超长大体积混凝土跳仓法工程设计中的关键问题
1 背景及概况
1.1 后浇带的问题
近30年来,全国范围内的建筑施工大多采取设置后浇带的方法来解决建筑物因温度、收缩和沉降导致的混凝土开裂问题。后浇带可分为两种:施工后浇带———为控制超长混凝土在结构施工阶段中的裂缝而设置;沉降后浇带———为控制不同高度建筑之间的差异沉降而可能产生的结构构件附加内力与裂缝而设置。
但后浇带的设置带来进度、质量、环保、安全、管理等诸多方面的问题
1.2 跳仓法起源
跳仓法起源于工业建筑领域,王铁梦教授
1.3 跳仓法的发展和民用工程实践
随着超长、深基坑民用工程越来越多,施工难度越来越大,业主和施工单位迫切需要解决后浇带带来的困难。因此,不少大型工程尝试了跳仓法,例如贵阳机场楼板、沈阳万达底板、厦门国际会议中心楼板、海峡交流中心底板等项目,虽然无规范、标准可以执行,但借鉴冶金工业跳仓法的经验后均取得了成功。跳仓法看似施工方法变革,实际上是施工安全和效益需求下的变革。
2005年2月,北京市邀请王铁梦教授指导中京艺苑 (梅兰芳大剧院工程)
2 跳仓法施工法原理及《跳仓法规程》工艺简介
除了荷载作用下的受力裂缝,混凝土的开裂主要包括两方面,一是混凝土浇筑后硬化过程中的干缩裂缝,二是使用过程中外界温度变化导致的伸缩裂缝
混凝土浇筑初期,混凝土由流态转变为固态硬化过程中会大量收缩,受到约束后在混凝土内部产生一定的收缩应力,导致混凝土产生收缩裂缝。这是由于混凝土刚浇筑完未有足够强度来抵抗混凝土的收缩应力,因而产生收缩裂缝。过去常采取设置永久缝和后浇带等措施,将超长的混凝土结构切成若干短小的构体 (一般不超过40m) ,就是让切开后的构体可以自由收缩释放应力。
跳仓法的基本原理是“抗、放结合,先放后抗”
“先放后抗”是采用综合方法控制裂缝,例如“放”还包括设计方面根据平面布置,减少约束度,如岩石地基上时,宜在基础与岩石地基上设置滑动隔离层。这些都在《跳仓法规程》中有相应的要求和做法。
地下室环境条件最适宜用跳仓法。地下工程在地下土回填以后,以及正常使用阶段,温湿度变化较小。常说地下室是“冬暖夏凉”的,这样的环境特点,最适宜用跳仓法。因此,《跳仓法规程》目前的实施范围是工业与民用建筑地下室。
跳仓法关键是“普通混凝土好好打”,在混凝土材料配比、骨料级配、养护和施工中测温和监控等方面有详细要求,此处不详述。
3《跳仓法规程》结构设计要点
3.1 材料及构造
3.1.1 混凝土的强度等级
地下室结构的混凝土强度等级,基础梁板宜不高于C40,外墙宜采用C30~C35,楼盖梁板采用预应力时不宜低于C40,非预应力时不宜大于C35。地下室内部墙柱及上部落下的墙柱,混凝土相对易养护,混凝土强度等级根据结构设计需要确定,可不做限制。
3.1.2 粉煤灰混凝土
基础梁板及地下室外墙,宜采用粉煤灰混凝土,并在设计图纸中明确采用60d或90d龄期的强度指标作为混凝土设计强度。建筑物底部构件承受全部荷载都在60d以后,利用后期强度符合受力特点。采用后期强度,就是利用大掺量粉煤灰替代水泥 (CCTV新台址筏基底板已达到水泥用量的50%~60%) ,控制水泥用量。由于粉煤灰早期水化活性较低,可有效降低混凝土的水化热,从而降低大体积混凝土的温峰和温升速率,有效地减少裂缝。而且掺入粉煤灰能改善混凝土的黏塑性,泵送混凝土,粒径为0.3mm以下的细骨料应占20%,也最好采用粉煤灰补充。
我国80年代就出版了行业标准《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》 (JGJ 28—86)
国外用掺入粉煤灰的混凝土后期强度也已很普遍,20世纪50年代美国学者就提出将“粉煤灰作为混凝土的第四组分”的概念。
粉煤灰本身是火力发电厂排出的一种工业废渣,因此这样做可大量减少二氧化碳排放量,降低造价的同时起到节能环保的作用。而且粉煤灰混凝土还有明显的特点,就是前期可以减少混凝土的收缩,减少由此而产生的开裂;后期尤其是28d后强度会不断增加,使混凝土越来越密实。因此,粉煤灰混凝土构件的强度和耐久性高于普通的混凝土,见图2,是绿色环保的高性能混凝土。
跳仓法用混凝土可采用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰,胶凝材料的总量不宜大于350kg/m3,水泥用量应控制不大于240kg/m3。
对于外加剂方面,《跳仓法规程》要求:“不应掺加任何膨胀剂和膨胀类外加剂”,强调通过高品质的“普通混凝土好好打”,提高混凝土的均质性,降低变异性。
膨胀剂的使用应有科学的理论指导、严格周密的施工措施保证。早期采用膨胀剂补偿混凝土时,必须有供货单位提供技术咨询,根据具体情况确定膨胀剂用量,并配合混凝土搅拌站和施工现场。掺加膨胀剂的混凝土需要饱水养护14d方可保证膨胀剂体积膨胀时需要的大量水分。目前市场膨胀剂质量良莠不齐,选用不当不仅有可能影响耐久性,而且还有可能因为搅拌过程不充分导致混凝土中的膨胀剂不均匀,这种情况反而会导致混凝土开裂。掺加了膨胀剂后对养护要求更高,因为膨胀剂在膨胀过程中会从毛细孔中夺取自由水,这样易使混凝土内部毛细孔内的自由水量不足,相对湿度降低,产生自干燥收缩,导致早期自干燥开裂。不少单位错误地认为掺加了膨胀剂可以不产生裂缝,反而忽视对混凝土应有的养护,导致工程在拆模前就出现内部或表面开裂。
为此,《跳仓法规程》要求不掺加膨胀剂,强调“普通混凝土好好打”。执行《跳仓法规程》设计、施工要求的工程均未掺加膨胀剂,由于加强养护到位,较好地控制了混凝土裂缝。
3.1.3 接缝处刚性节点防水构造
对于跳仓法工程,没有永久缝,但是接缝处刚性节点要做好,防止渗漏。如图3所示,地下水位以下均应采用钢板止水带,对于底板,钢板止水带必须上翘,否则下部易窝气影响混凝土浇筑密实度。
3.1.4 地下室外墙
许多工程的地下室外墙实际情况表明,外墙的混凝土养护难度大,控制裂缝比其他构件都困难,外墙是最容易出现裂缝的部位,混凝土强度等级高时,更不易控制混凝土裂缝,因此,混凝土强度等级宜低不宜高。不论多层建筑还是高层建筑的地下室外墙,在土压、水压作用下按偏压构件计算,混凝土强度等级髙低对配筋影响很小,所以混凝土强度等级宜采用C30~C35,并可采用60d龄期的强度指标评定。
为利于控制裂缝,地下室外墙宜将水平分布钢筋布置在竖向钢筋的外侧。钢筋应双层双向配置,间距不宜大于150mm,配筋率不宜小于0.3% (双侧) 。外墙厚度较大时还应适当增大,不大于600mm的墙水平分布钢筋的配筋率宜0.4%~0.5% (双侧) 。水平分布钢筋布置的原则是直径宜细不宜粗,间距宜密。
无地上建筑的地下外墙尽量不设附壁柱。因为附壁柱处实为外墙截面突变,最易产生竖向裂缝,规程编制组专家处理了不少在附壁柱与墙体交界部位出现此类裂缝的工程问题。不设附壁柱时,楼板的梁在外墙端可按铰支座设计,这样虽加大了梁的跨中配筋,但不再配附壁柱钢筋,总的钢筋用量反而节省。
若工程需要设有附壁柱 (例如上部结构落下来的) ,柱处采取如图4所示的附加钢筋,实践表明此措施是必要而且有效的。
3.2 取消沉降后浇带
3.2.1 从沉降缝到沉降后浇带
20世纪80年代以前的设计,都要在主楼和周围的裙房之间留一道沉降缝
当时相关规范也要求凡不同高度、不同形式、平面凹凸不规则的房屋,以及基础埋置在不同深度的房屋之间均需设置沉降缝分开。
但在实际工程中发现沉降缝并未发挥作用
产生这种现象的原因在于地基土的剪切传递,沉降缝两侧的沉降曲线是平滑过渡曲线,并不会出现高低层之间的沉降突变台阶,如图5所示,于是上述各类房屋沉降缝的设置毫无意义。
20世纪80年代初,BIAD负责结构设计的北京西苑饭店
《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 (JGJ 3—91)
《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2002)
3.2.2 沉降后浇带处的沉降观测结果
很多在高层主楼与裙房之间设置了沉降后浇带的工程,在沉降后浇带两侧设置了沉降观测点。观测结果表明,由于上述图5所示的沉降连续无突变现象,更由于许多工程在沉降后浇带处结构构件的连续不断钢筋,设置的沉降后浇带不再发挥作用。
例如高层采用天然地基项目:北京西苑饭店
高层采用复合地基项目:北京建国路金地花园A座公寓,地上34层,地下2层,基础采用CFG桩满堂筏板,相邻地下车库2层采用天然地基满堂筏板,主楼与地下车库基础连成整体。施工期间设置了沉降后浇带,基础底板完成时在沉降后浇带两侧设置了沉降观测点,在主楼结构完成6层时沉降后浇带两侧没有差异沉降,提前浇灌了沉降后浇带。
高层桩基础项目:上海为高水位软土地基,施工降水和基坑支护均难度很大。通常主楼、裙房均为桩基础,一些项目高层主楼与裙房之间设置了沉降后浇带。沉降观测结果表明,在沉降后浇带封闭时,两侧没有差异沉降,后浇带处素混凝土表面砂浆也无裂纹
综上,大量主楼与裙楼或地下车库之间施工期间设置沉降后浇带的工程,沉降观测结果表明沉降后浇带两侧没有沉降差。因此,沉降后浇带成为虚设,只起了“安慰作用”,可以取消。
3.2.3 取消沉降后浇带的措施
取消后浇带方可保证超长地下室跳仓法连续整体施工。取消施工后浇带,这个问题容易解决,分歧较小,设计师都比较容易接受。但沉降后浇带的取消阻力却很大,并不顺利。原因是施工与设计单位对跳仓法的认识不明确。很多设计师对于沉降差问题,习惯采用沉降后浇带解决,并且认为跳仓法是施工方法,与设计关系不大。跳仓法看似为施工方法,但需要结构设计师的密切配合。只有设计先行,采取措施控制主楼与裙房间的差异沉降值,方可取消沉降后浇带。除了成熟的设计经验和设计措施外,可采用地基基础协同分析、变刚度调平设计方法等,把差异沉降值控制在规范允许范围内。具体可采取的措施为:
3.2.3. 1 减少高层沉降量
(1) 采用压缩模量较高的一般第四纪沉积的中密以上的土层为基础持力层,具有一定厚度并较均匀,无软弱下卧层。例如中环世贸中心、北京LG大厦、沈阳世茂中心、北京摩根中心、中关村金融中心 (高150m) 、北京丽泽首创中心 (最高200m)
(2) 适当扩大基础底面积,以减少基底实际压力。例如北京国际大厦,通过基础外扩以降低基底压力。
(3) 当建筑荷载较大或基础持力层以及地基受压层深度范围内为压缩相对较大土层时,采用桩基或复合地基。随着研究的深入和经验的积累,大直径钻孔灌注桩后注浆技术越来越成熟可靠,应用日益广泛,研究与实践相辅相成。北京财富中心、北京银泰中心、北京电视中心新台址、CCTV新台址、国家体育场、首都国际机场T3航站楼以及北京新机场航站楼等
3.2.3. 2 使裙房部分的沉降量不致太少
当前地下室层数有愈来愈多的趋势,即基坑深度越来越深,裙房基础常处于超补偿状态。过去有些设计,将裙房做成筏板基础,既增加了造价又抑制了裙房沉降,使得高低层之间的沉降差过大。所以,应尽可能设法使裙房部分的沉降量不致太少。主要措施有:
(1) 适当调整裙房基础的埋置深度,选择压缩性相对更高的土层作为裙房基础持力层。例如:高层基础持力层为密实的砂土或碎石土时,裙房基础底面标高则可以抬高 (如果建筑功能允许) ,使得基底放置在黏性土或粉土层之上。例如北京西苑饭店
(2) 基础形式应优先选用独立柱基或条形基础。有防水要求时可采用单独柱基或条形基础另加防水板的方法。
(3) 选用独立柱基或条形基础之后,还须设法尽量采用较高地基承载力进行计算,并尽可能减少基底面积。
3.2.4 取消沉降后浇带的工程实例
以下均为BIAD设计阶段采用地基基础协同分析、设计,主楼与相邻裙房之间未设沉降后浇带,并已竣工完成的项目实例:
(1) 北京丽泽商务区首创中心F02, F03地块
(2) 位于北京经济技术开发区的京东集团总部2号地项目,A座塔楼地上19层、地下5层,CFG桩梁板式筏基;B座塔楼地上16层、地下5层,CFG桩梁板式筏基;C座塔楼地上12层,天然地基梁板式筏基。A, B, C座塔楼地下室及纯地下室均为5层,纯地下室天然地基独立柱基防水板。基础设计采用变刚度调平设计,A座塔楼平均沉降39.5mm, B座塔楼平均沉降35.7mm, C座塔楼平均沉降41mm,主楼与纯地下室之间差异沉降均小于0.1%,不设置沉降后浇带。目前,结构主体接近完工。
(3) 北京中国尊项目
4 结论与展望
(1) 工业与民用建筑地下室超长大体积混凝土采用跳仓法施工,经过工程实践检验行之有效。此方法来源于工程施工现场的迫切需要,可给工程建设带来巨大的实用价值和社会效益,有广泛的应用前景。
(2) 跳仓法的无缝整体实施,看似施工问题,实则需要设计先行。设计需要在材料强度、构造节点,尤其是取消永久伸缩缝、沉降缝、后浇带等方面紧密配合方可保证跳仓法的可行。
(3) 《跳仓法规程》目前的实施范围是工业与民用建筑地下室。地上建筑受环境温差、湿度影响较大,各地施工水平等因素也差异较大,由地下室向地上范围的推广还有待实践的积累。
(4) 《跳仓法规程》2015年在北京市实施后产生较高社会效益和经济效益。2017年中国工程建设标准化协会开始组织编制全国行业标准,参编单位扩大至全国范围的施工、设计、科研单位。行业标准在北京地方标准的基础上,进一步总结了这几年跳仓法的科研成果及成熟的工程经验,结构设计方面进一步明确了关于取消沉降后浇带的内容。2019年5月送审稿通过审查,力争2019年颁布实施,以满足工程建设之需。
[2] 杨嗣信,李国胜.再论设置“后浇带的问题”[J].建筑技术,2018, 49 (5) :449-456.
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.
[4]王铁梦.工程结构抗裂控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[5] 超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程:DB 11/T1200-2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.
[6]中国建筑标准设计研究院,住房和城乡建设部工程质量安全监管司.全国民用建筑工程设计设计技术措施结构 (混凝土结构) [M].北京:中国计划出版社,2012.
[7] 混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[8]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[9]粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程:JGJ 28-86[S].北京:中国建筑工业出版社,1986.
[10] 粉煤灰混凝土应用技术规范:GB 50146-2014[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.
[11] 北京地区地基基础勘察设计规范:DBJ 11-501-2009[S].北京:中国计划出版社,2009.
[12]程懋堃.创新思维结构设计程懋堃设计大师文稿集[M].周笋,编.北京:中国建筑工业出版社,2015.
[13]建筑结构优秀设计图集第1集[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.
[14]李国胜.超长大体积混凝土结构设计与跳仓法施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.
[15]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程:JGJ 3-91[S].北京:中国建筑工业出版社,1991.
[16]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[17]王雪生,周笋,李培,等.北京丽泽金融商务区F02, F03地块结构设计[J].建筑结构,2016, 46 (17) :42-48.
[18]李培,周笋,齐五辉,等.首创丽泽金融商务区F02、F03地块项目基础设计[J].建筑结构,2018, 48 (20) :65-70.
[19]孙宏伟.岩土工程进展与实践案例选编[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.
[20]建筑地基基础设计规范:GB 50007-2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.