本發(fā)明屬于橋梁施工，具體來講，涉及一種超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及施工方法。

背景技術(shù)：

1、索塔是懸索橋和斜拉橋等纜索承重橋梁的主要承載構(gòu)件，隨著人們?nèi)找嬖鲩L的交通需求，橋梁不斷朝著超大跨度、超寬橋面的方向發(fā)展，對索塔的高度和斷面尺寸提出了更高的要求。索塔常見的類型有鋼筋混凝土塔、鋼塔以及鋼管混凝土塔。鋼橋塔由于要解決鋼壁板受力穩(wěn)定性問題，需要設(shè)計大量的加勁構(gòu)造，鋼筋混凝土橋塔混凝土用量大，分層澆筑施工周期長，且混凝土收縮開裂問題突出，影響結(jié)構(gòu)安全和服役壽命。鋼管混凝土橋塔用鋼量和混凝土用量分別顯著低于鋼橋塔和鋼筋混凝土橋塔，且施工便捷，經(jīng)濟(jì)性好，較鋼橋塔和鋼筋混凝土橋塔具有顯著優(yōu)勢。因此，越來越多橋梁選擇鋼管混凝土作為橋梁主塔，為了滿足超大跨度、超寬橋面的建設(shè)要求，所采用的鋼管直徑也越來越大，索塔高度也越來越高。

2、盡管我國在鋼管拱橋方面積累了大量工程實踐，但纜索橋梁的索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與拱橋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)存在顯著的區(qū)別，主要包括以下幾個方面，首先是結(jié)構(gòu)類型和尺寸不同，拱橋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)呈弧形，鋼管直徑通常較小，一般不超過1.5?m，索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)整體呈豎向，鋼管直徑普遍較大，對于超高索塔的鋼管直徑超過3?m；其次是施工方式不同，拱橋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在鋼管全部安裝結(jié)束后，通常采取頂升的方式灌注混凝土，索塔鋼管混凝土則采取豎向分段澆筑；最后是鋼管混凝土面臨的問題不同，拱橋鋼管混凝土主要面臨澆筑不密實、收縮脫空的問題，可通過采取自密實、無收縮混凝土加以解決，索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)除了面臨澆筑不密實和收縮脫空以外，對于超高索塔采用的超大直徑鋼管混凝土還面臨收縮開裂的難題。

3、需要指出的是，對于拱橋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其相當(dāng)于是在密封空間內(nèi)澆筑混凝土，所采取的自密實、無收縮混凝土在保障自密實填充的同時，需要同時解決塑性階段和硬化階段混凝土收縮脫空問題，而超高索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)除了需要混凝土自密實填充外，還需要解決硬化階段混凝土收縮脫空以及開裂的問題。由于索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)尺寸更大，其管內(nèi)混凝土溫度歷程和收縮歷程與現(xiàn)有拱橋鋼管混凝土有明顯的區(qū)別，溫升值更高，溫降收縮更大，混凝土在早期施工期以及長期服役期的收縮脫空風(fēng)險更高。與此同時，不同結(jié)構(gòu)對混凝土自密實性能的要求也存在差異。因此，現(xiàn)有相關(guān)的技術(shù)尚不能解決超高索塔用超大直徑鋼管混凝土面臨的澆筑不密實、以及收縮脫空及開裂難題，非常有必要提出針對性技術(shù)方案來滿足工程建設(shè)需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中超高索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)硬化階段混凝土收縮脫空以及開裂的問題，本發(fā)明提供了一種超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及施工方法，該鋼管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土填充密實、不開裂，且混凝土與鋼管在早期施工期及長期服役期全壽命周期內(nèi)不會出現(xiàn)脫空。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了下述技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種自密實混凝土添加劑，按質(zhì)量百分比計包括50%~60%鈣鎂復(fù)合膨脹劑、2.5%~4.5%水化溫升抑制劑和35.5%~47.5%流變改性劑。該添加劑可有效降低混凝土泵送阻力，同時可產(chǎn)生次第膨脹效應(yīng)，補(bǔ)償混凝土收縮。

4、所述鈣鎂復(fù)合膨脹劑包含氧化鈣40%~60%、活性值100s~140s的氧化鎂20%~40%。

5、所述水化溫升抑制劑為淀粉基水化熱調(diào)控材料，為市場上可購買產(chǎn)品，比如sbt?-tri混凝土水化溫升抑制劑。

6、所述流變改性劑由微珠、硅灰及分散劑組成，為市場上可購買產(chǎn)品，比如sbt?-hdc(iii)高性能混凝土流變改性材料。

7、通過所述自密實混凝土添加劑在自密實混凝土中使用，使其尤其適用于作為超大直徑鋼管混凝土，不發(fā)生脫空。

8、為了保證所述自密實混凝土在所述超高索塔用超大直徑鋼管中不發(fā)生脫空，所述自密實混凝土添加劑調(diào)控了混凝土的60d的長期膨脹歷程，其中所述鈣鎂復(fù)合膨脹劑水中7d限制膨脹率≥0.050%，轉(zhuǎn)空氣中21d限制膨脹率≥0.015%，轉(zhuǎn)空氣中53d限制膨脹率≥-0.015%，60℃水中限制膨脹率28d與3d的差值為0.030%~0.06%，60℃水中限制膨脹率60d與3d的差值為0.000%~0.030%；所述水化溫升抑制劑24?h水化熱降低率≥30%、7d水化熱降低率≤15%，水化熱達(dá)到30.0j/g的時間為20?h~30?h；所述流變改性劑流動度比≥105%，28d活性指數(shù)≥75%。

9、本發(fā)明還提供了一種超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，包括索塔鋼管結(jié)構(gòu)和自密實混凝土兩個部分；

10、所述索塔鋼管結(jié)構(gòu)包括索塔鋼管、內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)及外包附屬結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在索塔鋼管內(nèi)壁上的剪力釘、環(huán)板和加勁肋；所述外包附屬結(jié)構(gòu)包括包覆索塔鋼管的外包鋼殼；

11、所述自密實混凝土強(qiáng)度等級為c60~c80，每立方米混凝土中摻有100?kg~120?kg自密實混凝土添加劑，所述自密實混凝土添加劑按質(zhì)量百分比計包括50%~60%鈣鎂復(fù)合膨脹劑、2.5%~4.5%水化溫升抑制劑和35.5%~47.5%流變改性劑。

12、進(jìn)一步地，所述索塔鋼管高度≥300?m，索塔鋼管直徑為3?m~5?m。

13、進(jìn)一步地，所述剪力釘沿索塔鋼管內(nèi)壁水平弧面布置間距為0.3?m~0.6?m，沿索塔鋼管高度方向布置間距為0.5?m~1.0?m；所述加勁肋沿索塔鋼管高度方向布置間距為3?m~6m，上下相鄰的肋板相互垂直；所述環(huán)板沿索塔鋼管高度方向布置間距為1.5?m~3.0?m。

14、進(jìn)一步地，所述剪力釘長15?cm~25?cm，直徑10?mm~25?mm；更進(jìn)一步地，所述剪力釘為圓柱頭焊釘或螺紋螺柱中的一種或兩種。

15、進(jìn)一步地，所述環(huán)板厚1.5?cm~3?cm，寬15?cm~25?cm；更進(jìn)一步，所述環(huán)板上開有圓孔，圓孔直徑為5?cm~10?cm，圓孔中心距離索塔鋼管內(nèi)壁距離為5?cm?~10?cm，相鄰圓孔中心距離0.2?m~0.5?m。

16、進(jìn)一步地，所述肋板厚1.5?cm~3?cm，寬20?cm~50?cm；更進(jìn)一步地，所述加勁肋為一字型肋板。

17、進(jìn)一步地，所述外包鋼殼距離索塔鋼管的最小距離為5?cm~20?cm或不小于80?cm；所述外包附屬結(jié)構(gòu)采用厚1.5?cm~3.5?cm的任意形狀的外包鋼殼，外包鋼殼內(nèi)可設(shè)有1個或多個索塔鋼管。

18、在一些實施例中，所述自密實混凝土的制備原材料，以每立方米計，可以包括如下組分：水泥260~330?kg，粉煤灰90~140?kg，礦渣粉0~60?kg，自密實混凝土添加劑100~120kg，細(xì)骨料650~900?kg，粗骨料750~1000?kg，減水劑6~9?kg，拌合水135~155?kg。

19、另一方面，本技術(shù)提供了上述超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工方法，包括分段式混凝土澆筑，其需滿足以下條件：

20、（1）分段澆筑高度不超過70?m；

21、（2）控制混凝土坍落擴(kuò)展度650?mm~750?mm，t500≤8?s，倒置坍落度筒排空時間≤8s；

22、混凝土14?d絕熱溫升≤55?°c，7?d自生體積變形≥+200?με，60?d自生體積變形≥+150?με。

23、在一些實施方式中，可以通過調(diào)整混凝土的配合比使混凝土滿足上述條件（2）、（3）。比如，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，通過調(diào)整水泥用量以及礦物摻合料用量來使得混凝土絕熱溫升滿足要求，當(dāng)絕熱溫升超過的控制要求時，可降低水泥和礦渣粉用量，提高粉煤灰用量；通過調(diào)整粉體外加劑的摻量，使得混凝土t500、倒置坍落度、自生體積變形滿足要求；通過調(diào)整減水劑用量使得混凝土坍落擴(kuò)展度滿足要求，當(dāng)坍落擴(kuò)展度小于650mm時，可提高減水劑用量，當(dāng)坍落擴(kuò)展度＞750?mm時，則適當(dāng)降低減水劑用量。

24、進(jìn)一步地，為滿足工地施工實際需求，需控制混凝土在現(xiàn)場同條件下的初凝時間為35?h~45?h。

25、進(jìn)一步地，混凝土生產(chǎn)時，為了控制索塔鋼管混凝土最高溫度，還應(yīng)采取措施控制混凝土入模溫度，其中，當(dāng)日均氣溫＞25?°c進(jìn)行施工時，控制混凝土最高溫度≤80?°c，日均氣溫為10?°c?~25?°c施工時，控制混凝土最高溫度≤75?°c，日均氣溫＜10?°c施工時，控制混凝土最高溫度≤70?°c?？刂苹炷寥肽囟鹊姆椒òú捎媒档驮牧蠝囟?、片冰替代拌合水、包裹罐車、低溫時段施工等措施，其均為本領(lǐng)域常規(guī)的技術(shù)手段，本技術(shù)不作限制。

26、進(jìn)一步地，在鋼管混凝土澆筑完成后，采用厚1.5?cm~3.5?cm的鋼板密封索塔鋼管與外包鋼殼的頂面；當(dāng)外包鋼殼距離每個索塔鋼管的距離為5?cm~20?cm時，還應(yīng)將索塔鋼管和外包鋼殼夾層抽真空至壓力不大于-0.5?mpa。

27、為了實現(xiàn)超高索塔用超大直徑鋼管混凝土不脫空、不開裂，本發(fā)明將特定性能的混凝土澆筑在特定結(jié)構(gòu)的鋼管結(jié)構(gòu)中。

28、（一）索塔鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計

29、為了保證混凝土在鋼管內(nèi)填充密實、不脫空，對索塔鋼管結(jié)構(gòu)及自密實混凝土性能同時提出了要求，在索塔鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，涉及鋼管內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)及鋼管外包附屬結(jié)構(gòu)。鋼管內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)主要發(fā)揮兩個作用，一是提高索塔鋼管結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，二是提高混凝土與鋼管之間的粘結(jié)作用，防止出現(xiàn)脫空，但內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)并不是越多、越復(fù)雜越好，一方面，會增加鋼管加工難度及成本，另外一方面，可能會阻礙混凝土在鋼管內(nèi)的流動，導(dǎo)致混凝土與鋼管之間形成缺陷。鋼管外包結(jié)構(gòu)主要發(fā)揮兩個作用，一是對鋼管混凝土提供保溫作用，減小鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫度、太陽輻射的影響，保障鋼管與混凝土在長期服役過程中也不出現(xiàn)脫空，二是提高索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。

30、在各實施例中，為滿足索塔鋼管1高度≥300?m、直徑厚3?m~5?m的索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不脫空、不開裂需求，在索塔鋼管1內(nèi)部設(shè)計了包括剪力釘2、環(huán)板3和加勁肋5在內(nèi)的附屬結(jié)構(gòu)。

31、其中，剪力釘2為圓柱頭焊釘或螺紋螺柱中的一種或兩種，長15?cm~25?cm，直徑10mm~25?mm；相鄰剪力釘2沿索塔鋼管1內(nèi)壁水平弧面距離為0.3?m~0.6m，沿索塔鋼管1高度方向距離為0.5?m~1.0?m。環(huán)板3厚1.5?cm~3?cm，寬15?cm~25?cm，相鄰環(huán)板3沿索塔鋼管1高度方向距離為1.5?m~3.0?m，環(huán)板3上開圓孔4，圓孔4直徑為5?cm~10?cm，圓孔4中心距離索塔鋼管1內(nèi)壁距離為5?cm?~10?cm，相鄰圓孔4中心距離20?cm~50?cm。加勁肋5為一字型肋板，肋板厚1.5?cm~3?cm，寬20?cm~50?cm，沿索塔鋼管1高度方向布置間距為3?m~6?m，上下相鄰的肋板相互垂直。

32、索塔鋼管1外包附屬結(jié)構(gòu)采用厚1.5?cm~3.5?cm的任意形狀的外包鋼殼，外包鋼殼內(nèi)可設(shè)有1個或多個索塔鋼管1，外包鋼殼距離每個索塔鋼管1的距離為5?cm~20?cm或不小于80?cm。

33、當(dāng)外包鋼殼距離每個索塔鋼管1的距離為5?cm~20?cm時，還應(yīng)將索塔鋼管1和外包鋼殼夾層抽真空至壓力不大于-0.5?mpa。

34、（二）混凝土配合比設(shè)計。

35、混凝土在管內(nèi)填充不密實、以及管內(nèi)大體積混凝土收縮引起的脫空均會導(dǎo)致鋼管混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，這就要求混凝土必須具有滿足實際工程需要的自密實性能，一方面能夠滿足超高程泵送，同時在澆筑過程中不離析且能夠密實填充鋼管，另外一方面，應(yīng)采用技術(shù)措施減小并補(bǔ)償混凝土因水化引起的溫度收縮和自收縮等收縮變形。此外，當(dāng)分段澆筑高度較大時，混凝土一次性澆筑方量大，除了要保證混凝土密實填充外，還應(yīng)考慮上層澆筑的混凝土對下層混凝土擾動的影響以及澆筑的連續(xù)性，這就要求在控制混凝土自密實性能的同時，還應(yīng)控制澆筑在鋼管內(nèi)的混凝土凝結(jié)時間。

36、為了保障混凝土在鋼管內(nèi)填充密實、不脫空、不開裂，結(jié)合超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具體工況條件，本發(fā)明提出了混凝土性能控制指標(biāo)，包括14?d絕熱溫升、7?d和60?d自生體積變形、坍落擴(kuò)展度、t500、倒置坍落度筒排空時間、現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)初凝凝結(jié)時間等。

37、在各實施例中，在滿足上述性能基礎(chǔ)上設(shè)計得到強(qiáng)度等級為c60~c80自密實、無收縮、高抗裂鋼管混凝土如表1所示。

38、表1?混凝土配合比

39、單位：kg/m3

40、 水泥 粉煤灰 礦渣粉 自密實混凝土添加劑 細(xì)骨料 粗骨料 減水劑 拌合水 260~330 90~140 0~60 100~120 650~900 750~1000 6~9 135~155

41、作為對原材料的選擇，水泥的性能應(yīng)符合《通用硅酸鹽水泥》gb?175及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中cces01的要求；粉煤灰的性能應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中g(shù)b/t?1596規(guī)定的f類i級的要求、以及《粉煤灰中銨離子含量的限量及檢驗方法》gb/t?39701的要求；礦渣粉的性能應(yīng)符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中g(shù)b/t?18046規(guī)定的s95級及以上的要求、及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中cces01的要求；細(xì)骨料性能應(yīng)符合《建設(shè)用砂》（gb/t?14684）規(guī)定的天然2區(qū)中砂要求，含泥量不超過2.0%；粗骨料的性能應(yīng)符合《建設(shè)用卵石、碎石》中g(shù)b/t?14685規(guī)定的5?mm~20?mm連續(xù)級配碎石要求，松散堆積孔隙率不超過43%；減水劑性能應(yīng)滿足《混凝土外加劑》（gb8076）的要求，收縮率比不超過100%。

42、自密實混凝土添加劑由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的hme?-ii高性能混凝土氧化鎂復(fù)合膨脹劑、sbt?-tri混凝土水化溫升抑制劑和sbt?-hdc(iii)高性能混凝土流變改性材料按質(zhì)量比例50%~60%、2.5%~4.5%、35.5%~47.5%復(fù)合而成。

43、需要說明的是，拌合水包括了為達(dá)到降溫作用的固態(tài)片冰，而非僅限于液態(tài)水。

44、如此，自密實混凝土的性能指標(biāo)要求如表2所示。

45、表2?混凝土性能指標(biāo)要求

46、

47、本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，混凝土絕熱溫升根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》gb/t?50080進(jìn)行測試，自生體積變形根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中g(shù)b/t?50082中的非接觸法進(jìn)行測試，所選取的零點為混凝土初凝，7?d自生體積變形≥+200?με即指“7?d自生體積膨脹變形不低于200?με”，60?d自生體積變形≥+150?με即指“60?d自生體積膨脹變形不低于150?με”?；炷撂鋽U(kuò)展度、t500、倒置坍落度排空時間及混凝土初凝時間根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》gb/t?50080進(jìn)行測試。

48、（三）索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工。

49、索塔鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時，應(yīng)滿足下列條件：

50、首先是控制索塔鋼管1內(nèi)混凝土最高溫度，當(dāng)日均氣溫＞25?°c進(jìn)行施工時，控制混凝土最高溫度≤80?°c，日均氣溫為10?°c?~25?°c施工時，控制混凝土最高溫度≤75?°c，日均氣溫＜10?°c施工時，控制混凝土最高溫度≤70?°c。

51、由于索塔鋼管1結(jié)構(gòu)尺寸大，管內(nèi)大體積混凝土溫升值高，為了使得混凝土最高溫溫度滿足控制要求，還應(yīng)采取包括控制入模溫度、設(shè)置冷卻水管等一種或多種措施，具體的措施可通過溫控計算確定。為實現(xiàn)對混凝土入模溫度的控制，可采用降低原材料溫度、片冰替代拌合水、包裹罐車、低溫時段施工等措施。

52、然后是控制索塔鋼管混凝土分段澆筑高度不超過70?m。

53、最后是在混凝土澆筑完成后，采用厚1.5?cm~3.5?cm的鋼板密封索塔鋼管1與外包鋼殼的頂面，當(dāng)外包鋼殼距離每個索塔鋼管1的距離為5?cm~20?cm時，還應(yīng)將索塔鋼管1和外包鋼殼夾層抽真空至壓力不大于-0.5?mpa。

54、本發(fā)明具有下述有益效果：

55、本發(fā)明提供的超高索塔用超大直徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，從鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計、管內(nèi)混凝土性能調(diào)控和工藝措施三個方面出發(fā)，在保證管內(nèi)混凝土密實填充的前提下，可有效解決高度超過300?m、鋼管超過3?m的超高索塔超大直徑鋼管高強(qiáng)大體積混凝土收縮脫空及開裂的難題，尤其通過對鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和采用具有粘度調(diào)控、補(bǔ)償收縮和水化歷程調(diào)控的粉體外加劑，可避免出現(xiàn)管內(nèi)混凝土和鋼管結(jié)構(gòu)在早期施工期因水化放熱和收縮導(dǎo)致的鋼混界面脫空、混凝土收縮開裂以及長期服役期內(nèi)因周圍環(huán)境長期溫度變化及太陽輻射引起的溫度變化導(dǎo)致的鋼混界面脫空等難題。