上部超長混凝土結構間歇法施工技術研究

王新浩（科信建設項目管理有限公司，山東 濟南 250014）

建筑功能復雜化使得建筑結構復雜化，各種大型建筑出現大跨度、超長的混凝土結構，超長結構混凝土在體育館、展覽館、圖書館、機場等大型建筑中應用越來越多。超長結構的混凝土結構，因溫度應力導致的收縮變形是施工質量控制重點，也對施工質量提出了較大挑戰。針對超長混凝土結構的收縮變形問題，結合具體工程項目分析變形影響因素，提出間歇施工法，對施工工藝和組織安排進行試驗，并在工程中應用。

1 工程概況

某大型展覽館工程，框架結構，總占地面積為15000m2，其中，地上建筑三層，標準層面積為12960m2，地下建筑共2 層，單層面積為13590m2。根據展覽功能規劃，展覽館劃分為多個展廳，最大展廳的尺寸為180m×108m，屬于超大、超長混凝土結構，樓板厚度為200mm，主梁截面尺寸為3200mm×1000mm。混凝土采用C40商品混凝土。

2 超長混凝土結構變形分析

大尺寸混凝土結構施工需要嚴格控制收縮變形。一般而言，混凝土從澆筑到凝固，受到溫度變化的影響，混凝土從流體轉變為固體，水泥的水化反應會釋放出較多的熱量，混凝土體積膨脹，隨著凝固，溫度降低，又出現收縮，容易產生變形甚至裂縫[1]。混凝土在凝固過程中不受外力作用，其收縮與自身物理性質有關，不可避免。影響收縮變形的主要因素有以下方面：

（1）混凝土材料的配比

商品混凝土為保持流動性，通常略微提高水灰比，在凝固階段后期，水分蒸發，容易造成混凝土結構收縮變形甚至開裂。大型建筑工程中，高強混凝土應用越來越廣泛，水泥水化熱量增大，加劇混凝土的收縮變形。礦渣、煤粉等添加劑的使用改善了混凝土的力學性能，但是泌水、水泥假凝等情況會導致混凝土收縮變形。此外，使用小粒徑的顆粒料或者減少粗骨料使用，會降低混凝土體積的穩定，帶來混凝土收縮變形。

（2）干縮影響

混凝土表面的裂紋大多數是由干縮引起的。對于較薄的梁或者大尺寸板類結構，干縮裂紋尤其明顯，而且大多發生在結構交界面處。對于超長混凝土結構，表面裂紋縱橫交錯，一般無規律性，裂紋發展緩慢，結構中心部位最后發展，而且最為嚴重[2]。因此，在施工過程中，應嚴格控制澆筑順序和一次澆筑量。

（3）溫差影響

建筑施工在戶外進行，受到環境溫度變化的影響。溫度變化必然導致內應力的出現，尤其是對于超長混凝土結構，受到溫差影響更為嚴重。而且，建筑結構越來越復雜，混凝土體積越來越大，受到季節、晝夜溫差的影響，必須引起關注。

3 超長混凝土結構施工

3.1 超長混凝土施工方法

對于大體積混凝土結構，一次澆筑量大，溫差影響顯著，需要因地制宜，合理安排施工。間歇施工法對相鄰兩塊混凝土的間歇時間進行合理設計，減小混凝土凝固過程的收縮變形[3]。結合建筑結構的具體形式，合理劃分澆筑段的面積，綜合考慮約束形式和施工組織，對施工進行合理安排。間歇施工法劃分施工分塊后，按照順序施工，各分塊之間留有合理的間歇時間，有效減少約束應力，如圖1所示。

圖1 間歇施工法分區示意圖

間歇施工法的各個混凝土分區連續澆筑，無須留設施工縫，按照澆筑先后順序，各分區逐一封閉，先澆筑的分區受溫差影響產生溫度應力，后澆筑的分區依靠自身的抗拉能力抵消應力，從而達到控制裂紋的目的。

3.2 間歇施工法分區長度

為了保證施工過程中超長混凝土澆筑工藝不產生開裂，一次澆筑的分區長度需要按照極限拉伸原則計算。在極限拉伸狀態下，混凝土內部的應力處于臨界狀態，超過臨界應力則必然會產生裂縫。實際施工過程中，考慮一定的余量作為安全儲備，一次澆筑成型的最大分區長度為[4]：

式中h-待澆筑混凝土結構的厚度或者高度，m；

E-混凝土的彈性模量，MPa。C25 混凝土取2.55×104MPa，C30混凝土取3.0×104MPa，C35混凝土取3.15×104MPa，C40混凝土取3.25×104MPa；

δ-約束結構的水平阻力系數，MPa/mm；

α-混凝土線膨脹系數，取1.1×10-5；

T-澆筑期間混凝土在水化熱反應作用下轉變的絕對溫升，℃；

ε-混凝土極限變形值，混凝土養護得當的情形時取2.0×10-4。

工程項目采用C40 混凝土，按照澆筑3d 時的絕對溫升24.8℃進行計算，水平阻力系數取0.9MPa/mm，最終計算得出一次澆筑的最大分區長度為40.7m。

結合已有的項目經驗，綜合考慮現場施工布置和混凝土的徐變作用以及安全余量，確定一次性澆筑的分區長度，見表1。

表1 澆筑分區長度

3.3 間歇施工法分區相互作用機理

為了方便分析分區澆筑時各區塊的作用力，按照澆筑順序，定義先澆筑的分區為先澆筑區塊，后澆筑的分區為后澆筑區塊，然后按照升溫和降溫過程劃分為4個不同的相互作用階段，便于分析作用規律，見表2。

表2 階段劃分和相互作用

通過兩個試驗澆筑塊進行研究，在試驗塊的中間位置預設溫度傳感器和應變傳感器，后澆塊的間歇時間為72h。試驗持續時間為8d 左右，檢測到混凝土溫度趨于穩定。先澆塊的溫度監測曲線如圖2所示，應變監測曲線如圖3所示。

圖2 先澆塊的溫度監測曲線

圖3 應變監測曲線

混凝土澆筑時的初始溫度為26.5℃，澆筑之后，在水化熱的作用下，迅速升溫至42℃左右。升溫過程中，混凝土的體積逐漸膨脹，應變為負值，最大值為1.38mm，混凝土內部為拉應力。之后進入降溫收縮過程，應變也隨之開始減小，并在第5d 時，應變由負值變為正值，應力轉變為壓應力，說明進入真正的收縮變形階段。溫度繼續下降，應力產生的壓應變也繼續增大，最終應變趨于穩定，最大值為1.41mm。后澆塊澆筑時，受到先澆塊的應力作用，開始階段的應變較大，但后期受到應力的正向作用應變較小。若能合理設置間歇時間，可以將后澆塊的初期階段的應變也減小，起到控制變形的作用。

3.4 間歇時間分析

進一步分析，間歇時間不同時，先澆塊和后澆塊的相互作用會產生不同的效果，不同間歇時間的相互作用時間和溫度變化見表3。

表3 不同間歇時間的相互作用時間和溫度變化

間歇時間較短，溫差相對較大，最大應變較大。間歇為2d時，最大應變為1.72mm；間歇為3d時，最大應變為1.37mm；間歇為4d 時，最大應變為0.93mm。間歇時間較短，相當于一次性澆筑，兩個分區澆筑的混凝土塊相當于一個混凝土體；而間歇時間較長時，相當于各自分區的混凝土塊相互作用，溫差應力可削弱應變的發展，有利于控制變形。

4 超長混凝土結構施工

4.1 超長混凝土結構施工組織

考慮到工程項目的實際情況，分區段施工的施工組織和資源配置情況見表4。

表4 施工組織和資源配置情況

4.2 梁板收縮應力監測

工程施工過程中對梁和樓板的溫度和應變進行了監控，采用無線傳感器，設置于分區塊澆筑的混凝土結構中心位置。地上一層樓板的溫度和應變曲線如圖4所示，梁柱的溫度和應變曲線如圖5所示。各監控點的數據規律一致，圖示為隨機選取的監控點的數據。

圖4 樓板溫度和應變監測曲線

圖5 梁柱溫度和應變監測曲線

由圖4、圖5可知，實際施工工程中溫度和應變的變化規律與試驗中分析的規律一致。由于施工組織安排合理，各分塊之間的間歇時間控制得當，使得應變得到有效控制，對于樓板而言，施工過程中最大應變為1.17mm，施工結束后，最終應變僅為0.4mm。對于梁柱而言，施工過程中最大應變為0.86mm，最終應變為0.62mm，因為梁柱承受來自上部結構的恒荷載和活荷載，應變稍大。

5 結語

結合某展覽館工程對超長混凝土結構的施工技術展開研究，得到如下結論：

（1）混凝土在凝固過程中的收縮變形與混凝土材料的配比、干縮、溫差等因素有關。間歇施工法劃分施工分塊后，按照順序施工，各分塊之間留有合理的間歇時間，可以有效控制收縮變形。

（2）實際施工中組織安排合理，間歇時間控制得當，樓板最終應變為0.4mm，梁柱最終應變為0.62mm，應變得到有效控制。