超长混凝土结构工程.docx
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超长混凝土结构工程
第八章超长混凝土结构工程
8.1工程简述
8.1.1综述
联想北京研发基地楼工程由南楼、北楼、综合楼、休闲楼4个结构单元组成，结构形式均为框架—剪力墙结构，南楼和北楼结构地下一层，地上六层、八层。
其中北楼地下结构长度为188.60m，地上结构分为1#、2#、3#、4#四个结构单体，各结构单元体之间自然分隔；南楼结构呈60°圆弧形，地下结构总弧长为216.37m，地上结构在轴线S15与S16之间自然分缝成2个结构体（结构缝宽为140），两个单体的结构弧长分别为119.34m和86.21m，其结构长度远大于规范要求的设缝长度，因此本工程北楼地下结构，南楼的地下结构、地上结构按超长结构施工考虑。
在本工程的招标设计文件中提出“故需采取一些措施来解决混凝土因温度变化而产生应力，……，施工中留后浇带，一般30～40m一道……”。
8.1.2工程分析
混凝土是一种凝胶体人造石料，混凝土构件具有徐变、收缩特性，控制和减少混凝土的徐变、收缩量是超长混凝土结构施工的关键因素。
1）徐变。
徐变的主要原因是混凝土构件在长期荷载作用下，混凝土凝胶体的水份逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果，影响混凝土徐变的主要因素有以下几点：
（1）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小；
（2）加荷载时混凝土的龄期。
加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大；
（3）混凝土的组成成份和配合比。
混凝土中骨料本身没有徐变，它的存在约束了水泥胶体的流动，约束作用的大小取决于骨料的刚度（弹性模量）和骨料所占的体积比。
当骨料弹性模量小于70Gpa时，随骨料的弹性模量降低，徐变显著增大。
骨料的体积比越大，徐变越小。
试验表明，当骨料的含量由60%增大为75%时，徐变可减少50%。
混凝土的水灰比越小，徐变越小，在常用的水灰比（0.4～0.6）范围内，单位应力的徐变与水灰比呈近似直线关系。
（4）养护及使用条件下的温度与湿度。
混凝土养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变越小。
2）收缩。
混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。
混凝土浇筑完毕后在凝结之前由于沉实泌水、蒸发，干集料或干燥底层吸收使混凝土水分损失，体积因而减少，产生塑性收缩。
混凝土收缩的主要原因是在硬化初期水泥石在水化凝固过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水份蒸发引起的干缩。
（1）混凝土的组成和配比是影响混凝土收缩的主要原因。
水泥的用量越多，水灰比较大，收缩就越大。
骨料的级配好、密度大、弹性模量高，粒径大可以减少混凝土的收缩，粗骨料的所占的体积比越大、强度越高，对收缩的制约就越大。
（2）干燥失水是引起混凝土收缩的重要原因，高温湿养可以加快水化作用，减少混凝土中的自由水份，因而可以使收缩减少。
在建筑工程中，由于超长结构温度、收缩徐变等内应的叠加和结构累计，是造成混凝土裂缝的主要原因，而有效控制裂缝的展开可采取多种方式，如设置若干道变形缝，以释放大部分变形。
另外可采用优化混凝土的配合比设计以减少混凝土的收缩、提高混凝土的极限拉伸强度等方法，以抵抗施工温度、徐变、收缩等变形产生的应力。
伸缩后浇带是为在现浇钢筋混凝土结构施工过程中，克服由于温度、收缩、徐变而可能产生有害裂缝而设置的临时施工缝，其需根据设计要求保留一段时间后再浇筑，将结构连成整体。
本工程后浇带的严格意义是基于混凝土的徐变、干缩和施工期间的水泥水化热的考虑而设置的临时性伸缩缝，在60天后用填充性膨胀混凝土回浇。
减少超长混凝土结构的徐变、干缩和施工期间的水泥水化热，防止结构裂缝的产生和发展的施工关键措施是优化混凝土配合比设计、加强施工养护等。
超长混凝土结构施工设计技术有两种方案，方案一是采用常规的留置临时施工后浇带技术，应合理设计临时性后浇缝位置，以满足工程要求；方案二采用先进的超长混凝土无缝施工技术，该技术成熟可靠，具有较强的工程适用性。
8.2混凝土配合比设计
作为超长结构混凝土，为了控制或减少混凝土的徐变、干缩和施工期间的水泥水化热应力，即控制结构裂缝的产生和发展，应优化混凝土配比，进行合理的配比设计。
8.2.1材料选择
1）水泥：
选择水化热较小的水泥，控制水泥用量，尽可能使水灰比较小，以减少混凝土的施工温度和收缩；
2）骨料：
选择级配好、密度大、刚度（弹性模量）大、粒径大，（弹性模量）较大、杂质少的骨料，并尽可能使骨料的体积比应大于75%，如选择冲洗的砂、圆砾等骨料。
3）掺合物：
选择烧失量不大于3%，有较小的细度，质量均匀较好的矿物掺合料，增加混凝土的密实度，改善和易性。
4）外加剂：
掺加缓凝剂有利于控制混凝土早期水化热，本工程结构复杂，钢筋密集，常会影响混凝土的浇筑速度，掺加混凝土缓凝剂有利于避免因浇筑速度等原因形成的施工冷缝，而且可缓和温度升高引起的混凝土强度变化。
应用高效减水剂以降低水泥用量。
8.2.2配合比设计
超长结构混凝土配合比设计应控制水泥用量，尽量降低水灰比，水灰比是决定水泥石和截面区空隙的关键因素，较小的水灰比可减少混凝土的收缩。
粗骨料的所占的体积比越大、强度越高，对混凝土收缩的制约就越大，因此配合比设计时应尽量使粗骨料的体积比大，但应满足一定的要求。
总之，依据超长结构施工控制的机理分析可知，通过优化混凝土配比设计，可从混凝土胶体材料的本身减少收缩、徐变等应力，以及提高混凝土的抗拉强度来抵抗混凝土的内应力变形是一种超长结构混凝土施工控制的有效途径之一，所以施工之前，结合本工程结构超长和清水混凝土特点，应精心进行混凝土的配比选材、试配设计，来满足工程需要。
混凝土配合比设计应严格依据《北京市碱集料反应技术规程—建科（1999）2》的要求控制配比中的碱含量，防止碱集料反应的发生，当使用B种低碱活性集料时，其混凝土含碱量不超过5Kg/m
3，当使用C种低碱活性集料时，其混凝土含碱量不超过3Kg/m3。
混凝土的配合比参见清水混凝土章节有关内容。
8.3结构后浇带设计
本工程南楼、北楼地下室结构超长，为了克服超长结构混凝土由于温度、收缩、徐变而可能产生有害裂缝而设置的临时施工缝，即伸缩后浇带，同部位结构施工完毕后采用C35内掺12%左右的微膨胀混凝土浇灌。
8.3.1后浇带设计
本工程北楼地下结构，南楼的地下结构为超长混凝结构土，依据国家规范《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距按下表规定采用。
钢筋混凝土结构的伸缩缝最大间距（m）
结构类型
室内或土中
露天
框架结构
装配式
75
50
现浇式
55
35
剪力墙结构
装配式
65
40
现浇式
45
30
注：
①如有充分依据或可靠措施，表中数据可予以增减；
②伸缩逢间距应考虑施工条件的影响，必要时可适当增减。
本工程设计文件要求“后浇带一般30—40m左右设一道，带宽为800～1000m，后浇带的浇筑时间为同层结构混凝土浇筑60天后用高一标号微膨胀混凝土灌浇”。
根据以上要求本工程在北楼地下结构（包括底板、外墙、顶板）、南楼结构设置后浇带，后浇带宽度为800，后浇带位置的底板、外墙部位防水、结构采用加强构造设计。
1）北楼地下室结构后浇带设计：
在北楼的
、
、
轴线部位设置伸缩后浇带，宽度为800，在地下室基础底板、外墙、顶板均布置，伸缩后浇带的最大间距为48.5、最小间距为45.0m，满足国家标准规范框架结构地下结构伸缩缝间距＜55m的要求。
具体后浇带设计位置如下图所示：
2）南楼结构后浇带设计：
在北楼的S5、S9、S15、S20个轴线部位设置伸缩后浇带，宽度为800，在地下室基础底板、外墙、顶板均布置，伸缩后浇带的最大间距为45.17m、最小间距为38.80m，满足国家标准规范框架结构地下结构伸缩缝间距＜55m的要求。
具体后浇带设计位置如下图所示：
3）后浇带加强构造形式：
混凝土底板和墙体分成多条后浇带。
考虑到后浇带外来的水压力、土压力，地下室混凝土墙板后浇带外则砌240厚的砖墙，用M5水泥砂浆砌筑砖墙，外用混合砂浆抹平压光，干燥后同混凝土墙同时作外防水。
防水层外作保护层，然后回填土。
后浇带两侧的模板利用易收口网代替，支护采用钢筋网片及钢筋用支护。
作法见外墙后浇带设置示意图。
底板后浇带，考虑到地下的水压力，后浇下部的垫层混凝土采取补强措施，局部加深100，用100厚的钢筋混凝土补强，防止水压力破坏后浇带处垫层。
混凝土后浇带两侧作法同墙体后浇带相同，作法见底板后浇带设置示意图。
楼板、梁的后浇带两侧作法同墙体后浇带相同，后浇带设置见示意图
4）结构后浇带楼板支撑设计
本工程北楼、南楼总共设后浇带7条，全部为温度伸缩后浇带。
根据设计文件“后浇带应在各层楼板、屋面板、梁、基础梁均设置，伸缩缝后浇带应在楼板施工完毕后60天浇筑，后浇带混凝土采用比同部位主体结构高一级的混凝土浇筑”的规定，后浇带的模板支撑设计如下：
（1）北楼地下顶板的3道伸缩后浇带处的模板支撑采用Φ48×3.5＠600×600的碗扣脚手架，范围为后浇带所处的结构梁、板（轴线）单跨范围内，支设高度为地下结构层高。
（2）南楼4条后浇带采用Φ48×3.5＠300×300的碗扣脚手架，范围为后浇带所处的结构梁、板单跨范围内每层均搭设，支设高度地下结构顶板至八层顶板。
后浇带混凝土浇筑的顺序是从结构低层至顶层依次按设计要求的时间顺序浇筑。
支撑脚手架待此处的后浇带混凝土浇筑完毕后，并达到设计强度的100%后方可拆除低层的支撑架。
支撑体系搭设示意图如下：
8.3.2后浇带施工
后浇带浇灌时应先进行凿毛、清理处理，浇筑前并洒水湿润，以确保接缝严密，防止漏水。
浇灌混凝土时应从结构低层逐层向上层结构推进，并进行洒水保温保湿养护，养护时间至少15d，当强度达到100%时方可拆除模板和支撑体系。
另外，作为清水混凝土为了达到外观颜色一致、接茬平直、严密等要求，后浇带混凝土的配置应选用与主体结构混凝土相同的材料，模板支撑体系在混凝土浇筑前应进行二次加固，确保达到要求。
8.4超长混凝土结构施工
本工程混凝土结构即属于超长结构、有具有清水混凝土的要求，而对于清水和超长结构混凝土的施工同普通混凝土在施工工艺上并无差别，但应加强施工控制和进行施工工艺应改善，以确保其质量。
8.4.1混凝土浇筑
1）混凝土浇筑应分层浇筑，逐层水平向前推进，每层浇筑厚度不超过30cm，每层浇筑间隔时间不得超出上层混凝土的初凝时间（混凝土的初凝时间一般为1～1
.5h），并待上一层混凝土二次振捣之后进行浇筑，每层浇筑应闭合，在浇筑接茬处应振捣到位。
基础底板混凝土宜采用斜面式薄层浇筑，利用自然流淌形成斜坡”的规定，确定底板混凝土浇筑采用“分两层浇筑、一个坡度、斜薄层浇筑、往返推进、两次到顶”的浇灌方法，使混凝土自然流淌形成斜坡。
在每条浇筑带的前、中、后布置3道振动棒，前道振动棒布置在底排钢筋处和混凝土的坡脚处，确保混凝土下部的密实；后道振动棒布置在混凝土的卸料点，解决上部混凝土的捣实；中部振动棒使中部混凝土振捣密实，并促进混凝土流动，并进行二次振捣。
2）泵送浇筑混凝土时，不得在同一处连续布料，应在布料杆的旋转半径4～9m范围内水平旋转布料，逐步向前推进，而且布料杆的出口离模板内侧面不小于50mm，且不得向模板内侧面直冲布料，也不得直冲钢筋骨架，混凝土自御料口的自由倾落高度不超过2米,超过2米时,应采用串筒顺导混凝土，保证混凝土不发生离析现象。
3）混凝土振捣。
混凝土浇筑前，选定责任心强、技术好的人员为振捣人员，针对各个部位的浇筑特点，进行详细交底，管理人员跟班作业，检查和监督振捣作业。
振捣方法：
振动棒移动间距不大于400mm,振捣时间15--30秒，紧插慢拔，但还应视混凝土表面不在明显下沉、不在出现气泡、表面泛出灰浆为准，而且应插入下层混凝土50mm左右，以消除二层之间的接缝。
为增加混凝土的密实度和提高抗裂性能，应采用二次振捣方法。
第一次振捣时，由于泵送混凝土塌落度较大自然形成的坡度也较大，因此应在坡顶、坡中和坡脚布置两道振捣器，一道布置在卸料处，主要解决上部混凝土的振捣，另一道布置在混凝土坡脚处，确保下部混凝土的密实。
进行第二次振捣的关键是如何确定适宜的振捣时间。
适宜的振捣时间是指在混凝土初凝前经振捣后尚能使其恢复塑性状态的时间。
这个时间与水泥品种、水灰比、塌落度、混凝土的初凝时间、施工时的气温等多种因素有关，应经过试验确定。
简单的试验方法是将运转着的振捣棒，以其自身的重力逐渐插入混凝土中进行振捣，如果混凝土仍可恢复塑性的程度使振捣棒小心地拔出时混凝土仍能自行闭合，而不会在混凝土中形成孔穴，这时进行二次振捣是最适宜的时间。
为准确判定二次振捣时间，本工程将派公司试验室到现场作贯入阻力试验，根据有关资料介绍，当标准贯入阻力达到350N/cm2以前进行二次振捣是有效的，且不会损伤已成型的混凝土。
参考基础混凝土浇筑的二次振捣时间为浇筑后40-50
min。
振捣过程要全面仔细，禁止因出现漏振而导致蜂窝、麻面等混凝土施工质量事故。
操作人员的操作台采用≤2.0米长的脚手板直接搭在水平横向钢筋上，禁止直接踩踏钢筋。
8.4.2混凝土养护
混凝土养护及使用条件下的温度与湿度对混凝土的徐变、收缩影响较大。
混凝土养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变越小，高温湿养可以加快水化作用，减少混凝土中的自由水份，因而可以使收缩减少。
所以超长结构混凝土养护应采用合理有效的养护方案。
对于平面结构构件的混凝土养护，当混凝土浇到板标高后，应用2m长木刮杠将混凝土表面找平，且控制好板顶标高。
然后用木抹子拍打、搓抹两遍，在混凝土终凝之前进行收浆压光。
为防止底板混凝土升降温速度过快形成温度收缩裂缝和早期脱水造成表面干缩裂缝，本工程采取保温保湿养护，养护由专人负责。
浇筑完成后，表面搓平，搓平次数不少于三次。
能上人时，在其表面先铺一层塑料布,再覆盖一层草袋或两层草袋保温并洒水养护，每天浇水次数不少于四次。
对于竖向结构构件混凝土养护，在模板拆除后，在混凝土表面涂刷养护液，并用采用塑料薄膜覆盖养护。
另外，由于混凝土的徐变与其加荷载时混凝土的龄期有关，加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大，为此应严格控制楼板结构的荷载，其堆积不超过1KN/㎡。
8.5超长无缝施工技术
超长混凝土无缝施工技术是在混凝土中掺加一定量的膨胀剂补偿收缩混凝土作为结构材料，其在水化、硬化过程中产生膨胀作用，该膨胀作用由于受到结构钢筋和邻位的约束，能在结构中建立一定的预压应力，并依此来抵抗混凝土收缩变形时产生的拉应力，克服或防止混凝土结构的开裂。
其特点是以“膨胀加强带”而取消后浇带连续浇筑施工，减化施工程序、加快模板周转、整体防水好、节省工程费用，可满足有建筑要求的工程。
由于本工程南楼地上结构的外墙、柱及结构外露部分采用清水混凝土，为了保证混凝土的外观质量，确保颜色一致，达到清水混凝土建筑外观的要求，为此建议本工程南楼地上结构的采用超长结构无缝施工技术。
8.5.1技术原理
超长无逢混凝土结构无逢设计施工施工方法是以补偿收缩混凝土为结构材料，以加强取代后浇缝连续浇筑的一种新技术。
该技术有两种形式：
1）采用膨胀混凝土用于超长结构，采用CEA—B微膨胀替代10%的水泥用量，结构后浇缝的间距延长至60m，比规范20～40增加一倍左右。
2）采用膨胀加强带形式，是通过调整膨胀剂掺量，可使混凝土中产生不同的预压应力，即在集中应力最大的部位给予较大的膨胀力，而在其它部位则给予较小的膨胀力，以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，从而控制有序裂缝的出现。
8.5.2无缝施工设计
水泥材料抗拉强度低、韧性差，当失水干燥或环境温度变化使混凝土使混凝土产生收缩应力，以及混凝土本身具有的徐变、收缩等特性，对于超长结构混凝土其很容易出现应力裂缝，而膨胀混凝土在钢筋和邻位约束的限制下，产生预压应力，可抵抗部分或全部限制收缩所产生的拉伸应力，并推迟混凝土收缩的产生进程，抗拉强度因此而增强，从而防止或减少收缩裂缝的出现。
依此原理，进行超长混凝土结构无缝施工设计的即是对膨胀混凝土进行补偿收缩能力设计，也就是计算混凝土的限制膨胀率（ε2）和收缩膨胀率（s）。
。
ε2=3.3t÷（1.87＋t）×10×α1·α2·……·α9（t为混凝土龄期）
α1·α2·……·α9为偏离标准条件的修正系数，它与构件混凝土的水泥品种、混凝土的强度等级、膨胀剂品种、膨胀剂掺量、水泥用量、配筋率、粗集料、水灰比、养护条件等参数有关，其取值范围是根据大量数据统计结果而确定，而且是针对实际工程具体情况和设计要求而确定。
其一般情况即是在结构应力集中的最大部位（传统方法留后浇带处，一般加强带间距控制在30~60m），设膨胀加强带，其宽度为2.0m，带的两侧架设密孔铁丝网，并采用φ8.5＠50的铁丝网加固。
施工时先浇筑带外的小膨胀混凝土（内掺10%的CEA—B），浇筑到加强带时，用大膨胀混凝土（内掺14～15%的CEA—B）进行浇筑，浇筑到加强带另一侧时又采用用小膨胀混凝土，如此循环可进行100～200m的超长结构混凝土浇筑施工。
进行无缝设计时，应注意结合工程结构设计的钢筋配置相结合，使膨胀机理能够有效、充分、合理的发挥作用，达到真正超长混凝土结构的无缝设计。
8.5.3无缝施工要求
1）超长无混凝土结构缝无缝施工技术是以“抗放兼备、以抗为主”为设计原则，其应用效果良好，简化施工程序，整体防水性能好，建筑表观质量较好。
2）对于墙体，由于厚度薄、面积大，受环境条件影响大，为此应严格控制膨胀剂的掺量，而且对于100m以上的墙体，宜采用加强后浇带，即分段浇筑加强带，两侧采用小膨胀混凝土（掺CEA—B10%），养护14天以后，用大膨胀混凝土（掺CEA—B14～15%）浇灌加强带，而且应设钢板止水带。
做法如下图所示：
3）对于基础底板施工时先浇筑带外的小膨胀混凝土（内掺10%的CEA—B），浇筑到加强带时，用大膨胀混凝土（内掺14～15%的CEA—B）进行浇筑，浇筑到加强带另一侧时又采用用小膨胀混凝土连续、循环浇筑施工，如无法连续施工，可采用间歇施工方法，加强带一侧该为台阶式，施工缝凿毛清洗干净后，用大膨胀混凝土浇筑加强带，随后用小膨胀混凝土浇筑带外地段。
具体做法如下图所示：
4）对于地上部分结构混凝土，一般在结构长度100m以内时可常规采用无缝施工技术，即采用膨胀混凝土（掺CEA—B10%）直接浇筑结构的混凝土。
（注：
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