蘇州軌道交通工程超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)

王德民，郭耀雄，潘瑋璠，谷亞軍，方博，辜振睿

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北武漢 430083；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 前 言

蘇州是國(guó)內(nèi)第一個(gè)開通地鐵的地級(jí)市，軌道交通工程為蘇州經(jīng)濟(jì)發(fā)展和推進(jìn)城市化進(jìn)程提供了強(qiáng)大的助力[1]。我國(guó)城市軌道交通工程為保證地鐵車輛正常維修與停放，基本上實(shí)行1 條線路設(shè)置1 個(gè)車輛段和1 個(gè)停車場(chǎng)的方式。地鐵車輛段具有占地面積大、設(shè)計(jì)復(fù)雜和施工難度大等問(wèn)題，“厚梁肥柱薄板”的典型結(jié)構(gòu)對(duì)水平向混凝土板造成了較大約束[2]。車輛段上蓋一般為2～3 層框架結(jié)構(gòu)，梁板層間距大，基本暴露在室外大氣環(huán)境中，且結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置間距往往超過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，給超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)的裂縫控制造成了較大難度[3]。

近幾年由于政府加大環(huán)保力度、限制資源開采等，導(dǎo)致商品混凝土中優(yōu)質(zhì)原材料緊缺，蘇州市各混凝土站主要以機(jī)制砂石為骨料，水泥及礦物摻合料的比表面積也有所增大。原材料的變化導(dǎo)致混凝土早期收縮量增大，使實(shí)體結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)性收縮裂縫控制難度增大。目前補(bǔ)償收縮混凝土是國(guó)內(nèi)控制混凝土非結(jié)構(gòu)性收縮的有效措施之一，在超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)類工程中已經(jīng)積累了一定量的工程案例[4-6]。為有效控制混凝土收縮裂縫，采用高性能膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，通過(guò)混凝土配合比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工養(yǎng)護(hù)措施優(yōu)化、實(shí)體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等方面分析地鐵車輛段超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)混凝土早期裂縫控制的效果。

1 工程概況

蘇州軌道交通5 號(hào)線胥口車輛段及上蓋平臺(tái)開發(fā)工程位于蘇州市吳中區(qū)胥口鎮(zhèn)北部，其底層為車輛段用房，二層樓面為停車場(chǎng)，三層樓屋面為上蓋物業(yè)開發(fā)平臺(tái)，上蓋平臺(tái)開發(fā)包括商業(yè)和住宅2 部分，商業(yè)為地下2 層、地上13 層，住宅為地下1 層、地上18 層、26 層等。工程總用地面積約31.5 萬(wàn)m2，物業(yè)開發(fā)總建筑面積約55 萬(wàn)m2，上蓋兩層平臺(tái)總建筑面積約20 萬(wàn)m2，一層平臺(tái)標(biāo)高9 m、二層標(biāo)高15.5 m。車輛段上蓋平臺(tái)剖面如圖1 所示，整體鳥瞰如圖2 所示。

圖1 胥口車輛段上蓋平臺(tái)剖面

圖2 胥口車輛段上蓋平臺(tái)整體鳥瞰

車輛段上蓋平臺(tái)以B 區(qū)結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置間距最大，最長(zhǎng)達(dá)190 m，伸縮縫分區(qū)示意如圖3 所示。結(jié)構(gòu)伸縮縫之間以后澆帶方式進(jìn)行分塊澆筑施工，后澆帶設(shè)置間距為40～85 m，其中單次澆筑梁板混凝土最大面積約4000 m2。上蓋一層板厚度200 mm，二層板厚度250 mm，其梁寬度450～800 mm、深度1.2～1.8 m，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。車輛段上蓋采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)解決結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)和季節(jié)溫差帶來(lái)的溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)解決預(yù)應(yīng)力筋張拉前超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)混凝土非結(jié)構(gòu)性收縮的問(wèn)題。

圖3 胥口車輛段上蓋平臺(tái)伸縮縫分區(qū)示意

2 超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)裂縫控制重難點(diǎn)分析

車輛段工程在交付使用過(guò)程中，由于季節(jié)溫度變化在超長(zhǎng)梁板結(jié)構(gòu)中形成一定的變形量而產(chǎn)生較大的溫度收縮應(yīng)力，通過(guò)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)可以補(bǔ)償此收縮應(yīng)力，減少和避免結(jié)構(gòu)收縮開裂。無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)的關(guān)鍵是控制好張拉應(yīng)力和伸長(zhǎng)量，目前工程應(yīng)用技術(shù)已相對(duì)成熟[3]。而預(yù)應(yīng)力筋張拉一般是在混凝土澆筑完成1～2 個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間后進(jìn)行，在此之前由于混凝土自收縮和干燥收縮主要是在早期釋放，在較大約束下產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)收縮變形易導(dǎo)致梁板開裂。

（1）“厚梁肥柱薄板”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致車輛段梁板混凝土在結(jié)構(gòu)相互之間的約束下而產(chǎn)生較大的收縮，尤其是在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前由于自身水化反應(yīng)和持續(xù)干燥環(huán)境帶來(lái)的非結(jié)構(gòu)性收縮，在配筋密度變化大的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中而拉裂混凝土板。本工程上蓋梁板中板的最薄處僅200 mm，而梁厚度最大達(dá)1.8 m，各結(jié)構(gòu)部位的約束程度差異較大。

（2）近幾年由于商品混凝土原材料的變化導(dǎo)致其自身早期的收縮量逐年加大，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中后澆帶的設(shè)計(jì)間距卻也是逐年加大，這樣的改變更是加劇了混凝土結(jié)構(gòu)早期的非結(jié)構(gòu)性收縮開裂。本工程上蓋梁板混凝土連續(xù)澆筑最大長(zhǎng)度達(dá)85 m，最大澆筑面積達(dá)4000 m2，對(duì)混凝土自身抗裂性能提出了較高的要求。

3 裂縫控制技術(shù)措施及做法

3.1 摻加高性能膨脹劑

本工程采用高性能膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土來(lái)補(bǔ)償早期自收縮和干燥收縮，減少和避免混凝土出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性收縮裂縫。高性能膨脹劑具有早期膨脹能大、水化反應(yīng)需水量小的特點(diǎn)，能較大補(bǔ)償混凝土早期收縮量，提高混凝土的抗裂性能[7]。高性能膨脹劑性能符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型技術(shù)要求，具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 高性能膨脹劑的技術(shù)指標(biāo)

3.2 設(shè)計(jì)補(bǔ)償收縮混凝土

補(bǔ)償收縮混凝土各原材料采用江蘇金峰P·O42.5 水泥（比表面積395 m2/kg）；張家港聯(lián)峰鋼鐵S95 高爐礦渣粉（比表面積460 m2/kg）；蘇州木瀆宏根F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰（需水量比98%）；武漢三源FQY 高性能膨脹劑；蘇州吳江細(xì)度模數(shù)3.4機(jī)制砂（含泥量2.1%、石粉含量6.8%）；江西贛江細(xì)度模數(shù)1.0 特細(xì)砂（含泥量4.2%）；浙江湖州5～25 mm 連續(xù)粒級(jí)碎石（含泥量1.2%、泥塊含量0.5%）；浙江桐化聚羧酸減水劑（減水率23%、固含量14%）。因細(xì)骨料是由機(jī)制砂和特細(xì)砂混合而成，為確保強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，配合比中提高了膠凝材料和減水劑用量，膨脹劑采用外摻方式。經(jīng)試配調(diào)整，實(shí)際施工混凝土配合比如表2 所示，限制膨脹率符合JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要求：水中14 d、水中14 d及空氣中28 d 分別應(yīng)該滿足2.3×10-4%、0.5×10-4%。

表2 C40 補(bǔ)償收縮混凝土的最終配合比 kg/m3

3.3 完善施工技術(shù)措施

補(bǔ)償收縮混凝土施工澆筑前進(jìn)行技術(shù)交底，控制混凝土到場(chǎng)坍落度為（150±30）mm，過(guò)程中嚴(yán)禁工人私自加水，加強(qiáng)混凝土振搗。由于車輛段上蓋梁板單次澆筑面積大、板面薄，為減少和避免由于收面不及時(shí)導(dǎo)致混凝土表面失水過(guò)快而出現(xiàn)塑性收縮裂縫，收面工藝采用了“一次人工收面+一次薄膜覆蓋”的方式，同時(shí)澆筑振搗和人工收面交替進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)采用人工灑水方式進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，安排專人每天灑水不少于4 次，保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，以減小終凝后混凝土的干燥收縮量。工程采用了振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)混凝土板和框架梁中應(yīng)變和溫度的變化趨勢(shì)。部分施工效果如圖4 所示。

圖4 部分施工效果

4 應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為評(píng)估高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土在地鐵車輛段上蓋梁板中的抗裂效果（預(yù)應(yīng)力筋張拉前），在框架梁和板內(nèi)部分別埋設(shè)應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均位于各澆筑板塊結(jié)構(gòu)居中位置，監(jiān)測(cè)周期不少于28 d。結(jié)構(gòu)分塊中二層板1 和二層梁1 位于同一塊梁板內(nèi)，二層板2 和二層梁2 位于另外一塊梁板內(nèi)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微應(yīng)變和溫度隨時(shí)間的變化如圖5 所示。

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微應(yīng)變和溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

從圖5（a）、（b）可知：（1）二層板1 混凝土入模溫度36.0℃，約20 h 內(nèi)部溫度達(dá)到峰值49.7 ℃，溫度修正后微應(yīng)變?cè)?5 d 內(nèi)從+66 με 減小至-78 με；（2）二層梁1 混凝土入模溫度36.5 ℃，約29 h 內(nèi)部溫度達(dá)到峰值69.9 ℃，溫度修正后微應(yīng)變?cè)?5 d 內(nèi)從+89 με 減小至-28 με。

從圖5（c）、（d）可知：（1）二層板2 混凝土入模溫度30.2℃，約36 h 內(nèi)部溫度達(dá)到峰值49.0 ℃，溫度修正后微應(yīng)變?cè)?2 d 內(nèi)從+76 με 降至-88 με；（2）二層梁2 混凝土入模溫度30.2 ℃，約36 h 內(nèi)部溫度達(dá)到峰值68.5 ℃，溫度修正后微應(yīng)變?cè)?2 d 內(nèi)從+66 με 降至-24 με。由于上蓋板較薄，且白天太陽(yáng)光照強(qiáng)度高并存在晝夜溫差，因而其內(nèi)部溫度大小和溫峰值出現(xiàn)時(shí)間均受環(huán)境溫度影響較大。由于梁混凝土厚度偏大，其內(nèi)部溫峰值較高且出現(xiàn)時(shí)間明顯后移。

從上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：（1）二層板和梁內(nèi)部溫度修正后微應(yīng)變?cè)? d 內(nèi)達(dá)到最大值，基本在+50～+100 με，表明混凝土內(nèi)膨脹組分在水化過(guò)程中產(chǎn)生了一定量微膨脹作用，能夠補(bǔ)償混凝土部分收縮量；（2）二層板和梁內(nèi)溫度修正后微應(yīng)變?cè)?0 d 后均出現(xiàn)負(fù)值，基本在-100～-20 με，表明混凝土內(nèi)部在自收縮和干燥收縮等的疊加下消耗了早期水化產(chǎn)生的膨脹量，并進(jìn)一步將微應(yīng)變減小為負(fù)值；（3）二層板混凝土內(nèi)部的微應(yīng)變?cè)?0 d 后較二層減小了約50 με，表明在各項(xiàng)約束條件下，上蓋梁板中薄板結(jié)構(gòu)收縮更大，也更易產(chǎn)生收縮裂縫。

5 工程應(yīng)用效果

蘇州軌道交通5 號(hào)線胥口車輛段主體結(jié)構(gòu)上蓋兩層梁板混凝土澆筑時(shí)間從2019 年9 月～2020 年10 月，歷時(shí)13 個(gè)月。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)定期跟蹤和檢查，車輛段上蓋各結(jié)構(gòu)板塊有害裂縫較少，實(shí)體結(jié)構(gòu)抗裂效果較好，如圖6 所示。工程應(yīng)用表明，采用高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工和養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，能夠增大地鐵車輛段上蓋梁板混凝土的早期裂縫控制效果。

圖6 胥口車輛段上蓋梁板局部效果

6 結(jié) 論

（1）高性能膨脹劑具有早期膨脹能大、水化反應(yīng)需水量小的特點(diǎn)，用其配制的補(bǔ)償收縮混凝土能夠補(bǔ)償早期收縮量大的缺陷，在地鐵車輛段上蓋超長(zhǎng)梁板實(shí)體結(jié)構(gòu)中得到了驗(yàn)證。

（2）在胥口車輛段上蓋二層梁板中，混凝土內(nèi)部溫度修正后微應(yīng)變?cè)? d 內(nèi)達(dá)到最大值，為+50～+100 με，在30 d 后減小至-100～-20 με，表明膨脹組分在早期產(chǎn)生的膨脹量逐步被混凝土的自收縮和干燥收縮所消耗，起到了補(bǔ)償混凝土早期部分收縮的作用。

（3）本工程二層板內(nèi)溫度修正后的微應(yīng)變?cè)?0 d 后較二層梁內(nèi)減小了約50 με，說(shuō)明上蓋梁板中薄板結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)約束條件下收縮更大，也更易產(chǎn)生收縮裂縫。