武汉天兴洲公铁两用长江大桥薄壁宽墩身施工裂缝控制技术.pdf

6 桥梁建设 2 0 0 7 年第 5 期 文章编 号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 7 ) 0 5 0 0 0 6 0 3 武汉天兴洲公铁两用长江大桥薄壁 宽墩身施工裂缝控制技术 林世 发 ， 王远 锋 ( 中铁 大桥局 集 团第 三工程 有 限公 司 ， 广 东 广 州 5 1 0 8 0 0 ) 摘 要： 针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥北 引桥薄壁宽墩的特点， 提 出薄壁宽墩身混凝土 施 工裂缝控 制的措施 。实践证 明 ， 采取这 些措施 对 裂缝控制 效 果是 明显 的 。 关键词 ： 客 运专线 ； 桥 墩 ； 裂缝控 制 ； 施 工工 艺 中图分 类号 ：u4 4 5 5 5 9 文献标 识码 ： a te c h n i q u e s f o r cr a c k co nt r o l i n co n s t r u c t i o n o f th i n w a l l a nd w i d e pi e r s ha f t s o f w u h a n ti a n x i ng z ho u c h a n g j i a n g ri v e r ra i l 。 c a m - ro a d b r i d g e l i n s h i - f a， wa ng y u a n f e n g ( th e 3 r d e n g i n e e r i n g c o ，i t d ，c h i n a z h o n g t i e ma j o r br i d g e e n g i n e e r i n g gr o u p，gu a n g z h o u 5 1 0 8 0 0，ch i n a ) ab s t r a c t ：i n t he l i g ht of t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f t he t hi n wa l l a n d wi de pi e r s o f t he no r t h a p p r o a c h s p a n s o f wu h a n ti a n x i n g z h o u ch a n g j i a n g ri v e r ra i l c u m ro a d br i d g e ，t h e me a s u r e s f o r c r a c k c on t r o l i n c o nc r e t e c ons t r u c t i o n o f t h e s h a f t s o f t h e p i e r s we r e pu t f o r wa r d pr a c t i c e p r ov e s t ha t t h e e f f e c t o f t h e c r a c k c on t r o l b y t h e m e a s u r e s i s no t a b l e ke y wo r d s ：p a s s e ng e r de d i c a t e d r a i l wa y；p i e r；c r a c k c on t r o l ；c o ns t r uc t i o n t e c h no l o gy 1 概况 武 汉天兴 洲公铁 两 用 长江 大 桥 ( 下 文 简称 天 兴 洲大桥) 正桥为 ( 9 8 +1 9 6 +5 0 4 +1 9 6 4 - 9 8 )m双塔 三索面斜拉桥 ， 全桥长 1 0 9 2 m， 位于武 昌青 山至汉 口谌家矶 一线 ， 大桥 中线 与长 江 主 流正 交 。北 岸 引 桥 0 0 2 8号墩 为公 铁合 建段 ， 铁路桥 面宽度 按正线 4线设 计 ， 客 运 专 线 与 i级 线 各 2线 ， 墩 身 长 度 为 2 5 7 3 o 4 m， 宽 度 为 4 8 m， 高 度 为 2 3 2 3 7 2 m。墩身底节 2 m 及墩身顶节 3 m 范围均为实心 段 ， 中间段壁厚为 1 m， 桥墩具有薄壁宽墩的特点。 为保证桥墩结构的安全性和耐久性， 尤其是避免墩 身混凝土在施工过程 中产生开裂 ， 须对薄壁宽墩结 构 的裂缝成 因进行 分 析 ， 并 在施 工 中制定 预 防 控制 措施 和处理 方法 。 2混凝土桥 墩施 工裂缝 成 因分 析 混 凝 土结 构 既具 有抗 压 极 限强度 高的优 点 ， 又 具有抗 拉强度 较低 、 受拉 时抗变形 能力小 、 容易开 裂 等缺点 。混凝 土结 构 所产 生 裂缝 主要 有 温度 变 化 、 混凝土 收缩 以及构造 物约束 条件 影响引起 的裂缝 。 2 1温度 变化引起 的裂缝 混 凝 土具 有 热胀 冷缩 性 质 ， 当外 部环 境或 结 构 内部温度发生变化 ， 混凝土将发生变形 ， 若变形受到 约束 ， 则在结 构 内将 产生应 力 ， 当应力超 过混凝土 抗 拉 强度 时 即产 生温度 裂缝 。 2 1 1 水泥水 化热 的影 响 水 泥在 水 化过 程 中要 释 放 出大量 热 量 ， 由于 混 凝土的导热性能较差 ， 在 自然散热条件下 ， 热量在混 收稿 日期 ：2 0 0 7 0 6 2 6 作者简介 ： 林世发 ( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 9 6年 毕业于西安公路交通大学桥梁工程 专业 ， _t学学 f ： 。 维普资讯 武汉天兴洲公铁 两用 长江大桥薄壁宽墩身施工裂缝控制技术 林世发 ， 王远锋 7 凝 土 内部 聚集并 导 致 水化 温 升 。但 在浇 筑 初 期 ， 混 凝 土的强度 和弹性 模 量 都 很低 ， 因此 对 水 泥水 化 热 急剧 温升 引起 的变形 约 束 不大 ， 相应 的温 度应 力 也 比较 小 ， 不会 产生 裂缝 。随着 混凝土 龄期 的增 ， 弹 性模量急剧增高， 对 混凝土降温收缩变形 的约束也 越来越 强 ， 并产 生很 大 的拉 应力 ( 温度 应力 ) ， 当混 凝 土 的抗 拉强 度不足 以抵抗 这 种 拉 应力 时 ， 便 会 出现 温度裂缝 。 2 1 2外 界气 温变 化 的影 响 混 凝土 在施工 阶段受 外 界气 温影 响体 现在 2 个 方 面 ： 一是 外 界 气 温 越 高 ， 混 凝 土 的浇 筑 温 度 也 越 高 ； 二是 外界气 温 下 降 ， 又增 加 混 凝土 的降 温 幅度 ， 特别是气 温骤 降 ， 会 大 大增 加 外 层 混凝 土 与 内部混 凝 土 的温度梯 度 ，形成“ 冷击 ” 。混 凝 土 的内部 温度 是 水化热 的绝热 温 升 、 浇 筑温 度 和 结构 的散 热 度 等 的叠加 ， 而温度 应力 则 是 由温 差 所 引起 的温 度 变形 所 造成 的 ， 温差越 大 ， 温度应力 也越 大 。 2 2收缩 引起 的裂缝 在实 际 工 程 中 ， 混 凝 土 因收缩 引起 的裂 缝是 最 常 见 的。在混凝 土 收缩 种 类 中 ， 塑性 收 缩 和 缩水 收 缩 ( 干缩 )是发 生混凝 土体 积变形 的主要 原 因 。 2 2 1塑性收缩 混凝 土拌 制 后一 段 时 间 内 ， 水 泥 的水 化 反应 激 烈 ， 分子链 逐渐形 成 ， 出现 泌水 和 体 积缩 小 现 象 ， 这 种体 积缩小 称为 塑性收缩 ( 凝 缩 ) 。塑性收缩 发生 在 混凝 土拌 和后 约 3 l 2 h ， 此 时 混 凝 土 仍 处 于 塑 性 状态 。混凝 土 凝 缩 导 致 骨 料 受 压 和水 泥 胶 结 体 受 拉 ， 故其既可使水泥与骨料结合紧密 ， 又可使水泥石 产生裂缝 。由于混 凝 土 浇筑 后 不 久 ， 从 凝胶 体 中析 出 的晶体不 多 ， 所 以凝 胶 体粒 子 间 主要是 物 理 性 接 触 。塑性 变形 能 力 较 大 。因此 只 要加 强 早 期 养护 ， 不使混凝 土表 面干燥 ， 一般 不会 开裂 。 2 2 2缩水 收缩 混凝土结硬以后 ， 随着表层水分逐步蒸发， 湿度 逐步降低 ， 混 凝 土体 积 减 小 ， 称 为 缩 水 收缩 。因混 凝土表层水分损失快 内部损失慢 ， 因此产生表面收 缩 大 、 内部收缩 小 的不 均匀 收缩 ， 表 面 收缩变 形受到 内部混凝 土 的约 束 ， 致 使表 面混凝 土承受 拉力 ， 当表 面混凝土 承受拉 力 超过 其 抗 拉强 度 时 ， 便 产 生 收缩 裂缝 。混 凝土硬 化后 收缩 主要就是 缩水 收缩 。混凝 土收缩裂缝 的特 点是 大部 分 属 表 面裂缝 ， 裂缝 宽度 较 细 ， 且纵 横交错 ， 成龟 裂状 ， 形 状 没有任何 规律 。 2 3 约束条件的影响 混凝 土 结构 在 变形 变 化 中 ， 必 然 受到 一 定 的约 束 ， 阻碍其 自由变 形 。桥梁 墩 身 的外 部 约 束 指桥 墩 的边 界条 件如桥 墩 承 台 、 墩 身 模 板 等对 桥 墩墩 身 混 凝 土变形 的约束 。当桥 墩 承台 与墩身混凝 土浇 筑间 隔时间较 长 ， 墩 身混 凝 土 收缩 变 形 时 承 台阻碍 墩 身 混凝 土 的收缩 ， 当其 所产 生 拉 应力 超 过 混凝 土 抗 拉 强度 时 ， 墩 身便 产 生裂 缝 。承 台约束 所 产 生裂 缝 一 般在 墩身 中心线 附近 ， 为 竖 向裂 缝 。墩 身 混凝 土 浇 筑初期 ， 桥 梁墩 身模 板 对 其起 约 束 作用 。若 拆 模 较 早 ， 释放 了混凝 土所 受 握裹 力 ， 混 凝 土 向外 放 张 ， 若 所受 拉应力 超过 混凝 土抗拉 强度 时 ， 即产 生裂缝 。 3主 要施 工工艺 措施 3 1 合理选 择混凝 土材 料及 配合 比 混 凝 土 配 合 比选 用 了水 化 热 较 低 的 硅 酸盐 水 泥 ， 掺 加 了具有 早 强 、 缓 凝功 能 的外加 剂 f d n 5 ， 选用坚 固耐久 、 级 配合格 、 颗粒 良好 的 5 2 6 5的碎 石 ， 砂 采用细度 模数 2 7的 中砂 ， 保证 了混凝 土 良好 的和易性 ， 从根 本 上 保证 混 凝 土 的质 量 。配 合 比采 用 “ 双掺 技术 ” ， 在混 凝 土 中掺 入 级 粉煤 灰 取代 部 分 水泥 ， 以降低 水 化热 ， 在 混 凝 土 中掺 用 高 效 减 水 剂 ， 延 长混凝 土初凝 时间 ， 延缓混 凝土水 化热 峰值 出 现的时 间 。墩 身混凝 土配合 比见 表 1 。 表 1 墩 身 c 3 0混凝土配合比 k g m 。 水泥 粉煤灰 砂 石 水 f d n-5 55 85 75r 1 1 34 1 7 n ? 77 3 2 缩 短承 台与底节 墩身施 工 的时间差 混凝土在不同的龄期其收缩不一样， 前期收缩较 大 ， 后期收缩较小 。为了能够尽量 减小承 台与底节墩 身的收缩差异 ， 在天 兴 洲大桥 北 引桥 的施 工过程 中 ， 通过精心组织 安排 与周密的准备 ， 将 承台与墩 身底节 的施工时间差最大限度地缩短， 使得承台与墩身底节 混凝土 的收缩尽量 一致 ， 减小 了混凝土 的拉应力 。 3 3布置循 环水 管 为了降低硬化过程 中混凝土的内外温差 ， 在底 节墩 身 的范 围 内按 间距 为 1 m 布置 直 径 为 4 8 mm 的循环冷却水管。水管为钢管 ， 壁厚为 3 2 mm。 混 凝 土在 浇 筑 的过程 中 ， 当混凝 土 覆 盖冷 却水 管后 即开始通 水 ， 通水 时 注 意测 量 进 水 口及 出水 口 的水温 ， 安排 专人 进 行测 量 和记 录 。控 制进 出 水 的 温度差 在 6 c以 内。如 果进 出水 温 度 差超 出 6 c， 可 以在进水 口处加 设 增压 水 泵 ， 增 加 管 内水 的 流量 和流速 ， 使 得 混凝土 内部 的水化热 能够 及时导走 。 3 4 增设防裂钢筋网 在底节墩身 5 m 高度范围内沿墩身外侧 ( 预留 维普资讯 8 桥梁建设 2 0 0 7 年第 5期 3 c m 保 护层 ) 布置 1 层直径 为 3 mm、 网格 尺寸 为 1 0 c m1 0 c m 的 防裂 钢筋 网 。 3 5 采用“ 福 特斯 ” 透水模 板布 为 了较早 地提 高 混凝 土 表 面 的强度 和 密实性 ， 在钢模 板 的内侧贴 了 1层 “ 福 特 斯 ” 透 水模 板 布 ， 薪 浇筑 的混凝 土在振捣 后表 面的水分 能通过 透水模 板 布 的毛细 纤 维 排 出 。使 得 混 凝 土早 期 强 度 得 以提 高 ， 还 可 以增 加混凝 土表面 的密实性 ， 对 混凝土 表面 裂缝 的控制 可起到一 定作 用 。 3 6 控制 混凝 土 入模 温度 在 夏季施 工中混凝 土 人模 温 度 控制 在 3 0 以 内 。为 了能够保 证 混凝 土 的 入模 温 度 ， 主要 从 混凝 土 的原 材料温度 着手 。对搅拌 混凝 土的用 水采取 降 温措施 ， 天兴洲 大桥 北 引桥 在 对 水 的降 温过 程 中 采 取设置冷却水塔的方法， 先将搅拌用水的温度降到 1 5 ， 骨料搭 设 防晒棚 ， 避 免 阳光直 射 ， 并 且 在骨 料 表面用 冷水进 行 冲洗冷 却 ， 确 保搅 拌 出 来 的混 凝 土 在规定 的温度 以 内。 3 7 推 迟模板 的拆模 时间 在混凝土前期硬化的过程 中对湿度 的要求较 高 ， 过早拆 除外模 ， 会加 速 混凝 土 表 面 的收 缩 ， 从 而 导致收缩 裂缝 的产 生 。 因此 ， 天兴 洲 大 桥北 引 桥 的 墩身施工过程中， 延迟外模的拆模时间， 一般拆模时 间控制在 7 d ， 保 证 混凝 土 内外 收缩 一致 ， 最 大 限度 地控制 了混凝 土收缩裂缝 的产生 。 3 8 在 墩身周边 布置 养护水 管 如 果处 于潮 湿 的硬 化 环境 ， 混 凝土 在 硬化 的 过 程 中体积 不但 不会 缩 小 ， 反 而会 有 微小 的膨 胀 。因 此 ， 天兴 洲大桥北 引桥 薄壁宽墩 身在 施工过 程 中 ， 当 拆模后 马上在墩 身 的顶 部 布置 1圈养护水 管 。养 护 水管用 直径为 5 c m 的 p vc管 ， 在水 管 靠 近混 凝 土 面一侧每隔 1 0 c m钻一直径为 3 mm 的出水孔 ， 出 水孔沿墩身通长布置。在墩身旁边设置一体积 为 1 0 m。的储 水箱 ， 进 水 管直接用 高 压水 泵输 送 ， 养护 水通过 p vc管 的 出水孔 均 匀 地 喷洒 在 墩身 的外表 面 ， 能够 很好地保 证 墩 身整 个 外 表面 处 于潮 湿 的养 护环境中， 为混凝土创造 了很好的潮湿硬化环境 ， 从 而大大降低了因内部混凝土水化热而产生的温度应 力和避免 了混凝 土收缩 裂缝 的产生 。 3 9 合 理布置 混凝土下 料点 ， 加强振 捣 为了保证混凝土的施工质量， 合理布置混凝土 的下 料点 。下 料点 按 1 5 m 一 个呈 梅 花形 布置 ， 下 料 高度控制 在 5 0 c m 以内 。这样 能够很 好地避 免混 凝 土下料过 程 中离 析 现象 的 发生 。同时 ， 在 混凝 土 施工 前做好 班前 技术交 底和技 术培训 工作 。加 强混 凝土 的振捣 ， 避免 混 凝 土 由于 过振 而 造成 的骨料 分 层 的现象 发生 ， 从 而避 免 了疏松 裂缝 的产生 。 4桥墩混 凝土 裂缝的 处理 通过 对 桥墩 混凝 土 的原 材 料 、 配合 比及 工 艺等 方面 加强预 防措施 ， 有效 减 少 和避 免 了墩 身 裂缝 的 发生 ， 满足 客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂 行标准 ( 铁建设 2 0 0 5 1 6 0号)第 8 2 1 0条要求 的： 混凝土表面裂缝 宽度 不得 大于 0 2 m m。但 在施 工过程 中有个 别桥 梁墩身 中心线 附近 发现 宽度 约为 0 1 5 mm竖向裂缝。虽然裂缝宽度满足规范要求， 但 是为了提高混凝土的耐久性 ， 对裂缝进行封闭修补。 修补采用从加拿大引进的赛柏斯 ( xy p e x) 材 料 。这种材 料具有 渗透 、 增 强 、 耐久 、 无 污染 的特点 。 涂装 时将其 以灰 浆形 式 涂在 清 理 过 的混凝 土 表 面 ， 它会 在含有 水分 的混 凝 土表层 毛细孔 中进 行催 化结 晶反应 ，