山西某體育館大跨度鋼筋混凝土拱架結(jié)構(gòu)“免預(yù)壓”施工技術(shù)魯班獎

山西****大學(xué)體育大跨度鋼筋混凝土拱架結(jié)構(gòu)“免預(yù)壓”施工技術(shù)****集團有限公司一、工程概況山西****大學(xué)體育館工程有兩道平行的鋼筋混凝土拱自南向北跨越體育館上空,用以支承其屋蓋。拱底基礎(chǔ)由鋼筋混凝土灌注樁和箱型基礎(chǔ)組成，每個拱腳下均設(shè)計了一個箱形基礎(chǔ)，平面尺寸為18.5m×10.5m。拱的中心跨度115m，拱頂高度30.5m。拱的兩端為實體斷面，中部為矩形空腔斷面。截面尺寸為高2.5m，寬1.5m，空腔部分壁厚400mm。兩道拱軸線距離24m,兩拱之間為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，該大跨度拱在國內(nèi)目前同類房屋建筑是跨度之最。大跨度拱結(jié)構(gòu)一般常用于橋梁工程，但隨著建筑業(yè)的發(fā)展，各專業(yè)相互融合，互相滲透，拱結(jié)構(gòu)越來越多的在房屋建筑工程中得到應(yīng)用。拱結(jié)構(gòu)是建筑物的主要受力構(gòu)件，其特點是跨度大、高度高、支撐體系設(shè)計復(fù)雜、技術(shù)含量高、施工難度大。目前國內(nèi)跨度超過100m的現(xiàn)澆混凝土拱結(jié)構(gòu)尚不多見，研究大跨度拱結(jié)構(gòu)施工工藝對工程的正常使用和創(chuàng)優(yōu)具有深遠(yuǎn)意義。為此****集團****建設(shè)有限公司成立了課題組，開展“體育館大跨度鋼筋混凝土拱施工技術(shù)”的研究。二、大跨度拱施工的技術(shù)難點結(jié)合本工程具體特點制定施工方案，主要技術(shù)難點如下：1、結(jié)構(gòu)預(yù)拱度的計算問題：拱在施工時和落架后會產(chǎn)生彈性及非彈性變形，所以在支撐體系搭設(shè)和弧形底模安裝時必須考慮預(yù)留一定量的結(jié)構(gòu)變形值，即結(jié)構(gòu)預(yù)拱度。2、預(yù)壓方案的優(yōu)化問題：由于鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)施工通常的做法都是采用預(yù)壓方案，即在支撐體系及模板安裝之后要求施加與結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載相當(dāng)?shù)念A(yù)壓荷載。預(yù)壓荷載的方法一般是堆積沙袋等，不僅施工周期長、工程成本高、且安全隱患多。3、大長細(xì)比結(jié)構(gòu)砼裂縫質(zhì)量通病的預(yù)防問題。施工縫的預(yù)留位置、方向和數(shù)量的研究。4、拱施工過程和落架引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)換對拱結(jié)構(gòu)的影響問題。為了掌握第一手資料，專門聯(lián)合高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗中心對拱的施工全過程進行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。三、工藝原理通過技術(shù)查新，國外用于房建工程長細(xì)比如此巨大的鋼筋砼拱結(jié)構(gòu)并不多見，且在施工中多采用先預(yù)壓的施工工藝，以消除支撐體系的非彈性變形。本項目通過對拱進行施工段劃分，采取預(yù)拱度的措施，并進行對稱施工，最后合龍。通過對拱結(jié)構(gòu)劃分施工段和利用模板自由間隙等措施實現(xiàn)“免預(yù)壓”施工。三、施工部署本工程拱架設(shè)計為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過技術(shù)分析和方案對比后，總體采用沿拱跨方向?qū)ΨQ分段澆注的方案。各分項工程在此總體思路下穿插施工，樁基工程于7月初完成，試樁工作在7月16日前完成，承臺于8月10日前施工完成，整個拱于9月20日完成。拱分段示意圖修改后增加合龍段，長3米。合龍段合龍段拱分段對稱向上施工示意圖三、拱架工程整體施工工藝流程樁基→土方工程→承臺→碾壓支撐體系基礎(chǔ)→支撐體系→拱底模板→第一施工段（鋼筋、模板、混凝土）→第二施工段→第三施工段→第四施工段（封頂合攏）→落架拆模。四、各工序工藝流程及工藝要點1、測量控制工作在施工前先采用8t壓路機將拱下部碾壓密實后（壓實系數(shù)0.96，根據(jù)勘察和設(shè)計單位提供的承載力為220KPa），澆筑10m寬，150mm厚C20混凝土帶，抹壓平整，并將軸線彈在混凝土地面上，并在兩拱之間做永久性水準(zhǔn)點，用以控制拱的標(biāo)高。其余部分澆注100厚C15混凝土。如下圖：拱定位示意圖拱結(jié)構(gòu)施工過程中上部無穩(wěn)定的儀器架設(shè)工作面，無法在上部進行標(biāo)高的統(tǒng)一測量工作，根據(jù)現(xiàn)場施工條件各部位的標(biāo)高控制可采用吊掛鋼尺的方法進行測量，利用全站儀進行復(fù)核。測量步驟：（1）將50m鋼尺從上往下垂直懸掛，零點向下懸掛，端頭掛10kg大線。（2）調(diào)整鋼卷尺高度，使尺寸零點略低于儀器視線，并在上部支撐架桿件上按設(shè)計標(biāo)高做臨時標(biāo)志。（3）按照內(nèi)業(yè)計算出的各點標(biāo)高，測出各點標(biāo)高后用紅漆在支撐架上作出標(biāo)記，作出控制底摸的標(biāo)高線。（4）拱施工時和卸架后會產(chǎn)生彈性撓度及下沉變形，各處需設(shè)置不同的預(yù)拱高度，各處調(diào)整后標(biāo)高見下表：X值（米）預(yù)拱值(mm)原標(biāo)高(m)實際標(biāo)高(m)備注0150.0029.2529.40σx=σ(1-4x2/L22)X值為跨中到任意點點水平距離。5148.86627.82027.96910145.46327.28027.42515139.79226.37126.51120139.33325.07727.21625121.64523.39723.51930109.16821.22821.3373594.42318.63818.7324077.41015.46115.5384558.12911.63311.6915036.5787.3927.4295512.7601.7921.805預(yù)拱示意圖預(yù)拱示意圖拱的沉降和變形可通過預(yù)埋件協(xié)助進行，在預(yù)埋件上用紅漆做好標(biāo)記，并標(biāo)明標(biāo)高，測量員定期觀測，并繪制沉降曲線，記錄拱的變形情況。按照設(shè)計要求在每個承臺上還需要作一個水平觀測點，制作前應(yīng)在建筑物附近找一個控制樁作為參照物。拱在澆筑過程中，每隔10-15m留設(shè)一個沉降觀測點，設(shè)在側(cè)模下部，施工工過程中密切觀測。2、支撐體系鋼筋混凝土拱跨度大、高度高、施工荷載大，施工中對支撐體系的強度、剛度、穩(wěn)定性、整體性有很高的要求，支撐架穩(wěn)定才能保證鋼筋混凝土的成型質(zhì)量。支撐體系采用碗扣式腳手架滿堂搭設(shè)。（1）工藝流程：彈線、立桿定位→擺放掃地桿→豎立桿并與掃地桿扣緊→裝掃地小橫桿、并與立桿和掃地桿扣緊→裝第一步橫桿并與各立桿扣緊→安第二步橫桿→加設(shè)臨時斜撐桿，上端與第二步橫桿扣緊(裝設(shè)與柱連接桿后拆除)→安第三、第四步大橫桿和小橫桿→安裝二層與柱拉桿→接立桿→加設(shè)剪刀撐→鋪設(shè)腳手板，綁扎防護欄及擋腳板。（1）工藝要點：支撐架基礎(chǔ)：結(jié)合圖紙要求拱下部地面做法支撐架基礎(chǔ)做如下處理碗扣式腳手架支撐體系A(chǔ)將自然地坪用8t壓路機碾壓密實，壓實系數(shù)不小于0.96。碗扣式腳手架支撐體系B用級配砂石（含卵石不少于30%）回填至－0.40m。碗扣式腳手架支撐體系細(xì)部C拱下澆注150厚C20混凝土寬度10m(以⑦軸⑩軸為中心線兩端各5m)。碗扣式腳手架支撐體系細(xì)部碗扣式腳手架搭設(shè)：支架橫向間距900mm,縱向間距1200mm，水平步距1200mm,在中部立桿兩側(cè)450mm處分別增設(shè)一道立桿，采用扣件式腳手架搭設(shè)，并增加雙向水平桿，以承受上部較大荷載，由于現(xiàn)場標(biāo)高復(fù)雜，局部水平步距需調(diào)整至600mm，樓層上由于標(biāo)高不符合碗扣架步距模數(shù)（600mm），所有樓面上立桿需要局部增加一道立桿，即采用雙立桿的形式，增加立桿高度不得小于2m，采用不少于三個扣件加固。拱頂部模板拼縫不在立桿中心位置的部分增設(shè)一道方木支撐，下部立桿采用4m鋼管加固于中部水平桿上。兩拱之間設(shè)3道6m寬橫向間距1500mm、縱向間距1200mm、步距1200mm的支撐體系，以增加整個體系的橫向剛度和穩(wěn)定性。每根立桿底部設(shè)一個可調(diào)支座，橫向及立面均每隔6m設(shè)一道剪刀撐，連續(xù)設(shè)置。由于整個體系的弧形，上部需配置異形桿件，局部步距需調(diào)整為600mm?？紤]到拱圈截面較高（2500mm），施工時需搭設(shè)兩層通道，在第2、10排和第3、9排立桿上作1.5m立桿和兩道水平桿作防護，內(nèi)部分別用腳手架搭成臺階狀，每300mm一步，并滿鋪腳手板作為上下部通道。腳手架拆除：拆除時應(yīng)遵循“先高后低，先中間后兩邊”的原則，從腳手架中間的頂部開始拆除，和拱身連接部分不得先拆。3、鋼筋工程側(cè)壁鋼筋直螺紋連接拱內(nèi)縱向受力鋼筋設(shè)計采用新Ⅲ級鋼，鋼筋連接方式按規(guī)定采用機械連接，本工程采用直螺紋連接技術(shù)，鋼筋工程安裝時從兩邊同時對稱進行，頂部3米合龍部分鋼筋接頭采用冷擠壓連接方式，保證接頭質(zhì)量。施工中，嚴(yán)格按規(guī)范及操作規(guī)程施工，加強程控，嚴(yán)把鋼筋工程質(zhì)量關(guān)，以此來保證結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。側(cè)壁鋼筋直螺紋連接（1）工藝流程：支底?！謇砟０鍍?nèi)雜物→綁扎底部鋼筋→綁扎側(cè)壁鋼筋及腹筋→安裝預(yù)埋件→支頂?！壴敳夸摻睢┕たp模板安裝（2）工藝要點：施工時首先畫箍筋間距并擺放箍筋，先穿拱上部縱向受力鋼筋，用鋼管架起穿箍筋，將箍筋按已畫好的間距逐個分開，最后穿下部鋼筋；側(cè)壁豎向鋼筋在拱內(nèi)設(shè)計以箍筋的形式綁扎，開口方向均向上，并應(yīng)相互錯開，同箍筋一起先放置在底模上，綁扎時應(yīng)先沿縱向通長穿一根鋼管支撐起鋼筋骨架后再綁扎。側(cè)壁水平筋綁扎時應(yīng)先在豎向筋上畫出位置線，注意起步筋應(yīng)距底模450mm，在下部及齊胸處綁扎2道水平筋固定，接著綁扎其余水平筋，最后綁扎拉結(jié)筋；綁扎時，應(yīng)逐點扎牢，箍筋及拉結(jié)筋末端應(yīng)加工成135°彎鉤，平直部分不小于10d，箍筋及拉結(jié)筋間距均為200mm;按照圖紙要求安裝預(yù)埋件，預(yù)埋件全部采用穿孔塞焊的焊接方式，為保證預(yù)埋件位置準(zhǔn)確，在定做模板時按照圖紙將預(yù)埋件位置留出螺栓口，安裝時用螺栓加固于模板上，保證預(yù)埋件安裝質(zhì)量；頂部鋼筋綁扎方法大致與頂部鋼筋相同，注意馬凳不得直接放置在模板上。合龍段鋼筋冷擠壓作業(yè)拱內(nèi)主要縱向受力鋼筋采用直螺紋連接，合攏部分無法使用時采用冷擠壓接頭，保證同一截面接頭數(shù)量不超過50%，相鄰接頭錯開1400mm，綁扎時使用“八字扣”，嚴(yán)禁使用順扣，鋼筋底部墊塊采用硬質(zhì)花崗巖，為了防止墊塊發(fā)生滑移，在花崗巖上鋸出2mm寬3~5mm深細(xì)槽，用綁線將墊塊綁扎在鋼筋上；側(cè)壁采用定制的塑料墊塊，間距1000mm梅花形布置。合龍段鋼筋冷擠壓作業(yè)保證鋼筋不移位措施：本工程鋼筋較密相對固定，綁扎前先按照圖紙放樣并制作定位箍如下圖。4、模板工程混凝土拱是本工程的重要構(gòu)件,經(jīng)過各種方案比較后，確定采用定型鋼模板，委托專業(yè)模板廠家設(shè)計制作，按照流水段劃分配置模板加工量，采用86系列模板，8mm厚面板，用槽鋼做主次龍骨，保證其有足夠的強度和剛度，下部支撐體系采用碗扣式腳手架和特制的U型可調(diào)頂托。模板配置量如下：拱底模為弧形鋼制模板，配置2套，一次搭成型，不考慮周轉(zhuǎn)；側(cè)模為扇形鋼制模板，側(cè)模配置1套，頂模配置1套，周轉(zhuǎn)使用。由于現(xiàn)場塔吊獨立高度和臂長無法覆蓋整個拱圈施工范圍，現(xiàn)場需配置50t汽吊一臺，用以支拆模板和吊運其他施工材料。（1）工藝流程：支底?！壍捉睢墏?cè)壁鋼筋（安裝預(yù)埋件）→支側(cè)?！謇黼s物→支頂?！鷿仓炷痢鹉＃?）工藝要點：底模支設(shè)：施工中底模配置2套，支設(shè)時為減少操作誤差，采用一次搭設(shè)成型分段澆筑的方式。底模經(jīng)測量定位后，支設(shè)于加工定制U形頂托上，東西向用水平尺找平；南北向用全站儀確定標(biāo)高，全部支設(shè)完成后，檢查校正，確保一次到位，避免重復(fù)挪動調(diào)整。所有模板拼縫均在2mm范圍內(nèi)。模板支撐示意圖施工預(yù)拱度：拱施工時和卸架后會產(chǎn)生下列彈性撓度及下沉變形。A拱圈由于自重所產(chǎn)生的彈性撓度B拱圈因溫度變化所產(chǎn)生的彈性撓度C拱圈因承臺受擠和位移而產(chǎn)生的彈性撓度D拱圈應(yīng)混凝土硬化收縮而產(chǎn)生的彈性撓度變形E拱架在設(shè)計荷載下的彈性和非彈性下沉F支撐體系基礎(chǔ)受載后的非彈性壓縮依據(jù)《公路施工手冊》（P122）預(yù)拱度取L/400㎜~L/800㎜結(jié)合本工程具體情況拱頂預(yù)拱150mm，拱腳處為零設(shè)置，其余各點按照二次拋物線分配，任意點的預(yù)加高度公式如下：σx=σ(1-4x2/L2)σ：拱頂總預(yù)加高度；L：拱圈跨度；X：跨中到任意點水平距離。側(cè)壁模板分兩種：實心部分：外側(cè)全部為鋼模板，采用對拉螺栓加固，保證混凝土拱截面尺寸。側(cè)壁用特制鋼斜撐，調(diào)整側(cè)壁垂直度?？涨徊糠郑簝?nèi)模采用竹膠板，外模采用定制鋼模板，對拉螺栓加固。在底部頂板中部范圍鉆2cm大小排氣孔，間距500mm，防止?jié)仓炷習(xí)r空氣無法排出而造成露筋施工縫：施工縫摸板采用鋼絲網(wǎng)和梳子板，如下圖模板拆除：A模板拆除時間：a頂模在混凝土終凝后即可拆除；b側(cè)?；炷猎噳K強度達到1.2N/㎜2后方可拆除；c底?；炷翉姸冗_到設(shè)計強度的100%方可拆除；拆除部署：頂模拆除時間由現(xiàn)場混凝土工長確定，在混凝土終凝即可拆除。側(cè)模在終凝后12—24小時內(nèi)將試塊送至試驗室。試壓后達到1.2МPa即可拆除。拆除時采用50t汽車吊配合吊走?？涨粌?nèi)部模板不做拆除。由于底模拆除時涉及到拱體應(yīng)力轉(zhuǎn)換，故應(yīng)按以下方式拆除：a按照施工段的劃分由中部向兩端逐段拆除，為拆模方便，在拱頂設(shè)一塊八字型模板作為母板；b為使拱體逐漸均勻的降落和受力,各點降落應(yīng)分三次循環(huán)逐漸完成。按照預(yù)拱分配值各點底部均卸落1/3,每次間歇24小時,間歇后應(yīng)將松動的部分頂緊,使拱體落實,三次循環(huán),直至全拱各點均脫離拱底.模板拆除后，立即吊離支撐架，運至指定地點，堆碼整齊?；炷凉霸诘啄２鸪螅瑧?yīng)立即用腳手架搭成“井”字形卡緊與兩旁腳手架用扣件連接，每5米設(shè)置一道，保證混凝土拱有足夠的側(cè)向剛度，鋼管搭設(shè)時應(yīng)避開預(yù)埋件，盡量不影響網(wǎng)架工程的施工，待兩拱之間網(wǎng)架完成后方可全部拆除。5、混凝土工程拱混凝土分實心和空心兩部分，全部采用商品混凝土。承臺及拱實心部分為大體積混凝土，均考慮采用摻加粉煤灰及高效減水劑，其余空腔部分采用普通混凝土。（1）工藝流程：作業(yè)準(zhǔn)備→混凝土運輸→混凝土澆筑與振搗→養(yǎng)護（2）工藝要點：承臺混凝土施工：承臺為箱形基礎(chǔ)底板厚度為1m，中部設(shè)計有一道大梁，高3m寬2m，屬大體積混凝土。為防止混凝土因水泥熱造成內(nèi)外溫差過大及硬化收縮裂縫，將采取摻加磨細(xì)粉煤灰，在滿足設(shè)計要求的前提下降低水泥用量以減少水泥水化熱；設(shè)置溫度筋，在上部混凝土表面增配Φ6@200的雙向鋼筋網(wǎng)片；摻加緩凝減水劑；混凝土在澆筑后采用棉被保溫，減少混凝土內(nèi)外溫差；混凝土拆模后立即涂刷養(yǎng)護劑防止水分散失。等技術(shù)措施保證混凝土質(zhì)量。混凝土采用汽車泵泵送至澆筑點，布料時應(yīng)注意布料高度，不得超高，保證每次布灰高度不大于500mm。拱承臺混凝土澆筑斜面分層、循序漸進一次到頂?shù)臐仓椒?，盡量使混凝土在初期產(chǎn)生的水化熱消失殆盡，同時對分層混凝土進行兩次振搗，即在澆筑上一層混凝土?xí)r，先將振動棒臥倒，對下層混凝土均勻振搗一次，立即澆筑上層混凝土?；炷翝仓?-3小時，初步按標(biāo)高用大杠刮平，在初凝前用木抹子搓平，待混凝土表面收水后，再用木抹子反復(fù)抹壓，閉合收水裂縫。然后涂刷養(yǎng)護劑，再覆蓋一層草簾子，即防止熱量過快散失，又防止水分蒸發(fā)?；炷翜y溫：現(xiàn)場配置一臺電子測溫儀，預(yù)埋式測溫線與本機連接后可測出混凝土內(nèi)部及表面溫度，具有高低溫報警功能。測溫點布置在承臺的邊緣和中間，間距5m，分表面和中間兩層。測溫從澆筑完畢12小時后開始，每2小時測溫一次。7天后每4小時測溫一次，14天后改為每8小時測溫一次，28天后停止測溫。拱腳及實心拱部分施工：拱腳混凝土亦屬于大體積混凝土，施工時也應(yīng)參照承臺板大體積混凝土的有關(guān)技術(shù)措施施工。拱腳混凝土支模前，先將承臺施工縫表面混凝土鑿毛露出石子并清理干凈。模板支設(shè)完畢后，對模板內(nèi)的雜物清理干凈，木模板澆水濕潤，但不得有積水?；炷翝仓斔捅弥苯尤肽?，連續(xù)澆筑，澆筑層厚度為插入式振搗器作用部分長度的1.25倍，但不大于50cm，作業(yè)人員要進入模內(nèi)布料和振搗，澆筑時要經(jīng)常觀察模板、支撐及筋情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有變形，移位時，要及時采取措施進行處理。拱體混凝土施工：拱體砼澆注A、澆筑：澆筑混凝土前，應(yīng)將模板內(nèi)的垃圾、泥土等雜物及鋼筋上的油污清除干凈?；炷晾帽盟瓦\輸至施工地點，坍落度要求為140±20mm，澆筑時應(yīng)保證混凝土的供應(yīng)速度，不得隨意留縫。為減少每段混凝土收縮變形，在相鄰施工段之間，應(yīng)增加1-2m長微膨脹混凝土，膨脹劑摻加量具體由試驗室確定，微膨脹混凝土應(yīng)提高一個強度等級，其余混凝土仍按原設(shè)計施工。拱體砼澆注B、施工縫處理：施工縫應(yīng)沿法向留置，嚴(yán)禁隨意留置施工縫。施工縫處理作為一項重要檢查內(nèi)容，符合要求后方可澆筑混凝土。此外，施工縫處理時注意剔除表面浮漿及松散混凝土，剔到實處露出石子后用水沖洗、濕潤，并不得有明水。C、養(yǎng)護：混凝土拆模后立即涂刷一層養(yǎng)護劑，防止混凝土內(nèi)水分散失，并且在刷完養(yǎng)護劑后用塑料薄膜包裹。D、拱架合龍：封頂合龍時應(yīng)按照設(shè)計給定的當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟劝才攀┕ぁＲ话惆才旁跁円蛊骄鶞囟冉咏昶骄鶞囟龋ɑ?-15℃