斜拉索桥主塔防开裂的措施研究

朱曙光 刘金平

（1、湖南省核工业地质局三O 四大队（下属长沙中核工程监理咨询有限公司），湖南 长沙 410000 2、长沙中核工程监理咨询有限公司，湖南 长沙 410000）

1 斜拉索桥主塔概况

菊花湾大桥主塔为H 形钢筋混凝土结构。主塔自承台顶以上塔高106.475 米，主梁路冠顶面以上高75.0 米。主梁结构顶面以上7.5m 处及以下7.5m 处分别为材料分界线，下分界线以下采用C40 混凝土，上分界线以上采用C50 混凝土，两道分界线之间为C55 混凝土。

为了减小塔柱自由长度，改善塔柱受力性能，增强大桥景观效果，在距塔顶41 米处设置一上横梁。上横梁以上部分称为上塔柱，上横梁以下至主梁结构顶面以上称为中塔柱，主梁梁底以下承台以上称为下塔柱。上塔柱高41m，中塔柱高34m，下塔柱高31.475m。

横桥向上塔柱及下塔柱均为铅垂布置，中塔肢向外倾斜，斜率为12：340；纵桥向主塔不倾斜。上塔柱两塔肢间距为28.5m，下塔柱两塔肢间距为30.9m。主塔上塔柱及中塔柱采用单箱单室截面，下塔柱考虑船撞设计为实心截面。上塔柱横桥向宽度3.5m，顺桥向宽度为6m；中塔柱横桥向宽度为3.5m，顺桥向宽度由6m 渐变至7.345m；下塔柱横桥向宽度由3.5m 渐变至7m，顺桥向宽度由7.345m 渐变至8m。

主塔上横梁采用箱型截面，跨中梁高3m，支点梁高4m（与主塔交接处）。顺桥向宽5.2m，采用单箱单室截面，壁厚顶底板厚0.6m，腹板厚0.8m。

主塔下横梁采用箱型截面，梁高3.6m（路冠处），顺桥向宽7.0m，采用单箱单室截面，顶板壁厚0.5m，底板厚0.8m，腹板厚1.2m。

2 施工总部署

2.1 主塔节段划分

根据主塔的结构特点，分成19 个节段浇筑，外模模板体系为液压自爬模，内模为井筒平台模板体系，节段浇筑高度控制6.0m（铅垂距离）以内。根据塔柱结构变化，整个塔柱施工分成5个典型施工区段：下塔柱施工节段（①-⑤节段），0#块施工节段（第⑥节段），中塔柱施工节段（⑦- 11节段），上横梁施工节段（第 12、 1 3节 段），上塔柱至塔尖（1 3 - 19节段），具体节段划分见图1。

图1 主塔施工节段划分图

2.2 塔柱混凝土各节段标号

根据主塔设计图纸及施工节段，①至④节段浇筑C40 混凝土，⑤至⑧节段及主梁0#块浇筑C55 混凝土，⑨节段以上部分及上横梁浇筑C50 混凝土。

2.3 塔柱施工部署

主塔塔柱施工除下塔柱第一节外均采用爬模爬架施工，下横梁与塔柱同步施工，上横梁施工等爬模爬架经过后再进行施工，即塔梁异步施工。

2.4 主要施工方法及工艺要点

2.4.1 塔柱施工施工方法介绍

下塔柱为实心段，第①节段采用大块木模施工，节段垂直高度为6m，完成第①节段浇筑后，在第②节段安装爬模系统、下平台立杆及平台铺板，挂设好安全网，在进行混凝土浇筑时应控制好混凝土上口浇筑高度并确保混凝土面的平齐。对于液压爬模不能兼顾的地方，应搭设临时跳板，以确保安全施工。

在第③节段浇筑时，安装导轨及吊装平台，在进行混凝土浇筑时应控制好混凝土上口浇筑高度并确保混凝土面的平齐。

2.4.2 塔柱施工工艺流程

承台完成施工并预埋主塔钢筋→第①节段钢筋、冷却水管安装→第①节段模板安装→第①节段混凝土浇筑→第①节段模板拆除、切割→第②节段钢筋、冷却水管安装→第②节段模板及爬模系统安装→第②节段混凝土浇筑→第②节段模板拆除、切割→第③节段钢筋、冷却水管安装→第③节段模板及导轨系统安装→第③节段混凝土浇筑→第③节段模板拆除、切割→爬模爬升→施工④、⑤、⑥节段→0#块施工→上塔柱施工→上横梁施工（即塔柱与上横梁异步施工）。

2.4.3 主塔施工模板

主塔施工的爬模体系由进口Visa 面板、H20 木工字梁、横向背楞和专用连接件组成。面板与竖肋（木工字梁）采用自攻螺丝正面连接，竖肋与横肋（双槽钢背楞）采用连接爪连接，在竖肋上两侧对称设置两个吊钩。两块模板之间采用芯带连接，用芯带销固定，从而保证模板的整体性，使模板受力更加合理、可靠。木梁直模板为装卸式模板，拼装方便，在一定的范围和程度上能拼装成各种尺寸大小的模板。

3 混凝土开裂机理及早期裂缝控制的原则

3.1 混凝土开裂机理

混凝土是胶凝材料，颗粒状集料，水，以及必要的外加剂和掺合料按一定比例配制是一种抗压强度高而抗拉强度较低的人工石材，为不均质体。施工时由于各种原因：如温度变化、模板支架刚度不够、胶凝材料化学反应、凝结时材料的收缩、膨胀、不均匀沉陷等导致产生裂缝；还有由外部影响引起的裂缝；养护条件不当和人为破坏引起的裂缝等。

混凝土发生开裂必须具备三个条件：收缩变形的大小、约束的程度、实时的抗拉强度。

3.2 早期裂缝控制原则

已有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。早期开裂主要是影响因素是收缩，收缩的内在动力是温度和湿度的变化。砼开始凝固水化热相应较大，高强混凝土胶凝材料用量高，收缩性大，温度和收缩变形所致开裂可能性大；高性能砼由流态变为固态，湿度发生质的变化。为了减小早期裂缝的产生，就要采取防温度变化的措施，做好湿养护防止表面水蒸发过快，同时尽量用低水化热的水泥；另外从结构和材料上提高混凝土的抗裂性能，结构上在应力较大或收缩易变形部位增加配筋或设置防裂网，砼材料上可掺入纤维类或提高材料的抗拉性。

3.3 高塔柱混凝土产生裂缝的类型与预防

高塔柱混凝土主要裂隙类型有温度裂缝，失水收缩裂缝、沉陷裂缝、自收缩裂纹、干燥收缩裂缝、碳酸化化学反应引起的裂缝。

主要预防措施从材料上、设计配合比、施工工艺上综合统筹考虑。采用中低热水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量，控制好水灰比，同时掺加合适的外加剂和合适的活性掺和料，提高砼材料本身的抗拉性能，改善混凝土的搅拌和施工工艺，控制混凝土的入模温度，在大体积混凝土内部设置冷却管道，通冷水或者冷气冷却，减小混凝土的内外温差，对混凝土的浇筑完成及时进行全覆盖湿养护，延长混凝土的养护时间；另外增加构造措施和施工工艺控制。

4 菊花湾大桥主塔防裂研究

主塔采用高性能混凝土，砼体积大，形状也变化大，工序较多，施工工艺复杂，导致开裂的因素较多，开裂是多因素综合造成。控制裂缝从原材料质量控制、配合比设计，混凝土的生产、运输，施工用支架要、模板，施工振捣，养生，结构设计，质量控制手段等多方面综合考虑。因此需要各环节上把关。

主塔是一种“回”型箱体结构，桥塔均有一定的壁厚，混凝土材料传热性和周期性温差变化下，内外壁会出现传热性和热效应“滞后”现象，塔内外温度差明显，容易形成不同的温差和收缩差，产生弯拉应力，与自约束应力叠加，也可能导致裂缝出现。为减少主塔裂缝的产生，研究从以下几个方面着手：

4.1 整体顶升模板，保证混凝土施工质量和接缝质量，在施工过程中把握好顶升时间和养护时间，即确保砼质量又提升工程进度。

采用了进口Visa 面板、H20 木工字梁、横向背楞和专用连接件组成，模板有足够的强度和刚度刚度，且支撑牢固，拉杆抗拉强度要有足够的富余系数，采用了双螺帽。模板拆除的时间控制合理，通过上述措施，有效控制了塔柱产生沉陷裂缝。

4.2 劲性骨架外侧设置防裂钢筋网。

劲性骨架外设置防裂钢筋网，加强主墩在构造面的一个整体性，防止表面混凝土开裂，增强混凝土抗裂能力；钢筋焊接网是在工厂由全自动、智能化生产线制造而成，网片钢度大，弹性好，间距均匀准确，焊接点强度高。网状结构的钢筋网，能把载荷均匀分布扩散，加上钢筋网同混凝土粘结锚固性好，能有效改善混凝土表面的抗裂性能，防止表面开裂。

4.3 采取高性能混凝土

（1）优化配合比。

（2）对于大体积混凝土布设冷凝管降温。

（3）控制混凝土入模温度。

（4）加强混凝土施工的过程管控。

（5）加强砼养生。

4.3.1 配合比优化

在保证强度的前提下减少混凝土发热量，即尽量减少水泥水化热，诸如采用水化热低的水泥、减少水泥用量、加入粉煤灰和高效减水剂等。

（1）外加剂：掺量1.05%缓凝型减水剂，以减少水泥的用量，减缓水化热的发生速度。

（2）掺合料：砼中掺入一级粉煤灰，利用粉煤灰的活性 有减少部分水泥用量，同时改善了砼的和易性和可泵性，粉煤灰的掺入降低了水化热，减少砼升温过快。其掺量见配比。

（3）粗、细骨料：采用5～25mm 连续级配的反击破碎石，碎石母岩本身强度大于70Mpa 以上，石子含泥量控制不大于1%，细集料砂子用优质河砂，含泥量不得大于2%。

4.3.2 配合比中碱含量计算

碱过高会缩短水泥凝结时间，增大需水量，为有效控制混凝土骨料发生碱集料反应，吸水膨胀，导致混凝土的损伤和开裂等，严重的会破坏混凝土结构，故通常要求碱含量低于3.0kg/m3。

C50 塔柱配合比为：水泥（P.O42.5）：拌合水：细骨料（II 区中砂）：粗骨料（5～25mm）：掺合料（F 类I 级）：外加剂（PCA®-I）=1:0.32：1.30：2.32：0.1113：0.0117；水泥用量485kg/m3水灰比0.32。

C40 塔柱配合比为：水泥（P.O42.5）：拌合水：细骨料（II 区中砂）：粗骨料（5～25mm）：掺合料（F 类Ⅱ级）：外加剂（PCA®-I）=1:0.43：1.95：3.05：0.175：0.0123；水泥用量366kg/m3水灰比0.43。

C50 主桥塔柱配合比设计坍落度为160～200；C40 塔身配合比设计坍落度为140～180，在拌制混凝土之前要严格控制原材料全部为合格优质材料，拌制混凝土过程中严格控制水胶比，不可随意加水，要严格控制坍落度及混凝土的流动性，若流动性不满足要求可以适当调整外加剂。

检测普通硅酸盐42.5 水泥碱含量为0.53%；检测粉煤灰碱含量为1.47%；检测PCAR-I 高性能减水剂总碱量为0.66%。

根据配合比对以总的碱含量进行计算：

C40 塔身配合比中水泥用量为366kg/m3×0.53%=1.94kg/m3；粉煤灰用量为64kg/m3×1.47%=0.93kg/m3;0.94kg/m3×0.2=0.19kg/m3；外加剂用量为4.52kg/m3×0.66%=0.03kg/m3碱含量总计2.16kg/m3，满足要求。

C50 主桥塔柱配合比中水泥用量为485kg/m3×0.53%=2.57kg/m3；粉煤灰用量为54kg/m3×1.47%=0.79kg/m3;0.79kg/m3×0.2=0.158kg/m3；外加剂用量为5.66kg/m3×0.66%=0.04kg/m3碱含量总计2.77kg/m3，满足要求。

4.4 对于大体积混凝土布设冷却管降温

菊花湾大桥主塔下塔柱为大体积实心混凝土，宜埋设冷却管降温，并设置测温点，加强对内外温度的监控。

4.4.1 冷却水管埋设

为消除温度应力，在浇筑混凝土前，预埋钢管作冷却水管，冷却管用钢管外径42mm，壁厚3.5mm，钢管布置上下层120cm,水管间距1m。为保证冷却管不被混凝土浆液堵塞，在混凝土开始浇筑时就通水以保证冷却水的正常循环。通过循环冷却水确保混凝土内外温差不大于20℃。当混凝土内部温度和环境温度差小于20℃时，可以停止通入循环水。（图2）

图2 菊花湾大桥主塔冷却管布置图

冷却管降温要求如下：（1）冷却管层间距为1.2m 且各层进出口水管均高出分层浇筑施工节段(节段高度按4.5m 计)顶面1m。（2）冷却管采用热传导性能较好、并有一定强度的输水管(Φ42×3.5)。（3）冷却管在埋设及浇筑混凝土过程中应防止堵塞漏水和震坏。（4）冷却管自浇筑混凝土时即通入冷水，通水时间应至温度峰值过后。（5）根据具体情况在控制混凝土水化热的前提下，可适当调整输水管布置。（6）确定输水量，并对流量，水温做完整的施工记录。（7）冷却管使用完后，即灌浆封孔，并将伸出节段顶面部分截除。（8）冷却管平面位置和每层高度可根据承台内钢筋布置做适当调整，以期不设或少设冷却管架立钢筋。（9）施工前对大体积砼进行温控设计。

4.4.2 混凝土的测温

为保证已浇筑砼的质量，便于及时调整施工方法，避免砼的温度裂缝，需严格对砼进行温度控制。

（1）测温方法：①测点布置：设在每一施工段节的底部、中下部、中部、中上部和表面，其垂直间距控制在600-800mm，水平间距控制在1200-1500mm，在测温点部位埋设电子测温元件和设置一部分PVC 管测温孔，②采用电子测温仪测温和温度计测温。电子测温仪接通预先埋设的电子测温元件，测温仪将直接显示埋设点的内部温度；温度计吊入PVC 管测温孔人工读数，测温人员记录各点温度并随时分析温度变化的幅度。

（2）测温控制：大体积砼浇筑完成后，早期水化强，温度升高较快，后期降温较慢。根据此特征，布置测温时间安排，测温从砼浇筑完成后2h 开始至3 天内，每隔2h 测温一次，到砼内部温度出现下降以后，每隔4h 测一次，当砼内部测试温度与大气温度之差（日最低气温）小于25℃，可停止测温。在测温过程中，若发现砼最高温度与砼表面温差20℃，或砼表面与大气温差超过25℃时，即时对结果进行分析，并对水量进行调整，使内外温差降低到20℃以下，并用流出的热水对砼表面进行养护。严格控制内外温差不超过20℃。

通过内外温差控制在20℃以内，塔柱在浇筑3 天内未产生裂缝，继续养生，7 天、28 天观测塔柱未发现裂缝。

4.5 控制温凝土入模温度

控制混凝土入模温度一般高于25℃。夏季浇筑混凝土应降低温度，用冷水或加冰屑拌和混凝土、降低骨料温度，必要时再采取预冷粗骨料的措施。但混凝土浇筑温度太低时，受环境较高温度影响的表面硬化较快，内部温度升高时产生膨胀，会使先硬化的表面受拉而开裂。在夏季施工，要采取冷水浇筑模板外侧面、设置遮盖避免阳光直射、在下午开始降温或晚上浇筑等措施，并控制入模温度最高不超过30℃。

冬季混凝土内部温度远高于气温，内部水化快，温差较大，易产生开裂。冬季为提高混凝土浇筑温度，通过加热水搅拌的方式，若骨料温度高于5℃,拌和水的加热温度不宜高于70℃，若骨料的温度低于5℃，拌和水的加热温度宜高于70-80℃，但搅拌投料顺序为投入骨料和已加热的水，搅拌均匀后，再投入水泥；另砼运输罐外包毛毯保温等，确保冬期施工入模温度不宜低于5℃。

4.6 加强混凝土施工的过程管控

4.6.1 浇筑顺序：为避免的约束和砼的不均匀的沉降，对较厚的混凝土浇筑，用分层浇筑；对平面面积较大的，可采用分段浇筑；对平面面积较大的以及较厚的混凝土浇筑，可采用分层分段浇筑结合使用。主塔柱采取分层浇筑，对塔柱与下横梁同时浇筑，可能会因下横梁现浇支架沉降在交接处产生裂缝。相反，采取恰当的浇筑顺序会减少开裂，如先浇筑下横梁砼使支架提前加压稳定，再浇筑塔柱。

4.6.2 浇筑时分层：柱塔结构的平面尺寸较大，采用全面分层的方式，做到第一层全面浇筑完毕，回来浇筑第二层时，第一层浇筑的砼还未初凝，如此逐层进行，每层300-400mm 厚，直至浇筑完毕。

4.6.3 加强振捣管控：混凝土浇筑时振动棒应与布料密切配合，砼振捣时应选用机械插入式高频振动器，做到垂直插入、快插慢拔、逐点移动，不得漏振，振动器的插点间距为1.5 倍振动器的作用半径(一般为300～400mm)，并相互吻接，插入下层混凝土50mm，以消除两层之间的接缝，振动时间10～15 秒，以砼表面泛浆，不出气泡为准，不可过振。振捣时严防坡脚、钢筋密集部位、转角、预应力锚垫板周围、塔柱同上下横梁联结部位漏振，防止底板筋下和锚箱周围混凝土不实。模板外侧设置附着式高频振动器，要根据混凝土的浇筑进度和高度，适时开启，不能空振和过振。

4.6.4 重视表面保护：在气温骤降频繁的季节，对重要部位新浇筑的混凝土，进行顶面、侧面的表面保护，或推迟拆模时间或在模板内衬保温材料等办法。

4.6.5 采用微膨胀混凝土技术：这是利用氧化镁在水泥水化过程中的变形特性，使混凝土产生延迟性微膨胀体积变形，在特定约束条件下，产生预压应力，补偿混凝土降温收缩的拉应力，防止产生裂缝的技术。如塔柱与上横梁异步施工时，先施工塔柱，再施工上横梁，为避免新旧混凝土界面出现裂缝，上横梁混凝土添加微膨胀剂。

4.7 采取必要的措施改善结构受力

4.7.1 在塔柱内侧合适的高度设置钢管对撑，每10-15 米设置一道，防止在塔柱与下横梁结合部外侧因拉应力产生裂缝。（图3）

图3 钢管对撑安装示意图

4.7.2 在上塔柱斜拉索锚固应力集中区设配置环形预应力筋，即抵抗拉索在箱壁内产生的拉力，又能提高混凝土的抗裂性能，防止砼产生裂缝。（图4）

图4 环形预应力筋布置图

4.7.3 下横梁、上横梁支撑体系直到体系转换时拆除。

4.7.4 加强塔内通风，在塔身两侧，设置通风孔；施工浇筑一段砼后，从下部用高压风机吹风，形成塔内与塔外空气对流。

4.8 加强砼养生

应在混凝土还处于塑性时开始冷却表面。夏季可在浇筑混凝土时，向模板表面浇凉水，以推迟混凝土温峰时间，并降低温峰；混凝土内部达到温峰后开始降温时则应控制降温速率，避免在混凝土升温后尤其是在温度最高时拆模，更不能立即浇凉水。冬季尽量使用导热系数小的模板（如主塔爬模面板采用了Visa 木模），以减小混凝土中心和表面的温差。

另外，注意养护的时间不得少于7 天，如添加了粉煤灰，最好延长至14 天。

5 结论

5.1 对于“回”型结构的厚壁箱型塔柱，浇筑时尽量减少水化升降温导致的拉应力，用低水化热的胶凝材料，高性能混凝土配比设计，控制砼入模温度、采取降温措施，减少内外温差。

5.2 施工时增加模板刚度和密封性，加强振捣与养生，控制混凝土施工质量，防止出现砼不密实和养护不到位产生裂缝。对高塔柱增加一些临时支撑，防止拉压应力的产生。

5.3 设计时，增加构造配筋或增设防裂钢筋网，在索塔区增加环形预应力筋，能减少裂缝的产生。

综上，通过对菊花湾斜拉桥主塔防开裂的预研，并在施工过程中采取了正确的防治措施，基本消除了斜拉索桥主塔开裂问题，在提升混凝土斜拉桥整体施工质量的同时，为今后类似的高、大体积混凝土预防裂缝作了有益的尝试。