城市綜合管廊結構變形縫間距問題研究

李延國

(北京城建新城投資開發有限公司,北京 100083)

0 引言

目前綜合管廊相關工程建設技術標準均對綜合管廊的結構設計使用壽命、結構耐久性等提出了較高指標要求,如結構設計使用壽命要求達到100年,這就對綜合管廊的建設工作提出了更高要求。筆者近年來參與了北京城市副中心管廊工程建設工作,對城市綜合管廊設計、施工中的一些問題進行了探索,在工程實踐中發現綜合管廊的變形縫設置對綜合管廊建設及運營有較大影響。現行行業標準及北京市地方標準均規定現澆混凝土綜合管廊結構變形縫的最大間距應為30m、變形縫應設置止水帶、填縫材料和嵌縫材料等止水構造,設置這一規定主要參考了GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)中第8.1.1條。一般認為合格的橡膠止水帶及SBS改性瀝青防水卷材使用壽命在埋于地下時可達到20年,綜合管廊變形縫在使用過程中必然會由于防水材料老化失效而產生滲漏,由于橡膠止水帶及防水卷材更換較困難,將給綜合管廊維護工作帶來較大難題。

影響綜合管廊結構裂縫的主要因素除使用荷載外,還包括溫差和混凝土自身收縮影響。目前國內外彈性地基上混凝土地基板溫度收縮應力分析理論主要有3種:①美國混凝土協會(ACI)的約束系數法,詳見ACI-207.2R—2007《Report on Thermal and Volume Change Effects on Cracking of Mass Concrete》;②國內以王鐵夢為代表的地基水平阻力系數法;③以朱伯芳為代表的彈性地基梁溫度應力算法。本文采用王鐵夢的分析方法。

那么有沒有可能加大綜合管廊結構變形縫的間距、減少變形縫的數量甚至在一定條件下取消變形縫呢?筆者對典型綜合管廊結構縱向變形影響因素進行了分析,運用王鐵夢的溫度收縮應力理論,在假定沒有采取減小綜合管廊結構溫度收縮應力技術措施條件下對其變形縫間距進行了計算,總結了減小綜合管廊結構溫度收縮應力的主要技術措施,又在假定采取了減小綜合管廊結構溫度收縮應力技術措施條件下對其變形縫間距進行了計算,經對比分析,得出采取一定技術措施可加大綜合管廊結構變形縫的間距甚至在一定條件下取消變形縫的結論,并在工程中開展了應用。

1 典型綜合管廊結構縱向變形影響因素分析

1.1 影響綜合管廊結構縱向變形的主要因素

影響綜合管廊結構縱向變形的主要因素在施工階段有早期混凝土水化熱引起的溫差及混凝土自身在施工期內的收縮(混凝土收縮相對變形值可表示為當量溫差),在使用階段包括季節性溫差及未完成的混凝土自身收縮。當綜合管廊結構在這些因素下產生的變形受到管廊周圍的巖土對管廊收縮趨勢產生的摩阻力約束時即產生約束應力,當約束應力大于混凝土的抗拉強度時,結構便會開裂。綜合管廊結構受到的約束主要為地基土對底板的摩阻力約束、肥槽填土對管廊外墻的摩阻力約束、管廊頂部覆土對管廊頂板的摩阻力約束。由于底板部位埋深最深,地基土的變形模量最大,故管廊結構底板所受約束最大,同時管廊底板的斷面最大其早期混凝土水化熱引起的溫差也最大,所以分析管廊在溫差及收縮作用下的約束應力時底板部位具有代表性。

1.2 典型綜合管廊結構溫度及收縮作用計算

根據對國內已建城市綜合管廊的調查可知,其斷面尺寸主要在以下范圍:底板300～500mm,外墻250～500mm,頂板300～500mm,混凝土強度等級C30～C40。綜合管廊頂板以上覆土一般≥2m。本節以國內常見綜合管廊設計參數(均按最不利狀態取值)為例確定綜合管廊在溫度及收縮作用下變形縫間距計算的基礎數據。

在施工階段,管廊結構底板(以厚500mm為例)水化熱溫升按王鐵夢所著《工程結構裂縫控制》(第2版)中表6-2可知夏季基準溫升T′=6℃,偏安全按42.5級普通硅酸鹽水泥、膠凝材料用量440kg/m3、木模板考慮修正系數k1,k2,k3,k4,按式(1)得修正后水化熱溫升T:

T=T′·k1·k2·k3·k4

(1)

T=16.6℃

根據工程經驗和相關研究,500mm厚底板1.5～2d即可達到最高溫度,7～10d即可接近環境溫度。

墻體及頂板為雙面散熱,其水化熱溫升可按底板的50%近似計算,即16.6×0.5=8.3℃。

根據GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》中附錄B,混凝土收縮值為:

(2)

在北京地區,一般施工條件下,M1～M11可分別取1.0,1.06,1.0,1.2,0.93,0.77,0.57,0.92,1.3,0.9,1.03,按式(2)計算得:

εy(t)=2.3×10-4(1-e-0.01t)

取混凝土線膨脹系數為1.0×10-5,按式(3)計算得混凝土在齡期t時收縮當量溫差為:

Ty(t)=εy(t)/α

(3)

Ty(t) =23(1-e-0.01t)

在混凝土澆筑后第10天、第28天、第365天后收縮當量溫差分別為2.2,5.6,22.4℃,相當于收縮完成了9.5%,24.4%,97.4%。

1.3 綜合管廊結構縱向變形階段劃分

由前述分析可知在溫度及收縮作用下綜合管廊結構縱向變形可按3個階段劃分:混凝土水化熱導致的溫度上升及下降至環境溫度同時混凝土產生少量自身收縮階段,時間≤10d;存在季節性溫差及自身收縮基本完成階段(一般按最不利的夏季最熱月施工考慮),時間一般可按365d考慮;自身收縮完成后僅存在覆土后的周期性冬夏季溫差階段,由于管廊結構位于地下,冬夏季溫差較小,由此產生的溫度應力不會超過前兩個階段。

2 無減少綜合管廊結構溫度收縮應力技術措施條件下變形縫間距計算

綜合管廊結構自混凝土澆筑至收縮基本完成,不采取減少綜合管廊結構溫度收縮引起的約束應力技術措施條件下混凝土也不會開裂的變形縫間距計算如下。

混凝土水化熱降溫差按100%完成考慮,混凝土收縮全部完成所需時間由上節可知>365d,其當量溫差由上節可知為εy(t)/α,上例為23℃。環境氣溫差按北京地區覆土2m以下地下空間的夏季至冬季考慮,根據類似地下工程測溫經驗及徐榮年《工程結構裂縫控制——步入“王鐵夢法”及詮補》中研究總結的地溫近似計算公式偏安全取20℃。

根據T/CECS 640—2019《超長大體積混凝土跳倉法技術規程》中附錄A,采用極限變形概念研究推導出來的平均伸縮縫間距的公式為:

(4)

式中:[L]為平均伸縮縫間距(m);E為混凝土彈性模量(MPa),按C40取32 500MPa;H為底板厚度(mm),偏安全取500mm;Cx為地基水平阻力系數(N/mm3),按粉質黏土取平均值0.045N/mm3;α為混凝土線膨脹系數,取1×10-5;T為互相約束結構的綜合降溫差(℃),包括水化熱溫差T1、氣溫差T2、收縮當量溫差T3,T1取16.6℃,T2取20℃,T3取23℃;εp為鋼筋混凝土的極限拉伸,取2×10-4。

按式(4)計算得:[L]=27.6m。

可見不采取減少綜合管廊結構溫度收縮應力技術措施的情況下,當地基土水平阻力系數較大時,管廊伸縮縫設定為30m也有可能開裂,是否開裂取決于外約束情況。

3 減小綜合管廊結構溫度收縮應力的技術措施

由采用極限變形概念研究推導出來的超長結構平均伸縮縫間距的計算公式可知,若要加大綜合管廊結構變形縫間距,從設計構造措施、材料、施工方法等方面入手主要措施有:減小管廊四周土對管廊的摩阻力,即減小Cx數值;減小結構綜合降溫差;提高結構混凝土的極限拉伸值;采用后澆帶法或跳倉法施工。

3.1 減小管廊四周巖土對管廊的摩阻力的技術措施

減小Cx數值的主要技術措施是在管廊四周設置滑動層。由于綜合管廊一般都設計有外防水層,可考慮在底板防水卷材保護層上增加2層0.4～0.6mm厚聚苯乙烯薄膜或油氈構成滑動層;側墻防水層設置聚苯板或發泡聚苯乙烯板材可構成滑動層;頂板可采取和底板同樣的構造措施。根據工程經驗設置滑動層后地基土對管廊的水平阻力系數Cx可取(0.1～0.3)×10-2N/mm3。詳見趙志縉主編《高層建筑施工手冊》中第7.5.8節。

3.2 減少管廊結構所受溫度收縮作用的技術措施

綜合管廊結構的綜合降溫差中環境氣溫差一般不予控制,水化熱溫差和收縮當量溫差都可通過采取一定的技術措施來減小。降低混凝土水化熱溫差的常用措施有:合理選擇混凝土強度等級,盡可能不用C40以上混凝土;選用水化熱低的水泥品種;合理摻加粉煤灰。降低混凝土收縮當量溫差的常用措施有:嚴格控制粗、細骨料含泥量及級配;控制水泥的比表面積指標(宜≤350m2/kg);優化配合比(水膠比、漿體體積、骨料體積、粗骨料空隙率、粗骨料用量、砂率、坍落度),帶模養護時間≥3d,養護的持續時間≥14d。

3.3 提高管廊結構混凝土極限拉伸值的技術措施

提高綜合管廊結構混凝土極限拉伸值的常用措施有:增配抗裂構造鋼筋,構造鋼筋布置宜“細而密”,墻體豎向和水平鋼筋除按計算確定外,豎向分布鋼筋配筋率宜≥0.3%,外墻厚度≤600mm時水平分布鋼筋最小配筋率宜為0.3%～0.5%,鋼筋直徑宜為6～8mm,間距宜≤150mm,拉筋間距宜≤600mm并呈梅花形布置。混凝土采用優質原材料、養護得當、緩慢降溫。

3.4 跳倉法與后澆帶法

將超長混凝土結構的永久性變形縫以臨時性變形縫即“后澆帶”代替,經過45～60d后將后澆帶封閉使結構成為一個整體。后澆帶寬度一般為800～1 000mm, 間距一般≤40m。綜合管廊采用后澆帶法施工,經過45～60d后澆帶封閉時,混凝土水化熱已全部釋放完畢,混凝土收縮可完成36%～45%,對加大管廊結構變形縫間距十分有利。后澆帶法施工的缺點是間歇時間較長時后澆帶清理工作量較大,且施工工期較長。

跳倉法是將超長的混凝土塊體分為若干以不開裂的計算長度作為分倉尺寸的小塊體間隔施工,經過短期應力釋放,在后期收縮應力較小階段再將若干小塊體連成整體,依靠混凝土抗拉強度抵抗下一階段的溫度收縮應力的技術方法。間隔施工的間歇時間一般為7～10d,對于綜合管廊這種薄壁結構,混凝土跳倉澆筑10d后再合龍,由經驗降溫曲線可知,先澆筑的倉塊水化熱已基本釋放完,由混凝土收縮當量溫差公式可知此時混凝土收縮已完成約10%。跳倉法可視為后澆帶法的進一步發展,后澆倉塊相當于一個超寬的后澆帶,跳倉法的施工間歇時間比后澆帶法大大縮短,可縮短部分工期。

后澆帶法和跳倉法的基本原理相同,都是按“先放后抗”原則控制混凝土溫差和收縮引起的約束應力,達到超長結構不開裂的目的,后澆帶法可較多地釋放由于混凝土收縮引起的約束應力。

4 設滑動層及跳倉法施工綜合管廊結構變形縫間距計算

4.1 設置滑動層后綜合管廊結構變形縫間距計算

綜合管廊與土相接的部位設置滑動層后,管廊周圍土的約束大大減小。按有關單位的工程經驗數據,設置滑動層后Cx可取(0.1～0.3)×10-2N/mm3,在此取0.3×10-2N/mm3,其他參數取值均與本文第2節相同,對有滑動層的綜合管廊結構按式(4)進行變形縫間距計算得:[L]=107m。

這說明綜合管廊設置滑動層后,變形縫間距可大幅度增加,地基的水平阻力系數是影響管廊結構溫度收縮約束應力的關鍵因素之一。

設置滑動層后如Cx下限取0.1×10-2N/mm3,其他參數取值均與本文第2節相同,則變形縫間距計算結果為:[L]=185m。

Cx取值的大小除與滑動層的具體做法有關外,還與地基土的變形模量正相關。

4.2 跳倉法施工的綜合管廊結構變形縫間距計算

在設置滑動層基礎上采用跳倉法或后澆帶法施工,可使綜合管廊變形縫間距進一步加大,計算過程如下。

綜合管廊跳倉法施工分塊長度可取20～30m,在此取20m。首次澆筑倉塊10d后澆筑第2批倉塊,由前述計算結果可知每個施工倉塊內不會出現溫度及收縮裂縫。

首先計算第10天先澆筑的倉塊內最大溫度收縮應力,根據《大體積混凝土施工標準》中附錄B,計算混凝土彈性模量:

E(t)=βE0(1-e-φt)

(5)

式中:E(t)為混凝土齡期t時其彈性模量(N/mm2);E0為混凝土彈性模量,按C40取32 500MPa;φ為系數,近似取0.09;β為混凝土中摻合料對彈性模量修正系數,粉煤灰、礦渣粉摻量均按20%考慮,β=β1β2,β1取0.99,β2取1.02,β=1.01。

按式(5)計算得:

E(10)=19 479MPa

混凝土外約束系數R(t)為:

(6)

R(10)=0.015 2

計算第10天已澆筑倉塊內溫度收縮應力為:

(7)

式中:σx(t)為混凝土齡期t時因綜合降溫差,在外約束條件下產生的拉應力(MPa);T(t)為混凝土齡期t時其澆筑體的綜合降溫差(℃),包括水化熱溫差T1、氣溫差T2、收縮當量溫差T3,在此T1取16.6℃,T2取0℃,T3取2.2℃;μ為混凝土泊松比,取0.15;α為混凝土線膨脹系數,取1×10-5;R(t) 為混凝土齡期t時外約束的約束系數;H(τ,t)為在混凝土齡期τ時其產生的約束應力延續至t時的松弛系數,取H(10,10)=1。

按式(7)計算得:σx(10)=0.066MPa,此為先澆筑的倉塊在第10天時塊內最大溫度收縮應力,10d后澆筑第2批倉塊,結構合龍成為一體,混凝土繼續收縮,并受到季節氣溫差的作用而疊加新的溫度收縮應力,由先澆筑的倉塊內的殘留溫度收縮應力可換算出當量溫差Tz(t):

(8)

按式(8)計算得:Tz(10)=0.3℃。

采用跳倉法施工的各倉塊合龍后綜合管廊結構變形縫間距按式(4)計算得:[L]=142m。

其中,綜合降溫差T包括大氣溫差T2、收縮當量溫差T3、殘留溫度收縮應力當量溫差T4,T2取20℃,T3=T(∞)-T(10)=23-2.2=20.8℃,T4=0.3℃。Cx按設置滑動層考慮取0.3×10-2N/mm3。

由上述結果可知,采用跳倉法施工能讓綜合管廊不出現溫度收縮裂縫時不設變形縫的長度更大。

如Cx下限取0.1×10-2N/mm3,則變形縫間距計算結果為:[L]= 246m。

上述結果說明在地基土質滿足綜合管廊承載力要求而又變形模量較小的情況下,采用跳倉法施工可將綜合管廊變形縫間距做得很大。

通過計算可得出如下結論:①由超長結構變形縫間距計算公式可知,影響綜合管廊變形縫間距的主要因素之一為地基水平阻力系數。當采取設置滑動層的技術措施后,地基水平阻力系數大為減小,在其他條件不變的情況下,綜合管廊變形縫間距可增大現行規范要求的4～7倍。②綜合管廊結構綜合降溫差是影響變形縫間距的另一主要因素,其中水化熱溫差約占1/4弱,收縮當量溫差約占1/2,氣溫差約占1/4強,在設置滑動層的基礎上通過采取跳倉法或后澆帶法施工,可基本消除水化熱溫差引起的約束應力和部分消除混凝土收縮引起的約束應力,綜合管廊變形縫間距可增大現行規范要求的5～9倍。③當綜合管廊結構所受綜合降溫差與混凝土線膨脹系數的乘積即|αT|與鋼筋混凝土極限拉伸值εp的差≤0時,變形縫間距[L]=∞,即無須留設變形縫。北京地區綜合管廊承受的氣溫差估算≤20℃,當采取措施能將混凝土水化熱溫差和收縮當量溫差的影響消除的情況下(如采用跳倉法或后澆帶法施工再結合減少混凝土收縮的技術措施),其變形縫間距可接近無窮大。

5 工程案例

5.1 工程概況

某擬建城市綜合管廊項目位于北京市,為現澆混凝土結構,混凝土強度等級為C35P8,其底板縱向鋼筋為φ14@200mm,配筋率為0.44%。采用明挖法施工,管廊頂覆土厚4～5.2m,管廊總長約3.5km。管廊基底至頂板間土質以粉質黏土、黏質粉土為主,地基持力層為粉砂～粉細砂。綜合管廊橫斷面如圖1所示。原設計變形縫最大間距30m,縫寬30mm,設置承插口連接。施工時間為6—9月。項目所在區域7月最高溫度平均值25.8℃,1月最低溫度平均值-5.2℃,20年來的平均氣溫11.3℃。

圖1 綜合管廊橫斷面

5.2 減小管廊結構溫度收縮應力的技術措施

采用跳倉法施工,每20m為一段,變形縫間距調整至60m, 綜合管廊縱向分段施工方案如圖2所示,先澆塊與后澆塊間澆筑間隔時間為10d。為減少巖土對綜合管廊結構的摩阻力,在管廊底板SBS防水卷材上設置1層油氈隔離層,側墻防水卷材選用50mm厚模塑聚苯乙烯板做保護層,頂板防水卷材上設置1層油氈隔離層,相當于設置了滑動層。

圖2 綜合管廊跳倉法施工分段

混凝土摻加粉煤灰及礦粉,水膠比≤0.45,漿體體積≤32%,砂率≤42%,坍落度最大180mm。

底板澆筑完成后盡快澆筑側墻及頂板混凝土,減少二者間時間差。

5.3 計算參數取值

混凝土施工配合比:水泥為 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥,比表面積為340～360m2/kg,粗骨料粒徑為5～25mm連續級配碎石,人工澆水養護14d,機械振搗。每立方米混凝土材料用量如下:水157kg、水泥269kg、粉煤灰55kg、礦粉66kg、減水劑7.8kg、砂552kg、碎石1 046kg。

水化熱溫升估算:夏季基準溫升T′取4℃,按42.5級普通硅酸鹽水泥、膠凝材料用量390kg/m3、木模板考慮修正系數k1,k2,k3,k4,按式(1)得修正后水化熱溫升:T=9.5℃。

綜合管廊覆土后冬、夏季氣溫差計算,根據徐榮年《工程結構裂縫控制——步入“王鐵夢法”及詮補》中研究總結的地溫近似計算式(9)計算:

(9)

θz=(11.3±3.3)℃

綜合管廊覆土后冬、夏季溫差為:

25.8-8=17.8℃

混凝土收縮當量溫差按式(2)、式(3)計算:

εy(t)=2.17×10-4(1-e-0.01t)

Ty(t)=21.7(1-e-0.01t)

M1～M11分別取1.0,1.06,1.0,1.0,0.93,0.77,0.61,0.92,1.3,0.95,1.03。

第10天收縮當量溫差及收縮全部完成后當量溫差分別為2,21.7℃。

地基水平阻力系數確定:地基持力層為粉砂～粉細砂,承載力標準值為150～180N/mm2。按設置滑動層考慮Cx取0.3×10-2N/mm3。

混凝土彈性模量按式(5)計算,E0按C35取31 500MPa,φ近似取0.09,β=β1β2,β1取0.99,β2取 1.02,β=1.01,則有:E(10)=18 880MPa。

C35混凝土第10天抗拉強度按式(10)計算:

ftk(t)=ftk(1-e-γt)

(10)

式中:ftk(t)為混凝土齡期為t時抗拉強度標準值(N/mm2);ftk為混凝土抗拉強度標準值(N/mm2),C35混凝土取2.2N/mm2;γ為系數,應根據所用混凝土試驗確定,當無試驗數據時,可取0.3。

ftk(10) =2.09N/mm2

5.4 混凝土澆筑10d后分倉塊內最大溫度收縮拉應力計算

按式(6)、式(7)計算得:

R(10)=0.015 7

σx(10)=0.04MPa

5.5 混凝土全部澆筑完至混凝土收縮全部完成變形縫區段內底板內最大溫度收縮應力計算

綜合降溫差T計算:

T=21.7-2+17.8=37.5℃

R(10)=0.08

由于混凝土收縮全部完成需時>365d,松弛系數參照王鐵夢《工程結構裂縫控制》偏安全取0.5,按式(7)計算得:σx=0.56MPa,ftk(t)/σx=2.2/0.56=4,遠大于規范要求防裂安全系數1.15,不會出現有害裂縫。

本案例在采用跳倉法施工的情況下變形縫間距最大計算值可達到:[L]=127m。

6 結語

1)關于現行規范對綜合管廊變形縫間距的規定 筆者運用在地基約束下地下混凝土結構溫度收縮應力應變分析理論對典型綜合管廊結構進行了計算分析,結果表明,綜合管廊結構變形縫間距與管廊周圍所受巖土約束情況密切相關,不宜簡單地定為某個數值,應通過計算確定。

2)減少管廊溫度收縮應力的主要技術措施 筆者通過對影響城市綜合管廊溫度收縮應力相關因素的分析,梳理了減少管廊溫度收縮應力的主要技術措施,其中設置滑動層、采用跳倉法或后澆帶法施工是關鍵性的技術措施。

3)關于城市綜合管廊變形縫間距能否加大的問題 城市綜合管廊由于具有構件斷面尺寸較小、混凝土水化熱溫升低、全部埋于地下環境氣溫差較小、所處環境濕度較大等特點,對減少溫度收縮約束應力非常有利。通過計算分析表明,在采取適當技術措施的條件下可適當放寬對綜合管廊變形縫間距的限制,減少變形縫數量。

4)加大城市綜合管廊變形縫間距,減少變形縫數量,可減少后期運營階段維護維修工作量,充分發揮綜合管廊的效益。