某體育館超長混凝土結(jié)構(gòu)跳倉法施工與模擬分析

林 勇

(中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司,廈門 361006)

跳倉法是利用后澆帶以“先放后抗”的原理,先“放”以長度較短的分段跳倉適應(yīng)施工產(chǎn)生的溫差和收縮,再“抗”將各個(gè)分倉連成整體適應(yīng)長期作用下的溫差和收縮,降低對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響[1]。跳倉法把超長混凝土結(jié)構(gòu)分成若干數(shù)量的區(qū)塊,然后分區(qū)域間隔施工,此施工方法可解決超長混凝土的溫度開裂問題[2]。該文以廈門市某體育館超長混凝土結(jié)構(gòu)樓板為例,通過Midas軟件進(jìn)行有限元模擬分析跳倉法施工過程的溫度應(yīng)力,為指導(dǎo)現(xiàn)場施工提供理論依據(jù),同時(shí)為類似超長混凝土結(jié)構(gòu)的工程數(shù)值模擬分析計(jì)算提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某體育館位于福建省廈門市,包括比賽館、綜合訓(xùn)練館、平臺(tái)和屋面連接體三部分?？偨ㄖ娣e約為15.5萬m2,地下建筑面積4.12萬m2,地上建筑面積11.38 萬m2,建筑高度17.284～48.12 m,結(jié)構(gòu)跨度117 m。體育館為甲級(jí)特大型體育館,館總座席數(shù)18 000座,其中池座8 340席(含活動(dòng)坐席2 640個(gè)),包廂1 100 席,樓座8 340席,主席臺(tái)220席。

比賽館是地上單層大空間,主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和帶加勁桁架的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),建筑總層數(shù)7層,其中地下1層,地上6層,觀眾休息廳4層,局部機(jī)房6層,建筑高度為45.467 m;綜合訓(xùn)練館為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+鋼梁,建筑總層數(shù)為7層,其中地下1層,地上6層,建筑高度為23.85 m;平臺(tái)為鋼筋混凝結(jié)構(gòu),建筑高度為8.10 m,比賽館和綜合訓(xùn)練館之間屋面連接體為鋼桁架結(jié)構(gòu)。

1.2 超長混凝土樓板情況

體育館混凝土結(jié)構(gòu)為橢圓形,結(jié)構(gòu)總長度超過300 m,徑向最長160 m,板厚200～350 mm,混凝土強(qiáng)度C40。后澆帶分為徑向和環(huán)向設(shè)置(其中環(huán)向后澆帶分為沉降與伸縮后澆帶),地下室至二層后澆帶位置大致相同,三層以上只有徑向后澆帶,各層位置相通設(shè)置。

2 跳倉法施工

2.1 混凝土的配合比和養(yǎng)護(hù)

該工程混凝土經(jīng)過試配,確定組成的各項(xiàng)材料和相互間的比重,配合比見表1。1)混凝土根據(jù)規(guī)范及圖紙要求養(yǎng)護(hù)至60～90 d齡期;2)選擇低、中水化熱及凝結(jié)時(shí)間長的硅酸鹽水泥,控制水泥用量最少;3)優(yōu)先采用F類Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)的粉煤灰,?；郀t礦渣粉選用S95級(jí)的礦渣粉;4)坍落度控制在180 mm以內(nèi),碎石粒徑控制在5～25 mm?；炷吝\(yùn)輸過程中不得隨意加水,澆筑速度不宜過快。

表1 各層樓板混凝土配合比

混凝土澆搗結(jié)束,待其初凝開始并達(dá)到一定強(qiáng)度后,覆蓋薄膜保水1層+1層保溫層土工布。在覆蓋土工布的綜合條件下,達(dá)到保溫保濕,既能降低混凝土溫度應(yīng)力,又能讓混凝土徐變特性充分發(fā)展,抑制有害裂縫的產(chǎn)生?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

2.2 超長混凝土施工部署

該工程體育館以設(shè)計(jì)后澆帶為分縫進(jìn)行跳倉施工,既能減小超長混凝土結(jié)構(gòu)有害裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)加快體育館的施工進(jìn)度。體育館1層、2層結(jié)構(gòu)板分為4個(gè)區(qū)塊,4大區(qū)塊以設(shè)計(jì)原有后澆帶進(jìn)行劃分。4個(gè)區(qū)塊之間平行施工,獨(dú)立進(jìn)行跳倉作業(yè),保留1層場芯區(qū)域作為獨(dú)立施工(不作跳倉)。為了實(shí)現(xiàn)更快更合理的跳倉,每個(gè)區(qū)塊之間除了按后澆帶劃分進(jìn)行分倉組織跳倉施工外,結(jié)合施工部署及設(shè)計(jì)圖紙對(duì)跳倉施工分倉布置,將各區(qū)塊內(nèi)局部兩塊板之間的后澆帶改成加強(qiáng)帶(加強(qiáng)帶采用后澆式加強(qiáng)帶,澆筑時(shí)間為兩側(cè)混凝土澆筑完成后≥7 d方可澆筑),兩塊板組合成一塊板成為跳倉區(qū)塊板,減少跳倉板塊和后澆帶數(shù)量。局部加強(qiáng)帶采用《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求。

3 跳倉法有限元驗(yàn)算

3.1 參數(shù)選擇與建模

為避免一次性澆筑全樓層樓板引起混凝土過大的收縮徐變效應(yīng),綜合考慮跳倉法及后澆帶法的優(yōu)勢(shì),該工程選取面積最大、長度最長的一層樓板為例分析。頂板分別按照4個(gè)區(qū)域互相獨(dú)立組織跳倉法施工,在每個(gè)區(qū)域之間保留4～5條寬度約1.5～2 m的后澆帶,每批次澆筑混凝土均養(yǎng)護(hù)到7 d再澆筑下一批次的混凝土,直到樓板混凝土齡期達(dá)到60 d后,再澆筑后澆帶。

3.2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)設(shè)置

施工過程考慮結(jié)構(gòu)自重與施工活荷載,首層按5.0 kN/m2考慮,其他層按3.5 kN/m2考慮;此次模擬最大溫度差值綜合考慮混凝土收縮生成的當(dāng)量溫差、水化熱溫度變化與季節(jié)環(huán)境溫差三者所帶來的影響。

3.3 溫差計(jì)算

混凝土收縮量計(jì)算采用《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[3]中的相關(guān)方法。首先確定在選定一種狀態(tài)下混凝土的最大收縮量,然后在此選定狀態(tài)基礎(chǔ)上考慮用系數(shù)進(jìn)行修正來表示其他狀態(tài)下的最大收縮量。該工程具體混凝土收縮量的修正系數(shù)詳見表2。

表2 計(jì)算混凝土收縮的修正系數(shù)表

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

式中,ε(∞)為其他狀態(tài)下混凝土的最大收縮應(yīng)變;ε0(∞)為選定狀態(tài)下混凝土的最大收縮應(yīng)變,任何強(qiáng)度的混凝土ε0(∞)均為3.24×10-4;Mi為各種影響因素的修正系數(shù)。該工程取M1·M2·M3…Mn=0.98,任意時(shí)間的混凝土收縮量可按下面公式計(jì)算[4]。

ε(t)=ε(∞)·(1-e-0.01t)

式中,ε(t)為任意時(shí)間的收縮應(yīng)變;t為時(shí)間,d[5]。

由:ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…M10=3.175×10-4;

1層:ε(88 d)=ε(∞)·(1-e-0.88)=2.76×10-4,相當(dāng)于-2.76 ℃;

2～6層:ε(81 d)=ε(∞)·(1-e-0.81)=2.68×10-4,相當(dāng)于-2.68 ℃。

3.4 模擬結(jié)果分析

跳倉施工的樓板應(yīng)力分布及最大拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的板應(yīng)力見圖1、圖2。應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度的板單元數(shù)量占本層樓板數(shù)量比例很低,1F樓板應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度的單元數(shù)量占整個(gè)樓層的2.3%,對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大。

選取倉號(hào)1構(gòu)件編號(hào)42112的板,位置見圖3,該板經(jīng)歷整個(gè)樓板的施工過程,并位于區(qū)域中間位置,混凝土澆筑過程中受到的應(yīng)力較大。以該板作為代表查看在恒+活+徐變+收縮的合計(jì)工況下,各個(gè)施工階段樓板應(yīng)力的結(jié)果。從圖4可以看出,隨著跳倉施工過程,隨著水化反應(yīng)的不斷增強(qiáng),內(nèi)部混凝土受熱膨脹,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在膨脹應(yīng)力作用下受拉(正應(yīng)力)作用不斷增強(qiáng),受到的應(yīng)力水平呈逐漸增大趨勢(shì)。絕大部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力未超過允許抗拉強(qiáng)度曲線,該板應(yīng)力最大值1.84 MPa,不超過C40混凝土的抗拉強(qiáng)度,所以混凝土施工澆筑過程不會(huì)拉裂,表明按照跳倉法施工是可行的。

4 結(jié) 論

a.各樓層分區(qū)域混凝土跳倉施工,在恒荷載+活荷載+收縮+徐變的共同影響下,樓板的最大拉應(yīng)力基本都不超過C40軸心抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。跳倉法的分塊施工方案滿足施工混凝土開裂安全要求。

b.有個(gè)別板單元在局部地方有應(yīng)力集中現(xiàn)象,不能代表整體板單元的應(yīng)力情況,造成應(yīng)力集中的原因與網(wǎng)格劃分突變、柱墻的約束有關(guān)?？稍谑┕み^程中選取區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)做相應(yīng)溫度與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測,以對(duì)比驗(yàn)證。

c.通過分析表明,使用分區(qū)域跳倉的施工方法可以有效避免大體積混凝土澆筑引起的應(yīng)力過大問題。優(yōu)化混凝土配合比,降低澆筑混凝土產(chǎn)生的水化熱,并采取針對(duì)性的混凝土養(yǎng)護(hù)方式,可有效控制混凝土結(jié)構(gòu)的開裂,極大程度地減少因?yàn)闇囟茸兓褪湛s引起的結(jié)構(gòu)變形。