港珠澳大桥预制桥墩裂缝控制技术研究

2016-11-08 by:CAE仿真在线来源:互联网

工程概况

1.1 总体规模

港珠澳大桥是一座连接香港、珠海和澳门的巨大桥梁,全长为49.968公里,主体工程 “海中桥隧”长35.578公里,总投资约729亿。港珠澳大桥的起点是香港大屿山,跨越伶仃洋、珠江口,最后分成Y字形,一端连接珠海,一端连接澳门。整座大桥将按六车道高速公路标准建设,设计时速为100公里,大桥的设计使用寿命为120年。

1.2 组成:包括三大部分

海中桥隧主体工程 
香港口岸及珠海、澳门口岸 
香港连接线、珠海连接线、澳门连接线

海中桥隧主体工程

东自粤港分界线,止于珠澳口岸人工岛,总长约29.6km。穿越伶仃西航道和铜鼓航道段为隧道方案,约6.75km ,其余约22.9km段采用桥梁方案,东、西人工岛各长约625m。

浅水区非通航孔桥

标准联:6孔一联,主梁:单箱单室分幅组合梁, 全宽33.1m,梁高4.3m。整幅墩身,钢管复合桩基础,承台和墩身预制安装,承台埋入海床。青州航道桥 “中国结”双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥桥跨布置:110+126+458+126+110=930m

1.3 出现的问题

港珠澳大桥CB03标段预制墩台包括非通航孔桥68个桥墩、通航孔桥4个桥墩,墩身采用C50 混凝土。

31#桥墩2013年1月31日开始浇筑,2 月21日浇筑完成,历时22天。承台+2.5m 墩身与接高墩身混凝土浇筑时间间隔为7 天,墩帽与接高墩身混凝土浇筑时间间隔为11天。

3月3日拆除墩帽外模时发现混凝土表面有裂缝。3月4日对墩帽混凝土裂缝进行观测。3月10日及3月18日对墩帽裂缝进行复测。3月19日发现承台+2.5m墩身与接高墩身施工缝上方存在裂缝。裂缝观测情况见表。

观测日期	裂缝情况说明
2013.3.4	墩帽长面各发现2条裂缝,4条裂缝均位于桥墩轴线两侧约1.4m处,竖向开裂,较顺直,裂缝长度见图。裂缝在距离施工缝1-2m范围最宽,约0.2mm,向上、下延伸。墩帽北面长面内部在对应部位观测到裂缝,墩帽南面长面内部未发现裂缝。
2013.3.10	1#、2#裂缝无变化;3#、4#裂缝向上延伸,3#裂缝长度由4.35m增加到4.78m,4#裂缝长度由4.75m增加到4.98m。
2013.3.18	1#-4#裂缝均无变化。墩帽与墩身施工缝下方发现裂缝,裂缝较短,裂缝观测情况见图。
2013.3.19	承台+2.5m墩身与接高墩身施工缝上方长面各发现2条裂缝,施工缝下方发现一条10cm长裂缝,北面长面2条裂缝距离桥墩轴线分别为0.7m、2m,南面长面2条裂缝距离桥墩轴线分别为1.9m、1.4m,竖向开裂较顺,裂缝长度见图。

2.混凝土早期开裂成因分析

由于刚浇筑完成的混凝土使用荷载并未作用,而施工荷载或自重通常可以通过支撑结构来传递,因此早期裂缝并不是因荷载因素造成的。可以认为绝大多数的 “早期裂缝”是由于变形因素造成的,确切地说,本工程的裂缝是收缩作用的结果。混凝土的收缩主要可分为两大类:温度收缩和湿度收缩。温度收缩包括大体积混凝土急剧温升后引起的温降收缩;与湿度相关的收缩包括混凝土因内外湿度条件变化引起的各种收缩,如干缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩等。另外,温度作用与湿度作用引起的收缩往往同时发生,相互作用。为了进一步明确预制桥墩裂缝产生的原因,下面分别进行温度应力。

3.预制桥墩温度应力仿真分析

3.1有限元模型的建立

应用有限元软件midas Civil,根据31#桥墩的实际尺寸建立有限元模型,如图3所示。根据混凝土配合比,胶凝材料水化热拆减系数取 0.79,单位体积混凝土水泥含量当量值为376kg。混凝土强度进展函数系数a取0.4,系数b取0.95。仿真分析模拟实际施工过程进行,仿真分析计算时间为30d。

3.2温度场仿真分析结果

墩身36h温度场如图所示,墩身内部温度随时间发展变化如图所示。

3.3 应力场仿真分析结果

墩身360h P1主应力场如图所示,墩身最大P1 主应力随时间发展变化如图所示。由图可以看出, 墩身裂缝实际出现位置与仿真分析结果比较接近。

4.预制桥墩温度及应变的原位测试

4.1应变传感器的埋设

为了解墩身混凝土内部温度和应力的实际发展变化规律,在墩身混凝土内埋设三层带有测温功能的应变计,每层布置5个,应变计的立面和平面布置示意图分别如图所示。

4.2温度测试结果

墩身内部混凝土实测温度曲线如图所示,与前面仿真分析结果对比,混凝土内部最高温度、温峰出现时间及温度发展变化规律与仿真分析基本一致。

4.3应变测试结果

墩身内部混凝土应变典型测点应变值随时间发展变化曲线如图所示。对比前面应力仿真结果, 实测应变发展变化规律与墩身主应力仿真分析曲线基本一致。

5.预制桥墩裂缝产生原因分析

根据墩身内部混凝土温度实测结果,当施工缝上下层混凝土浇筑时间间隔分别为7d时和11d时,施工缝上下层混凝土最大温差分别为 32.8℃和34.9℃。
根据墩身内部混凝土应变实测结果,当施工缝上下层混凝土浇筑时间间隔分别为7d时和11d时,施工缝上下层混凝土最大收缩应变差分别为232με和246με。
综合上述分析,预制桥墩产生裂缝的主要原因是由于混凝土浇筑存在时间间隔,造成施工缝上下层混凝土收缩的不同步,先浇筑的混凝土限制了后浇筑混凝土的收缩,这里的不同步收缩主要包括温度收缩和湿度收缩。随着龄期的增长,混凝土累积应变能超过某一极限时,将会发生能量的释放,从而导致混凝土开裂。

6. 预制桥墩控裂技术措施

根据上述两类导致本工程预制桥墩开裂的原因,同时结合现场施工实际条件,防裂技术措施主要从降低混凝土温度收缩、湿度收缩和提高混凝土的抗裂性能三方面着手。

6.1针对混凝土降温收缩的防裂技术措施

减小混凝土的降温收缩,可以通过降低混凝土内部最高温度来实现,主要有以下措施:

⑴降低混凝土的浇筑温度

⑵布置冷却水管原设计图中,墩身并未布置冷却水管。但为了达到防裂的目的,根据P1主应力分布特点,在距施工缝2m范围内布置冷却水管,施工缝2m以上部分仍保持和原设计一致,不布置冷却水管。墩身冷却水管布置如图所示。