(中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610000)
摘要:随着我国综合国力的增强及经济建设的蓬勃发展,平面尺寸超长、超大的大型公共建筑、厂房结构、商业中心等迅速涌现。超长混凝土结构如果不进行裂缝控制,当裂缝宽度大于限值或者形成贯通裂缝时,不仅影响结构的使用性能,同时对建筑的耐久性和防水性也将产生不利影响。而在以往超长混凝土结构设计与施工中,往往采用设置后浇带或跳仓施工等措施来解决混凝土收缩和环境温度引起的开裂问题,但传统的后浇带施工工序繁多,时间跨度长,给工程施工带来较大的制约。为加快施工进度,降低工程造价,确保工程质量和工期,超长混凝土结构无缝设计与施工技术的研究变得越来越重要。
关键词:超长混凝土结构;裂缝控制;工程实测;图5000
1.引言
超长混凝土结构裂缝最容易受外界环境温度变化的影响,原因是当温度骤然变化形成较大的温差时,混凝土结构内部会出现温度应力,当温度应力超过混凝土结构的抗拉强度时,便会产生裂缝。
同时,裂缝的形成还源于高荷载与地基变形。前者是结构承受超出极限的荷载,造成混凝土结构强度达不到抗压标准,因此出现裂缝。后者是当地基产生不均匀沉降时,混凝土结构受力不均匀,致使混凝土结构刚度下降而出现裂缝 ,特别是地基变形可能会产生较大的应力差,严重情况下可能会导致混凝土结构出现贯穿性裂缝,严重影响了建筑结构的稳定性。另外,在施工结束后受到水分蒸发速度以及混凝土干缩等问题影响也会引发裂缝。
某建设项目地下车库长度超过360m,地上结构最长尺寸超过120m,属于典型超长混凝土结构。该工程结构设计虽然采用了补偿收缩纤维混凝土技术,但由于缺乏具体详细的设计规定和技术要求,施工操作性不强,尚有许多关键技术问题需要研究解决。本项目采用试验研究、理论分析、工程实测和数值模拟相结合的方法,从材料配比、结构设计优化以及施工方法三层次系统研究超长混凝土结构裂缝控制中的关键技术,并将研究成果在实际工程中进行应用。
2.超长混凝土结构裂缝控制施工技术关键点
2.1混凝土开裂评价
为保证超长混凝土结构的裂缝控制与精准施工,需要借助有限元软件对其相关参数进行确定,结合仿真建模结果展开动态分析,而后经过对施工方案的完善,消除裂缝隐患。或者及早进行裂缝修复,并针对施工流程予以监管,然后在现有施工方案下,判断是否会加剧开裂风险,以此帮助施工企业提高超长混凝土结构的施工质量。
2.2预应力技术
在建筑工程施工中,控制混凝土裂缝最有效的施工技术还包括预应力技术。通过为超长混凝土结构施加预应力抵抗结构产生的拉应力,从而避免或延缓裂缝的产生。
另以某建筑工程为例,该工程项目为有效杜绝超长混凝土结构裂缝问题,在施工中选择无黏结预应力施工技术。其中,无黏结预应力筋为抗拉强度标准值达到1 860 MPa的高强低松弛钢绞线。同时,考虑到无黏结预应力筋的布设间距与楼板厚度有关,若间距偏大可能会影响楼板的抗裂性能,综合上述考虑后,最终计算出地下室顶板无黏结预应力筋的分布间距为300 mm,而第二、第三层楼板的预应力筋间距为500 mm;屋面板的预应力筋间距为400 mm。在同时考虑到抵抗温度应力等因素影响后,项目中预应力筋采用直线布置方法,使张拉期间产生的应力损失较小。根据计算结果显示屋面板压应力达到了2.3 MPa,能够抵抗温度应力,使楼板处于合理的受压状态下,避免开裂问题发生。
3.补偿收缩混凝土配合比试验
依据设计说明,本工程超长混凝土结构采用添加纤维的补偿收缩混凝土浇筑,其中地下结构混凝土强度等级为C35,其后浇带和膨胀加强带混凝土提高一级至C40;上部结构混凝土强度等级为C40,其后浇带和膨胀加强带混凝土提高一级为C45。膨胀加强带内和带外混凝土在水养护环境下14d的限制膨胀率技术要求见表1,纤维及膨胀剂的掺量需根据试验确定。
表1 限制膨胀率技术要求
结构部位 | 膨胀加强 | 膨胀加强 |
地上结构 | ≥0.02﹪ | ≥0.025 |
地下结构 | ≥0.025 | ≥0.03﹪ |
根据设计要求,本次试验需配置C35、C40、C45三种强度等级的补偿收缩纤维混凝土。
3.1原材料比选
补偿收缩纤维混凝土原材料包括:水泥、矿粉、粉煤灰、膨胀剂、河砂、石子、水、外加剂以及纤维等。为尽量与实际工程保持一致,本次试验除膨胀剂和纤维由生产厂商直接提供外,水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、石子和减水剂均从本工程商品混凝土供应搅拌站选取。
鉴于目前市场上膨胀剂种类较多,竞争激烈且良莠不齐,经初步比选,初步确定市场信誉较好的三家膨胀剂生产企业为考察对象,然后进行实地考察,最终选定其中一家作为本项目混凝土配合比试验膨胀剂提供单位。在混凝土中掺加纤维有助于提高其早期抗裂性能,改善混凝土的外观表象,但不同品种、不同掺量的纤维对混凝土的抗裂性能影响较大。本次试验从性能优良的聚丙烯纤维(长坚-12聚丙烯纤维)、ECC中表现出良好增韧效果的聚乙烯醇纤维(PVA纤维)和近年来应用效果逐步得到认可的纤维素纤维中进行优选。
3.2补偿收缩混凝土配合比设计
根据提供的混凝土限制膨胀率指标要求,本次试验研究了不同掺量的膨胀剂对混凝土限制膨胀率、坍落度以及抗压强度的影响。同时为了验证限制膨胀率试验结果的正确性,从上述每个强度等级的配比中选出一个限制膨胀率符合要求的配比作为基准配合比,在与第一次试验间隔一个月和两个月后进行了两次验证性试验。此外基于上述确定的基准配合比,还测试了直接置放于自然环境、直接置放于养护室环境下的混凝土限制膨胀率,并进行了补偿收缩混凝土的抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能试验。在大量试验的基础上,最终确定了本项目各强度等级混凝土的配合比(见表2),其混凝土的限制膨胀率、强度等级、防水渗性能等均符合本项目设计规定,且满足JGJ/T 178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》从结构安全性角度出发提出的范围要求。
表2 试验确定的混凝土配合比
配合比 | C35 | C40 | C45 |
水泥 | 260 | 280 | 320 |
矿粉 | 80 | 80 | 80 |
粉煤灰 | 68 | 77 | 77 |
河砂 | 739 | 733 | 688 |
碎石 | 1030 | 1030 | 1030 |
水(kg/m3) | 154 | 160 | 167 |
外加剂 | 4.92 | 3.96 | 4.80 |
膨胀剂 | 33 | 35 | 36 |
纤维 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
4.现场构件模型试验
4.1试验构件设计
为了验证施工现场养护环境下补偿收缩混凝土限制膨胀率以及模拟超长混凝土结构采用膨胀加强带在实际环境中的应力分布情况,在施工现场制作缩尺混凝土构件模型,开展同等养护环境下设置膨胀加强带的混凝土构件模型试验。考虑到模型试验结果的代表性、试验过程中的可操作性以及经济性,试验构件设计为单跨,跨度3000mm,板厚60mm,沿板中心线布置。考虑到实际工程存在约束状态,现场试验构件分为两类:一类具有侧向约束;另一类设计为无约束状态,混凝土可自由变形(见图1)。
现场缩尺模型试验构件采用采用C40补偿收缩纤维混凝土浇筑,为了研究膨胀剂掺量对补偿收缩混凝土限制膨胀率和裂缝发展的影响,试验构件设计为三组对比方案,每一组均包括一个有侧向约束构件和一个无约束构件。其中第一组构件不掺加膨胀剂;第二组构件膨胀剂掺量为:带外30kg/m3,带内35kg/m3 ;第三组构件膨胀剂掺量为:带外35kg/m3,带内40kg/m3 。
(a)有约束构件模型
(b)无约束构件模型
图1 模型试验构件
4.2构件测试
对于有约束的试验构件,在膨胀加强带内分别布置一个钢筋应力计和一个内埋式混凝土应变计,在非加强带的其中一侧,距柱外边缘0.5m处布置一个钢筋应力计和一个内埋式混凝土应变计,见图2。对于无约束的缩尺模型构件,传感器的布置与有与约束的试验构件相一致。
图2 传感器布置图
试验构件浇筑完成后,采取与施工现场相同的养护方式,并测试构件在1d、3d、7d、14d、28d等限制膨胀率,并与实验室试验结果进行比较。现场构件测试结果表明:基于实验室确定的基准配合比,施工现场试验构件混凝土的限制膨胀率与实验室试验结果基本一致。
5.优化设计与施工控制措施
5.1后浇带优化设计
某建设项目地下车库长365.4m,宽56.1m,原设计沿横向设置7条2.0m宽后浇式膨胀加强带,沿纵向设置1条2.0m宽后浇式膨胀加强带,且要求膨胀加强带应待两侧混凝土浇筑两个月后方能封闭。由于原设计方案后浇带设置较多,且要求间隔两个月后方能封闭,施工工期较长,施工单位希望对原设计进行优化,在保证质量的前提下,能尽量缩短施工工期,降低工程施工风险和造价。
根据计算分析并考虑实际施工的可行性,首先沿地下车库横向均匀布置两2.0m宽的后浇带将其分成三个施工区域,每个区域长度120m,且后浇带用膨胀混凝土浇筑;然后在每个区域沿横向再均匀设置三条膨胀加强带,其中中间一道为后浇式膨胀加强带,其余两道为连续浇筑式膨胀加强带。
虽然本工程地下车库底板、侧墙和顶板受到的侧向约束不同,考虑到车库顶板与侧墙混凝土一起浇筑以及整个地下车库施工分段的协调性,底板与侧墙和顶板后浇带及膨胀加强带设置均保持一致,但其后浇式膨胀加强带封闭时间有所区别。地下车库底板、侧墙和顶板的后浇带及后浇式膨胀加强带封闭时间如下:
(1)地下车库底板
后浇带待底板各区域混凝土浇筑完成28d后且侧墙混凝土浇筑前,用高一标号的膨胀混凝土封闭;后浇式膨胀加强带在两侧混凝土浇筑完成7d后用高一标号的膨胀混凝土浇筑。
(2)地下车库顶板和侧墙
后浇带待侧墙各区域混凝土浇筑完成28d后用高一标号的膨胀混凝土封闭;后浇式膨胀加强带在两侧混凝土浇筑完成14d后用高一标号的膨胀混凝土浇筑。
5.2施工测试与仿真分析
本次施工现场监测试验,主要对地下车库后浇带、连续式膨胀加强带和后浇式膨胀加强带及其一侧墙、板结构混凝土的应变进行测试,将带内测点与其一侧结构测点的混凝土应变值进行对比分析,得出结构后浇带、连续式膨胀加强带和后浇式膨胀加强带带内及带外沿结构横向和纵向的应变分布特征曲线,结合试验数据,探究综合设置后浇带和膨胀加强带后,带内和带外沿结构纵横向的应力分布规律,验证结构中设置膨胀加强带的有效性和结构的安全性,同时与有限元计算结果进行对比分析,以校验计算分析模型的准确性。
(1)施工现场测试
本次测试选择本工程地下结构和地上结构各一个区域,其中地下结构包括地下车库底板和侧墙,地上结构选定Ⅲ-C区的二层楼盖。测点布置以地下车库底板为例,考虑到地下车库结构沿纵向划分的对称性,测点布置范围仅覆盖底板的一半区域,并选取一条后浇带,两条后浇带之间的1/2区域底板以及该区域的一条后浇式膨胀加强带和一条连续式膨胀加强带作为重点测试对象。在每条带内沿带长度方向布置5个测点,每个测点布置一个钢筋应力计和混凝土应变计,分别测试带内应力和应变沿长度方向的变化规律。在重点测试的底板区域,沿结构纵向均匀布置5个混凝土应变计,采用相同的测点布置方式,沿结构横向布置5排测点,选取中间一排,在每个混凝土应变计的位置加装一个钢筋计对比测试。在一般测试的底板区域,选用混凝土应变计,在带内和带外对称且分散布置测点。侧墙的测点位置与底板一致,并沿墙高分布三层测点。
(2)施工过程仿真分析
运用有限元分析软件,实现本工程测试区域施工期及服役期超长混凝土结构的温度及收缩应力的仿真分析,研究超长混凝土结构在施工期水化热、季节温差及收缩变形应力分布及变化规律;分析膨胀加强带、收缩徐变、温度变化、结构约束、后浇带等因素对超长混凝土结构中温度及收缩应力的影响。并与实测结果进行对比,修正分析模型的相关参数,为今后同类工程应用提供参考和依据。
6.结束语
1)超长混凝土结构裂缝控制是一项系统工程,涉及到材料、结构和施工三个层次,本项目采用试验研究、工程实测和数值模拟相结合的方法,从材料配比、结构设计优化及施工方法三层次系统研究超长混凝土结构裂缝控制中的关键技术,并将研究成果在实际工程中进行应用,取得了良好的裂缝控制效果。
2)配合比设计是补偿收缩纤维混凝土抗裂技术的基础,工程应用中应根据设计和规范要求,通过实验室试验确定合理的配合比。
3)施工过程质量控制是超长混凝土结构裂缝控制的关键,需要对原材料质量、混凝土配合比、浇筑及养护等全过程控制方能取得预期的抗裂效果。
4)本工程施工现场测试结果与施工仿真分析进行对比,修正分析模型的相关参数,可为今后同类工程应用提供参考和依据。
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