景觀構筑物UHPC制備與拼裝技術*

蔡曉男,林墨翰,苗夢琦

(中交第三航務工程局有限公司,上海 200030)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一種具有高強度(抗壓強度≥150MPa)、高韌性(抗折強度≥25MPa)、高耐久性和高環(huán)保性的水泥基復合材料。UHPC的水泥、骨料、鋼纖維等組分在拌制過程中易聚團,影響其均質(zhì)性和材料特性,國內(nèi)外學者對其拌制與養(yǎng)護技術也開展了部分研究。研究表明,材料配合比、加料時間、加料順序、攪拌方法均會對材料的抗折強度、抗壓強度等指標產(chǎn)生較大影響。也有研究表明,高溫、加壓養(yǎng)護能加速硅灰的火山灰反應,促使結晶水化物的形成與硬化漿體的脫水,有利于形成密實的內(nèi)部結構。

本文依托第十屆中國花卉博覽會項目,探索使用UHPC完全制備景觀構筑物的施工成套技術,內(nèi)容包括UHPC拌合、模架體系搭設、混凝土澆筑與養(yǎng)護、預制節(jié)段拼裝等內(nèi)容,旨在為UHPC材料的廣泛應用提供參考與借鑒。

1 工程概況

第十屆中國花卉博覽會(簡稱“花博會”)是我國規(guī)模最大、規(guī)格最高、影響最廣、內(nèi)容最豐富的國家級花事盛會。2021年,第十屆中國花博會在上海崇明舉辦,為期42d。花與藝術展園是花博會四大核心展園之一,其主要景觀構筑物為一座飄帶狀的懸浮座椅,造型新穎獨特。它通過空間曲線的不斷變化圍合成不同的結構或功能區(qū)域,如座椅、滑梯、秋千等,供成人休憩與兒童玩樂使用(見圖1)。

圖1 懸浮景觀座椅3D效果

2 結構特征

飄帶狀懸浮景觀座椅總建筑面積為133m2,最大高度2.35m。外圈由7個Π型和2個曲線構件組成,外徑5.6m,外圈節(jié)段寬0.6m,構件高1.85m;內(nèi)圈由3個Π型和2個曲線構件組成,外徑2.15m,內(nèi)圈節(jié)段寬0.3m,構件高0.45m(見圖2)。

圖2 UHPC裝置基本尺寸

懸浮座椅具備多個功能分區(qū),如座椅、滑梯、秋千等,其結構受力要求較高。本工程采用有限元軟件SOFISTIK 2020建立計算模型,永久荷載DL=24kN/m2,活荷載LL=3kN/m2,風荷載WL=1kN/m2,分別進行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的結構厚度設計與驗算,結果表明:材料用量約8t,結構厚度在30～80mm;承載力狀態(tài)下最大拉應力為13.5MPa;正常使用狀態(tài)下最大撓度為12.7mm。為此,材料的抗壓強度>130MPa,抗彎強度>20MPa,抗拉強度>7MPa。

3 關鍵施工技術

3.1 UHPC制備

為保證結構的力學性能達到設計要求,本工程在UHPC材料選擇方面嚴格把控,最終采用拉法基豪瑞(Ductal)UHPC原材,具體包括拉法基豪瑞B(yǎng)3型UHPC預混粉末和F4型外加劑。其中,預混粉末已包含超細粉末,充分攪拌可有效減少骨料空隙,提高材料的密實度。而外加劑的主要成分為減水劑,使得混凝土的單位拌合用水量大幅度降低。

1) 材料配合比 根據(jù)拉法基豪瑞的材料說明和現(xiàn)場試配效果,明確材料配合比,即每1 000g拉法基豪瑞B(yǎng)3型UHPC預混粉末需要與76.9g水、10.6g F4型外加劑、45g不銹鋼纖維(長度14mm)進行拌合,才能達到前述力學性能。

2) 拌合工藝 將UHPC原材按上述配合比加入攪拌機進行攪拌。首先將1 000g預混料攪拌2min,均勻混合預混料中的細骨料和超細粉末。接著加入76.9g水與10.6g外加劑攪拌5min,再加入45g不銹鋼纖維攪拌4min,最終制成UHPC拌合料備用。

3.2 節(jié)段預制

為減少場地占用和縮短施工工期,本工程在工廠內(nèi)進行UHPC結構構件的全部預制,內(nèi)容包括節(jié)段劃分、模架設計、節(jié)段預制、連接節(jié)點等。

3.2.1節(jié)段劃分

如圖3,4所示,根據(jù)功能分區(qū),懸浮座椅分為4部分,即可上人部分(黃色部分)、樓梯步道(綠色部分)、與地面錨固部分(紅色部分)、風荷載主要作用區(qū)域(藍色部分)。預制節(jié)段劃分時,要求單個節(jié)段至少有1處地面錨固著力點,在此基礎上綜合考慮單次澆筑方量將整體結構分割成14個預制節(jié)段,各節(jié)段長度為2～5m。

圖3 計算模型

圖4 節(jié)段劃分

3.2.2模架設計

懸浮座椅造型獨特,常規(guī)模架體系難以適用;同時,因工期緊無法選用定制化鋼模板,因此,本工程提出木模板+PVC+GRC相結合的模架體系,如圖5所示。首先,運用Rhinoceros軟件計算各節(jié)段模架體系的橫、縱斷面尺寸。然后,按各節(jié)段水平投影的形狀與尺寸,切割9mm厚夾心木質(zhì)板作為支架基礎(間距10cm)。最后,根據(jù)縱斷面高度和下弧形狀切割9mm厚夾心木質(zhì)板制作底模和側(cè)模,并確保底層模板與支架基礎穩(wěn)固連接。若支架基礎高度>60cm,可在適當位置增加橫隔板以保證支架體系穩(wěn)定。

圖5 模架體系3D視圖

在上述底模、側(cè)模上鋪設4mm厚PVC卷材形成雙層模板體系,底層模板與PVC卷材間需全面膠接,支架基礎與底層模板間采用射釘固定。若局部結構曲率過小或坡度過大,此時采用玻璃纖維增強水泥(GRC)平順過渡,保證結構曲線順滑、無折角。與此同時,當構件坡度較陡時,還需增設單層4mm厚PVC卷材作為頂層模板。

此外,在頂模上側(cè)和底模下側(cè)設置若干對40mm×40mm×1.2mm方形鋼管,用18號鐵絲綁扎頂、底層鋼管,以防止跑?；蛎浤?。并且,頂、底層鋼管擠壓模板也可作為UHPC凝結時施加的預壓力,這利于消除孔隙和自由水,使顆粒更加緊密,提高構件的抗彎強度與韌性。

3.2.3澆筑養(yǎng)護

模架體系完成后即開始UHPC混合料澆筑。綜合考慮構件大小,在各節(jié)段的高處預留1道澆筑孔,并在構件的延伸方向每隔50cm設置1個觀察孔。澆筑時,UHPC混合料從澆筑孔灌入,沿著底模自高向低自然流淌,并通過觀察孔的溢流情況實時掌握澆筑位置。特別需要注意的是,UHPC混合料澆筑時無須振搗。不銹鋼纖維在流動過程中表現(xiàn)出一定的方向性與連接性,可大大減緩材料內(nèi)部微裂縫的擴展,從而使材料表現(xiàn)出超高韌性和延性性能。最后,在常溫條件下,帶模灑水養(yǎng)護28d方可吊裝搬運,此時預制構件的抗壓強度>130MPa,抗彎強度>20MPa,抗拉強度>7MPa。

3.3 現(xiàn)場拼裝

懸浮座椅累計14個預制節(jié)段,現(xiàn)場拼裝時,先完成預制節(jié)段與混凝土基礎的連接,再完成預制節(jié)段間的連接。

1) 預制節(jié)段與混凝土基礎連接 預制節(jié)段與混凝土基礎采用“預埋鋼板+高強螺栓”連接。如圖6所示,混凝土基礎中需預埋鋼制底座,它由下部鋼板、H型支座和上部鋼板組成,采用Q355B鋼材并進行防銹處理。以懸浮座椅外圈為例,節(jié)段下部鋼板尺寸為600mm×600mm×20mm,上部鋼板尺寸為400mm×400mm×20mm,H型支座高度H為200mm,寬度B為200mm,厚度t為20mm,高度隨節(jié)段底部高度和傾斜角度的不同,在39～264mm變化。UHPC預制節(jié)段需預埋4個M20高強螺栓,強度等級為8.8級?，F(xiàn)場安裝只需將預制節(jié)段的高強螺栓與上部鋼板的預留栓孔嵌套連接,旋緊螺母即可。

圖6 節(jié)段與預埋鋼底座錨栓連接

2) 預制節(jié)段間連接 預制節(jié)段間采用“預埋鋼板+現(xiàn)場灌漿”連接。以懸浮座椅外圈為例,節(jié)段寬0.6m,預埋鋼板尺寸為250mm×350mm×15mm,焊接連接鋼板尺寸為 300mm×150mm×10mm。預埋鋼板及連接鋼板均需設置預留孔。如圖7所示,2塊預埋鋼板分別澆筑在UHPC相鄰節(jié)段的連接端頭,現(xiàn)場2節(jié)預制構件對齊后,先通過2塊焊接連接鋼板將預埋鋼板夾持,并且上、下預留孔應對齊貫通,然后對預埋鋼板和連接鋼板進行焊接固定(沿著重疊部分施作角焊縫),最后在構件連接處灌入UHPC拌合料,待凝結硬化完成后再進行表面修復。

圖7 焊接預埋鋼板

4 結語

隨著建筑新材料的不斷發(fā)展,兼具高強度、高耐久性和高環(huán)保性的超高性能混凝土(UHPC)被越來越多的工程師所青睞?；ú﹫@懸浮座椅為一座異形飄帶狀景觀構筑物,總建筑面積133m2,其完全由UHPC材料制備,以充分發(fā)揮其優(yōu)異的抗壓、抗彎、抗拉性能,滿足懸浮座椅不同功能區(qū)的受力要求。本文將懸浮座椅分為14個預制節(jié)段,系統(tǒng)研究UHPC的材料拌合、模架搭設、澆筑養(yǎng)護、預制拼裝等施工工藝。此外,本工程也創(chuàng)新性地提出木模板+PVC+GRC 相結合的模架體系,有效解決了異形結構的模板搭設難題,為UHPC材料在景觀園林領域的推廣應用提供了參考與借鑒。