上部超長混凝土結(jié)構(gòu)間歇法施工技術(shù)研究

王新浩（科信建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

建筑功能復(fù)雜化使得建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，各種大型建筑出現(xiàn)大跨度、超長的混凝土結(jié)構(gòu)，超長結(jié)構(gòu)混凝土在體育館、展覽館、圖書館、機(jī)場等大型建筑中應(yīng)用越來越多。超長結(jié)構(gòu)的混凝土結(jié)構(gòu)，因溫度應(yīng)力導(dǎo)致的收縮變形是施工質(zhì)量控制重點(diǎn)，也對施工質(zhì)量提出了較大挑戰(zhàn)。針對超長混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形問題，結(jié)合具體工程項(xiàng)目分析變形影響因素，提出間歇施工法，對施工工藝和組織安排進(jìn)行試驗(yàn)，并在工程中應(yīng)用。

1 工程概況

某大型展覽館工程，框架結(jié)構(gòu)，總占地面積為15000m2，其中，地上建筑三層，標(biāo)準(zhǔn)層面積為12960m2，地下建筑共2 層，單層面積為13590m2。根據(jù)展覽功能規(guī)劃，展覽館劃分為多個(gè)展廳，最大展廳的尺寸為180m×108m，屬于超大、超長混凝土結(jié)構(gòu)，樓板厚度為200mm，主梁截面尺寸為3200mm×1000mm。混凝土采用C40商品混凝土。

2 超長混凝土結(jié)構(gòu)變形分析

大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)施工需要嚴(yán)格控制收縮變形。一般而言，混凝土從澆筑到凝固，受到溫度變化的影響，混凝土從流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，水泥的水化反應(yīng)會(huì)釋放出較多的熱量，混凝土體積膨脹，隨著凝固，溫度降低，又出現(xiàn)收縮，容易產(chǎn)生變形甚至裂縫[1]。混凝土在凝固過程中不受外力作用，其收縮與自身物理性質(zhì)有關(guān)，不可避免。影響收縮變形的主要因素有以下方面：

（1）混凝土材料的配比

商品混凝土為保持流動(dòng)性，通常略微提高水灰比，在凝固階段后期，水分蒸發(fā)，容易造成混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形甚至開裂。大型建筑工程中，高強(qiáng)混凝土應(yīng)用越來越廣泛，水泥水化熱量增大，加劇混凝土的收縮變形。礦渣、煤粉等添加劑的使用改善了混凝土的力學(xué)性能，但是泌水、水泥假凝等情況會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮變形。此外，使用小粒徑的顆粒料或者減少粗骨料使用，會(huì)降低混凝土體積的穩(wěn)定，帶來混凝土收縮變形。

（2）干縮影響

混凝土表面的裂紋大多數(shù)是由干縮引起的。對于較薄的梁或者大尺寸板類結(jié)構(gòu)，干縮裂紋尤其明顯，而且大多發(fā)生在結(jié)構(gòu)交界面處。對于超長混凝土結(jié)構(gòu)，表面裂紋縱橫交錯(cuò)，一般無規(guī)律性，裂紋發(fā)展緩慢，結(jié)構(gòu)中心部位最后發(fā)展，而且最為嚴(yán)重[2]。因此，在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制澆筑順序和一次澆筑量。

（3）溫差影響

建筑施工在戶外進(jìn)行，受到環(huán)境溫度變化的影響。溫度變化必然導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，尤其是對于超長混凝土結(jié)構(gòu)，受到溫差影響更為嚴(yán)重。而且，建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，混凝土體積越來越大，受到季節(jié)、晝夜溫差的影響，必須引起關(guān)注。

3 超長混凝土結(jié)構(gòu)施工

3.1 超長混凝土施工方法

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，一次澆筑量大，溫差影響顯著，需要因地制宜，合理安排施工。間歇施工法對相鄰兩塊混凝土的間歇時(shí)間進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減小混凝土凝固過程的收縮變形[3]。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的具體形式，合理劃分澆筑段的面積，綜合考慮約束形式和施工組織，對施工進(jìn)行合理安排。間歇施工法劃分施工分塊后，按照順序施工，各分塊之間留有合理的間歇時(shí)間，有效減少約束應(yīng)力，如圖1所示。

圖1 間歇施工法分區(qū)示意圖

間歇施工法的各個(gè)混凝土分區(qū)連續(xù)澆筑，無須留設(shè)施工縫，按照澆筑先后順序，各分區(qū)逐一封閉，先澆筑的分區(qū)受溫差影響產(chǎn)生溫度應(yīng)力，后澆筑的分區(qū)依靠自身的抗拉能力抵消應(yīng)力，從而達(dá)到控制裂紋的目的。

3.2 間歇施工法分區(qū)長度

為了保證施工過程中超長混凝土澆筑工藝不產(chǎn)生開裂，一次澆筑的分區(qū)長度需要按照極限拉伸原則計(jì)算。在極限拉伸狀態(tài)下，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力處于臨界狀態(tài)，超過臨界應(yīng)力則必然會(huì)產(chǎn)生裂縫。實(shí)際施工過程中，考慮一定的余量作為安全儲(chǔ)備，一次澆筑成型的最大分區(qū)長度為[4]：

式中h-待澆筑混凝土結(jié)構(gòu)的厚度或者高度，m；

E-混凝土的彈性模量，MPa。C25 混凝土取2.55×104MPa，C30混凝土取3.0×104MPa，C35混凝土取3.15×104MPa，C40混凝土取3.25×104MPa；

δ-約束結(jié)構(gòu)的水平阻力系數(shù)，MPa/mm；

α-混凝土線膨脹系數(shù)，取1.1×10-5；

T-澆筑期間混凝土在水化熱反應(yīng)作用下轉(zhuǎn)變的絕對溫升，℃；

ε-混凝土極限變形值，混凝土養(yǎng)護(hù)得當(dāng)?shù)那樾螘r(shí)取2.0×10-4。

工程項(xiàng)目采用C40 混凝土，按照澆筑3d 時(shí)的絕對溫升24.8℃進(jìn)行計(jì)算，水平阻力系數(shù)取0.9MPa/mm，最終計(jì)算得出一次澆筑的最大分區(qū)長度為40.7m。

結(jié)合已有的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮現(xiàn)場施工布置和混凝土的徐變作用以及安全余量，確定一次性澆筑的分區(qū)長度，見表1。

表1 澆筑分區(qū)長度

3.3 間歇施工法分區(qū)相互作用機(jī)理

為了方便分析分區(qū)澆筑時(shí)各區(qū)塊的作用力，按照澆筑順序，定義先澆筑的分區(qū)為先澆筑區(qū)塊，后澆筑的分區(qū)為后澆筑區(qū)塊，然后按照升溫和降溫過程劃分為4個(gè)不同的相互作用階段，便于分析作用規(guī)律，見表2。

表2 階段劃分和相互作用

通過兩個(gè)試驗(yàn)澆筑塊進(jìn)行研究，在試驗(yàn)塊的中間位置預(yù)設(shè)溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，后澆塊的間歇時(shí)間為72h。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為8d 左右，檢測到混凝土溫度趨于穩(wěn)定。先澆塊的溫度監(jiān)測曲線如圖2所示，應(yīng)變監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖2 先澆塊的溫度監(jiān)測曲線

圖3 應(yīng)變監(jiān)測曲線

混凝土澆筑時(shí)的初始溫度為26.5℃，澆筑之后，在水化熱的作用下，迅速升溫至42℃左右。升溫過程中，混凝土的體積逐漸膨脹，應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，最大值為1.38mm，混凝土內(nèi)部為拉應(yīng)力。之后進(jìn)入降溫收縮過程，應(yīng)變也隨之開始減小，并在第5d 時(shí)，應(yīng)變由負(fù)值變?yōu)檎担瑧?yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，說明進(jìn)入真正的收縮變形階段。溫度繼續(xù)下降，應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)變也繼續(xù)增大，最終應(yīng)變趨于穩(wěn)定，最大值為1.41mm。后澆塊澆筑時(shí)，受到先澆塊的應(yīng)力作用，開始階段的應(yīng)變較大，但后期受到應(yīng)力的正向作用應(yīng)變較小。若能合理設(shè)置間歇時(shí)間，可以將后澆塊的初期階段的應(yīng)變也減小，起到控制變形的作用。

3.4 間歇時(shí)間分析

進(jìn)一步分析，間歇時(shí)間不同時(shí)，先澆塊和后澆塊的相互作用會(huì)產(chǎn)生不同的效果，不同間歇時(shí)間的相互作用時(shí)間和溫度變化見表3。

表3 不同間歇時(shí)間的相互作用時(shí)間和溫度變化

間歇時(shí)間較短，溫差相對較大，最大應(yīng)變較大。間歇為2d時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?.72mm；間歇為3d時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?.37mm；間歇為4d 時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?.93mm。間歇時(shí)間較短，相當(dāng)于一次性澆筑，兩個(gè)分區(qū)澆筑的混凝土塊相當(dāng)于一個(gè)混凝土體；而間歇時(shí)間較長時(shí)，相當(dāng)于各自分區(qū)的混凝土塊相互作用，溫差應(yīng)力可削弱應(yīng)變的發(fā)展，有利于控制變形。

4 超長混凝土結(jié)構(gòu)施工

4.1 超長混凝土結(jié)構(gòu)施工組織

考慮到工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，分區(qū)段施工的施工組織和資源配置情況見表4。

表4 施工組織和資源配置情況

4.2 梁板收縮應(yīng)力監(jiān)測

工程施工過程中對梁和樓板的溫度和應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)控，采用無線傳感器，設(shè)置于分區(qū)塊澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)中心位置。地上一層樓板的溫度和應(yīng)變曲線如圖4所示，梁柱的溫度和應(yīng)變曲線如圖5所示。各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)規(guī)律一致，圖示為隨機(jī)選取的監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖4 樓板溫度和應(yīng)變監(jiān)測曲線

圖5 梁柱溫度和應(yīng)變監(jiān)測曲線

由圖4、圖5可知，實(shí)際施工工程中溫度和應(yīng)變的變化規(guī)律與試驗(yàn)中分析的規(guī)律一致。由于施工組織安排合理，各分塊之間的間歇時(shí)間控制得當(dāng)，使得應(yīng)變得到有效控制，對于樓板而言，施工過程中最大應(yīng)變?yōu)?.17mm，施工結(jié)束后，最終應(yīng)變僅為0.4mm。對于梁柱而言，施工過程中最大應(yīng)變?yōu)?.86mm，最終應(yīng)變?yōu)?.62mm，因?yàn)榱褐惺軄碜陨喜拷Y(jié)構(gòu)的恒荷載和活荷載，應(yīng)變稍大。

5 結(jié)語

結(jié)合某展覽館工程對超長混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)展開研究，得到如下結(jié)論：

（1）混凝土在凝固過程中的收縮變形與混凝土材料的配比、干縮、溫差等因素有關(guān)。間歇施工法劃分施工分塊后，按照順序施工，各分塊之間留有合理的間歇時(shí)間，可以有效控制收縮變形。

（2）實(shí)際施工中組織安排合理，間歇時(shí)間控制得當(dāng)，樓板最終應(yīng)變?yōu)?.4mm，梁柱最終應(yīng)變?yōu)?.62mm，應(yīng)變得到有效控制。