武汉汉秀剧场是世界上第一座采用移动、升降座椅的水秀剧场, 汉秀剧场外形为红灯笼造型, 建筑高度70m, 总建筑面积8.6万m², 能一次容纳 2 000名观众。汉秀剧场设计规模已超过澳门水舞间, 是中国第一水秀表演剧场。

汉秀剧场中央表演水池是设计中的一大亮点, 其是一个平面不规则的异形结构, 周边墙体长287m (见图1) , 总储水量达9 600万m³, 相当于3～4个奥运会标准游泳池, 可以完成水面与陆地的瞬时转换, 水池高10.1m, 平面面积为1 228m², 池底和周边池壁采用1.0m厚C40P10补偿收缩钢筋混凝土板, 抗渗等级为一级, 混凝土总用量2 870m³。

由于水池有大型水上表演功能, 水池中设复杂的舞台表演升降设备, 水池底板、侧壁为1.0m厚大体积混凝土, 因此制订合理的水池底板、侧壁混凝土浇筑方案、控制混凝土因温度变化和干缩引起的开裂尤为重要。为更好地保证混凝土浇筑质量, 满足表演水池的功能要求, 对拟定混凝土施工工艺进行模拟分析, 分析混凝土内部温升变化规律, 为制定混凝土浇筑施工方案和温升控制方案提供依据。

水池施工中, 制定了完备的技术保障方案, 从而保证水池混凝土浇筑的顺利完成, 后期水池整体抗渗能力经受了原位蓄水检测, 满足设计要求。

本文采用ABAQUS有限元软件进行分析, 计算单元选取八节点热耦合六面体温度-位移单元C3D8T。依据施工现场情况及施工方案的可行性, 分析采用3个工况:①工况1 水池底板一次性浇筑, 水池侧壁一次性浇筑;②工况2 水池底板与0.5m高侧壁一次性浇筑, 剩余9.5m高侧壁一次性浇筑;③工况3 底板分次浇筑 (先两侧后中间) , 侧壁一次性浇筑。

工况1考虑水池底板以下墙、柱构件;分析步定义为2步来模拟底板的一次性浇筑与水池侧壁的一次性浇筑, 选用温度-位移耦合;混凝土柱与水池底板边缘为固定端。分析可知, 板表面温度均在一个相对恒定的温度下, 随着浇筑龄期的增长, 板中心温度逐步下降, 最高温度出现在板中心, 并于第24h时达到最高温度63℃。

由地下2层墙、柱温度计算结果可知, 受到上部水化热影响的区域仅为<1m的高度范围, 且温度变化不大。此时板一次性浇筑完毕, 上部墙单元激活, 以模拟施工顺序。

分析可知, 板表面温度均在一个相对恒定的温度下, 在龄期为36h时其最高温度可达71℃, 位于板中心处。由地下2层墙、柱温度分析可知, 受到上部水化热影响的区域仅为1个单元格, 即<1m的高度范围, 温度在顶部单元达39℃。水池0.5m处外墙温度最高为40℃, 位于与底板接触处, 顶面各点温度均相近。

在软件中把第2部分单元“杀死”, 在第1部分浇筑完毕后, 激活第2部分单元 (见图2) 。

通过工况1、工况2、工况3对比分析可知, 工况1中一次性浇筑板在44h时, 板中达到最高温度72℃;工况3中第1部分同样在44h时出现最高温度72℃, 但第2部分在浇筑47h后, 第1部分温度开始下降。因此, 依据现场的实际情况, 最后采用工况3进行混凝土浇筑, 依据大体积混凝土的施工要求, 做好相应的施工措施。

为进一步控制中央水池底板和侧壁在浇筑过程中温升变化、验证模拟分析的可靠性、完善分析计算参数与计算模型, 在水池侧墙选取温升控制点 (见图3) , 实时监测混凝土浇筑过程中的温度变化。

依据水池结构特点, 监测共选取有代表性的截面6个, 分别位于SC-CB13 和SC-CB2a墙段中部 (见图3) , 每个截面布置3个测点, 共计18个测点, 其中1—1, 4—4截面测点距底板1m, 2—2, 3—3, 5—5, 6—6截面测点距底板4m (见图4) 。

现场混凝土浇筑各截面测点温度随龄期变化曲线如图5所示。由图5可知, 在浇筑后1.5d (36h) 龄期内, 测点温度达到最高, 温度在35～50℃;位于同一截面上, 墙体中间测点的温度高于两侧测点温度, 截面1—1中间测点2、截面2—2中间测点5、截面3—3中间测点8、截面4—4中间测点11、截面5—5中间测点14、截面6—6中间测点17温度变化均高于两侧测点温度变化, 温差在7～10℃, 主要是由于中间测点热量散失速度较慢。

距底板1m处测点最高温度为46.5℃, 距底板4m处测点最高温度为60℃, 高于距底板1m处的温度。这主要是因为底板前期浇筑完成, 1m处测点与底板可进行热交换, 而4m处测点在墙身中部, 上、下均进行水化反应, 释放热量, 导致热量无法有效散失。

通过有限元模拟分析掌握了混凝土浇筑过程中温度变化规律, 为施工控制提供了依据。结合理论分析结果, 利用现场温度监测与分析, 有效制订了混凝土浇筑方案, 较好地控制了混凝土内部温度变化, 使实际温升在合理范围内, 保证了结构一级防水的要求。

中央表演水池平面为螃蟹状, 是世界上最大的水秀表演水池, 其总储水量达9 600m³t, 相当于4个奥运会标准游泳池的储水量。水池中设有复杂的水中自由升降舞台, 作为舞台表演的重要场所, 内部各类管线繁多, 水池内预留大量水、火、电气、灯光特效以及舞台各专业的管线洞口等。这些特殊要求给水池的施工建设带来前所未有的困难。对于功能要求如此严格、特殊的水池, 目前国内没有类似工程可借鉴, 这给施工带来技术难题。

水池防水抗渗等级要求高, 防水达到一级, 要求不能渗水, 结构表面无湿渍。水池混凝土总计 2 870m³, 底板、侧壁为1m厚的钢筋混凝土板, 这就要求混凝土结构本身不出现渗漏。

为满足上述要求, 对C40P10抗渗混凝土进行收缩变形计算, 确保混凝土不出现拉裂现象, 通过抗裂分析与研究, 制定了C40P10抗渗混凝土的最优配合比。依据选用的混凝土配合比, 选取合适的混凝土初凝时间, 合理安排施工顺序, 不设施工缝, 避免冷缝, 加强振捣, 做好养护措施, 满足混凝土抗渗要求。

中央水池蓄满水后, 水压力较大, 防水材料需具备出色的抗渗性、耐水性、抗冲击性和耐磨性, 并且水池中水质要求达到饮用水标准, 这对防水材料提出更高要求。

针对工程具体情况, 经分析研究, 选用对温度、湿度敏感性较小, 施工时受环境温度、湿度影响较小的水泥基渗透型防水涂料, 表面喷涂符合饮用水标准的具有抗腐蚀、耐化学性、抗冲击、耐磨、没有挥发性防水涂料, 满足水池对防水方面的要求。

表演水池下部为设备电力供应层, 为确保水池在正常使用中不出现渗水现象, 对表演水池在交付使用前进行防水检验尤为重要, 但目前还未有相关检测技术。

针对这一难题, 结合水池结构自防水能力、预埋螺栓和预埋套管对结构渗漏能力的影响, 后置螺栓、防水材料、设备安装和管线穿结构等工序施工完成后, 针对水池抗渗漏性能的影响等问题, 决定在所有设备安装完成后, 采用现场原位蓄水试验进行上述内容的检测。通过分析^[9,10,11], 制订试验方案, 部署水池蓄水过程中进水、排水管线布置、每次注水量控制及预留洞封堵等关键步骤, 确保万吨级水池蓄水试验的顺利完成。

经过有限元模拟分析以及现场实测数据的对比分析, 确保汉秀剧场中央表演水池异形混凝土结构施工方案合理、施工技术难点控制措施有效。

1) 模拟分析掌握了混凝土浇筑过程中温度变化规律, 以及各种工况下结构的温度变化及应力变化, 为制订合理的施工方案提供了支持, 为施工控制措施提供了依据。

2) 项目现场温度测点的布置能够为施工控制与分析提供数据、验证分析模型的准确性、及时跟踪浇筑混凝土温升变化、发现问题, 是异形水池成功浇筑的技术保障。

3) 结合理论分析结果, 利用现场温度监测与分析, 合理制订混凝土浇筑方案, 较好地控制混凝土内部温度变化, 使实际温升在合理范围内, 保障结构的抗裂设计, 满足结构一级防水要求。

4) 由有限元模拟分析和现场实测数据对比分析可知, 模拟分析能较好地预测温度变化规律, 达到最高温度时混凝土龄期与实测一致, 底板与侧壁温度变化规律与实测一致, 但温度上升最大幅值有差距。在模拟分析中, 相关材料热力学参数的选取还有待完善, 还需进行相关研究, 尤其是对流换热系数和混凝土体热通量2个系数的研究。

在水池施工中, 结合模拟分析制订了合理的混凝土浇筑方案, 对混凝土材料的选择、水池的抗渗施工、防水材料施工及抗渗原位试验等关键环节进行预分析与准备, 制订完备的技术保障方案, 从而保证水池混凝土浇筑的顺利完成。