鄂东长江公路大桥桥塔关键部位混凝土耐久性研究.pdf
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1、鄂东长江公路大桥桥塔关键部 位混 凝土耐久性研究 胡斯彦 , 常 英 , 彭 晓彬 , 贺 鹏 5 3 鄂东长江公路大桥桥塔关键部位混凝土耐久性研究 胡斯彦 。 常英 , 彭晓彬 , 贺鹏 ( 湖北省交通规划设计院, 湖北 武汉 4 3 0 0 5 1 ) 摘 要 : 鄂 东长 江公 路大桥主桥为主跨 9 2 6 m 的混合梁斜拉桥 , 桥塔采 用“ 风翎” 式结构 。为确保大桥 l O O年 的全寿命周期 , 对 桥塔 关键 部位混凝土耐久性设计进行 研究 。通 过优化桥塔构造 、 优化混凝 土原材料配 合 比、 在施 工 过程 中对水化热进行控制 、 对 施工顺序及间隔时 间进行合 理安
2、排 , 有效地控制桥塔 混凝 土裂 缝 , 为 大桥运营期 间 的良好 耐久性提供 了保障 。 关键词 : 斜拉桥 ; 桥塔 ; 混凝土 ; 耐久性; 设计 ; 研 究 中图分类号 :U4 4 8 2 7 ; U4 4 2 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) O 4 0 0 5 3 0 4 1 引 言 当前工程结构设计方法正在 由单纯的强度设计 向重视耐久性设计转变 , 因此在桥梁设计中也需对 桥梁耐久性问题进行研究并采取 相应 的措施 , 以延 长结构的使用寿命 , 节省桥梁在运营期维修加 固及 养护的成本 。影 响桥梁混凝 土耐久性
3、 的主要 因素 有 : 钢筋锈蚀 、 冻融 、 硫酸盐侵蚀 和碱集料反应等 。 为确保混凝土具有高工作性、 高抗渗性 、 优 良体积稳 定性和抗 裂性 , 对混凝 土的原材 料选购 , 配 合 比设 计 , 混凝土拌和 、 浇筑、 振捣、 养护以及结构构造的优 化等方面提出了要求 。同时, 防腐蚀措施 的选择应 根据构件 的重要性 、 使用年 限、 所处 的腐蚀环境 、 结 构部位 、 施工可能性 、 维护方 法以及防腐材 料来源 等 , 经技术经济 比较后确定 。 2工 程概 况 鄂东长江公路大桥是沪蓉高速公路和大广高速 公路共用 的跨越长江通道 , 大桥全寿命周期确定为 1 0 0年 。大
4、桥主跨 为 9 2 6 m混 合梁斜 拉桥 , 桥塔采 用“ 凤 翎 ” 式结 构 1 ( 见 图 1 ) 。南 塔 高 2 3 6 5 m, 位 于 岸滩干处 , 承台的平面尺寸为 4 2 m2 3 2 5 m, 高 8 m 2 ; 北塔高 2 4 2 5 m, 位 于水 中, 承 台平 面尺寸为 4 2 mX 2 9 5 m, 高 8 m。承 台均采用 C 4 0混凝土 , 桥塔承台以上部分的上塔柱 , 上、 中塔柱连接段 , 中 塔柱 , 中 、 下 塔 柱 连 接 段 , 下 横 梁 和 下 塔 柱 均 采 用 C 5 0 混凝土。其 中, 中、 下塔柱为普通钢筋混凝土结 构 ; 上塔
5、柱索塔锚固区内设置钢锚箱 , 为钢一混凝土 组合结构 ; 上、 中塔柱连接段与下横梁为预应力混凝 土结构 。 j ( a )北塔立面 堑 1 1 + 趔 尺 寸单 位 : ( b )南塔立面 标高单位:m 图 1 桥塔构造 示意 桥塔是主桥能否经受百 年风雨考验 的关键部 位 , 应重视其耐久性设计 , 并加强 日常管养及监测 , 降低其病害发生频率 。病害一旦发生 , 应及时维修 加 固, 使其不对桥梁寿命和服务水平产生影响。 3 桥 塔承 台大体 积 混凝 土 防裂 为使桥塔承台的混凝土施工、 养护更为方便 , 将 北 塔承 台顶 标高定 在 1 5 m, 施工 期 间承 台均在 水 面
6、以下 , 可采用钢套箱 围堰施工 , 外界条件较恒定 ; 将 南塔承台顶标高定在 2 1 m, 基本 与地 面线齐平 , 承 台在开挖基坑中施工( 见图 2 ) , 便于回填保温。 3 1 混凝土原材料优选及配合 比优化 考虑大体积混凝土的施工要求 , 桥塔承台混凝 收稿 日期 : 2 O l 1 0 3 0 4 作者简介 : 胡斯彦 ( 1 9 8 O 一) , 男 , 工程师 , 2 0 0 2年毕业于武汉理工大学交通土建专业与经济学专业 , 工学、 经济学 双学士( E ma i l : h u s i y a n 一 2 0 0 1 1 6 3 c o rn) 。 糍章 f 千 辫卜
7、姐* _( 凶国器慷辑如一 丰 鼙 f 一 丰 辫导 脒蜒 辫 一醐辑一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 4期 图 2南 塔承 台施 工现 场 土降低了胶凝材料用量 , 以降低热强比, 确保水化热 绝 热温升 不超 过规 定 的温控 标准 。严 格控制 混凝 土 的水灰比尽量接近最低水灰 比, 以提高混凝土 的密 实性 , 从而增强混凝土的抗腐蚀性能。 结合鄂东长江公路大桥的实地材料条件 , 工程 选择混凝土原材料为 : 水泥采用华新 P S 3 2 5 ; 粉 煤灰采用 阳逻电厂 I级灰; 砂采用上巴河中砂, 细度
8、 模数 2 8 ; 碎石采用 5 2 5 mm二级级配; 外加剂采 用上海通广久产品。桥塔承台混凝土配合比见表 1 。 表 1承台 C 3 5混凝土配合 比 k g m。 2 6 6 1 4 7 5 9 1 0 93 1 3 9 Z 4 5 4 3 2 大体积混凝土的温控措施 承台大体积混凝土 由于水化热作用 , 浇注后将 经历升温期 、 降温期和稳定期 3 个阶段 , 在这个阶段 中混凝土的体积也 随之伸缩 , 混凝土体积变化受到 约束就会产生温度应力 , 当应力超过其抗裂 能力时 混凝土就会开裂 。此种裂缝通常并不会继续发展 , 但在 一定 程度 上会 影 响结 构 的耐久 性 。 为保证
9、施工期间混凝土能 良好地散热 , 承台混 凝土分 2层浇注 。在承台内布置 了内径 3 2 mm 的 循环冷却水管 , 间距为 1 1 1 2 , 冷却水管单根长度不超 过 1 6 0 m, 以便加快散热 , 减小 内、 外温差。混凝土 浇注到各层冷却水 管标高后开始通水 , 各层混凝土 温 度峰值 过后 尽快 减缓 或停 止通水 。升温 时段 通 水流量应使流速达到 0 6 5 m s以上 , 形成紊流 ; 降 温时段可通过水阀控制减缓通水 , 以层状 流态冷却 混凝土。温控水管进 出水 口处不得采用金属管 , 以 免 留下结构钢筋和钢材 的腐蚀通道, 并适时对管道 压 浆封 闭 。 4 桥
10、 塔下 塔柱 混凝 土防裂 鄂东长江公路大桥桥塔塔柱为单箱单室断面 , 两根塔柱在 中塔柱顶处合二为一 。南塔下塔柱尺寸 由 1 2 5 6 6 m7 7 0 6 m 变 化到 1 2 8 8 7 m8 5 m, 北 塔 下 塔 柱 尺 寸 由 1 2 5 6 6 m x 7 7 0 6 m 变 化 到 1 3 0 m8 5 1 T I , 下塔 柱塔 壁厚 为 1 8 I I 1 。 4 1 构造优化措施 承台与下塔柱连接处混凝 土截面刚度变化大, 为使塔柱的力更均匀地传递给承台, 截面 刚度变化 更均匀 , 并考虑整体造型及景观要求 , 在下塔柱设置 了元 宝 形混凝 土 结 构 。为 减
11、 少结 构 的次 应 力 , 元 宝 形混凝土块在横桥 向轴线处设 2 c m断缝 , 其问填塞 橡胶止水带 。元宝形混凝土块与下塔柱按整体受力 考 虑 。 经计算, 下塔柱矩形断面的最不利拉应力位置 出现在棱角处 , 为了分散应力、 增加景观效果且有利 于抗风 , 塔柱截 面的 4个角均设置 1 5 m0 5 I T I 的倒角 。将优化后 的下塔柱截面重新导入计算模型 后 , 其塔根部的应力状况较矩形截面塔柱有 了一定 的改善 , 减小 了混凝土开裂的风险。 桥塔下塔柱采用节段浇筑法施工, 因混凝土加 载龄期差异较大 , 后续施工节段受前节段 的约束而 产生应力, 在下塔柱 中心线附近出现
12、竖 向裂缝 。为 阻止下 塔柱 断面 长边方 向收缩裂缝 继续 发展 以及 预 防中塔柱可能产生的温度收缩裂缝 , 在 中、 下塔柱连 接段顺桥向塔壁增设 了少量 的纵 向预应力钢束 ( 见 图 3 ) 。 广 B L B ( a )A - A ( 横桥向) t J 4 s 1 5 2 4 ( b )B - B ( 顺桥向) 单位:c m 图 3 中 、 下 塔 柱 连 接 段 预 应 力 钢 束 布 置 示 意 各节段新、 老混凝土接缝处属薄弱环节 , 在接缝 处 的塔 柱外 壁加 设一层 直 径 6 mm、 间 距为 1 0 c m 1 0 c m 的 带 肋 钢 筋 焊 网 , 以增 强
13、 混 凝 土 表 面 抗 裂 性 能 。 4 2 施工优化措施 由于该桥下塔柱斜率较大 , 为控制塔柱变形 , 减 少根部的初应力和增加塔柱 的稳定性 , 施工时设置 了拉杆 , 并在下塔柱施工立模时设置一定的预偏量 , 待下横梁施工完毕且分批张拉前两 次横梁预应力 后, 方可拆除下塔柱 内设置的临时拉杆及下横梁支 架 ; 待 中塔柱合龙段施工完毕后 , 由上至下拆除中塔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 鄂东长江公路大桥桥塔关 键部位混凝土耐久性研究 胡斯彦 , 常英 , 彭 晓彬 , 贺鹏 5 5 柱横撑 , 第三次张拉最后一批横梁预应力 。经有限 元模型计算
14、分析显示 , 分批张拉下横梁预应力钢束 可有 效减 小施 工期 间塔 根部 的应 力 。为避 免 产生施 工裂缝 , 在下塔柱施工完成后再将塔肢 中间的元宝 形混凝土块与之浇筑成整体 。 施工 中应 尽量 缩短 塔柱 起步 段 与承 台混凝 土之 间的龄期 , 缩短下塔柱各节段 的施工时间间隔, 从而 防止该 区域 新 浇混凝 土 产生 裂缝 5 。 下塔 柱空心截 面混凝 土壁厚 相对于实心段较 薄 , 表面散热较快 , 在混凝土 中产生温度梯度 , 由此 导 致 的应 力足 以使 薄 壁表 面产 生 裂缝 6 ; 而 下塔 柱 首节段及中、 下塔柱连接段均为实体 , 应按照大体积 混凝土施
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