,采取切實可行的措施。

(2)施工對策的選用要兼顧企業(yè)的收益與利潤，力爭通過調(diào)整施工組織設(shè)計實現(xiàn)控制目標(biāo)。

通過篩選,施工中采取了如下抑制裂紋產(chǎn)生的措施。

(1)降低預(yù)拌混凝土的溫度

在寒冷期施工的一般做法是通過提高骨料和拌和水溫度,在澆灌時將預(yù)拌混凝土溫度控制在20 ℃左右,以防止混凝土在養(yǎng)生過程中溫度的過度下降；而本工程是通過降低拌和水溫度將預(yù)拌混凝土溫度控制在10 ℃左右,在做好防寒養(yǎng)生措施的同時,力求降低混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)的最高溫度。

(2)采取送風(fēng)降溫措施

在腳手架作業(yè)平臺上設(shè)置送風(fēng)機(jī),利用鋼管中空的特點(diǎn),從鋼管上部向鋼管下部送風(fēng)以降低混凝土內(nèi)部的溫度。

(3)延長模板的拆模時間

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定了拆模時混凝土必須達(dá)到的強(qiáng)度,但達(dá)到該強(qiáng)度時推定混凝土的內(nèi)部溫度正處于高峰期；高橋墩的混凝土澆灌施工一般根據(jù)澆筑區(qū)劃分重復(fù)使用模板,但在混凝土內(nèi)部高溫期時拆除模板,由于外部溫度極低,會在短時間內(nèi)造成混凝土內(nèi)外溫差加大,結(jié)構(gòu)物受到急劇的應(yīng)力沖擊作用而產(chǎn)生裂縫。為此本工程采用了比鋼制模板絕熱性能優(yōu)越的木制模板,且為了延長脫模時間,準(zhǔn)備了橋墩全面積用量的模板；與此同時為了準(zhǔn)確測定混凝土的內(nèi)部溫度,以便于與解析值進(jìn)行對比,在結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部設(shè)置了溫度傳感器,以準(zhǔn)確測定混凝土的內(nèi)部溫度。

4 裂縫產(chǎn)生抑制措施的效果

4.1 橋墩內(nèi)部歷時溫度的測定結(jié)果

為了確認(rèn)裂縫產(chǎn)生抑制措施的效果準(zhǔn)確性,使解析值與實測值能夠進(jìn)行比較,將溫度傳感器的位置設(shè)定在與溫度解析相同的位置(圖6中共有4處),構(gòu)造物內(nèi)部實測的歷時溫度見圖7。

從實測的結(jié)果看,實測的最高溫度比解析值下降了13 ℃。另外通過施工組織調(diào)整,將模板的存置期間最長設(shè)定為48 d,延緩了溫度的急劇下降。由于鋼管中空部下部需要澆筑填充混凝土,送風(fēng)制冷措施的作用在第2澆筑區(qū)上部到第3澆筑區(qū)才開始顯現(xiàn)。

圖6 溫度傳感器設(shè)置位置(單位：mm)

圖7 CH4測點(diǎn)橋墩內(nèi)部實測溫度變化曲線

4.2 裂縫情況

底板混凝土在澆筑約1個月后,軀體部的混凝土在澆筑約2個月后,確認(rèn)產(chǎn)生了裂縫。施工實際產(chǎn)生的裂縫位置見圖8。

與解析計算的預(yù)想裂縫產(chǎn)生位置圖比較可以看出,裂縫基本上產(chǎn)生在預(yù)測位置。從產(chǎn)生位置及產(chǎn)生時期看,其主要原因是混凝土的溫度應(yīng)力所引起,但產(chǎn)生的頻率大大低于解析值。裂縫的產(chǎn)生限定在第一澆筑區(qū),其主要原因可以推測為以下2點(diǎn)。

(1)第1澆筑區(qū)鋼管中空部澆筑了填充混凝土,送風(fēng)降溫措施的效果沒能涉及到該區(qū)域,防寒養(yǎng)生結(jié)束時混凝土的內(nèi)部溫度沒有得到充分的下降。

(2)在第2澆筑區(qū),軀體部的應(yīng)力被底板部所約束,不能充分釋放導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

圖8 裂縫產(chǎn)生位置(1/4模型)

5 結(jié)語

日本近年來從充分利用有限資源的危機(jī)感出發(fā),提出了打造200年木結(jié)構(gòu)和千年混凝土結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化的機(jī)理看,解決了混凝土的開裂和鋼筋的銹蝕這2個主要問題,“千年混凝土結(jié)構(gòu)”的目標(biāo)可能不會僅僅是夢想。

鋼管混凝土復(fù)合構(gòu)造結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、重載發(fā)展和承受惡劣條件的需要,符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求,是結(jié)構(gòu)工程科學(xué)的一個重要發(fā)展方向。我國國土廣闊,混凝土的冬季寒冷期施工非常普遍,防止構(gòu)造物開裂也是一個重要課題。作為施工管理者,應(yīng)對應(yīng)各種事態(tài),從施工組織設(shè)計階段檢討裂縫的產(chǎn)生可能,采取合適的措施,提高工程的施工質(zhì)量。在裂縫產(chǎn)生時應(yīng)調(diào)查究明產(chǎn)生原因,以利于工程施工水平的提高。

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