超大型航站楼超长结构单元不设缝施工关键技术研究

作者：王延波叶亦盛陈璐吴吉

单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院中建三局基础设施建设投资有限公司

摘要：以武汉天河机场T3航站楼超大面积混凝土工程为基础, 研究超长混凝土结构单元不设缝施工技术。通过优化混凝土配合比, 在不增加混凝土中胶凝材料用量的基础上, 提高混凝土抗拉强度, 以抵抗混凝土收缩应力;采用跳仓法施工, 通过跳仓间隔释放混凝土前期大部分温度变形与干燥收缩变形引起的约束应力。结果表明, 本工程采用的方法可有效控制混凝土收缩开裂, 实现长达234m的混凝土结构单元不设缝施工。

关键词：混凝土配合比跳仓法收缩应力变形开裂

作者简介：王延波, 高级工程师, 硕士研究生, E-mail:153104232@qq.com;

1 工程概况

武汉天河机场T3 航站楼位于武汉市黄陂区天河机场总体规划的南偏西-北偏东向主轴线南端, 与现有T2 航站楼相邻, 由主楼与东、西各2 条指廊及T2-T3连廊组成, 建筑高度41.1m, 建筑面积约49.5 万m², 其中航站主楼面积37万m², 为华中地区面积最大航站楼。航站楼主楼部分 (不包括连廊、指廊) 长度约为800m, 为满足建筑功能及立面效果要求, 沿主楼长度方向仅设置2道变形缝。钢结构屋盖单元最大长度达274m, 相应下部混凝土结构单元最大长度达234m。航站楼主体结构分区如图1所示。

图1 航站楼主体结构分区

Fig.1 The partition of the main structure of the terminal building

在常规设计中, 根据相关规范要求, 对于大面积混凝土结构通常采用设置后浇带的方法进行分段施工。而实际上, 通过设置后浇带进行分区分块施工会对施工进度和成本控制带来诸多困难^[1]¹^]。

结合工程场地气候条件及荷载规范的相关规定, 对结构在温度作用下的荷载效应进行详细分析后, 武汉天河机场T3航站楼工程从设计、施工2个阶段综合考虑, 通过优化混凝土配合比、采用跳仓法施工, 使结构达到超长不设缝的要求。

2 混凝土配合比设计

2.1 设计措施

1) 采用双掺技术, 降低收缩组分掺量, 减少单方水泥用量;在保证强度的前提下, 提高优质FA的掺量;通过对不同比例胶凝体系水化热试验研究, 确定合理的配合比。

2) 严格控制砂石的含泥量指标, 减少含泥增大混凝土收缩的影响;控制河砂的细度模数在2.5～2.8, 河砂越细会增大混凝土的收缩;优选5～31.5mm的连续级配, 通过提高粗骨料堆积密度, 降低单方混凝土浆体用量, 降低混凝土的整体收缩及水化热。

3) 配合比参数优化

降低水灰比可提高混凝土密实度, 但水灰比过低, 使混凝土的自收缩加大, 在保证混凝土拌合物满足施工要求的前提下, 选择合理的水灰比。通过试验及相关文献查询^[2,3,4], 水灰比控制在0.36～0.42。

注意试验不同砂率下混凝土的和易性, 尤其是浆体的饱满程度和包裹性, 可从36%～42%按照2%左右的递增比例试验, 其他参数参考上面选取, 在满足工作性和强度的要求下, 砂率尽可能小, 适宜的砂率为42%。

2.2 混凝土配合比

根据相关混凝土优化措施, 最终所设计的混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

Table 1 Mix proportion of concrete kg·m^-3

强度等级	水泥	粉煤灰	矿粉	河砂	碎石	外加剂	纤维	水
C40	234	98	58	781	1 079	8.0	0.9	155

根据现场施工的实际环境, 混凝土地面为木质模板, 表层采取保温保湿养护措施, 即混凝土不是暴露在干燥的空气环境也不属于绝对的密封环境, 对混凝土的自收缩和干燥收缩进行测试, 其自收缩和干燥收缩曲线如图2所示。

图2 混凝土收缩曲线

Fig.2 Shrinkage curves of concrete

由图2可知, 混凝土的自收缩在前期增长较快, 后期增长缓慢。在龄期为7d和10d时, 混凝土自收缩率分别为0.039%和0.045%, 分别完成了总收缩率的65%和70%。根据试验数据, 可以推断混凝土的7d和10d收缩应力分别会释放65%和70%, 7d后收缩曲线已接近平缓, 再加上现场配筋和纤维的约束, 可以有效控制混凝土收缩开裂的风险。

3 跳仓法施工

混凝土浇筑后期, 收缩增长趋于平缓, 可通过混凝土自身及配筋进行控制, 而前期, 对于混凝土收缩的急剧增长, 则通过跳仓法施工, 使其得到释放。

采用跳仓法对航站楼主楼混凝土结构进行施工, 相邻仓浇筑间隔时间≥7d, 通过跳仓间隔释放混凝土前期大部分温度变形与干燥收缩变形引起的约束应力。

3.1 边界条件

地下室顶板混凝土跳仓法施工如图3所示。其中, E2-7-2-2, E2-7-2-1, E2-5-2, E2-3-2-2, E2-3-2-1, E2-1-2 6仓为本工程最长的混凝土结构单元, 达234m。

图3 跳仓法施工

Fig.3 The alternative construction method

表2 混凝土收缩应力

Table 2 Shrinkage stress of concrete MPa

混凝土单元	龄期/d
混凝土单元	7	14	21	28	35	42
E2-7-2-2	0.017 136 23	0.429 910 87	0.830 543 58	1.154 854 61	—	—
E2-7-2-1	—	0.036 302 16	0.728 775 40	1.469 013 68	2.036 925 45	—
E2-5-2	—	—	0.052 994 40	0.740 947 93	1.110 739 93	1.748 397 75
E2-3-2-2	0.016 198 80	0.413 350 42	1.194 342 52	1.560 117 80	—	—
E2-3-2-1	—	0.034 514 37	0.727 471 69	1.466 884 78	2.033 230 74	—
E2-1-2	—	—	0.037 409 61	0.444 694 87	0.854 685 18	1.196 752 21

各混凝土结构单元长度如图4所示。当浇筑第①仓混凝土时, E2-7-2-2和E2-3-2-2混凝土单元两端均自由, 其计算长度为混凝土块浇筑长度, 分别为40m和38.5m;当浇筑第②仓时, 第①仓浇筑的混凝土块失去1个自由边, 其计算长度为浇筑长度的2倍, 分别为80m和77m, 而第②仓浇筑的E2-7-2-1和E2-3-2-1计算长度连接成整体的混凝土块, 为77m和72.5m;当浇筑第③仓时, 整个混凝土单元连成整体, 除了两端的E2-7-2-2和E2-1-2有1个自由边, 计算长度为80m外, 中间的各块体计算长度均为整个混凝土单元的长度234m。

图4 234m混凝土单元跳仓法施工 (单位:m)

Fig.4 The alternative construction method of 234m concrete unit (unit:m)

3.2 混凝土收缩应力

通过计算可得, 本工程234m的混凝土结构单元各龄期内混凝土收缩应力如表2所示。

而不同龄期混凝土的抗拉强度可按式 (1) 计算:

$f_{t k} (t) = f_{t k} (1 - e^{- γ t}) (1)$

式中:f_tk为混凝土抗拉强度标准值 (N/mm²) ;γ为系数;t为龄期。

经计算, 各龄期混凝土抗拉强度如表3所示。

表3 混凝土抗拉强度

Table 3 Tensile strength of concrete MPa

项目	龄期t/d
项目	3	7	14	21	28
抗拉强度	1.418	2.097	2.354	2.385	2.389

由表2, 3可知, 各龄期段, 混凝土的收缩应力均小于该龄期混凝土的抗拉强度, 即跳仓法施工过程中不会因为收缩应力过大而开裂。实际上, 混凝土浇筑及养护期间, 混凝土表面光滑平整, 未发现肉眼可见的裂缝。

4 结语

1) 通过跳仓法施工, 在浇筑早期通过小块分仓释放了大量早期水化热温度收缩应力;通过分仓间隔7d浇筑充分利用混凝土的徐变特性, 使收缩应力逐段发生, 每时段收缩应力得到大量松弛后再叠加, 连成整体后虽然计算长度较长, 但此时由于收缩已较小不会引起较大的收缩应力, 故使用跳仓法施工可保证本工程底板不出现有害贯穿性裂缝。

2) 试验表明, 混凝土的7d和10d收缩应力分别释放65%和70%, 此部分收缩应力通过跳仓法进行释放, 7d后收缩曲线已接近平缓, 通过优化混凝土配合比, 提高混凝土自身抗拉强度, 以抵抗混凝土后期的收缩应力, 通过抗放结合的施工方法可有效保证结构不开裂。

参考文献

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[7] 李昂. 大体积混凝土基础底板跳仓法施工研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2016.

Abstract: Based on the super large area concrete project of Wuhan Tianhe Airport Terminal T3, the construction technology of super long concrete structural unit was studied. By optimizing the concrete mix proportion and without increasing the amount of cementitious material in concrete, the tensile strength of concrete was improved to resist the shrinkage stress. The restraint stress caused by most of the temperature deformation and drying shrinkage deformation in the early stage of concrete was released by alternative construction method. The results showed that the method adopted in this project could effectively control the shrinkage and cracking of concrete and realize the construction of 234 m-long concrete structural unit without joints.

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