港珠澳大橋預制橋墩裂縫控制技術研究

2016-11-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

工程概況

1.1 總體規模

港珠澳大橋是一座連接香港、珠海和澳門的巨大橋梁,全長為49.968公里,主體工程 “海中橋隧”長35.578公里,總投資約729億。港珠澳大橋的起點是香港大嶼山,跨越伶仃洋、珠江口,最后分成Y字形,一端連接珠海,一端連接澳門。整座大橋將按六車道高速公路標準建設,設計時速為100公里,大橋的設計使用壽命為120年。

1.2 組成:包括三大部分

海中橋隧主體工程 ?
香港口岸及珠海、澳門口岸 ?
香港連接線、珠海連接線、澳門連接線

海中橋隧主體工程

東自粵港分界線,止于珠澳口岸人工島,總長約29.6km。穿越伶仃西航道和銅鼓航道段為隧道方案,約6.75km ,其余約22.9km段采用橋梁方案,東、西人工島各長約625m。

淺水區非通航孔橋

標準聯:6孔一聯,主梁:單箱單室分幅組合梁, 全寬33.1m,梁高4.3m。整幅墩身,鋼管復合樁基礎,承臺和墩身預制安裝,承臺埋入海床。青州航道橋 “中國結”雙塔空間雙索面鋼箱梁斜拉橋橋跨布置:110+126+458+126+110=930m

1.3 出現的問題

港珠澳大橋CB03標段預制墩臺包括非通航孔橋68個橋墩、通航孔橋4個橋墩,墩身采用C50 混凝土。

31#橋墩2013年1月31日開始澆筑,2 月21日澆筑完成,歷時22天。承臺+2.5m 墩身與接高墩身混凝土澆筑時間間隔為7 天,墩帽與接高墩身混凝土澆筑時間間隔為11天。

3月3日拆除墩帽外模時發現混凝土表面有裂縫。3月4日對墩帽混凝土裂縫進行觀測。3月10日及3月18日對墩帽裂縫進行復測。3月19日發現承臺+2.5m墩身與接高墩身施工縫上方存在裂縫。裂縫觀測情況見表。

觀測日期	裂縫情況說明
2013.3.4	墩帽長面各發現2條裂縫,4條裂縫均位于橋墩軸線兩側約1.4m處,豎向開裂,較順直,裂縫長度見圖。裂縫在距離施工縫1-2m范圍最寬,約0.2mm,向上、下延伸。墩帽北面長面內部在對應部位觀測到裂縫,墩帽南面長面內部未發現裂縫。
2013.3.10	1#、2#裂縫無變化;3#、4#裂縫向上延伸,3#裂縫長度由4.35m增加到4.78m,4#裂縫長度由4.75m增加到4.98m。
2013.3.18	1#-4#裂縫均無變化。墩帽與墩身施工縫下方發現裂縫,裂縫較短,裂縫觀測情況見圖。
2013.3.19	承臺+2.5m墩身與接高墩身施工縫上方長面各發現2條裂縫,施工縫下方發現一條10cm長裂縫,北面長面2條裂縫距離橋墩軸線分別為0.7m、2m,南面長面2條裂縫距離橋墩軸線分別為1.9m、1.4m,豎向開裂較順,裂縫長度見圖。

2.混凝土早期開裂成因分析

由于剛澆筑完成的混凝土使用荷載并未作用,而施工荷載或自重通常可以通過支撐結構來傳遞,因此早期裂縫并不是因荷載因素造成的。可以認為絕大多數的 “早期裂縫”是由于變形因素造成的,確切地說,本工程的裂縫是收縮作用的結果。混凝土的收縮主要可分為兩大類:溫度收縮和濕度收縮。溫度收縮包括大體積混凝土急劇溫升后引起的溫降收縮;與濕度相關的收縮包括混凝土因內外濕度條件變化引起的各種收縮,如干縮、自收縮、塑性收縮、碳化收縮等。另外,溫度作用與濕度作用引起的收縮往往同時發生,相互作用。為了進一步明確預制橋墩裂縫產生的原因,下面分別進行溫度應力。

3.預制橋墩溫度應力仿真分析

3.1有限元模型的建立

應用有限元軟件midas Civil,根據31#橋墩的實際尺寸建立有限元模型,如圖3所示。根據混凝土配合比,膠凝材料水化熱拆減系數取 0.79,單位體積混凝土水泥含量當量值為376kg。混凝土強度進展函數系數a取0.4,系數b取0.95。仿真分析模擬實際施工過程進行,仿真分析計算時間為30d。

3.2溫度場仿真分析結果

墩身36h溫度場如圖所示,墩身內部溫度隨時間發展變化如圖所示。

3.3 應力場仿真分析結果

墩身360h P1主應力場如圖所示,墩身最大P1 主應力隨時間發展變化如圖所示。由圖可以看出, 墩身裂縫實際出現位置與仿真分析結果比較接近。

4.預制橋墩溫度及應變的原位測試

4.1應變傳感器的埋設

為了解墩身混凝土內部溫度和應力的實際發展變化規律,在墩身混凝土內埋設三層帶有測溫功能的應變計,每層布置5個,應變計的立面和平面布置示意圖分別如圖所示。

4.2溫度測試結果

墩身內部混凝土實測溫度曲線如圖所示,與前面仿真分析結果對比,混凝土內部最高溫度、溫峰出現時間及溫度發展變化規律與仿真分析基本一致。

4.3應變測試結果

墩身內部混凝土應變典型測點應變值隨時間發展變化曲線如圖所示。對比前面應力仿真結果, 實測應變發展變化規律與墩身主應力仿真分析曲線基本一致。

5.預制橋墩裂縫產生原因分析

根據墩身內部混凝土溫度實測結果,當施工縫上下層混凝土澆筑時間間隔分別為7d時和11d時,施工縫上下層混凝土最大溫差分別為 32.8℃和34.9℃。
根據墩身內部混凝土應變實測結果,當施工縫上下層混凝土澆筑時間間隔分別為7d時和11d時,施工縫上下層混凝土最大收縮應變差分別為232με和246με。
綜合上述分析,預制橋墩產生裂縫的主要原因是由于混凝土澆筑存在時間間隔,造成施工縫上下層混凝土收縮的不同步,先澆筑的混凝土限制了后澆筑混凝土的收縮,這里的不同步收縮主要包括溫度收縮和濕度收縮。隨著齡期的增長,混凝土累積應變能超過某一極限時,將會發生能量的釋放,從而導致混凝土開裂。

6. 預制橋墩控裂技術措施

根據上述兩類導致本工程預制橋墩開裂的原因,同時結合現場施工實際條件,防裂技術措施主要從降低混凝土溫度收縮、濕度收縮和提高混凝土的抗裂性能三方面著手。

6.1針對混凝土降溫收縮的防裂技術措施

減小混凝土的降溫收縮,可以通過降低混凝土內部最高溫度來實現,主要有以下措施:

⑴降低混凝土的澆筑溫度

⑵布置冷卻水管原設計圖中,墩身并未布置冷卻水管。但為了達到防裂的目的,根據P1主應力分布特點,在距施工縫2m范圍內布置冷卻水管,施工縫2m以上部分仍保持和原設計一致,不布置冷卻水管。墩身冷卻水管布置如圖所示。