某体育馆超长混凝土结构跳仓法施工与模拟分析

林 勇

(中建四局建设发展有限公司,厦门 361006)

跳仓法是利用后浇带以“先放后抗”的原理,先“放”以长度较短的分段跳仓适应施工产生的温差和收缩,再“抗”将各个分仓连成整体适应长期作用下的温差和收缩,降低对结构的不利影响[1]。跳仓法把超长混凝土结构分成若干数量的区块,然后分区域间隔施工,此施工方法可解决超长混凝土的温度开裂问题[2]。该文以厦门市某体育馆超长混凝土结构楼板为例,通过Midas软件进行有限元模拟分析跳仓法施工过程的温度应力,为指导现场施工提供理论依据,同时为类似超长混凝土结构的工程数值模拟分析计算提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

某体育馆位于福建省厦门市,包括比赛馆、综合训练馆、平台和屋面连接体三部分。总建筑面积约为15.5万m2,地下建筑面积4.12万m2,地上建筑面积11.38 万m2,建筑高度17.284～48.12 m,结构跨度117 m。体育馆为甲级特大型体育馆,馆总座席数18 000座,其中池座8 340席(含活动坐席2 640个),包厢1 100 席,楼座8 340席,主席台220席。

比赛馆是地上单层大空间,主体结构为钢筋混凝土结构和带加劲桁架的空间网壳结构,建筑总层数7层,其中地下1层,地上6层,观众休息厅4层,局部机房6层,建筑高度为45.467 m;综合训练馆为钢筋混凝土结构+钢梁,建筑总层数为7层,其中地下1层,地上6层,建筑高度为23.85 m;平台为钢筋混凝结构,建筑高度为8.10 m,比赛馆和综合训练馆之间屋面连接体为钢桁架结构。

1.2 超长混凝土楼板情况

体育馆混凝土结构为椭圆形,结构总长度超过300 m,径向最长160 m,板厚200～350 mm,混凝土强度C40。后浇带分为径向和环向设置(其中环向后浇带分为沉降与伸缩后浇带),地下室至二层后浇带位置大致相同,三层以上只有径向后浇带,各层位置相通设置。

2 跳仓法施工

2.1 混凝土的配合比和养护

该工程混凝土经过试配,确定组成的各项材料和相互间的比重,配合比见表1。1)混凝土根据规范及图纸要求养护至60～90 d龄期;2)选择低、中水化热及凝结时间长的硅酸盐水泥,控制水泥用量最少;3)优先采用F类Ⅰ级或Ⅱ级的粉煤灰,粒化高炉矿渣粉选用S95级的矿渣粉;4)坍落度控制在180 mm以内,碎石粒径控制在5～25 mm。混凝土运输过程中不得随意加水,浇筑速度不宜过快。

表1 各层楼板混凝土配合比

混凝土浇捣结束,待其初凝开始并达到一定强度后,覆盖薄膜保水1层+1层保温层土工布。在覆盖土工布的综合条件下,达到保温保湿,既能降低混凝土温度应力,又能让混凝土徐变特性充分发展,抑制有害裂缝的产生。混凝土的养护时间不少于14 d。

2.2 超长混凝土施工部署

该工程体育馆以设计后浇带为分缝进行跳仓施工,既能减小超长混凝土结构有害裂缝的产生,同时加快体育馆的施工进度。体育馆1层、2层结构板分为4个区块,4大区块以设计原有后浇带进行划分。4个区块之间平行施工,独立进行跳仓作业,保留1层场芯区域作为独立施工(不作跳仓)。为了实现更快更合理的跳仓,每个区块之间除了按后浇带划分进行分仓组织跳仓施工外,结合施工部署及设计图纸对跳仓施工分仓布置,将各区块内局部两块板之间的后浇带改成加强带(加强带采用后浇式加强带,浇筑时间为两侧混凝土浇筑完成后≥7 d方可浇筑),两块板组合成一块板成为跳仓区块板,减少跳仓板块和后浇带数量。局部加强带采用《补偿收缩混凝土应用技术规程》中的相关要求。

3 跳仓法有限元验算

3.1 参数选择与建模

为避免一次性浇筑全楼层楼板引起混凝土过大的收缩徐变效应,综合考虑跳仓法及后浇带法的优势,该工程选取面积最大、长度最长的一层楼板为例分析。顶板分别按照4个区域互相独立组织跳仓法施工,在每个区域之间保留4～5条宽度约1.5～2 m的后浇带,每批次浇筑混凝土均养护到7 d再浇筑下一批次的混凝土,直到楼板混凝土龄期达到60 d后,再浇筑后浇带。

3.2 结构材料参数设置

施工过程考虑结构自重与施工活荷载,首层按5.0 kN/m2考虑,其他层按3.5 kN/m2考虑;此次模拟最大温度差值综合考虑混凝土收缩生成的当量温差、水化热温度变化与季节环境温差三者所带来的影响。

3.3 温差计算

混凝土收缩量计算采用《工程结构裂缝控制》[3]中的相关方法。首先确定在选定一种状态下混凝土的最大收缩量,然后在此选定状态基础上考虑用系数进行修正来表示其他状态下的最大收缩量。该工程具体混凝土收缩量的修正系数详见表2。

表2 计算混凝土收缩的修正系数表

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

式中,ε(∞)为其他状态下混凝土的最大收缩应变;ε0(∞)为选定状态下混凝土的最大收缩应变,任何强度的混凝土ε0(∞)均为3.24×10-4;Mi为各种影响因素的修正系数。该工程取M1·M2·M3…Mn=0.98,任意时间的混凝土收缩量可按下面公式计算[4]。

ε(t)=ε(∞)·(1-e-0.01t)

式中,ε(t)为任意时间的收缩应变;t为时间,d[5]。

由:ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…M10=3.175×10-4;

1层:ε(88 d)=ε(∞)·(1-e-0.88)=2.76×10-4,相当于-2.76 ℃;

2～6层:ε(81 d)=ε(∞)·(1-e-0.81)=2.68×10-4,相当于-2.68 ℃。

3.4 模拟结果分析

跳仓施工的楼板应力分布及最大拉应力超过抗拉强度的板应力见图1、图2。应力超出混凝土抗拉强度的板单元数量占本层楼板数量比例很低,1F楼板应力超出混凝土抗拉强度的单元数量占整个楼层的2.3%,对整体结构影响不大。

选取仓号1构件编号42112的板,位置见图3,该板经历整个楼板的施工过程,并位于区域中间位置,混凝土浇筑过程中受到的应力较大。以该板作为代表查看在恒+活+徐变+收缩的合计工况下,各个施工阶段楼板应力的结果。从图4可以看出,随着跳仓施工过程,随着水化反应的不断增强,内部混凝土受热膨胀,导致结构在膨胀应力作用下受拉(正应力)作用不断增强,受到的应力水平呈逐渐增大趋势。绝大部分节点应力未超过允许抗拉强度曲线,该板应力最大值1.84 MPa,不超过C40混凝土的抗拉强度,所以混凝土施工浇筑过程不会拉裂,表明按照跳仓法施工是可行的。

4 结 论

a.各楼层分区域混凝土跳仓施工,在恒荷载+活荷载+收缩+徐变的共同影响下,楼板的最大拉应力基本都不超过C40轴心抗拉强度2.39 MPa。跳仓法的分块施工方案满足施工混凝土开裂安全要求。

b.有个别板单元在局部地方有应力集中现象,不能代表整体板单元的应力情况,造成应力集中的原因与网格划分突变、柱墙的约束有关。可在施工过程中选取区域关键点做相应温度与应力应变监测,以对比验证。

c.通过分析表明,使用分区域跳仓的施工方法可以有效避免大体积混凝土浇筑引起的应力过大问题。优化混凝土配合比,降低浇筑混凝土产生的水化热,并采取针对性的混凝土养护方式,可有效控制混凝土结构的开裂,极大程度地减少因为温度变化和收缩引起的结构变形。