大跨径V型结构桥梁高性能混凝土的研究与应用

李海卿,田桃涛

(中交第二航务工程局有限公司,广东 珠海 519000)

前言

大跨径连续梁桥是我国建桥史上跨度规模最大工程、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。它代表着中国乃至世界桥梁建设的最高水平,被称作世界桥梁的之称。

大跨径连续梁桥有单悬臂梁和双悬臂梁两种。单悬臂梁是简支梁的一端从支点伸出以支承一孔吊梁的体系；双悬臂梁是简支梁的两端从支点伸出形成两个悬臂的体系悬臂梁桥有单悬臂梁和双悬臂梁两种。两种体系构造比较复杂、行车不够平顺,目前已较少采用。

大跨径连续梁桥建设中面临了四大挑战条件：气象条件差,面临着大风、季风、龙卷风等的威胁；水文条件复杂；基岩埋藏深；加剧了建设难度。这就要求采用的混凝土不仅具有强度高,还应具有高弹模、高密实度、低渗透性、高体积稳定性、高耐久性和大流动性,即采用高性能混凝土。在这一重大工程中,高性能混凝土的制备、基本性能以及长期耐久性问题得到了广泛关注,直接关系到整个桥梁结构的耐久寿命和安全性。

1 工程概况

1.1 工程主要情况

福州市马尾大桥及其接线工程位于福州市南台岛东端北侧,横跨闽江,沟通南台岛与马尾区、中心城区,是连接马尾新城马尾片区与仓山片区的重要桥梁,同时也是南台岛向宁德、浙江方向辐射的重要通道。

项目起于环岛路的终点,快速部分以高架桥上跨福泉高速,沿规划红线往东北展现,经纵七路,上跨南江滨道路,跨越闽江,至闽江北岸后,上跨北江滨道路后,跨越福马铁路、福马路,最后主线快速接上机场高速公路二期。

马尾大桥为城市快速路,计算行车速度80km/h,按双向八车道设计,两侧设非机动车道、人行道,桥面宽度42.5米,满足内河Ⅱ级、1000吨级海轮通航标准(单孔双向通航净宽191.2米,通航净高不小于24米)。

马尾大桥及其接线工程采用BT模式进行建设,该项目由主桥、南连接线和北连接线3个部分组成,南岸接线长约1.9公里,北岸接线长约2.8公里,跨江段桥长约1.684公里,道路全长约6.384公里；具体建设内容：福州马尾大桥及其接线桥梁工程、桥下道路工程、照明工程、管网工程、交通工程、互通立交、绿化工程、监控工程等。工程总投资约35.4亿元,南、北接线合同工期为720天,马尾大桥合同工期为900天,是目前福州城区规模最大的跨江大桥。

马尾大桥跨江段桥梁包括1～18#墩,其桥孔跨布置为71+9×83+71+71+83+123.5+240+123.5+83+71=1684m,为多孔V型变截面连续箱梁结构,其中主跨采用V型空腹式钢-砼混合连续箱梁,跨中92m采用钢箱梁,其余部分全部采用预应力混凝土结构,截面为单箱双室直腹板截面。桥墩采用顺桥向变厚度实心墩,墩顶设两层装饰檐,基础采用群桩结构。

南、北接线包括高架桥及地面辅道,其中北高架桥部分各含两条主线桥及12条匝道,南接线桥梁部分包括两条主线桥及15条匝道。高架桥上部为整体连续箱梁结构,墩身为花瓶式实心墩,基础为钻孔灌注桩。

本项目的建设,对沟通与疏散闽江两岸、推进城市“东扩南进”以及促进马尾新城的开发建设起着举足轻重的作用。

1.2 工程结构形式

马尾大桥跨江段桥梁结构为多跨空腹式连续箱梁,分主、副桥两部分,且左右分幅,全长1684m。副桥孔单幅11跨,桥跨组合为71+9×83+71=889m,主桥孔单幅7跨,桥跨组合为71+83+123.5+240+123.5+83+71=795m。其上构箱梁主要由V型结构(分为上下弦、交叉横隔)和悬臂段、合龙段组成,除240m主跨跨中90m为钢箱梁+左右各6.5m钢-混结合段外,其余桥跨均为混凝土箱梁。桥面按双向八车道设计,单幅箱梁横断面为单箱双室结构,宽20.25m。

桩基础分为端承桩和摩擦桩两类,桩径为2.2m的桩共236根、1.8m的桩共26根,合计262根,桩身上段设计永久钢护筒。承台共37个,其中14#、15#墩2个主墩采用整体式承台,其余35个桥墩均采用左右幅分离式承台。跨江段墩身采用顺桥向变厚度实心墩,墩顶设两层装饰檐,增加景观效果。

马尾大桥跨江段桥型结构见图1～7组图。

图1 V型结构桥梁全景效果图

图2 白天V型结构桥梁效果图

图3 夜里V型结构桥梁效果图

图4 马尾大桥跨江段副桥桥型布置图

图5 马尾大桥跨江段主桥桥型

图6 主墩断面示意图

图7 连续墩断面示意图

1.3 V型结构混凝土施工控制要点

V型结构采用C55混凝土,由搅拌站集中拌制,混凝土罐车运输,泵车直接布料、浇筑。箱梁V撑支架现浇段结构及受力均较为复杂,加之纵向及竖向预应力管道集中,钢筋密集,混凝土方量大,为了确保质量并防止有害裂缝出现,浇筑时需采取必要措施减小混凝土水化热的产生,采用分层浇筑时,应合理确定分层的位置,并尽量减小各层混凝土龄期差,加强箱梁内外浇水养生,及箱内的通风降温,避免内外温差过大造成混凝土的开裂。

顺桥向浇筑顺序为从墩身到跨中,横桥向浇筑顺序为先底板后腹板、从下到上。由于V构下弦坡度较大,浇筑时应采取措施避免模板上浮和先浇砼溢出。浇筑时应分层分块浇筑,并保证大小里程对称浇筑,两边腹板对称浇筑,以避免对模板产生不均匀荷载,混凝土分层厚度为30,插入式振捣器进行振捣。顶表面的混凝土应压实抹平。混凝土初凝后,安排专人覆盖土工布、洒水养护,24小时保持湿润状态,养护时间不少于7天。

2 高性能混凝土的配合比设计与原材料

大跨径连续梁桥设计使用寿命为100年。因此,要求混凝土具有高耐久性；同时,在施工过程中应具有良好的工作性(大流动、可灌性、可泵性、均匀性等),良好的力学性能,早期强度高后期持续增长；良好的尺寸稳定性；合理的适用性与经济性等。为了满足这些要求,进行了高性能混凝土的配合比设计,提出了以抗裂性和耐久性为核心混凝土配合比设计的五大优化设计准则[1-8]。

2.1 高性能混凝土配合比设计

(1)低用水量

指在满足工作性条件下尽量减少用水量。混凝土高拌合水量的后果是：抗压和抗折强度降低、吸水率和渗透性增大、水密性降低、干缩裂缝出现的几率加大、砂石与水泥石界面粘结力和钢筋与混凝土握裹力减小、混凝土干湿体积变化率加大和抗风化能力降低。一般高性能混凝土用水量要求不大于165Kg/m3。

(2)低水泥用量

系指在满足混凝土工作性和强度条件下,尽量减小水泥用量,从而减少混凝土的收缩、降低混凝土的温升、提高混凝土的抗裂性和抵抗环境因素侵蚀的能力。

(3)最大堆积密度

系指优化混凝土中集料的级配设计,获取最大堆积密度和最小孔隙率,以便尽可能减少水泥砂浆的用量,来达到降低含砂率,减少用水量和水泥用量之目的。该法则是计算混凝土配合比的基础,根据这一法则来确定配合比中的浆集比与砂率,可确保混凝土的强度、耐久性与经济性。

(4)水胶比

在一定范围内,混凝土的强度与水胶比成反比。减少水胶比,混凝土的抗压强度和体积稳定性提高。但为保证混凝土的抗裂性能,水胶比应适当,不宜过小,过小的水胶比易导致混凝土自生收缩增大。

(5)活性掺合料与高效减水剂双掺

活性掺合料与高效减水剂双掺,可以发挥二者的超叠加效应,显著降低用水量,减小水胶比,控制水泥用量,密实混凝土内部结构,保证混凝土力学性能持续稳定的发展,并可明显提高混凝土的耐久性。

2.2 高性能混凝土原材料及性能

大跨径连续梁桥建设过程中,将优选原材料作为提高混凝土质量的重要保证环节,通过多次调研、试验比较,进行混凝土原材料的优选。

水泥：采用江苏泰州杨湾海螺P.O 42.5级普通硅酸盐水泥,其物理化学性能见表1,各项指标均符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

表1 水泥物理化学性能检测结果

粉煤灰：采用福建大唐电厂F类I级粉煤灰,其物理化学性能见表2,各项指标均符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准中I级要求。

表2 粉煤灰性能检测结果

矿粉：采用福建源鑫S95级矿粉,其物理化学性能见表3,各项指标均符合GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准中S95级要求。

表3 矿粉性能检测结果

细集料：采用福建闽江中砂,其检测结果见表4,各项指标均符合GB/T 14684-2011《建设用砂》标准中Ⅱ区要求,为非活性细骨料。

表4 细集料检测结果

粗集料：采用福建三通海花岗岩碎石,5-20mm、5-25mm两种连续级配,其检测结果见表5,各项指标均符合GB/T 14685-2011《建设用碎石、卵石》标准中Ⅰ类要求,为非活性粗骨料。

表5 粗集料检测结果

外加剂：采用中交武汉港湾新型材料有限公司LN-SP、江苏苏博特新材料有限公司的PCA-I(内含降粘引气组分)减水率大于25%聚羧酸类高性能减水剂。其检测结果见表6,各项指标均符合GB 8076-2008《混凝土外加剂》标准中高性能减水剂技术指标要求。

表6 外加剂性能检测结果

水：采用仓山区饮用水,其物理性能检测结果见表7,各项指标均符合JGJ 63-2006《混凝土用水标准》标准中预应力混凝土用水要求。

表7 水的物理性能检测结果

3 桥梁高性能混凝土配制与应用

依据大跨径连续梁桥挂篮施工的特点,重点针对大跨径桥梁240m连续梁钢混结构,从混凝土性能的具体技术要求、混凝土原材料的质量控制和优选、高性能混凝土配合比的设计和优化、高性能混凝土的制备和性能等方面开展了较为系统和深入的研究。

3.1 大跨径V型结构桥梁高性能混凝土结构特点与设计要求

大跨径V型结构桥梁包括现浇的V形空腹箱梁,其主要特点为：

(1)配筋密集,泵送施工,要求混凝土流动性大、保水保塑性好,且具有良好的外观质量。

(2)预应力混凝土结构,要求混凝土强度高、刚度好(弹性模量大),收缩徐变小,以减少混凝土结构的预应力损失。

(3)空腹箱梁属薄壁结构,面积较大,混凝土易产生塑性开裂,且钢筋保护层厚度较薄。

(4)预应力现浇箱梁采用C55预应力混凝土,配合比设计要求如下：

A要求84d氯离子扩散系数小于2.5×10-12/s；

B 初始坍落度160-200mm,扩展度500～600mm；

C 混凝土凝结时间控制：初凝时间控制在20小时；

D 胶凝材料最小用量、水胶比满足规范要求；

E 混凝土拌合物和易性良好,坍落度和流动度损失小；

F 混凝土坍落度经时损失控制：1小时坍落度损失不超过20mm；

G 混凝土含气量2.5-4.0%。

H 考虑混凝土结构回弹强度满足要求,应严格监控混凝土振捣及养护。

大跨径连续箱梁均采用C55高性能混凝土,具体技术要求为：设计强度等级为C55,工作性好,收缩变形性好,混凝土抗裂性、抗渗性、抗碳化和抗钢筋锈蚀能力优于同等级的普通混凝土。

3.2 高性能混凝土配合比

对于大跨径连续梁采用3个不同的配合比设计方案,优化后三种配合比列于表8中,在高性能混凝土中掺入大量矿物掺合料可明显改善混凝土的变形性能,减小收缩徐变,提高抗裂性。

表8 C55桥梁高性能混凝土配合比

3.3 高性能混凝土性能

(1)混凝土工作性与力学性能

根据表8制备的三组连续桥梁高性能混凝土黏聚性、保水性良好,无泌水现象,工作性良好；具有较高的力学性能,早期强度发展较快,压缩弹性模量达40GPa以上。

(2)混凝土变形性

大跨径连续桥梁混凝土的变形性能和抗裂性,试验结果表明采用P.O 42.5水泥+掺入30%-50%的矿物掺合料可明显改善混凝土的变形性能和抗裂性。混凝土从成型到初凝这段时间内的塑性收缩(凝缩)测得的数据作时程曲线。混凝土凝缩值随胶凝材料用量的增大而增大,成型后3h内,凝缩值迅速增加,6h后基本稳定。三组试件的凝缩值都不大于600×10-6m/m。

(3)混凝土耐久性

大跨径连续桥梁混凝土具有良好的耐久性,掺30%-50%矿物掺合料的箱梁C55高性能混凝土抗渗等级可达P12以上,抗冻性可达F300,28d标准碳化深度在5mm左右,并具有良好的抗钢筋锈蚀性能。采用NEL法(CCES01-2004)对大跨径连续桥梁高性能混凝土抗氯离子渗透性进行试验。混凝土氯离子扩散系数与时间成指数关系,随时间延长而不断降低,7d以后氯离子扩散系数降低基于缓慢。三组混凝土试件的84d氯离子扩散系数相差不大,均小于2.5×10-12/s,具有良好的抗氯离子渗透性。

3.4 工程应用

大跨径连续桥梁采用挂篮施工技术,均采用以上配合比施工,从现场施工效果和质量来看,所配制的大跨径连续桥梁高性能混凝土具有良好工作性、力学性能和抗裂性。见图8V型结构桥梁施工过程组图。

图8 V型结构桥梁施工过程图

4 结论

在大跨径连续桥梁重大工程建设中,高性能混凝土的制备、基本性能及长期耐久性受到高度重视。为了保证桥梁混凝土的耐久性和长期寿命,本文针对桥梁主体结构部位分别从结构特点及要求、原材料、高性能混凝土的配合比与性能进行研究,得出以下结论：

(1)大跨径连续梁桥均采用不同的混凝土配合比,混凝土配合比参数变化不大,具有良好的工作性、力学性能和耐久性；混凝土要求具有很好的和易性和可泵性以满足泵送要求,采用大掺量矿物掺合料和高性能外加剂双掺技术及适当提高含砂率、增大流动性和保水性、提高可泵性的技术路线,保证了泵送浇筑施工要求。

(2)本文的研究工作紧密结合大跨径连续梁桥工程建设,与项目现场试验室进行了频繁的讨论、分析、学术交流和现场试拌,实行了全程质量跟踪和技术服务,及时将科研成果进行转化和应用,并从多个角度和环节提出了高性能混凝土生产应用的技术要点,建立了相应的耐久性保障体系,直接为工程实践提供了有力指导。从现场施工效果和质量来看,所配制的大跨径连续梁桥高性能混凝土均具有良好的综合性能,较好地满足了工程设计和施工的要求。

[1]中国工程建设标准化协会标准.高性能混凝土应用技术规程CECS 207-2006[S].北京：中国计划出版社,2006．

[2]中国土木工程学会标准.混凝土结构耐久性与施工指南CECS 01-2004[S].北京：中国建筑工业出版社,2005．

[3]住房和城乡建设部标准定额司.工业和信息化部原材料工业司.高性能混凝土应用技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社,2014．

[4]冯乃谦.高性能与超高性能混凝土技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2015．

[5]冯乃谦.高性能混凝土结构[M].北京：机械工业出版社,2004．

[6]中华人民共和国行业标准.公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTG/T B07-01-2006[S].北京：人民交通出版社,2006．

[7]中华人民共和国行业标准.公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-2011[S].北京：人民交通出版社,2011．

[8]李海卿.绿色高性能混凝土原材料的选用与质量控制[J].混凝土世界,2017．