蓋挖逆作大跨度、大截面型鋼混凝土組合結構施工技術

唐衛(wèi)平

(鐵四院(湖北)工程監(jiān)理咨詢有限公司,武漢 430063)

1 概況

1.1 工程概況

廣深港客運專線福田車站為地下3層鐵路客運車站,站場規(guī)模4臺8線,位于深圳市福田區(qū)市民中心廣場西側,車站沿益田路方向南北布置,北起福中路,南到福華路,車站為地下3層,總長1 024 m,標準段寬78.86 m,底板埋深約32.5 m。車站分為A、B、C、D、E 5個施工段,由于車站所處為深圳市中心地帶,周邊高樓林立,為保證基坑及周邊建筑安全,A區(qū)的A3和C、D區(qū)為蓋挖逆作,A1、A2、B和E區(qū)為明挖順作。

蓋挖逆作段采用3層5跨H型鋼混凝土現澆框架結構,跨度大,最大跨度21.46 m；截面大,頂板厚1 200 mm,頂橫梁1 400 mm×2 500 mm,頂縱梁1 400 mm×2 200 mm,主體結構梁板斷面見圖1；混凝土一次澆筑量大,節(jié)段劃分最長34 m,一次澆筑混凝土3 700余m3,均采用C40微膨脹纖維素混凝土。該結構型鋼梁采取工廠制作、現場拼裝,采用支架立模一次澆筑成型。

1.2 型鋼-混凝土組合結構

型鋼-混凝土組合結構(steel reinforced concrete composite structures),是指在混凝土內配置型鋼和鋼筋的結構,以型鋼為骨架,外圍包以鋼筋混凝土所形成的組合結構體系。型鋼混凝土框架梁中的型鋼,宜采用充滿型實腹型鋼[1],在配置一定數量縱筋和箍筋的情況下,型鋼與外包混凝土協(xié)調變形,可以較好地共同工作[2]。

圖1 福田車站主體結構梁板斷面(單位：mm)

型鋼-混凝土結構與普通混凝土結構相比,具有以下優(yōu)勢[2]。

(1)整體工作。由于型鋼-混凝土結構中的型鋼與其外包混凝土結構共同工作,2種材料的強度都能得到充分利用,在此結構中,鋼筋和型鋼既共同作用,又能在配置上相對靈活,在整體性上滿足受力要求,又能利用上、下加強筋的設置來細化受力情況,更能達到可靠性和經濟性的考量。

(2)構件延性好。與鋼筋混凝土結構相比,由于其內進入了型鋼而使結構承載力大為提高,且具有較大的延性,抗震性能好。

(3)截面尺寸小。鋼筋混凝土結構由于受到配筋率限值的制約,提高承載力的唯一途徑是加大截面尺寸,而型鋼-混凝土組合結構可以利用設置較大截面的型鋼參與受力,在承載力相同時,截面面積可以減少一半以上。

此外,型鋼-混凝土結構與普通鋼結構相比,還具有節(jié)約鋼材1/3、提高耐火性、耐久性和可兼作模板和支架等優(yōu)點。

2 大截面型鋼梁的制作、安裝及焊接變形控制

福田站主體結構跨度大,型鋼截面尺寸大,在施工過程中,型鋼工廠組裝、現場安裝及控制焊接變形措施成為型鋼-混凝土結構施工控制的重點。

2.1 大截面型鋼梁工廠制作

型鋼梁工廠組立方式和順序見圖2。

圖2 型鋼混凝土結構中型鋼梁工廠組立順序

型鋼工廠組立施工中需要注意以下幾點。

(1)合理設置引熄弧板。為確保焊縫質量,在焊接前,在型鋼的兩端頭設置“T”形引弧板及引出板,引弧板及引出板長度≥150 mm,寬度≥100 mm,其材質與母材一致；焊縫引出長度≥60 mm[3]。

(2)合理確定焊接順序。先期施工型鋼混凝土結構的支撐連接端—鋼管柱,型鋼梁以焊接的形式與鋼管柱進行連接,以高強度螺栓形式與型鋼之間連接,這給型鋼加工過程中的精度要求增加了很大的難度,合理選擇型鋼焊接順序,方可較好的控制型鋼變形,使型鋼外觀尺寸達到設計要求,滿足與兩端鋼管柱焊接的精度。型鋼焊接順序見圖3。

圖3 “H”型鋼焊接順序示意

2.2 型鋼梁現場安裝

型鋼梁安裝過程為：測量—拼裝—就位—校正—環(huán)板焊接—檢測—高強螺栓連接。

(1)測量：用全站儀、電子水準儀在鋼柱柱身上確定鋼梁及牛腿的確切安裝高程及軸線中心線,再在鋼梁及牛腿畫上軸線中心線便于安裝時確定安裝位置,并做好明顯標記,焊接(點焊)牛腿臨時定位板,并測量鋼柱開檔尺寸,以確定鋼梁及牛腿的焊縫組對間隙。

(2)拼裝：根據鋼柱開檔尺寸進行鋼梁、牛腿預拼裝,拼裝時注意焊縫尺寸,組對后用工具螺栓及夾板進行臨時固定。

(3)就位：拼裝完成后頂層用吊車直接進行鋼梁直接吊裝,負一層、負二層用叉車運輸提升到高程線進行安裝。

(4)校正：就位后根據事先標記好的高程線和軸線中心線,用電子水準儀和全站儀檢查整體高程,并對偏差部分進行調整。

(5)焊接：采用對稱順序進行焊接,分層多次完成。

(6)檢測：采用超聲波檢測方式,按照規(guī)范要求分別經過施工方自檢、第三方檢測合格,進入下一步施工。

(7)高強螺栓連接：根據設計要求,使用經檢測合格的M24、M30高強螺栓進行牛腿與型鋼梁的連接,施工過程中重點控制扭矩達到設計要求。

2.3 型鋼梁施工過程中控制焊接變形措施

由于型鋼梁施工中焊接變形及矯正困難,在裝配時預先進行反變形作業(yè),具體操作過程見圖4。

圖4 型鋼梁焊接過程中變形控制措施(單位:mm)

和工廠施工一樣,施工現場的焊接順序也影響著型鋼的加工質量,在現場焊接過程中,宜按照下列順序進行。

(1)牛腿與柱接頭焊接

對同一支柱的環(huán)向牛腿,宜先焊接牛腿間連接焊縫,后焊與鋼柱連接焊縫；環(huán)向牛腿與柱的連接,宜先焊接平焊縫,后焊接立焊縫,環(huán)板與柱的平焊縫應對稱焊接。

(2)梁-牛腿接頭焊接

同一支鋼梁,先焊一端焊縫,等其冷卻后,再焊接另一端；同一支梁,先焊下翼板,再焊接上翼板,上下兩翼板焊縫的焊接方向應相反。當翼板厚度較大時,上下翼緣應輪流施焊。

3 支架設計及驗算

3.1 原工程設計及支架模板體系施工的優(yōu)勢

本施工段為蓋挖逆作法施工,工程質量要求高,外觀尺寸要求精準,施工跨度大,主體結構斷面大,原設計采用地模法進行施工。經過施工各參與方多次的研究探討,并根據類似工程施工的經驗,提出改地模法施工為支架法施工。相對于地模法,本工程中運用支架法施工的主要原因和優(yōu)勢有以下幾個方面。

安全方面：支架法施工可以避免地模施工的主次梁溝槽開挖,避免無設計防護情況下基坑開挖安全風險,而支架施工時,立桿的計算長度是由腳手架整體結構的構造決定的,支架高度可進行調整控制[4],且基坑四周均為連續(xù)墻支護設計,可以避免高位支模引起的支架失穩(wěn)風險,整個支架系統(tǒng)各構件在設計時充分考慮安全系數,并通過專家論證,安全有保障。

質量方面：支架施工可以各方向調整主體結構各構件豎向及水平位置,較好地保證構件尺寸和外觀質量,避免地模施工引起的構件外觀不規(guī)范及混凝土澆筑裂縫較多的情況,并可避免在后期的機械化作業(yè)時引起的混凝土結構破損,有利于成品保護；保證后澆下層側墻鋼筋預埋及連接質量,避免地模施工引起的鋼筋接頭銹蝕及后期土方施工破壞等因素。鑒于本工程構件的大跨度,支架法施工可以較好的調整空間,有利于保證構件的預拱度；支架法施工可以保障型鋼焊接和檢測的合理空間,有利于保障型鋼焊接質量和型鋼-混凝土結合部施工質量。

施工進度方面：采用支架法施工可以避免地模法施工時下層土方開挖時施工機械無法施展、必須先期采用人工開挖的弊端,作業(yè)空間大,提高工作效率,有效縮短工期；采用支架法施工還可以解決地模法施工無法解決的車站負一層、負二層型鋼梁水平方向的運輸定位以及焊接設備(配電柜、電焊機、各種輔助氣瓶)放置和焊接施工空間等問題。支架施工可照常進行跳倉法作業(yè),可以保障施工進度和施工材料的正常周轉。

工程成本方面：按照支架法施工每層板施工超挖2.8 m計算,可將約6萬m3基坑土方開挖由暗挖改為明挖,并且施工材料可以周轉,解決地模法施工一次性投入過大的問題,部分人工施工作業(yè)改機械作業(yè),大大提高了機械化作業(yè)水平,綜上所述,支架法施工更有利于成本的節(jié)約。

3.2 支架體系設計的基本思路

首先考慮支架系統(tǒng)的安全性：綜合考慮各結構件的受力情況,在材質上選擇優(yōu)質的建筑材料,如：厚18～20 mm優(yōu)質膠合板,主棱及次棱方面采用TC13A級方木,相關材料保障足夠的抗彎和抗剪強度要求。在模板和主、次棱撓度和抗剪強度、立桿間距設計等方面考慮,從頂板主梁處(截面高2.5 m)予以設計,再全面進行驗算。對于立桿,為保障材質的均勻性,一律采用φ48 mm×3.0 mm無縫鋼管,橫向鋼管按照相關規(guī)范設置,掃地桿及中間桿全斷面利用對接扣件進行連接,形成整體。由于整個系統(tǒng)荷載大,頂托全部采用全新購置,頂托和鋼管配套使用,保證整個支架系統(tǒng)穩(wěn)定性,立桿高度最高處不超過3.0 m,并在縱橫向水平桿連接處設置剪刀撐。

其次考慮支架作業(yè)空間：以小松PC220挖機為例,在首層結構施工完畢后開挖裝運下層土方時,最小需求空間約2.6 m,同時兼顧人工拆除模板方面,確定頂板處支架高度2.8 m,頂板梁處支架高度1.5 m。對于支架間距,為方便施工人員進出,兼顧考慮立桿承受能力,設置為：頂板立桿間距為600 mm×600 mm,頂梁立桿間距為600 mm×300 mm；立桿用φ48 mm×3.0 mm無縫鋼管搭設,水平桿不少于3道,掃地桿、梁底桿各1道,中間桿多道,并加設剪刀撐。模板下次楞方木10 cm×10 cm,間距300 mm,主楞方木10 cm×10 cm,間距300 mm。主體結構支架系統(tǒng)斷面見圖5。

圖5 頂板、頂梁支架模板節(jié)點詳圖(單位：m)

3.3 材料力學性能

本施工段所采用支架模板材料力學性能見表1。

3.4 荷載計算

作用于梁板支架系統(tǒng)主要荷載及組合見表2。

表1 福田站段四支架模板材料力學性能[5，6]

表2 作用于梁板支架系統(tǒng)主要荷載計算[6，7]

表3 作用于支架系統(tǒng)荷載組合[6]

(1)梁底面板計算

面板為受彎結構,需要驗算其抗彎強度和剛度,模板面板根據梁底木方位置按照多跨連續(xù)梁計算,模板支架上的荷載考慮混凝土、鋼筋及模板等恒載及施工活載,通過對面板的抗壓強度、抗剪強度、最大撓度計算值與設計值的比較,達到設計要求。

(2)梁底次楞的計算

根據方木長度,按照3跨連續(xù)梁計算,驗算其抗彎強度和剛度,計算中其最大彎矩考慮為靜荷載與活荷載的計算值最不利分配的彎矩和,通過對支撐方木的抗壓強度、抗剪強度、最大撓度計算值與設計值的比較,達到設計要求。

(3)梁底主楞的計算

梁底主楞按照集中荷載下多跨連續(xù)梁計算,通過對主楞的抗壓強度、最大撓度計算值與設計值的比較,達到設計要求。

(4)支架立桿計算

用對接扣件連接的鋼管立柱按單桿軸心受壓構件計算,計算軸主壓力值與設計值比較,達到設計要求。

(5)立柱底地基承載力計算

根據上部立柱傳至墊板頂面的軸向力設計值,計算立柱底面平均壓力,滿足地基土承載力要求。

支架系統(tǒng)模型及計算過程詳見表4。

表4 福田站支架系統(tǒng)模型及計算[6]

3.5 支架模板預壓

檢驗支架及地基的強度及穩(wěn)定性,消除預壓區(qū)域整個支架的塑性變形,消除預壓區(qū)域地基的沉降變形,測量出支架的彈性變形,為整個支架系統(tǒng)的預留沉降量提供數據。

考慮本工程模板支架面積大,工期緊張,同時支架高度小,為單層支架,支架形式單一,局部預壓數據較有代表性,擬采取局部預壓來獲取支架系統(tǒng)沉降數據,為施工提供依據。

用編織袋裝土對主梁與次梁中間區(qū)域支架進行預壓,預壓荷載為梁板體自重與主要施工荷載(包括施工人員、設備荷載等)之和。結合梁板實際斷面形式,折算成土堆高度和布置形式。

采取分級預壓模式,先加載30%,第2次加載到60%,第3次加載到100%,最后加載至120%[8]。

在預壓區(qū)域內分主梁、次梁、板的跨端、跨中、1/4跨處及沿縱向每縱向橫向各3 m 1個點進行觀測,共計布置4個斷面16個觀測點,實測26個點。從開始預壓,同時進行沉降觀測,在預壓前對底模的高程觀測1次,在預壓的過程中平均每8h觀測1次,加載30%、60%、100%、120%,觀測至沉降穩(wěn)定為止(通過對沉降速率、累計沉降值、沉降曲線進行分析),將預壓荷載卸載后再對底模高程觀測1次,從以上的觀測資料中計算出支架的彈性、塑性變形和地基沉降量,然后分構件(主梁、次梁、板)設置底模預留沉降量。

4 大體積混凝土施工及溫控措施

4.1 本站大體積、高性能混凝土特點

福田站蓋挖逆作段為大跨度、大截面、重荷載結構,其混凝土具有以下主要特點：

(1)采用蓋挖逆作法施工；

(2)工程量大,基坑超寬、超深；

(3)結構厚、體積大、鋼筋密,主要是梁、頂底板和側墻,主體結構頂板厚1 200 mm,頂橫梁1 400 mm×2 500 mm,頂縱梁1 400 mm×2 200 mm,一次澆筑混凝土數量大,一次澆筑量3 700 m3；

(4)主體結構不設變形縫,所有混凝土均為高性能微膨脹防水混凝土；

(5)為防止混凝土開裂,所有混凝土均摻加纖維素纖維。

4.2 混凝土施工主要控制措施

結合工程實際情況和對周邊環(huán)境的深入調查,采用專業(yè)混凝土公司提供的商品混凝土和工地現場經驗收的自設攪拌站提供的混凝土,主要原材料和配合比由項目中心試驗和拌和站控制,根據實際供應情況分別采用。

水泥選用普通硅酸鹽水泥,混合材為粉煤灰。細骨料要選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗河砂。優(yōu)先選用中級細骨料,粗骨料選用級配合理、粒形良好、質地均勻堅固、線脹系數小的潔凈碎石,粗骨料采用二級或多級級配。外加劑采用減水率高、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質量穩(wěn)定的產品。外加劑與水泥之間應有良好的相容性[9]。

主體結構隨基坑開挖方向分段順序施工,施工縫設置在縱向柱距1/4～1/3跨附近,每2段設后澆膨脹加強帶。經試驗,確定先澆混凝土線性膨脹率0.015%,膨脹加強帶混凝土線性膨脹率0.025%,加強帶間距不大于60 m。后澆膨脹加強帶見圖6。

圖6 主體結構膨脹加強帶示意(單位：mm)

混凝土采用攪拌運輸車,運輸車應具有防風、防曬、防雨設施。運輸過程中出現離析或使用外加劑進行調整時,攪拌運輸車應進行快速攪拌,攪拌時間不應少于120 s。

大體積混凝土施工后進行保溫保濕養(yǎng)護,初凝前,立即進行噴霧養(yǎng)護。梁、板混凝土二次抹面壓實后應采用蓄水法保溫養(yǎng)護,蓄水深度20 cm左右,養(yǎng)護時間不少于14 d。側墻混凝土拆模后安裝PVC水管噴淋養(yǎng)護,確保14 d內混凝土表面濕潤。

4.3 溫升測試及溫控措施

(1)測溫儀器與傳感器的埋設

每條軸線布置4 個測溫點,每個測溫點設3個測溫傳感器,分別測量混凝土頂面以下0.05、0.6、1.15 m處的溫度。同時測量表面及環(huán)境溫度。測點布置及傳感器埋設示意見圖7。

圖7 測溫點及傳感器布置示意(單位：mm)

(2)測溫時間間隔

根據以往工地的測溫經驗,頂板混凝土測溫時間周期持續(xù)1周左右。若降溫較慢,可適當延長測溫周期?；炷吝_溫峰值前每2 h測溫1次,溫峰值后每4 h測溫1次。

(1)炎熱天氣澆筑混凝土時,采用遮蓋、灑水、拌冰屑等降低混凝土原材料溫度的措施,保證混凝土的入模溫度控制在30 ℃以下。

(2)混凝土澆筑時盡量避開高溫時段澆筑混凝土。

(3)采用蓄水法保濕養(yǎng)護,蓄水深度20 cm左右,養(yǎng)護時間不少于7 d,濕養(yǎng)時間不少于7 d。

經測試,混凝土澆筑體溫升值、里表溫差和降溫速率、澆筑體表面與大氣溫差均滿足規(guī)范要求,最高溫度測點均位于結構中部和底部,養(yǎng)護降溫效果明顯。

5 結語

(1)大跨度、大截面型鋼梁制作和安裝過程中,焊接變形的控制是重點和難點。在施工過程中,對型鋼梁節(jié)點的劃分、鋼梁組立及坡口形式的選取、焊接的順序、開擋尺寸的測量等應嚴格控制,嚴格控制焊縫質量。

(2)由于該結構屬于大體積混凝土范疇,為防止施工裂縫的出現,在配合比設計中要考慮降低水泥水化熱,摻入優(yōu)質粉煤灰,盡量減少水泥用量,降低溫度應力。因本工程是地下結構,采用一級防水,防滲要求較高,為減少溫差產生的裂縫,采取了摻入微膨脹劑等措施。

(3)由于型鋼梁下部鋼筋與鋼筋、鋼筋與鋼骨之間間隙較小,對混凝土澆筑的密實帶來很大難度,為此對配合比進行了優(yōu)化設計,并在攪拌站進行了混凝土試配,保證混凝土澆筑過程中具有較好的流動性和良好的可泵性、保塑性。同時,在型鋼較為集中的工字鋼腋角和節(jié)點環(huán)板位置,采用設置上下透氣孔、澆筑時采用一面澆筑振搗、另一面流出的控制措施,保障型鋼結構的混凝土密實?；炷翝仓捎谜w澆筑,由中部向兩邊擴展的澆筑方式,確保模板支架施工過程中均衡受載。

(4)支架搭設時,應檢測基底承載力,小于100 kPa時,應進行換填處理；考慮到大跨度、超重特點,增設了C20混凝土墊層。

(5)嚴格控制實際施工荷載不超過計算荷載,出現超過最大荷載的情況要有相應的控制措施,鋼筋等材料不能在支架上方堆放；澆筑過程中,派人檢查支架和支承情況,發(fā)現下沉、松動和變形情況及時解決。

本工程型鋼筋混凝土結構施工質量好、速度快,受到各方好評,為福田車站的順利施工創(chuàng)造了條件。

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