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跳仓法取代后浇带技术原理研究及工程应用

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：朱超建

[导读] 摘要：目前我国解决超长混凝土结构抗裂问题的主要手段是设置温度及沉降后浇带法，然而后浇带的留设也给结构施工带来诸多问题，包括清理凿毛困难、影响底板支撑功能等。

        上海建工二建集团有限公司上海 200090
        摘要：目前我国解决超长混凝土结构抗裂问题的主要手段是设置温度及沉降后浇带法，然而后浇带的留设也给结构施工带来诸多问题，包括清理凿毛困难、影响底板支撑功能等。为解决上述问题，产生了取代后浇带的跳仓法技术。本文基于某背景工程，采用数值计算方法对跳仓法的上述抗放结合技术原理开展定量分析，探讨采用跳仓法取消温度和沉降后浇带的可行性。
        关键词：跳仓法；超长混凝土结构；后浇带；裂缝控制
        Study on the mechanism of the replacement of alternative bay construction method over post-cast strip with engineering application
        Zhuchaojian
        Shanghai Construction No.2（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China
        1 背景介绍
        从20世纪五十年代起，解决超长混凝土结构抗裂问题的主要手段是设置“永久伸缩缝”。然而，这种方法对建筑立面的美观造成了一定影响，且施工较为不便，对施工水平的要求也较高，如果施工质量控制不当，不能确保止水带与混凝土的良好结合，则可能造成渗漏等问题。因此，我国工程人员尝试了采用其他方法代替永久伸缩缝。
        1958年人民大会堂主体结构长132m，采用两条1m宽的后浇带代替永久伸缩缝，这是我国大形公共及民用建筑中最早的采用后浇带代替永久伸缩缝的案例。此后的几十年中，后浇带法在逐渐在我国多项重大工程中推广应用，成为了扩大伸缩缝间距乃至取消伸缩缝的有效技术措施。该措施的优点包括对简化建筑构造、结构抗震有利等。
        然而，后浇带的留设也给结构施工带来了一些新问题。底板后浇带处往往钢筋密集，清理、凿毛等工作十分困难，容易造成开裂隐患；后浇带后浇带留设往往贯穿这个地上、地下结构，大量隔断梁、板、墙，造成施工上的不便；对于深大基坑工程，后浇带的留设将底板分为若干块，破坏了底板的水平支撑能力，往往需额外采取措施，增加了人力、物力和时间成本。
        为解决上述问题，进一步改善超长混凝土抗裂施工技术，在20世纪70年代，我国著名混凝土抗裂专家王铁梦教授提出了超长混凝土抗裂中“抗放兼施”的先进概念，研发了控制超长大体积混凝土开裂的跳仓法技术，并成功运用于武汉钢铁厂、上海宝山钢铁厂等重大工程的建设中。几十年来，这种先进的抗裂施工技术运用于全国逾百项超长混凝土结构的施工，创造了显著的经济及社会效益[1]。
        王铁梦教授从概念上，提出了跳仓法取消后浇带的“抗放结合”的原理：对于取消温度后浇带，是用7~10天的跳仓间隔释放早期剧烈温度和收缩变形，再在合拢后利用混凝土的抗拉强度抵抗剩余收缩，达到抗与放的平衡；对于取消沉降后浇带，则利用地下室整体刚度，采用以抗为主的思想抵抗差异沉降变形。本文基于某背景工程，采用数值计算方法对跳仓法的上述抗放结合技术原理开展定量分析，探讨采用跳仓法取消温度和沉降后浇带的可行性。
        2 温度后浇带取消分析
        2.1温度计算
        采用有限元软件对混凝土浇筑温度场进行求解。由于底板混凝土厚度远小于长度和宽度，因此可简化为单向传导的热力学模型。由上到下，依次建立钢筋混凝土、垫层、下方土体单元，混凝土厚度按底板普遍厚度的平均值0.9m考虑。有限元模型如下图所示：

图1 温度分析有限元模型
水化热采用如下计算公式[2]：

其中Q0=350000*j/kg（普通硅酸盐水泥425号），a=0.36，b=0.74，W0=221+83+65=360kg/m3，k1=0.95（粉煤灰折减系数，取0.95），k2=0.95（矿粉折减系数，取0.95），h0=Q0*W0*（k1+k2-1）。空气、土壤温度取24℃，空气热交换系数取11.93，混凝土入模温度取25℃。计算得到7d内截面中部温度变化曲线如下：

        图2 温度分析有限元模型
        计算结果显示，最高温度为41.4℃，在浇筑38h后达到。浇筑7天后，温度恢复到28.9度，说明已经释放约76%的温度应力。
        2.2收缩计算
        取分仓块最长51.4m*33m，厚度偏安全地按薄处0.8m考虑（收缩应力更大），计算混凝土收缩量（按跳仓间隔7d，合拢间隔120d考虑）：

其中，

为在标准试验状态下混凝土的最终收缩（mm/mm），取3.24×10-4；M1--水泥品种为普通水泥，取1；M2--水泥细度为300，取1；M3--水胶比为0.42，取1；M4--胶浆量为0.22，取1.1；M5--养护时间为14d，取0.96；M6--相对湿度为0.9，取0.54；M7--水力半径倒数为0.013，取0.57；M8--EsFs/EcFc=0.042，取0.87；M9--有减水剂，取1.3；M10--粉煤灰掺量为0.22，取0.87；M11--矿粉掺量为0.18，取1。
        回填后混凝土可视为不再发生收缩，经计算，在跳仓期间和合拢期间，收缩当量温差分别为0.85度和4.55度。
        2.3跳仓及合拢抗拉计算
        根据上述计算结果，计算跳仓及合拢阶段，底板的抗拉允许最长施工长度。
        对于跳仓阶段，由于时间较短，混凝土考虑配筋影响的允许拉应变按下式计算：

则最小裂缝间距，即跳仓块允许长度为：

即理论上跳仓块长度可以达到70.1米，大于本工程取51.4米，该分仓方案满足抗裂要求。
对于合拢阶段，由于时间较长，混凝土极限拉应变考虑徐变影响进行放大[1]，扣除跳仓阶段发生的拉应变，剩余拉应变为：

由于合拢阶段混凝土已经养护因此再考虑20度昼夜、季节综合温差。此时最小裂缝间距，即跳仓块允许长度为：

        因此，底板最大合拢长度为127.8米，大于本工程合拢长度81.4米，满足抗裂要求。
        由上述计算分析可见，对于温度应力，7天跳仓间隔期间已经发生约为76%，释放较为充分。对于混凝土收缩应力，其实7天释放较为有限；但同时应看到，由于后期混凝土收缩发生速度较慢，极限拉伸应变可考虑徐变的放大影响，较为有利，因此对于合拢期，混凝土收缩一般也满足抗裂要求。
        此外，上述计算结果并不意味着，只要采用跳仓法就一定不会开裂。上述很多计算参数的选择都是基于良好的施工及养护措施。例如，在计算混凝土收缩量时，参数M6即相对湿度的影响系数，取为0.54，其前提就是相对湿度为0.9，这只有在极为良好的养护条件下才能实现。此外，养护时间取为规范要求的14天，但现场实际施工中，如果管理不当，往往出现弹线时将养护覆盖膜揭开，且不复原的现象。这种情况下，实际情况显然与计算情况差距较大，计算结果将无法反映工程的实际开裂风险。
        3 沉降后浇带取消分析
        采用岩土工程专业有限元软件对差异沉降进行验算。通过对基坑典型条带进行剖面简化，建立平面应变有限元模型进行数值模拟计算。模型侧向边界设为地墙后4倍开挖深度处，底部边界设为坑底4倍开挖深度处。上部楼层重量近似采用18KPa/层的均布荷载进行模拟。

图3 基坑典型条带
根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布。有限元数值计算中土体采用HS弹塑性模型，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和地下结构之间的相互作用。于采用2维有限元计算，需对桩的建模做出近似归并等效简化。建模时采取桩周摩擦面力相等的原则，对桩土摩擦系数进行了等效调整。经计算，承台桩土摩擦折减系数取0.8。

        图4 最终工况位移场结果
        计算结果显示，整个底板，以及桩基附近的土体，其沉降变形均呈“锅底”状，主楼与裙房过渡处并无沉降突变，尽管核心筒中心沉降最大值达到85mm，但相邻桩基差异沉降仅为10.58mm，依然小于《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》（北京市）的限制2L/1000=26mm，且余量较大，沉降后浇带可取消。
        由上述结果可见，对于采用桩基，并设有地下室的建筑工程，即使在上部荷载存在较大突变的请况下，由于地下室的整体刚度较大，且桩基可以将荷载分担到深层土体，所以整体变形变化依然较为连续，并不会出现类似浅基础的“突变”。也就是说，地下室-深层土体的整体“抗力”，是足以抵抗主楼-裙楼的荷载差异的，沉降后浇带可以取消。
        4 工程应用
        背景工程由l栋17层大型甲级高层办公楼、l栋6层高层办公附楼、3层地下室及配套建筑等组成。地下室底板普遍厚度1000mm，主楼核心筒区域底板厚度1800mm，混凝土级配为C35P8。地下室外墙厚度550mm，混凝土级配为C35P8。地下室原本共设置两条后浇带，一条沉降后浇带以及一条伸缩后浇带将地下室底板划分成三个区域。
        后浇带的留设为工程施工带来了诸多不便，包括影响顶板交通运输、后浇带垃圾清运困难、钢筋变形后修复困难、施工缝多易渗漏等。为避免上述问题，本工程取消后浇带，采用跳仓法进行施工。跳仓块最大尺寸为51.4m，跳仓间隔为7~10天。同时，为降低混凝土水化热和收缩，采用混凝土60d强度作为指标，坍落度宜控制在140±30mm。最终混凝土实施效果良好，混凝土未出现有害裂缝。同时跳仓施工解决了后浇带留置带来的一系列难题。
        5 结语
        通过本文的分析可以发现，跳仓法对于取消沉降后浇带，采取的是以抗为主的思想，一般来说地下室-深层土体的整体“抗力”，是足以抵抗主楼-裙楼的荷载差异。对于取消温度后浇带，又可以分为温度应力和收缩应力分别讨论：对于温度应力，7天跳仓间隔期间一般已经释放了大部分，对于收缩应力，其实7天释放较为有限；但由于后期混凝土收缩发生速度较慢，极限拉伸应变可考虑徐变的放大影响，较为有利，因此对于合拢期，混凝土收缩一般也满足抗裂要求。总体而言，跳仓法通过综合利用抗与放的技术思想，可以顺利取消后浇带，并保证超长混凝土的施工满足抗裂要求。此外，跳仓法在本文背景工程中的成功运用，也证实了上述观点，并为其他同类工程施工提供了借鉴依据。
        参考文献：
        [1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.
        [2]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012.
        [3]戚立荣.混凝土裂缝成因及防治措施[J].水利建设与管理，2010（6）：52-54.
        作者简介：朱超建（1982-），男，本科，工程师。