某體育館超長混凝土結構跳倉法施工與模擬分析

林 勇

(中建四局建設發展有限公司,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施工產生的溫差和收縮,再“抗”將各個分倉連成整體適應長期作用下的溫差和收縮,降低對結構的不利影響[1]。跳倉法把超長混凝土結構分成若干數量的區塊,然后分區域間隔施工,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構樓板為例,通過Midas軟件進行有限元模擬分析跳倉法施工過程的溫度應力,為指導現場施工提供理論依據,同時為類似超長混凝土結構的工程數值模擬分析計算提供參考。

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、綜合訓練館、平臺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,結構跨度117 m。體育館為甲級特大型體育館,館總座席數18 000座,其中池座8 340席(含活動坐席2 640個),包廂1 100 席,樓座8 340席,主席臺220席。

比賽館是地上單層大空間,主體結構為鋼筋混凝土結構和帶加勁桁架的空間網殼結構,建筑總層數7層,其中地下1層,地上6層,觀眾休息廳4層,局部機房6層,建筑高度為45.467 m;綜合訓練館為鋼筋混凝土結構+鋼梁,建筑總層數為7層,其中地下1層,地上6層,建筑高度為23.85 m;平臺為鋼筋混凝結構,建筑高度為8.10 m,比賽館和綜合訓練館之間屋面連接體為鋼桁架結構。

1.2 超長混凝土樓板情況

體育館混凝土結構為橢圓形,結構總長度超過300 m,徑向最長160 m,板厚200～350 mm,混凝土強度C40。后澆帶分為徑向和環向設置(其中環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,各層位置相通設置。

2 跳倉法施工

2.1 混凝土的配合比和養護

該工程混凝土經過試配,確定組成的各項材料和相互間的比重,配合比見表1。1)混凝土根據規范及圖紙要求養護至60～90 d齡期;2)選擇低、中水化熱及凝結時間長的硅酸鹽水泥,控制水泥用量最少;3)優先采用F類Ⅰ級或Ⅱ級的粉煤灰,?；郀t礦渣粉選用S95級的礦渣粉;4)坍落度控制在180 mm以內,碎石粒徑控制在5～25 mm?；炷吝\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

混凝土澆搗結束,待其初凝開始并達到一定強度后,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,達到保溫保濕,既能降低混凝土溫度應力,又能讓混凝土徐變特性充分發展,抑制有害裂縫的產生?；炷恋酿B護時間不少于14 d。

2.2 超長混凝土施工部署

該工程體育館以設計后澆帶為分縫進行跳倉施工,既能減小超長混凝土結構有害裂縫的產生,同時加快體育館的施工進度。體育館1層、2層結構板分為4個區塊,4大區塊以設計原有后澆帶進行劃分。4個區塊之間平行施工,獨立進行跳倉作業,保留1層場芯區域作為獨立施工(不作跳倉)。為了實現更快更合理的跳倉,每個區塊之間除了按后澆帶劃分進行分倉組織跳倉施工外,結合施工部署及設計圖紙對跳倉施工分倉布置,將各區塊內局部兩塊板之間的后澆帶改成加強帶(加強帶采用后澆式加強帶,澆筑時間為兩側混凝土澆筑完成后≥7 d方可澆筑),兩塊板組合成一塊板成為跳倉區塊板,減少跳倉板塊和后澆帶數量。局部加強帶采用《補償收縮混凝土應用技術規程》中的相關要求。

3 跳倉法有限元驗算

3.1 參數選擇與建模

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,綜合考慮跳倉法及后澆帶法的優勢,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個區域互相獨立組織跳倉法施工,在每個區域之間保留4～5條寬度約1.5～2 m的后澆帶,每批次澆筑混凝土均養護到7 d再澆筑下一批次的混凝土,直到樓板混凝土齡期達到60 d后,再澆筑后澆帶。

3.2 結構材料參數設置

施工過程考慮結構自重與施工活荷載,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量溫差、水化熱溫度變化與季節環境溫差三者所帶來的影響。

3.3 溫差計算

混凝土收縮量計算采用《工程結構裂縫控制》[3]中的相關方法。首先確定在選定一種狀態下混凝土的最大收縮量,然后在此選定狀態基礎上考慮用系數進行修正來表示其他狀態下的最大收縮量。該工程具體混凝土收縮量的修正系數詳見表2。

表2 計算混凝土收縮的修正系數表

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

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

ε(t)=ε(∞)·(1-e-0.01t)

式中,ε(t)為任意時間的收縮應變;t為時間,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,相當于-2.76 ℃;

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

3.4 模擬結果分析

跳倉施工的樓板應力分布及最大拉應力超過抗拉強度的板應力見圖1、圖2。應力超出混凝土抗拉強度的板單元數量占本層樓板數量比例很低,1F樓板應力超出混凝土抗拉強度的單元數量占整個樓層的2.3%,對整體結構影響不大。

選取倉號1構件編號42112的板,位置見圖3,該板經歷整個樓板的施工過程,并位于區域中間位置,混凝土澆筑過程中受到的應力較大。以該板作為代表查看在恒+活+徐變+收縮的合計工況下,各個施工階段樓板應力的結果。從圖4可以看出,隨著跳倉施工過程,隨著水化反應的不斷增強,內部混凝土受熱膨脹,導致結構在膨脹應力作用下受拉(正應力)作用不斷增強,受到的應力水平呈逐漸增大趨勢。絕大部分節點應力未超過允許抗拉強度曲線,該板應力最大值1.84 MPa,不超過C40混凝土的抗拉強度,所以混凝土施工澆筑過程不會拉裂,表明按照跳倉法施工是可行的。

4 結 論

a.各樓層分區域混凝土跳倉施工,在恒荷載+活荷載+收縮+徐變的共同影響下,樓板的最大拉應力基本都不超過C40軸心抗拉強度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.有個別板單元在局部地方有應力集中現象,不能代表整體板單元的應力情況,造成應力集中的原因與網格劃分突變、柱墻的約束有關?？稍谑┕み^程中選取區域關鍵點做相應溫度與應力應變監測,以對比驗證。

c.通過分析表明,使用分區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力過大問題。優化混凝土配合比,降低澆筑混凝土產生的水化熱,并采取針對性的混凝土養護方式,可有效控制混凝土結構的開裂,極大程度地減少因為溫度變化和收縮引起的結構變形。