旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系综合了弧形柱、环形梁、双曲面等混凝土构件, 具有曲线优美、造型奇特的特征, 近年来在一些造型要求高、外观精美的公共建筑中开始应用。该类结构体系立面及空间曲线复杂、曲面相互联系、结构布置非常规化等均给结构施工提出了新的要求。

敦煌莫高窟游客中心建筑整体为1层, 局部设地下室, 最大高度16.2m, 面积11 825m²。游客中心的采光天井为旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系, 由30根弧形柱和11根环形梁以及曲面板构成。弧形柱线型由2段不同的曲线组成, 柱以双曲抛物线变化上升, 柱之间的环形梁随柱的曲线变化而逐渐变化, 梁与柱始终正交而共同构成了梁柱网格结构体系。曲面板为无规则斜交网状井字梁双曲面。其造型如图1所示。

该类结构体系由于结构轴线复杂且为立体曲线造型, 内部结构标高不一, 对工程施工放样、测量定位、轴线标高控制、模板支架搭设、钢筋绑扎定位、混凝土浇筑等施工带来一定难度。

1) 旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系空间整体造型复杂, 每根柱、梁的曲线变化均不相同, 测量定位难度大。

2) 梁柱构件的施工控制点多, 支撑体系方案设计难, 支架搭设繁琐。构件各个面在空间上大多为曲面, 弧度各不相同, 形状扭曲不规则, 模板制作安装复杂。

3) 结构体系的梁柱构件弧度大, 钢筋下料加工不易, 且各构件形状不规则, 钢筋定位绑扎难。

4) 梁、柱构件钢筋密集, 尤其是梁柱节点, 为保证构件混凝土的振捣质量, 配制自密实混凝土进行浇筑。梁、板采用全封闭式模板, 常规浇筑方式难以达到施工要求。需采取不同的浇筑方式以保证各不规则构件混凝土浇筑质量。

1) 施工段划分 根据弧形柱轴线的线型, 考虑弧形柱上、下2段曲线曲率相差较大, 且结构体系上段包含曲面板构件, 为方便施工, 将旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系基础梁以上部分划分为AB, BC 2个施工段, 施工分界点B为弧形柱2段曲线的衔接点, 同时也是曲面板的起始点。

结构体系中有L1~L11共11根环形梁, 由于相邻环形梁之间的距离较近, 2根梁同时施工会大大增加支架搭设和混凝土浇筑的施工难度, 故每次只施工1根环形梁。根据环形梁的施工情况, 弧形柱与曲面板划分为多段进行施工, 弧形柱划分成Z1~Z11小分段, 曲面板划分成B1~B4小分段, 各构件分段情况如图2所示。

2) 施工工艺流程 提取控制点三维坐标→测放平面控制网→构件测量定位→搭设支撑体系→安装整个弧形柱底模→安装柱AB段侧模→安装梁L1底模→绑扎柱AB段及梁L1钢筋→安装梁L1侧模→浇筑柱Z1段及梁L1混凝土→依次完成结构体系AB段剩余部分施工→绑扎柱BC段钢筋→安装梁L7及板B1段底模→绑扎梁L7及板B1段钢筋→浇筑柱Z7段混凝土→封闭梁L7及板B1段模板→浇筑梁L1及板B1段混凝土→依次完成结构体系BC段剩余部分施工→混凝土构件拆模及养护。

利用CASS成图软件进行CAD电子版图纸二次深化设计, 提取弧形柱、环形梁定位控制点的三维坐标 (x_n, y_n, z_n) , 将各控制点投影到已施工完成的垫层面, 形成各控制点的水平投影点 (x_n, y_n) , 连接各控制点形成弧形柱轴线和环形梁室内下边线在水平面的投影。

在提取钢筋混凝土结构体系弧形柱与环形梁节点轴线相交中心控制点在地面的投影三维坐标时, 需通过曲面顶板标高换算得出弧形柱在环形梁L1~L11间的梁底轴线控制标高及间距。环形梁与弧形柱交叉控制点的平面标高如图3所示。

根据测量定位工作的难点, 采取“先控制后细部, 从整体到局部”的原则, 将测设工作分解为平面定位控制与构件造型控制。

利用电子全站仪, 在施工现场埋设若干个测量控制点, 组成1个能满足平面放样和高程传递的平面控制网。

由平面控制网到旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系内形成内控制点, 内控制点平面布置如图4所示。

1) 在平面控制网上, 将“柱网轴线”确定为主要测设对象, 对钢筋混凝土弧形柱进行定位, 精确控制弧形混凝土柱的控制点。先将结构体系内的椭圆圆心及周边各柱根部边线在基础楼板混凝土表面上放出。弧形柱轴线的水平投影直接用轴线三维坐标进行放线, 形成楼面上弹测的柱网轴线。

2) 为精确控制梁模板的安装节点, 将环形梁的梁底外边线作为放样对象, 以保证构件成型后造型的准确性。环形梁横断面均倾斜于地面, 利用CAD制图软件绘出每个弧形柱与环形梁交点的剖面图, 由环形梁室外边中线画出梁底室内边线, 由此得出梁底室内边线的三维坐标, 进而放出环形梁水平投影位置。柱、梁放样后的水平投影如图5所示。

根据柱、梁轴线的水平投影线和三维坐标, 求出底模的三维坐标, 并在现场利用卷尺、铅垂仪测量对应位置的高度, 以此作为底模钢管搭设的高度。

1) 在椭圆结构体系内、外一次性搭设满堂脚手架, 椭圆外围脚手架为支撑脚手架, 作为操作、固定脚手架使用。由于弧形柱与环形梁的标高主要是通过立杆来控制, 满堂架立杆布置在弧形柱与环形梁地面投影轴线的交叉点两侧。

2) 安装柱、梁底模模板前, 脚手架立杆超出柱、梁支架的部分需截断。在满足模板设计所确定的水平拉杆步距要求前提下, 平均分配扫地杆与顶部水平拉杆之间的间距, 确定步距后, 在每一步距处纵、横向各设1道水平拉杆。支撑脚手架侧立面如图6所示。

3) 满堂钢管脚手架的构造应完全按JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》要求设置垫板、纵横扫地杆、剪刀撑、抱柱装置等构造措施, 各杆件的搭设均应符合规范要求。

AB施工段内, 相邻2条梁水平偏差不大, 平面投影大部分重合, 且高差较小, 标高较高的上部梁支架可单独搭设在已施工完的梁上, 并与满堂脚手架顶撑牢固。BC段环形梁支架由满堂脚手架另加横杆搭设而成。

1) 弧形柱四面均为扭曲的曲面, 为保证精度, 柱底模出具大样图预先制作, 柱侧模根据已定位的柱底模现场加工。

2) 弧形柱底模板安装时, Z1~Z6段和Z7~Z11段采用不同定位方法。Z1~Z6段通过线锤将基础楼面上控制点的水平投影向上引测来控制模板支设。Z7~Z11段距基础楼面过高, 可在已连成整体的Z1~Z6段初步支设模板上按一定标高统一超出水平线, 利用三维模型切面, 得到L7~L11构件4个角点坐标, 再利用全站仪对弧形柱进行复核。

3) 选用φ18螺纹钢, 根据弧形柱的轴线投影和标高变化, 绑扎焊接在脚手架上作为柱底模的弧形定位钢筋。在弧形定位钢筋下搭设钢管小横杆做主楞, 并在小横杆上按弧形定位钢筋曲率用铁线捆绑方木成弧作次楞。采用角钢作为定位箍焊接在定位钢筋上, 以实现弧形柱的造型控制。定位箍外包尺寸同柱截面尺寸。包模时柱底模与定位箍紧贴, 采用槽钢抱紧, 并附加支撑体系, 如图7所示。

4) 弧形柱其他侧面模板在钢筋绑扎完成后开始拼装, 柱模楞方间距100mm, 钢管柱箍间距300mm, 安装组合套箍进行加固, 每个套箍在柱长边对拉1根φ14高强螺栓。在模板拼装之前须按间距要求放置钢筋内衬以保证柱的截面尺寸, 要求每根对拉螺栓对应1根18的钢筋内衬。

1) 环形梁施工大样图为梁底平面尺寸, 同时包含梁顶外侧线定位尺寸, 梁底模按施工大样图在制作区1∶1放样, 分段拼接加工。梁侧模根据已经定位的梁、板底模现场加工。

2) 环形梁分为独立梁及与板相连的非独立梁。独立梁底模和侧模的定位可通过铅垂仪、线锤等工具直接从基础楼面向上引测进行控制。

3) 拼装梁底模时, 先在支架横杆上满铺方木, 在方木上钉弧形梁底模。单条梁全部梁段底模拼装完成后形成倾斜扭曲的椭圆环, 须做适当调整使各个梁段底模整体顺滑。

4) 环形梁的其他侧面模板在梁钢筋绑扎完后进行拼装。侧模板拼装之前须按间距要求放置钢筋内衬以保证梁的截面尺寸, 要求每根对拉螺栓对应1根18的钢筋内衬。

1) 曲面板的模板成型是利用曲面板下方的井字梁侧板的木楞高度控制曲面板高度, 保证曲面板成型。

2) 搭设模板支架时需对原有满堂脚手架架体进行适当的调整, 增加板底模支撑横杆及纵向弧形横杆的搭设。如果出现弧度较大, 板底模的龙骨按纵向布置难以达到设计弧度时, 增加1道纵向弧形钢管满足板的弧度要求。

弧形柱钢筋均为大直径钢筋, 无法在加工厂加工成型, 只能在绑扎现场采取人工弯曲的方式。先按照接头布置要求将主筋用直螺纹套筒连接, 再将各柱主筋随柱底模弧形压弯, 最后分段进行穿箍绑扎, 并加垫块。

1) 考虑到柱梁节点施工的复杂性, 梁底模安装完后便开始绑扎环形梁钢筋。由于梁侧模尚未安装, 钢筋绑扎时需要定位。将梁底模作为施测工作面, 弹出梁顶外侧线, 以此线作为控制线控制上排钢筋的定位。

2) 因梁的弧度较大, 环形梁钢筋在绑扎时, 先在梁四周摆放梁筋半成品, 再在梁边将主筋随梁底模压弯成弧后进行穿插布置, 弧度不合理的钢筋应取出重新加工。

曲面板采用φ10的通长筋, 通过人工弯曲的方式绑扎成型。环形梁钢筋绑扎完成后, 开始绑扎曲面板钢筋。曲面板钢筋与环形梁上筋位于同层, 并与环形梁钢筋绑扎牢固。为了减少弧形柱与环形梁混凝土浇筑难度, 板筋采取预留、搭接的方式。待曲面板钢筋绑扎完毕后, 在曲面板钢筋和曲面板模板之间加设垫块。

自密实混凝土配合比的设计原则应符合相关规范要求, 并根据试验最终确定自密实混凝土工作性控制参数范围。

1) 由于旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系各构件钢筋密集, 浇筑普通混凝土难以保证振捣密实性, 应选用能自行流平、密实的自密实混凝土进行浇筑。

2) 自密实混凝土的性能主要通过粗细骨料、胶凝材料、超塑化剂等原材料的选择、搭配和精心的配合比设计来实现。根据工程实际情况, 从流动性、间隙通过能力及抗离析性3个方面的指标来确定自密实混凝土的拌合物性能。

3) 旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系中, 弧形柱的混凝土强度等级为C40, 环形梁和曲面板的混凝强度等级为C30。浇筑前对自密实高性能混凝土进行试配, 经多次试配后混凝土各参数指标良好, 均达到设计和规范要求。最终自密实混凝土配合比如表1所示。

1) 浇筑结构体系AB段混凝土时, 先浇筑柱头处C40混凝土, 再浇筑与柱头相连的梁C30混凝土。

2) BC施工段内, 梁、板看作同一构件分2次连续浇筑而成。每施工小段的弧形柱浇筑完成后, 立即对本施工段内的梁、板构件进行模板封闭施工。封闭曲面板顶模时, 在中间部位预留100mm宽的环形板带, 作为第1次浇筑的灌浆缝B口。梁模封闭时在梁顶室外边线位置预留100mm模板缝用作第2次浇筑的灌浆缝D口, 如图8所示。

3) 浇筑梁、板时, 先通过B口浇筑A区域内的混凝土, 浇筑过程中通过适当振动以保证自密实高性能混凝土能完全充实该区域。浇筑至B口时混凝土应高出表面模板10mm左右, 随后立即用抹子抹平, 取出已制作好的模板封闭B口。再通过D口浇筑C区域内的梁、板混凝土构件。2次浇筑时间间隔不能过长, 以免在B口处形成施工缝。

1) 测量时按照“先控制后细部, 从整体到局部”的原则, 采取合理有效的测设技术进行三维精确测量、校正和控制。

2) 为解决模板弯曲成型困难的问题, 选择可弯曲性好的竹胶板, 适时配合调整搭设钢管位置, 以保证弧形构件支模的可靠性。

3) 钢筋绑扎人员须严格按照测量控制线或控制点进行绑扎, 通过结合使用定位钢筋确保钢筋不发生偏位。

4) 因混凝土构件的钢筋密度大, 浇筑自密实混凝土时可略加振捣, 防止浇灌时裹入的气泡无法排出产生空洞。浇筑过程中可利用橡皮锤敲击梁的侧模、底模以及柱四角处, 检查混凝土浇筑是否密实。浇筑完成后的节点通过声波透射法进行密实度检验, 合格率应达到100%。

施工完成后的旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系质量良好, 效果如图9所示。

旋涡沙漏状钢筋混凝土结构体系是一种新型结构形式, 研究这种新型体系有效的施工工艺对提升工程质量和施工效率有非常重要的实际意义。通过处理实际施工中的问题, 得出以下结论。

1) 利用南方测绘CASS成图软件进行图纸二次深化设计、提取各点三维坐标, 采取合理有效的测设技术进行三维精确测量、校正和控制。确保了弧形柱、环形梁与双曲面板构件平面尺寸的精确定位以及空间造型的精确控制。

2) 通过合理划分施工段, 优化支架搭设流程并适时调整搭设钢管位置, 解决了弧形柱、环形梁及双曲面支模成型困难的问题。

3) 应用CAD技术进行钢筋三维施工模拟定位, 结合使用定位钢筋, 解决了钢筋下料、绑扎成型难的问题, 可有效保证弧形构件的内外侧弧度, 观感效果好。

4) 自密实混凝土具有许多振动密实混凝土所不具备的优点。本次对具有较密钢筋的构件采用自密实混凝土对确保混凝土构件质量起到关键作用。