大截面拱形基础梁施工技术研究

大截面拱形基础梁施工技术研究

刘一樉

中铁建工集团有限公司  四川 成都   610000

【摘要】结合重庆北站工程实例，对轨道交通十号线上部转换拱梁的施工进行控制，通过对钢筋计算采用型钢支架确保钢筋网片安装稳固，针对大截面大直径钢筋较密情况，配置自密实混凝土并通过大体积混凝土抗裂措施从而保证混凝土浇筑质量。

【关键词】大截面基础拱梁；钢筋支架；自密实混凝土；大体积混凝土；

1、研究课题概况

重庆轨道交通十号线位于重庆北站高架站房区域正下方，隧道开挖方式采用暗挖方法，后期铁路站房实施时通过转换结构跨过地铁区间，高架候车室部分基础采用桩拱转换结构基础形式。本工程转换梁形式为拱梁，分为L1、L2、L3三种，三种形式的拱梁配筋如下表所示。L2型的钢筋配筋图如下图所示。由于转换拱梁钢筋型号大、截面尺寸大，因此钢筋制安及混凝土浇筑施工质量控制极为重要。

3、大截面拱形基础梁施工难点分析及对策

3.1施工重难点分析

（1）转换结构为拱梁，其截面尺寸较大，因此拱形截面尺寸控制施工难度大；

（2）本工程钢筋型号较大，且排布较密，因此钢筋网片安装施工安全风险较大；

（3）本工程钢筋较密，混凝土浇筑较为困难，且截面较大，大体积混凝土施工质量控制为重难点；

3.2主要研究内容及对策

（1）对大直径拱梁弧形钢筋通过三维放样，现场采用机械化加工，保证其钢筋加工精度；

（2）针对拱梁钢筋数量较多、钢筋直径较大通过计算荷载，采用稳固的钢筋支架，保证其施工安全；

（3）针对钢筋较密且拱梁尺寸较大，研究大体积混凝土配比，采用低水化热的自密实混凝土，并通过计算对冷却及保温抗裂制度措施，保证混凝土施工质量。

4、大截面大直径拱形基础梁钢筋制安施工

（1）转换梁钢筋定位

转换梁主筋主要为拱形，提前对其进行三维放样，现场加工过程中对拱形位置进行控制，确保其钢筋加工精度。

（2）转换支架安装

通过对梁板钢筋自重以及施工荷载进行计算，采用型钢支架对钢筋网片进行支撑，确保钢筋网片的稳定及施工安全。

转换梁L1、L2、L3钢筋支架采用槽钢、角钢加工成型，横梁和立柱采用10#槽钢，柱脚板采用1m长14a#槽钢，斜撑采用50×50角钢长度600mm，横梁间距2.5m，立柱间距≤2.8m，立柱高度≤4.5m。转换梁钢筋支架如下图所示。

5、大体积混凝土施工控制

5.1自密实混凝土配合比设计

自密实高性能混凝土配制技术中，由于采用较低的水胶比和较大掺量的矿物掺合料，混凝土绝热温升降低，混凝土界面过渡区强化,混凝土微细观结构致密，因此自密实高性能混凝土具有优异的施工性能、优良的耐久性和较低的综合效益成本。与普通混凝土相比，自密实混凝土的关键性能特征即是其在新拌阶段能够依靠自重作用充模、密实，而不需额外的人工振捣，也就是所谓的“自密实性（self-compactabilty）”，包括流动性或填充性、间隙通过性以及抗离析性等3个方面的内容。

与普通混凝土相似，自密实混凝土配合比设计的目标要求主要包括以下四个方面：

（1）工作性要求：自密实性，包括填充性、间隙通过性和抗离析性三方面；

（2）强度要求：满足设计要求的强度等级。

（3）耐久性要求：由于工作性的特殊要求，因此必须处理好工作性、强度

5.2大体积自密实混凝土配合

（1）原材料的选用

胶凝材料：水泥选用重庆海螺P.O42.5R水泥，粉煤灰选用重庆华珞F类Ⅱ级粉煤灰，矿粉选用重庆祥众S95级矿粉，胶凝材料主要技术指标如下表所示。

水泥主要技术指标

粉煤灰主要技术指标

矿粉主要技术指标

选用武汉某厂家镁质膨胀剂和重庆某厂家钙质膨胀剂进行试验。减水剂选用西卡聚羧酸高性能减水剂，减水率28%；

细骨料：细骨料选用重庆喆凇鑫磊Ⅱ区机制砂，机制砂主要检测指标如下表所示。

细骨料主要检测指标

粗骨料：粗骨料选用重庆喆凇鑫磊5-10mm和10-20mm两级配搭配而成，筏板基础梁板结合部位钢筋极密，最小间距22mm，因此必须控制骨料粒径，主要检测指标如下表所示。

粗骨料主要检测指标

粗骨料筛分5-10mm小石子级配较好，满足5-10mm连续粒级级配；10-20mm石子级配较差，不满足10-20mm单粒级级配。按不同比例进行搭配，其中按4：6比例搭配后级配曲线如下图，为最佳搭配曲线，满足5-20mm连续级配要求。

（2）测试方法

砂石粗细骨料检测按照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行检测，T500、V漏斗通过时间、U形箱高度按照CECS 203-2006《自密实混凝土应用技术规程》测试，坍落度、扩展度、倒筒时间参照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行检测，收缩实验方法参照GB/T 50082-2016《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》和GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》进行，大体积混凝土温度裂缝控制参照《建筑施工计算手册》、《大体积混凝土施工规范》GB50496-2018进行计算，泵送施工参照JGJ/T 10-2011《混凝土泵送施工技术规程》进行。

（3）配合比方案设计

经过大量的试配，现将C45自密实混凝土较有代表性的配合比及试验方案，为防止大体积混凝土收缩开裂，膨胀剂按推荐掺量掺加。

配合比设计重点考虑了高矿物掺合料、中矿物掺合料以及低矿物掺合料的3大主要胶凝体系，在不同胶凝体系中设计了不同砂率大小的配合比。由上表分析可知，不同掺量的矿物掺合料的试验结果差异很大。高水泥用量、低矿物掺合料的编号1、2试验组，坍落度、扩展度、抗压强度能够达到要求，但是V漏斗通过时间、T500以及U形箱高度等指标不合格，说明该配合比填充性差、粘度太大流动速度不足、自密实性能达不到要求。中等掺量和高矿物掺合料的3~10组，各项性能指标都能够满足要求，其中，高矿物掺合料试验组的粘度更低，流动性更佳，自密实性能最好，但是由于矿物掺合料太高，抗压强度富裕值较小。

砂率对自密实混凝土流动性、粘聚性、保水性以及填充性、抗离析性自密实性能有重大影响，随着砂率的增加扩展时间T500、V漏斗通过时间逐渐先减小再增大，当砂率为0.42时最小；随着砂率的增大，U形箱高度、28d抗压强度先增大再减小，在0.42砂率时U形箱高度最大，抗压强度最大。

由于本工程是大体积自密实混凝土，混凝土各项性能指标在达到自密实要求的前提下，还需满足大体积混凝土防止开裂的要求，即最低砂率、最少水泥原则。

综合考虑自密实混凝土和大体积混凝土的工程实际，得出最优基准配合比。

基准配合比（单位：kg/m3）

（5）裂缝控制

①收缩裂缝控制

大体积自密实混凝土胶材用量高，砂率大，混凝土收缩大，容易造成混凝土收缩开裂，因此还需对自密实混凝土的收缩性能进行检测。试件采用100mm×100mm×300mm试件，试件养护条件为温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%。

膨胀剂分别选取重庆某厂家钙质膨胀剂和贵州某厂家镁质膨胀剂，按推荐掺量进行实验，90d收缩实验结果见下图。

膨胀材料是降低自收缩和温降收缩的常用措施，但膨胀材料的膨胀历程和混凝土收缩及温度历程不匹配问题较为突出。可以看出镁质膨胀剂较钙质膨胀剂具有更好的补偿收缩性能，且基本每个阶段都具有膨胀补偿收缩性，这对于大体积自密实混凝土尤为重要。

②温度裂缝控制

由于水泥水化引起混凝土温度升高以及大体积混凝土内部散热困难，往往会引起结构内外温差太大，最终导致温度裂缝的产生，严重影响结构的质量和安全。因此，大体积混凝土需控制温度裂缝的产生。

根据《建筑施工计算手册》、《大体积混凝土施工规范》GB50496-2018中关于大体积混凝土施工中各理论温度计算公式，可分别计算出混凝土的最大绝热温升、混凝土中心温度、混凝土表层温度、弹性模量、最大温度应力等数值。

标准规定：混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃；混凝土浇筑块体的里表温差不宜大于25℃；混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。其中，控制温度裂缝的条件为：

式中：K——防裂安全系数，取K=1.15；

——自约束应力

——外约束应力

——混凝土抗拉强度

经计算，该配合比：

混凝土最大绝热温升T(t)=37.81℃＜50℃；里表温差19.31℃＜25℃；表面与大气温差15.17℃＜20℃；最大自约束应力=1.45MPa，最大外约束拉应力=0.28MPa，ftk(9)/K=2.11MPa，满足控制温度裂缝条件。

综上计算，该自密实配合比满足大体积混凝土各项控制指标要求，不会生成温度裂缝。

5.3大体积混凝土浇筑抗裂措施

（1）转换梁、基础梁大体积混凝土浇筑时采用整体分层连续浇筑法，用标杆尺控制高度，每层控制在500mm范围内，按照轴线分段浇筑。混凝土浇筑应连续进行，间隔时间不得大于混凝土初凝时间，在每一个接槎处设一块黑板记好时间，以便掌握继续浇筑时间，防止出现冷缝。转换梁浇筑按照从两边向中间分层浇筑顺序。

（2）振捣要求：混凝土振捣采用∅50振捣棒，振捣过程中将振捣棒上下略有抽动，以使上下振捣均匀，避免过振和漏振，振捣棒移动间距为400mm左右，每点振捣时间20～30s为宜，以混凝土表面不再显著下沉，不再出现气泡，表面泛出灰浆为准，振捣棒宜插入下层混凝土50～100mm，对于钢筋较密部位应加强振捣，振捣棒应避免碰撞钢筋、模板、埋件等。

（3）测温及冷却布置

①按照施工进度每昼夜浇筑作业面布置（1～2）个测位；在混凝土的边缘、角部、中部及积水坑、电梯井边等部位可布置测位；混凝土浇筑体厚度均匀时，测位间距为10m～15m，变截面部位可增加测位数量；在墙体的立面上，测位水平间距为5m～10m，垂直间距为3m～5m。

②根据混凝土厚度，每个测位布置（3～5）个测点，分别位于混凝土的表层、中心、底层及中上、中下部位。

③当进行水冷却时，测位布置在相邻两冷却水管的中间位置，并在冷却水管进出口处分别布置温度测点。

④混凝土表层温度测点宜布置在距混凝土表面50mm处；底层的温度测点宜布置在混凝土浇筑体底面以上50mm～100mm处，除埋在混凝土里面的传感器外，温度检测过程中，另外使用了2个传感器分别检测养护层下混凝土的表面温度及大气温度。本工程采用电子温度计测温，测点布置如下图所示。

测温布置点按照所选混凝土浇筑范围对称轴线的半轴线为测试区，设置3～5个具有代表性的测温点，如下图所示。

混凝土养护测温，混凝土养护前14 天以控制温差为主，14 天后以控制降温速度为主。混凝土终凝后，开始测温，3d内每2h测一次，3d后每6h测一次。

（4）转换梁冷却管布置

冷却水管采用直径30mm的钢管，每根转换梁均布置冷却水管间距控制在1.5m左右。转换梁混凝土冷却水管平面布置图如下图所示；

6、结论

（1）对大直径拱梁弧形钢筋通过三维放样，现场采用机械化加工，保证其钢筋加工精度；由于拱梁钢筋数量较多、钢筋直径较大，采用稳固的钢筋支架，保证其施工安全。

（2）砂率对自密实混凝土流动性、粘聚性、保水性以及填充性、抗离析性自密实性能有重大影响，由于本工程是大体积自密实混凝土，混凝土各项性能指标在达到自密实要求的前提下，还需满足大体积混凝土防止开裂的要求，即最低砂率、最少水泥原则。

（3）本工程通过基坑尺寸的控制、对大直径拱形钢筋的加工精度的控制、钢筋网片的加固支撑以及对大体积混凝土配合比的控制浇筑质量，最终完成转换拱梁钢筋混凝土的施工，混凝土无裂缝，施工质量良好。

参考文献：

[1]周原, 张根俞, 梁书亭. 型钢混凝土梁式转换结构的施工技术探讨[J]. 江苏建筑, 2008(03): 32-33；

[2]赵筠.自密实混凝土的研究和应用[J].混凝土,2003(6)；

[3]《自密实混凝土应用技术规程》CECS 203-2006；

[4]《大体积混凝土施工规范》GB50496-2018；

作者简介：刘一樉（1990-），男，大学本科，工程师。