近年来, 结构复杂的建筑越来越多, 超高层、大跨度类的结构势必伴随着大截面钢筋混凝土构件的出现, 实际工程中往往采用叠合法进行此类构件混凝土浇筑, 如2m厚的钢筋混凝土转换板^[1]、大体积钢筋混凝土转换梁^[2]。叠合法施工的原理是利用分层浇筑完的已达到一定强度混凝土层来支撑上部未浇筑混凝土层的荷载, 从而减轻下部支撑体系的负担。

1965年, 过镇海教授基于试验较为系统地研究了叠合梁的受力性能和设计方法, 通过4根叠合梁和2根整浇梁的对比试验, 指出必须限制叠合梁在二次受力情况下存在的“应力超前”现象^[3]。

本文依托长沙百米深矿坑冰雪世界项目, 着重介绍工程中部3万m²预应力平台中巨型多截面梁混凝土叠合法施工工艺和关键技术。

长沙冰雪世界工程位于长沙市岳麓区坪塘镇, 依附于废弃的百米深矿坑, 矿坑原为湖南省新生水泥厂采石场坑。矿坑长约440m, 宽约350m, 深约100m;上宽下窄, 坡度较陡, 坡角80°～90°, 上口平面面积约为18万m², 下口平面面积约2.7万m^2[4,5,6]。

图1所示为基于BIM技术建立的长沙冰雪世界主体结构三维模型, 主要由下部独立基础钢筋混凝土墩柱剪力墙、中部3万m²预应力钢筋混凝土平台和上部2万t钢结构屋盖组成。中部平台距离坑底60m, 距离坑顶37m, 共有382根纵横交错预应力钢筋混凝土梁, 最大主梁截面为箱形截面, 尺寸为 5m×2.5m×0.5m×0.55m (高度×宽度×腹板厚×翼缘厚) , 主梁最大跨度为60m。次梁截面为工字形截面, 主次梁相关信息如表1所示。预应力筋最大直径为19mm, 索为ϕ^s15.2钢绞线, 预应力筋纵横交错, 梁体上下边缘处配有直线预应力筋, 腹部配有抛物线形预应力筋。

1) 中部平台面积大, 结构构件数量大, 混凝土体量大, 平台区域划分难度大。需综合考虑平台下部墩柱完成进度和下部支撑体系的完成进度, 同时还需考虑预应力筋的甩筋长度、竖向施工缝的合理留设位置。基于以上因素, 3万m²平台划分为9大施工区域, 如图2所示。

2) 平台下部支撑体系是叠合法施工的重要组成部分, 60m高度、3万m²支撑体系的选型及设计至关重要。结合本工程特点, 中部平台梁施工采用“格构式钢管立柱+贝雷桁架”支撑体系, 形成整体空间支撑平台。

3) 巨型截面梁普通钢筋较密集, 且有预应力波纹管, 需要采取有效措施保证混凝土的流动性。工程施工时, 沿梁长方向在梁侧设置1排料斗, 通过增加混凝土浇筑点, 从而解决钢筋密集导致混凝土流动性差的问题, 如图3所示。

采用叠合法浇筑混凝土时, 下部支撑体系的设计是关键。目前叠合法施工中, 设计支撑体系时上部荷载的取值一般依据经验判断。本工程中, 5m及4.5m截面高度的主梁按照2/3截面高度的自重荷载设计下部贝雷支撑体系, 其余截面高度的主次梁按照全截面高度的自重荷载设计下部贝雷支撑体系。

综合考虑现场进度和施工的安全性, 叠合法施工技术原则确定为:截面高度≤3m的工字形梁一次性浇筑到位;截面高度为5m的箱形主梁和截面高度为4.5m的工字形梁分3层浇筑;截面高度>3m但<4.5m的工字形梁分2次浇筑。各主次梁的分层高度如表1所示。

平台梁的下部支撑体系选用格构式钢管立柱-贝雷桁架体系, 如图4所示。图4中, 贝雷桁架由321型贝雷片拼装而成, 支撑体系上部为1.5～4m高度的普通钢管脚手架, 便于后期贝雷桁架体系的拆除, 普通钢管脚手架落于贝雷桁架体系上部的分配工字钢梁上。格构式钢管立柱材质为Q235B, 截面为609mm×16mm, 钢管之间通过法兰连接。

支撑体系施工流程为:钢管柱独立基础施工→钢管柱安装→贝雷桁架安装→分配工字钢梁安装→普通钢管脚手架安装。格构式钢管柱每根钢管下部均有钢筋混凝土独立基础, 并放置钢预埋件, 格构柱截面中心标准尺寸为5m×5m和5m×6.62m, 如图5所示, 特殊情况另行设计。

预应力钢筋混凝土叠合法施工流程为 (以5m截面高度的箱形梁为例) :贝雷架上部工字钢分配梁铺设→支模架及操作架搭设→梁底模铺设→梁钢筋笼绑扎 (包括2层叠合面的抗剪钢筋绑扎) →预应力波纹管穿管、预应力钢绞线穿孔→第1层模板安装、混凝土浇筑→叠合面混凝土凿毛、洒水养护→第2层模板安装、混凝土浇筑→叠合面混凝土凿毛、洒水养护→第3层模板安装、混凝土浇筑→梁面混凝土凿毛、洒水养护。

梁体与格构钢管柱-贝雷桁架体系之间的转换支撑为碗扣式脚手架, 本工程设计此类脚手架的原则为:确保其刚性足够, 能有效传递梁体荷载至贝雷桁架体系。以5m截面高度的箱形梁为例, 每延米重达22t, 图4中, 脚手架横向间距从左至右依次为600, 300, 600, 600, 300, 600mm, 沿梁长方向纵距为600mm, 脚手架步距为600mm。

箱形梁截面尺寸大、配筋率高、主筋直径大, 为顺利安装箱形梁钢筋, 须先搭设钢筋安装辅助架。钢筋安装辅助架单独搭设, 并就近与箱形梁两侧操作架有效连接。如图6所示, 钢筋辅助架横杆采用双钢管ϕ48×3, 连接点采用双扣件。钢筋的具体安装流程为:依次绑扎腹板内侧腰筋、内侧预应力筋、外侧腰筋、外侧预应力筋, 然后绑扎第1次浇筑高度内的拉钩。待浇筑完第1层混凝土后, 绑扎第2次浇筑高度内拉钩;再浇筑第2层混凝土;最后安装内顶模, 绑扎最后一段钢筋, 浇筑最后一次混凝土。

箱形梁第1次浇筑至梁底以上2m位置, 腹板主要采用小钢模。模板拉结采用通丝对拉螺栓, ϕ22圆钢, 纵距≤500mm, 穿墙螺杆每端分别采用U型卡并用双螺母拧紧。安装内模时, 应对腹板模板进行合理定位, 然后利用撑紧将两侧模板顶起, 在模板的上下与纵横约50cm位置各安装1道撑紧为宜, 再利用对拉螺杆进行腹板模板定位。箱梁在施工时, 通常会出现梁内模板上浮问题, 存在一定的质量及安全隐患。对此, 施工时应采取如下措施:①安装箱梁模板时, 将腹板外模与操作架用钢管锁紧, 以确保外侧模板的稳定性;②为避免浇筑腹板混凝土时混凝土掉入箱梁内腔, 模板高度需超出混凝土面10cm左右, 所以厚度控制就必须在模板上做好标识, 施工时混凝土打平控制线;③模板尺寸控制好后, 为防止浇筑混凝土时箱梁内模上浮造成底板厚度过大, 采用如下办法解决:下翼缘上、下采用双钢管作为背楞, 纵向布置, 横向3道, 并用ϕ16对拉螺杆锁紧, 对拉螺杆纵向间距600mm (见图7) 。

箱形梁混凝土采用商品混凝土, 浇筑方式采用先浇下翼板, 再浇腹板。浇筑腹板混凝土时, 为防止混凝土下落流动时从侧模内翻浆至底板混凝土内, 振捣时更不宜过振。

混凝土采用斜层法浇筑, 浇筑时先由一端底板中间开始, 向另一端推进浇筑箱梁的底板, 底板浇筑到5～8m后由先浇筑的一端开始进行腹板的斜分层浇筑。在浇筑波纹管以下部分时分层厚度应小一些, 尽量减小因结构原因造成的混凝土离析。待混凝土终凝后进行叠合面处理, 凿毛采用特制的压槽工具进行, 压槽深度15mm。

箱形梁第2层施工高度为1.5m, 为腹板区域, 主要采用标准型号钢模进行安装, 钢模加固措施同第1层施工。完成模板安装工作后, 检查模板垂直度和平整度以及对拉螺栓、支撑是否拧紧, 模板上口拉通线进行检查。第1层混凝土浇筑28d后, 现场工作人员采用回弹仪进行回弹, 当混凝土强度达到80%设计强度后, 以贝雷片+脚手架+第1次已浇筑梁作为支撑体系进行第2层混凝土浇筑。腹板混凝土浇筑呈阶梯状推进, 在接近另一端时, 为避免梁端混凝土产生蜂窝等不密实现象, 改从另一端向相反方向投料, 在距该端2～3m处合拢, 该方法浇筑时可一气呵成, 连续浇筑, 混凝土外观较美观, 既可避免施工缝, 又可避免混凝土在振捣过程中因流动过大而造成离析。

箱形梁第3层施工高度为1.5m, 主要为箱形梁的上翼缘与500mm厚腹板。首先进行上翼缘内模的安装, 内模采用定制的轻质陶粒胶合板, 以两侧腹板为支点布置ϕ32@100作为轻质陶粒胶合板的支撑体系, 如图8所示。内模安装完成且第2层混凝土强度达到80%设计强度后进行最后一层混凝土浇筑, 第3次浇筑以贝雷片+脚手架+前2次已浇筑梁作为支撑体系进行浇筑。

箱形梁分层施工示意如图9所示。

目前, 长沙冰雪世界项目中部平台已浇筑完毕, 现场施工时, 巨型截面的主次梁均按本文所述的分层高度和叠合法施工工艺进行流水施工。在主次梁混凝土浇筑过程中, 未出现胀模现象, 浇筑完毕后, 混凝土表面未出现蜂窝、麻面, 成型效果好。同时, 下部钢管格构柱+贝雷架支撑体系经现场测量, 未出现偏位, 稳固可靠。

在超大钢筋混凝土结构中, 特别是大跨度、深基坑类工程, 巨型截面梁不仅施工难度大, 而且质量控制也难以实施。本文以百米深坑施工条件下 的长沙冰雪世界项目为例, 介绍了预应力钢筋混凝土梁叠合法施工技术和格构式钢管立柱-贝雷架下部支撑体系, 创新性地解决了长沙冰雪世界百米深坑巨型梁超重、支模体系超高的施工难题。叠合法施工技术可有效减少下部临时高支模体系的投入, 提高现场施工效率, 降低项目成本, 同时确保了箱形梁施工过程的安全性, 具有一定的社会效益。