超長混凝土結構后澆帶提前封閉施工技術

于亦龍,姜玉龍,周千帆,韓 帥,吳建濤

(中建宏達建筑有限公司,北京 100075)

0 引言

隨著城市建設發展,人們日常生活不僅限于商場購物,其中集購物、餐飲、娛樂、教育一體化的大型商場逐漸成為人們生活的一部分。然而國內大型商場在建筑設計上常沿城市主干道連續布置,導致形體超長。為避免混凝土連續澆筑形成裂縫,結構設計往往在商場每隔30～40m設置1道后澆帶,釋放收縮應力。后澆帶的設置不僅影響了施工工序穿插,處理不當可能成為質量隱患。然而大量混凝土后澆帶往往成為約束后續施工工藝插入的關鍵性問題。為縮短工期,加快施工速度,及時封閉后澆帶對現代施工技術提出了新的挑戰。

目前的超長混凝土裂縫控制措施主要有“抗”“放”及兩者結合的辦法。“抗”即采取各種有效措施使結構在荷載及約束變形作用下,混凝土拉應力不超過其抗拉強度。工程實踐中,主要通過施加預應力、在混凝土中添加膨脹劑或纖維材料等方法實現。“放”即采取相關措施釋放對結構不利的約束作用,從而有效控制裂縫寬度在限值范圍內。工程中常用做法主要包括設置后澆帶、跳倉施工、加纖維材料、設置滑動層、采用橡膠支座等。這些“抗”“放”措施對裂縫控制有一定作用,但單獨使用1種措施又存在一定弊端,我國現階段工程實踐更多是采用“抗放兼備,以抗為主”的裂縫控制原則,在滿足結構應力及位移要求的同時,又具有良好的經濟性和使用性能。

1 工程概況

某大型商場,總建筑面積136 596m2,南北長度約296m,東西寬度約69m,總建筑高度27.75m,其中地上5層,局部6層,地下2層,結構體系為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,建成后的商業綜合體將成為集餐飲、休閑娛樂、購物等為一體的大型商業中心。整個商場未設置伸縮縫,在施工過程中設置7條縱向后澆帶、1條橫向后澆帶,如圖1所示。如果不能及時封閉后澆帶,在后續裝修施工過程中,工期將受到嚴重影響。

圖1 某大型商場后澆帶布置

2 理論分析

為達到提前封閉混凝土結構后澆帶的目的,首先結合現場實測材料力學性能,理論模擬分析該超長結構收縮變形性能。結合理論模擬結果,現場布設大量鋼筋混凝土應變計實時監測混凝土收縮變形性能,結合理論及監測結果,確定合適的后澆帶封閉時間點和條件,即超長結構收縮變形不至于對結構耐久性產生危害,并且各項系數滿足規范要求。一旦滿足后澆帶封閉條件時,及時封閉后澆帶,進行其他工藝施工。

2.1 材料性能研究

現場取材制作9組150mm×150mm×300mm混凝土試件,進行現場同條件養護,養護7d時進行3組試件彈性模量測試,養護14d時進行3組試件彈性模量測試,養護28d時進行另外3組試件彈性模量測試。測試結果如表1所示。

表1 混凝土試件彈性模量測試結果

2.2 理論依據

通過彈性模量實測值,進行超長結構有限元驗算,即采用實測彈性模量結果,帶入有限元模型中,其中混凝土收縮應變計算理論公式為:

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)

(1)

式中:εcs0為混凝土名義收縮系數;εcs(t,ts)為收縮開始齡期ts至計算齡期t的收縮應變;βs(t-ts)為收縮隨時間發展系數,該系數與水泥種類有關。

2.3 確定后澆帶封閉條件

1)d0為后澆帶兩邊施工段澆筑時間差。當d0>14d時,后澆帶封閉日期在混凝土結構澆筑完畢的d0后;當d0≤14d時,后澆帶封閉日期在混凝土結構澆筑完畢14d后。

2)2段相鄰混凝土結構在后澆帶封閉后的總長度≤100m;如>100m時,后澆帶封閉還需同時滿足0.2×10-4>εn-εn-1且1.6×10-4>εn(εn表示7d應變平均值,εn-1為前1個7d應變平均值)。

3)未來1周不允許存在較大降溫天氣。

3 現場施工應變監測

3.1 傳感器編號原則

為方便現場施工辨析與后期數據監測,先對每個應變計點位進行編號。G表示鋼筋,N表示混凝土,以“G2071301-應變”為例,表示2層7段南北方向上部鋼筋應變計。應變計現場安裝如圖2所示。

3.2 階段數據分析

從2021年9月26日開始,逐步開始應變計布置。由于本系統點位較多,數據量較大,故以2層7段應變計為例,監測數據如圖3所示。

圖3 應變及溫度曲線

通過圖3分析結果可知:

1)系統大部分溫度數據整體上與天津當時氣候吻合,前端有溫度較高數據是因安裝應變計時導致的溫度上升,由此說明數據可靠。

2)10月13日至10月30日,G2071301中應變最小值為-5με,最大值為20με;G2071302中應變最小值為-5με,最大值為25με。

3)應變均處于變化波動狀態,兩者應變均有小幅度增大,在10月20日左右逐漸開始穩定波動,波動逐漸減小。

4)上部鋼筋較下部鋼筋應變較小,變化速率較低。

以試件SK03通道數據為例進行分析,如圖4所示。

圖4 SK03試件應變及溫度曲線

由監測結果可知:

1)應變隨每日氣溫變化,跌宕向前發展。

2)11月7日應變劇降,由于當氣溫突變時,降溫導致混凝土試塊收縮。

3)剛開始應變數據與溫度數據基本重合,規律也一致,后期發展過程中二者趨勢差別越來越大,說明后期混凝土變形受溫度影響較小。

3.3 整體趨勢結果

同一位置處鋼筋、混凝土應變隨溫度變化規律如圖5所示,混凝土收縮及溫度變形呈跌宕變化,2次劇烈跌宕發生在混凝土澆筑后的7,24d時,均與天氣劇烈變化有關。剛開始前7d混凝土收縮及溫度變形跌宕較大,鋼筋應變跌宕幅值為18με,混凝土應變跌宕幅值為145με。第2次跌宕(11—23日),鋼筋應變跌宕幅值為10με,混凝土跌宕在50με以內。第3次應變隨溫度的變化急劇上升,鋼筋應變變化為18με,混凝土應變變化為80με。該項目屬于超長混凝土結構,主要通過設置大量后澆帶,充分釋放混凝土變形,采用控制原則中的“放”為主、“抗”為輔。為充分釋放混凝土初期變形中的收縮變形,后澆帶網格較散,可在混凝土收縮初期進行充分變形釋放。

圖5 同一位置處鋼筋、混凝土應變隨溫度變化規律

混凝土N2111301與鋼筋G2111301應變比值如圖6所示。由圖6可知,隨著時間變化,同一位置鋼筋應變與混凝土應變比值呈平穩下降趨勢。由于2次溫度驟降,帶來2次比值跌宕偏差,整體應變比值趨于平穩,同時也說明同一位置處混凝土應變和鋼筋應變呈比例變化,比值變化為5～8,這同時也說明鋼筋與混凝土間力的傳遞效果,隨著混凝土強度增大,傳遞效果越趨于明顯,最終呈現恒定值。劇烈的降溫天氣會導致混凝土和鋼筋應變產生較大差值,降溫天氣同時會增大混凝土開裂風險。

圖6 同一位置處混凝土與鋼筋應變比值

鋼筋G2111301應變、混凝土N2111301應變與溫度比值如圖7所示。由圖7可知,隨著混凝土齡期增大,該比值也逐漸增大,同時說明混凝土強度逐漸增大,溫度影響逐漸占主導地位。其中,在7月23日由于天氣急劇降溫,應變與溫度比值急劇跌宕,增大了混凝土開裂風險。

圖7 同一位置處鋼筋、混凝土應變與溫度比值

4 結語

超長混凝土結構后澆帶封閉問題屬于超長結構的一項難題,通過分析及理論模擬發現,鋼筋混凝土在澆筑后的前期(21d前),收縮應變受溫度影響較大,后期(21d后)受溫度影響逐漸趨緩。最終通過分析及試驗結果研究得到以下結論。

1)對于超長混凝土結構,應變在剛開始時變化比較劇烈,21d后能達到一個穩定值,滿足理論分析提前封閉混凝土后澆帶的條件。

2)為降低提前封閉后澆帶對超長結構耐久性能的影響,采用跳倉法原理,使混凝土進行收縮變形的后期釋放。

3)針對原設計要求,整體混凝土養護達60d后,封閉超長結構后澆帶。通過模擬分析及現場監測結果,最終采用21d后隔1封1辦法。整體混凝土養護達60d后,整體后澆帶封閉,均采用膨脹混凝土進行封閉,有效緩解了后續工藝穿插困難問題,提高了施工效率,縮短了施工工期。