跳倉(cāng)法施工控制大型樞紐站承軌層收縮開裂可行性研究

郭云鵬， 陳華婷， 張文學(xué)， 方　蓉

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

通過對(duì)運(yùn)營(yíng)單位的了解與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化車站，無論規(guī)模大小、功能完善程度，在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中，大部分高架車站承軌層均存在不同程度的裂縫與滲漏水現(xiàn)象，這是高架車站的主要病害。由于水泥在水化反應(yīng)中釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，乃至使混凝土出現(xiàn)裂縫[1]。跳倉(cāng)法最早是由王鐵夢(mèng)教授提出的，將大體積混凝土構(gòu)件分成若干段或塊，采用間隔施工的一種施工方法[2]。跳倉(cāng)法的施工原理包括“放”與“抗”兩方面，即早期盡快減小混凝土內(nèi)部應(yīng)力；后期則通過提高混凝土自身的極限抗拉強(qiáng)度來防止混凝土開裂[3]。陳波等[4]證明跳倉(cāng)法施工大體積混凝土結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)越性；闞景隆等[5]對(duì)跳倉(cāng)法在冬季施工條件下的施工措施以及質(zhì)量控制方法進(jìn)行研究；朱緒偉等[6]對(duì)跳倉(cāng)法施工的經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)越性進(jìn)行分析；李昂[3]以具體工程為例，通過有限元模擬比較不同施工方法對(duì)控制大體積混凝土開裂的影響。對(duì)比結(jié)果表明，在進(jìn)行厚度遠(yuǎn)小于平面面積的大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工時(shí)，采用跳倉(cāng)法進(jìn)行澆筑在控制溫度裂縫方面較為有效。以上文獻(xiàn)研究成果表明，跳倉(cāng)法施工等厚樓板是可行的。在本工程中采用跳倉(cāng)法施工梁板結(jié)構(gòu)，為對(duì)跳倉(cāng)法施工控制梁板結(jié)構(gòu)收縮開裂進(jìn)行可行性研究，采用Midas進(jìn)行有限元建模并分析。

1　工程概況及重難點(diǎn)分析

佛山西站為國(guó)內(nèi)在建的特大型綜合樞紐車站，為高架車站結(jié)構(gòu)，承軌層大面積梁板結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，型鋼梁截面為工字形，尺寸主要以1 400 mm×2 400 mm為主，主筋主要為Ф32、Ф40鋼筋，現(xiàn)澆板采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，配筋采用雙層雙向Ф12、Ф14、Ф16@100鋼筋網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)段承軌層柱網(wǎng)分布為24 m×24 m，梁板均采用C45混凝土。先期承軌層采用分跨施工，分6次澆筑成型，每次澆筑面積達(dá)2 000～3 000 m2，通過對(duì)佛山西站承軌層先期試驗(yàn)段施工調(diào)查發(fā)現(xiàn)承軌層在雨棚柱兩側(cè)及次梁附近出現(xiàn)裂縫，裂縫分布及現(xiàn)場(chǎng)裂縫如圖1、圖2。

圖1　站臺(tái)層裂縫分布

圖2　裂縫現(xiàn)場(chǎng)分布

出現(xiàn)裂縫的主要原因是承軌層施工時(shí)間集中在5月～10月，澆筑大面積混凝土?xí)r混凝土溫度過高，對(duì)混凝土裂縫控制非常不利，極易造成混凝土有害裂縫?；诜鹕轿髡咎厥獾氖┕l件和分段分批開通的實(shí)際情況，改用跳倉(cāng)法施工，通過對(duì)型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工塊段劃分，縮小塊段面積，可有效解決大面積混凝土裂縫問題。

2　跳倉(cāng)法施工等厚承軌板模型分析

為更好分析跳倉(cāng)法對(duì)控制承軌層開裂的效果，剔除實(shí)際工程縱梁和承軌板之間截面突變引起的局部應(yīng)力干擾，首先對(duì)簡(jiǎn)化的、厚度一致的承軌板模型進(jìn)行建模分析。

2.1　對(duì)比方案描述

(1)整體施工：整體施工是指將混凝土承軌板整體澆筑。此方法施工時(shí)間相對(duì)較短，但大體積混凝土整體施工由于水泥水化熱散發(fā)緩慢，在混凝土中心形成熱量積聚，造成內(nèi)外溫差、內(nèi)部溫差、溫度陡降和干縮等，易導(dǎo)致混凝土開裂[7]。

(2)分跨施工：分跨施工是指將承軌板按縱向分為6段進(jìn)行澆筑，澆筑過程中相鄰兩段不同時(shí)澆筑。這種施工方法可以解決縱向開裂的問題，但是橫向開裂的問題沒有得到有效解決。

(3)跳倉(cāng)法施工：本工程中將車站框架結(jié)構(gòu)合理劃分為約20～40 m長(zhǎng)度塊段，共36塊，按“品”字形施工。跳倉(cāng)法優(yōu)點(diǎn):一是在不設(shè)縫情況下解決超長(zhǎng)、超寬、超厚的大體積混凝土裂縫控制和防滲問題；二是以分倉(cāng)縫取代施工縫和永久變形縫，降低了施工的成本；三是簡(jiǎn)化施工，加快施工進(jìn)度[8]。

2.2　有限元建模

等厚承軌板模型如圖3所示，模型采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，單元總數(shù)為106 888個(gè)，承軌板和柱之間共用節(jié)點(diǎn)，柱底部采用固結(jié)約束，施工方法分別采用整體施工、分跨施工和跳倉(cāng)法施工，每種施工方法的各施工階段時(shí)間間隔分別為7 d、14 d、21 d。分別查看施工結(jié)束后1個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月的承軌板的收縮應(yīng)力。

圖3　承軌板模型

以施工時(shí)間間隔14 d施工完成后1個(gè)月模型為例，承軌板有限元分析結(jié)果如圖4～圖6(X方向?yàn)闄M承軌梁方向，Y方向?yàn)轫槼熊壛悍较?，由分析結(jié)果可知：

(1)采用整體施工承軌板時(shí)，在立柱的約束作用和承軌板混凝土的收縮效應(yīng)的共同作用下，承軌板會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，會(huì)引起承軌板的開裂。

(2)采用分跨施工承軌板時(shí)，在橫承軌梁方向的拉應(yīng)力與整體施工基本一致，但在順承軌梁方向的拉應(yīng)力反而比整體施工的拉應(yīng)力有少許增大，不能有效控制承軌板的開裂。

(3)與整體施工和分跨施工相比，跳倉(cāng)法施工可以有效降低承軌板在橫承軌梁方向和順承軌梁方向的拉應(yīng)力，對(duì)控制承軌板開裂非常有效。

圖4　承軌板整體施工拉應(yīng)力云圖

圖5　承軌板分跨施工拉應(yīng)力云圖

圖6　承軌板跳倉(cāng)法施工拉應(yīng)力云圖

2.3　澆筑間隔時(shí)間的參數(shù)化分析

由于混凝土收縮與澆筑間隔時(shí)間有密切聯(lián)系，所以選擇分別以澆筑間隔時(shí)間為7 d、14 d、21 d模擬承軌板的施工，不同施工方案施工完成1個(gè)月和1年后的承軌板拉應(yīng)力對(duì)比如圖7、圖8。通過對(duì)比分析不同澆筑時(shí)間間隔產(chǎn)生的拉應(yīng)力可知：

(1)采用整體施工和分跨施工承軌板時(shí)，混凝土收縮拉應(yīng)力隨著澆筑間隔時(shí)間的增加而增加。

(2)采用跳倉(cāng)法施工承軌板時(shí)，混凝土收縮拉應(yīng)力在澆筑間隔時(shí)間為14 d和21 d時(shí)相差較小，其主要原因?yàn)樘鴤}(cāng)法施工中個(gè)塊段體積相對(duì)較小，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成收縮。說明采用跳倉(cāng)法施工可以縮短施工工作時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

圖7　承軌板施工完成1個(gè)月后拉應(yīng)力

圖8　承軌板施工完成1年后拉應(yīng)力

3　跳倉(cāng)法施工實(shí)際承軌層模型分析

由等厚承軌板模型分析可知：各施工階段間隔時(shí)間分別采用14 d和21 d時(shí)，混凝土的收縮拉應(yīng)力基本無差別，所以建立實(shí)際承軌層(承軌板和縱梁)模型分析時(shí)施工時(shí)間間隔采用14 d。實(shí)際承軌層模型如圖9所示，模型采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，單元總數(shù)為191 241個(gè)，承軌板、縱梁和柱之間共用節(jié)點(diǎn)，柱底部采用固結(jié)約束，施工方法分別采用整體施工、分跨施工、跳倉(cāng)法施工，分別查看澆筑結(jié)束后1個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月的承軌層的收縮應(yīng)力。

圖9　承軌層模型

通過對(duì)實(shí)際承軌層建模分析得到不同施工方案在施工完成1個(gè)月和1年后承軌層拉應(yīng)力對(duì)比圖如圖10、圖11，由分析結(jié)果可知：

圖10　實(shí)際承軌層施工1個(gè)月后拉應(yīng)力

圖11　實(shí)際承軌層施工1年后拉應(yīng)力

圖12　跳倉(cāng)法施工承軌層產(chǎn)生最大拉應(yīng)力位置

(1)對(duì)于實(shí)際的承軌層，較大的拉應(yīng)力主要分布在縱梁與承軌板交接位置。

(2)采用分跨施工承軌層時(shí)，在橫承軌梁方向的拉應(yīng)力與整體施工基本一致，在順承軌梁方向的拉應(yīng)力比整體施工的拉應(yīng)力有所降低，但效果不是很明顯。

(3)采用跳倉(cāng)法進(jìn)行大型綜合交通樞紐站承軌層施工，與整體施工相比，可以有效降低承軌層在順承軌梁方向的拉應(yīng)力，對(duì)控制承軌層順承軌梁方向開裂比較有效，但在橫承軌梁方向兩種施工方法產(chǎn)生的拉應(yīng)力差別不大，這主要是因?yàn)榻孛嫱蛔円鹁植坷瓚?yīng)力(圖12)，采用跳倉(cāng)法不能有效避免；與分跨施工相比，在橫承軌梁方向、順承軌梁方向兩個(gè)方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力均有所降低。

4　結(jié)論

通過對(duì)佛山西站承軌層不同施工方法的有限元分析，以實(shí)際承軌層模型為例，得出如下主要結(jié)論：

(1)與整體施工相比，分跨施工在橫承軌梁方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力與整體施工基本一致，在順承軌梁方向分跨施工產(chǎn)生的拉應(yīng)力稍小。

(2)與整體施工和分跨施工相比，跳倉(cāng)法施工可以有效降低承軌層在橫承軌梁方向、順承軌梁方向的拉應(yīng)力，對(duì)控制承軌層開裂非常有效。

(3)跳倉(cāng)法施工可以縮短施工時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

(4)采用跳倉(cāng)法施工本承軌層后，大部分承軌層沒有出現(xiàn)裂縫，少部分現(xiàn)澆板偶有裂縫，寬度經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量均小于0.1 mm。說明跳倉(cāng)法施工在控制大體積混凝土裂縫方面是有效的。