跳倉法施工控制大型樞紐站承軌層收縮開裂可行性研究

郭云鵬， 陳華婷， 張文學， 方　蓉

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

通過對運營單位的了解與現場調研，目前國內現代化車站，無論規模大小、功能完善程度，在建設和運營過程中，大部分高架車站承軌層均存在不同程度的裂縫與滲漏水現象，這是高架車站的主要病害。由于水泥在水化反應中釋放的水化熱所產生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，會產生較大的溫度應力和收縮應力，乃至使混凝土出現裂縫[1]。跳倉法最早是由王鐵夢教授提出的，將大體積混凝土構件分成若干段或塊，采用間隔施工的一種施工方法[2]。跳倉法的施工原理包括“放”與“抗”兩方面，即早期盡快減小混凝土內部應力；后期則通過提高混凝土自身的極限抗拉強度來防止混凝土開裂[3]。陳波等[4]證明跳倉法施工大體積混凝土結構的可行性和優越性；闞景隆等[5]對跳倉法在冬季施工條件下的施工措施以及質量控制方法進行研究；朱緒偉等[6]對跳倉法施工的經濟效益的優越性進行分析；李昂[3]以具體工程為例，通過有限元模擬比較不同施工方法對控制大體積混凝土開裂的影響。對比結果表明，在進行厚度遠小于平面面積的大體積混凝土基礎底板施工時，采用跳倉法進行澆筑在控制溫度裂縫方面較為有效。以上文獻研究成果表明，跳倉法施工等厚樓板是可行的。在本工程中采用跳倉法施工梁板結構，為對跳倉法施工控制梁板結構收縮開裂進行可行性研究，采用Midas進行有限元建模并分析。

1　工程概況及重難點分析

佛山西站為國內在建的特大型綜合樞紐車站，為高架車站結構，承軌層大面積梁板結構采用型鋼混凝土框架結構形式，型鋼梁截面為工字形，尺寸主要以1 400 mm×2 400 mm為主，主筋主要為Ф32、Ф40鋼筋，現澆板采用無粘結預應力鋼筋混凝土，配筋采用雙層雙向Ф12、Ф14、Ф16@100鋼筋網，標準段承軌層柱網分布為24 m×24 m，梁板均采用C45混凝土。先期承軌層采用分跨施工，分6次澆筑成型，每次澆筑面積達2 000～3 000 m2，通過對佛山西站承軌層先期試驗段施工調查發現承軌層在雨棚柱兩側及次梁附近出現裂縫，裂縫分布及現場裂縫如圖1、圖2。

圖1　站臺層裂縫分布

圖2　裂縫現場分布

出現裂縫的主要原因是承軌層施工時間集中在5月～10月，澆筑大面積混凝土時混凝土溫度過高，對混凝土裂縫控制非常不利，極易造成混凝土有害裂縫。基于佛山西站特殊的施工條件和分段分批開通的實際情況，改用跳倉法施工，通過對型鋼框架結構進行施工塊段劃分，縮小塊段面積，可有效解決大面積混凝土裂縫問題。

2　跳倉法施工等厚承軌板模型分析

為更好分析跳倉法對控制承軌層開裂的效果，剔除實際工程縱梁和承軌板之間截面突變引起的局部應力干擾，首先對簡化的、厚度一致的承軌板模型進行建模分析。

2.1　對比方案描述

(1)整體施工：整體施工是指將混凝土承軌板整體澆筑。此方法施工時間相對較短，但大體積混凝土整體施工由于水泥水化熱散發緩慢，在混凝土中心形成熱量積聚，造成內外溫差、內部溫差、溫度陡降和干縮等，易導致混凝土開裂[7]。

(2)分跨施工：分跨施工是指將承軌板按縱向分為6段進行澆筑，澆筑過程中相鄰兩段不同時澆筑。這種施工方法可以解決縱向開裂的問題，但是橫向開裂的問題沒有得到有效解決。

(3)跳倉法施工：本工程中將車站框架結構合理劃分為約20～40 m長度塊段，共36塊，按“品”字形施工。跳倉法優點:一是在不設縫情況下解決超長、超寬、超厚的大體積混凝土裂縫控制和防滲問題；二是以分倉縫取代施工縫和永久變形縫，降低了施工的成本；三是簡化施工，加快施工進度[8]。

2.2　有限元建模

等厚承軌板模型如圖3所示，模型采用8節點實體單元建模，單元總數為106 888個，承軌板和柱之間共用節點，柱底部采用固結約束，施工方法分別采用整體施工、分跨施工和跳倉法施工，每種施工方法的各施工階段時間間隔分別為7 d、14 d、21 d。分別查看施工結束后1個月、6個月和12個月的承軌板的收縮應力。

圖3　承軌板模型

以施工時間間隔14 d施工完成后1個月模型為例，承軌板有限元分析結果如圖4～圖6(X方向為橫承軌梁方向，Y方向為順承軌梁方向)，由分析結果可知：

(1)采用整體施工承軌板時，在立柱的約束作用和承軌板混凝土的收縮效應的共同作用下，承軌板會產生較大的拉應力，此時混凝土的抗拉強度很低，會引起承軌板的開裂。

(2)采用分跨施工承軌板時，在橫承軌梁方向的拉應力與整體施工基本一致，但在順承軌梁方向的拉應力反而比整體施工的拉應力有少許增大，不能有效控制承軌板的開裂。

(3)與整體施工和分跨施工相比，跳倉法施工可以有效降低承軌板在橫承軌梁方向和順承軌梁方向的拉應力，對控制承軌板開裂非常有效。

圖4　承軌板整體施工拉應力云圖

圖5　承軌板分跨施工拉應力云圖

圖6　承軌板跳倉法施工拉應力云圖

2.3　澆筑間隔時間的參數化分析

由于混凝土收縮與澆筑間隔時間有密切聯系，所以選擇分別以澆筑間隔時間為7 d、14 d、21 d模擬承軌板的施工，不同施工方案施工完成1個月和1年后的承軌板拉應力對比如圖7、圖8。通過對比分析不同澆筑時間間隔產生的拉應力可知：

(1)采用整體施工和分跨施工承軌板時，混凝土收縮拉應力隨著澆筑間隔時間的增加而增加。

(2)采用跳倉法施工承軌板時，混凝土收縮拉應力在澆筑間隔時間為14 d和21 d時相差較小，其主要原因為跳倉法施工中個塊段體積相對較小，可以在較短時間內完成收縮。說明采用跳倉法施工可以縮短施工工作時間，加快施工進度。

圖7　承軌板施工完成1個月后拉應力

圖8　承軌板施工完成1年后拉應力

3　跳倉法施工實際承軌層模型分析

由等厚承軌板模型分析可知：各施工階段間隔時間分別采用14 d和21 d時，混凝土的收縮拉應力基本無差別，所以建立實際承軌層(承軌板和縱梁)模型分析時施工時間間隔采用14 d。實際承軌層模型如圖9所示，模型采用8節點實體單元建模，單元總數為191 241個，承軌板、縱梁和柱之間共用節點，柱底部采用固結約束，施工方法分別采用整體施工、分跨施工、跳倉法施工，分別查看澆筑結束后1個月、6個月和12個月的承軌層的收縮應力。

圖9　承軌層模型

通過對實際承軌層建模分析得到不同施工方案在施工完成1個月和1年后承軌層拉應力對比圖如圖10、圖11，由分析結果可知：

圖10　實際承軌層施工1個月后拉應力

圖11　實際承軌層施工1年后拉應力

圖12　跳倉法施工承軌層產生最大拉應力位置

(1)對于實際的承軌層，較大的拉應力主要分布在縱梁與承軌板交接位置。

(2)采用分跨施工承軌層時，在橫承軌梁方向的拉應力與整體施工基本一致，在順承軌梁方向的拉應力比整體施工的拉應力有所降低，但效果不是很明顯。

(3)采用跳倉法進行大型綜合交通樞紐站承軌層施工，與整體施工相比，可以有效降低承軌層在順承軌梁方向的拉應力，對控制承軌層順承軌梁方向開裂比較有效，但在橫承軌梁方向兩種施工方法產生的拉應力差別不大，這主要是因為截面突變引起局部拉應力(圖12)，采用跳倉法不能有效避免；與分跨施工相比，在橫承軌梁方向、順承軌梁方向兩個方向產生的拉應力均有所降低。

4　結論

通過對佛山西站承軌層不同施工方法的有限元分析，以實際承軌層模型為例，得出如下主要結論：

(1)與整體施工相比，分跨施工在橫承軌梁方向產生的拉應力與整體施工基本一致，在順承軌梁方向分跨施工產生的拉應力稍小。

(2)與整體施工和分跨施工相比，跳倉法施工可以有效降低承軌層在橫承軌梁方向、順承軌梁方向的拉應力，對控制承軌層開裂非常有效。

(3)跳倉法施工可以縮短施工時間，加快施工進度。

(4)采用跳倉法施工本承軌層后，大部分承軌層沒有出現裂縫，少部分現澆板偶有裂縫，寬度經現場測量均小于0.1 mm。說明跳倉法施工在控制大體積混凝土裂縫方面是有效的。