近年来, 建筑物高度和长度都得到很大的发展, 同时, 其结构的复杂性也大大提高, 所带来的温度伸缩及结构沉降问题得到人们越来越多的重视, 特别是超长钢筋混凝土结构中后浇带的设计与施工是主要研究课题。

由于在后浇带设计中所采用的计算方法不当以及施工方案不科学且实施不当, 可能会出现混凝土开裂、钢筋锈蚀以及前后混凝土表面接槎不理想等问题, 就此, 本文以吉林省延吉市华益世豪假日酒店高层框剪结构工程为实例, 结合钢筋混凝土结构收缩应力计算原理及现场施工组织设计, 最终提出了超长钢筋混凝土结构中后浇带的深化设计以及加强施工质量的技术措施。经工程实践表明, 其施工质量符合现行规范与验评标准, 为类似工程提供借鉴。

吉林省延吉市华益世豪假日酒店为框架剪力墙结构, 建筑高度为99.15m, 总建筑面积为43 112.21m²:地下1层为车库, 建筑面积为6 991.51m²;地上24层。地基持力层为泥质粉砂岩, 承载力特征值f_ak=550k Pa;基础设计等级为乙级, 采用的是钢筋混凝土柱下独立基础和筏板基础相结合的形式。基础、地下室底板及外墙混凝土均采用P6抗渗混凝土, 混凝土强度等级为C40。其中, 地下室底板及外墙一次整体浇筑至底板面以上300mm处, 不再留任何施工缝 (施工后浇带除外) 。在施工期间, 温度为22~35℃, 湿度为51%~91%。

本工程结构长度为116 160mm, 后浇带为南北走向, 长度为70 400mm, 宽度为800mm, 厚度为550mm, 其平面布置如图1所示。

鉴于工程的技术要求 (后浇带混凝土强度提高一个等级) , 施工前向商品混凝土公司进行技术交底, 并通过协商, 最终确定了混凝土所用的原材料及配合比 (坍落度控制在165~210mm) 。

1) 后浇带外侧框架梁板的混凝土强度等级为C40, 具体配合比及相关热力学参数如表1所示。

2) 后浇带内侧框架梁板的混凝土为膨胀混凝土, 强度等级为C45, 限制膨胀率为1.65×10^-4, 具体配合比及相关热力学参数如表2所示。

关于混凝土的收缩作用研究, 目前在国际上普遍采用的收缩计算模型包括:CEB-FIP, ACI209, B3等。本文结合GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》中附录B所述计算方法, 验算后浇带带内混凝土。

式中:W₁, W₂分别为1m³混凝土的水泥和膨胀剂用量;Q₁, Q₂分别为水泥和膨胀剂的水化热总量;C为混凝土的比热容, 一般为0.92~1.0k J/ (kg·℃) ;γ为混凝土的密度, 2 400~2 500kg/m³。

在工程应用中, 以上各参数分别取W₁=410kg/m³, W₂=25kg/m³;Q₁=354J/g, Q₂=246J/g;C=0.95J/ (g·℃) ;γ=2 450kg/m³。即得:T_max=65℃。

取一维混凝土板的散热系数为0.5, 则由水泥水化热引起的温度T₁=32.5℃。据实际工况, 混凝土的入模平均温度取为28℃, 则混凝土内部的平均温度T₂=60.5℃。同时, 由于混凝土线膨胀系数α=1.0×10^-5, 则混凝土温度最大冷缩值S_T=α× (T₂-T₁) =1.0×10^-5× (60.5-32.5) =2.8×10^-4。

式中:S_d (t) 为龄期t时混凝土收缩引起的相对变形值;ε_y⁰为标准试验状态下混凝土最终收缩的相对变形值, 取3.24×10^-4;M₁, M₂, …, M₁₁为考虑不同条件下的影响修正参数。其中, 查附表B.2.1可知, 水泥影响系数M₁=1.0;水泥细度系数M₂=1.09;水胶比系数M₃=1.0;胶浆量M₄=1.2;自然状态养护7d, M₅=1, M₆=0.77;水力半径的倒数系数M₇=1;配筋率系数M₈=0.61;减水剂系数M₉=1.3;粉煤灰掺量系数M₁₀=0.86;矿粉掺量系数M_{1 1}=1。则得7d的最大干缩值S_d (7) =0.151×10^-4。

式中:R_f=0.8R_co (lgt) ^2/3, R_co为混凝土抗拉强度设计值;ρ为截面纵筋配筋率;d为钢筋直径。取工程应用中各相关参数R_co=1.71MPa, t=7d, ρ=1.37, d=2.2cm, 代入即得:S_K=0.99×10^-4。

将混凝土的受拉徐变偏于安全地假定为极限延伸率的0.5倍, 则C_T=0.5S_K=0.5×10^-4。

式中:ε₂为限制膨胀率, 该工程取1.65×10^-4;S_d为干燥收缩率;S_T为温度收缩率;C_T为受拉徐变率;S_K为极限延伸率。综上所述, 计算最终量值为:

|ε₂- (S_d+S_T-C_T) |=|1.65×10^-4- (0.151+2.8-0.5) ×10^-4|=0.801×10^-4<|S_K|。由计算可知, 混凝土板不会开裂。

目前, 在国内外广泛使用的估算后浇带设置间距公式是基于普通混凝土收缩而言的, 特别是在工程应用中, 一般不考虑结构的初始边界应力, 得到自由边界公式:

式中:E为混凝土弹性模量 (MPa) ;H为混凝土结构厚度 (mm) ;C_x为地基阻力系数 (N/mm²) ;α为混凝土温度膨胀系数, 取α=1.0×10^-5/℃;T为结构的综合温差, 包括收缩当量温差等广义温差 (℃) ;ε_p为混凝土的极限拉伸值。

现行规范及大量的工程实践表明, 钢筋能起到控制裂缝扩展、减小裂缝宽度的作用。合理的配筋或适当的配筋能够提高混凝土的极限拉伸, 就此可得配筋后的混凝土后浇带设置间距公式:

式中:f_t为混凝土抗拉强度设计值 (N/mm²) ;ρ为截面配筋率 (不加百分数) ;d为钢筋直径 (cm) 。

在本工程中, 以上各参数分别取E=3.25×10⁴MPa (一般近似取养护28d的弹性模量) , H=550mm, C_x=0.06N/mm³ (底板布置在承载力较好的土层上) , T=28℃, f_t=1.71N/mm², ρ=1.37, d=2.2cm;得[L]=51.78m。根据该工程结构布置特点, 最终确定为L=50.76m, 后浇带位置设置合理。

超长框剪结构的后浇带以及施工缝的施工工艺流程与关键控制点如图2所示。

1) 地下室底板板厚为550mm, 板顶混凝土保护层厚度为20mm, 板底保护层厚度为40mm。其中, 垫层采用100mm厚C15素混凝土;待垫层施工完毕, 且达到规定强度后, 进行防水层的施工, 铺设防水卷材 (CLF防水卷材, 1.5mm厚双层) ;接着按顺序安装钢筋。板上、下主筋双层双向22@300, 局部附加钢筋与通长筋隔一布一。根据施工经验, 经施工单位、监理单位、建设单位共同研究决定, 当基础底标高超过设计标高 (或基础超深) 时, 则采用加厚垫层的方法来处理, 且基础间垫层按照60°放坡处理。地下室底板后浇带和施工缝的深化设计以及加强施工质量的技术措施如图3所示。

2) 铺设钢筋施工工序先铺设 (1) 附加钢筋20@300, 并在其中间部位加设马凳 (见图4) , 且纵、横间距为1.2m, 利用钢筋螺纹防止马凳位移, 考虑马凳可能引起贯通导水作用, 所以, 通过在其中间部位加焊止水钢板而防止地下水渗入地下室;随后铺设 (2) 板上、下钢筋。当两侧施工缝内预先埋设 (3) 3mm厚、400mm宽的止水钢板时, 在其上、下两侧焊接 (4) 钢筋网架 (钢筋网架是由10钢筋做骨架焊接而形成, 并缠有2遍钢丝网, 见图5) , 且使板上、下钢筋刚好穿过钢筋网架, 最后用钢丝将钢筋网架边与板钢筋绑扎固定在一起 (防止两侧的钢板骨架发生位移) 。如遇特殊情况, 底板未按原施工方案留置后浇带而形成施工缝时, 在浇筑混凝土之前, 安装膨胀止水胶条。

采用钢丝网的原因是:钢丝网的市场价格低, 且由于尺寸优势, 不仅可防止浇筑混凝土流入施工缝内, 还可获得理想的接槎面, 便于前后期混凝土紧密结合, 并避免焊接所带来的质量问题。

3) 为防止钢板止水带在混凝土浇筑过程中发生位移现象, 将 (5) Φ12支撑钢筋焊接于钢板止水带与板上、下钢筋上。

在剪力墙后浇带设置处, 通过外侧采用砖砌挡土墙、内侧采用木模板的形式对其加以全封闭, 以防杂物落入后浇带中, 影响工程质量。剪力墙后浇带和施工缝处所采用的构造措施如图6所示。

其施工工序为:将 (3) 剪力墙后浇带钢板止水带与已安装好的底板后浇带钢板止水带通过焊接的方式进行垂直连接, 接着将 (4) 钢筋网架焊接到剪力墙后浇带钢板止水带的两侧;随后安装 (2) 横向水平支撑钢筋Φ12@300, 此时, 保证让横向水平支撑钢筋能顺利穿过钢筋骨架, 且钢筋骨架与各钢筋之间通过绑扎钢丝的形式固定;最后将 (5) 支撑钢筋Φ10焊接于钢板止水带与横向水平支撑钢筋上, 待拆模后, 在墙体外侧贴防水卷材 (CLF防水卷材) 。

梁板处设置的后浇带构造措施如图7所示。其施工方案如下:首先, 铺设梁板底模, 依据设计图纸绑扎受力钢筋, 受力钢筋在同一连接区段内, 按Ⅱ级接头率50%采用机械套筒搭接;再铺设如图8所示的通长木模板, 钢筋处模板预留U形孔, 孔径为钢筋外径加5mm, 同时, 在通长木模板高度中间横向钉木方, 以此达到在后浇带施工缝处预留纵向凹槽效果, 便于前后期混凝土接槎;然后, 为防止预留U形孔大而浇筑混凝土时, 混凝土流淌进入后浇带, 用植筋胶将钢筋与木模板黏结, 以封堵缝隙;待一切准备就绪后, 最后浇筑混凝土。

地下室侧壁水平施工缝的加强施工质量技术措施如图9所示。首先, 绑扎安装 (1) 墙体内、外侧钢筋Φ18@200;其次, 在距地下室底板300mm处留设水平施工缝, 并在图中指定位置处安放 (4) 钢板止水带, 同时取 (5) 短钢筋Φ10, 将其焊接于 (4) 钢板止水带和 (1) 地下室外墙内侧钢筋上, 定位好钢板止水带后, 在高于钢板止水带上部50mm位置处设置 (3) 单肢箍筋, 单肢箍筋以绑扎的形式与墙内外侧钢筋相连。同时, 再继续浇筑混凝土时, 将施工缝表面凿毛, 并冲洗干净、保持湿润, 且用10~15mm厚纯水泥浆抹层, 以保证新旧混凝土连接紧密。焊接 (5) 短钢筋能够防止浇筑混凝土时止水钢板弯曲变形, 保证其止水作用;设置 (3) 单肢箍的目的是为了使混凝土墙体传力均匀, 不受施工缝影响。

经建设单位和设计单位以及监理单位的分项、分部工程验收, 其工程质量合格, 没有发现蜂窝、露筋、结构裂缝等现象。尤其是后浇带分项工程, 经检验, 其抗压强度、抗渗性能和限制膨胀率以及变形均符合规范要求;施工质量均满足GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》中8.2节外观质量和8.3节位置与尺寸偏差的主控和一般项目检验评定标准;细部构造防水工程质量均符合GB50208—2011《地下防水质量验收规范》中5.3节后浇带的主控和一般项目验收标准要求, 并且工期缩短了4d。

1) 在超长钢筋混凝土结构的后浇带设计中, 采用大体积混凝土收缩应力的规范公式和后浇带设置间距的经验估算公式, 经工程验证安全可靠, 为上述结构类似、其他部位的后浇带设计提供了一定借鉴。

2) 通过分析地下室底板施工工艺流程, 设置3个施工关键控制点:缠钢丝网的钢筋网架焊接止水钢板、钢丝绑扎固定钢筋网架与板钢筋、止水钢板焊接支撑钢筋等, 提出加强施工技术措施, 有效治理了质量通病。

3) 在地下室侧壁水平施工缝处, 应用焊接短钢筋及设置单肢箍筋, 以此定位止水钢板, 保证墙体混凝土传力均匀, 且不受施工缝影响。