钢筋混凝土薄壳施工工法

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【摘 要】随着我国建筑业的蓬勃发展,人们对建筑的多元化、个性化必然有更高的要求,而且更加全面、标准高的使用功能也要有与之相适应的建筑结构,在我们目前的施工技术水平下,高层建筑的施工工艺已达到了比较高的水平,但对于大型、大跨、形体复杂的空间结构（特别是现浇钢筋混凝土结构）实践还比较少,与之相配套的施工技术、工艺也很不完善、成熟.星海音乐厅壳体施工技术正是在这种客观条件下,由广东省第四建筑工程公司开展科技创新,成功地完成了高难度的双曲薄壳施工,赋予了我们常规的现浇钢筋混凝土施工工艺新的内容,开创了我国大型现浇钢筋混凝土双曲抛物面薄壳结构施工的先河,为今后同类型建筑施工提供了可供借鉴、应用的宝贵经验.其壳体施工技术从项目的实际出发,通过实验,因地制宜,安全可靠,技术先进,具有明显的社会效益和经济效益.

【关 键 词】施工技术；薄壳施工；钢筋混凝土；效益

1工法特点：

1.1该壳体施工技术立足现有的施工技术水平,一切工艺围绕壳体特性而制定.

1.2依据壳面方程建立了测量网络控制系统,有效地保证了壳体施工的轴线高程及几何尺寸的准确,保证了壳体的施工质量和安全.

1.3在模板工程中,通过壳面基准线的定位,科学地确定了壳底配模方案.在壳体混凝土施工过程中,采取了双层模板、跳格封模的施工工艺,解决了大坡度混凝土施工的难题.

1.4壳体混凝土的施工分段对称浇筑,使支撑体系受力均衡,同时解决了壳体面积大,坡度陡的施工困难.

1.5支撑结构不仅有效地确保了壳体的标高控制准确,而且为壳体的总体施工顺利、安全地进行提供了根本保证,从而打下了坚实的基础.

2总体施工流程：

3操作要点：

3.1壳面支撑施工技术：壳体结构不但高度高、面积大,而且壳面上各点高度都有变化,形状复杂,浇筑混凝土时各部分承受的重量不均,除会对支撑产生竖向压力外,还可能对支撑有斜向推力.因此在制定支撑方案时,除了要保证支撑的竖向承载力,更应特别重视顶架的整体稳定性问题,以保证在浇筑混凝土期间,或在遇上台风、大风时的整体安全.①所有支撑均用Φ51×2.8的钢管,在壳体内沿平行于壳体的正方形边长弹出控制方格网（以850×850的步距搭设钢管）；在四周的大斜梁下,钢支柱加密为每条梁下设4排支柱（间隔500）；②连接支柱的纵横系杆、斜向剪刀撑也一律使用Φ51×2.8的钢管,要求从立柱1.8m高度起开始搭第一道水平系杆,以后所有纵横系杆每隔1.2m搭设一道,在柱脚也全部加纵横水平杆连接；剪刀撑则按每隔5排立柱设一道,从四周剪力墙起倾斜45°搭设直到壳底.在搭设支撑期间,由于四周剪力墙、混凝土斜梁已施工至壳体下,因此所有水平撑、剪刀撑均要求顶到边缘构件,使可能产生的水平推力传递到边缘构件上.

3.2应用测量网络控制壳体施工：

3.2.1壳面方程分析：

当采用如图所示坐标系时,可得出壳面方程为：

Z等于65xy40(x+y)40/2304*48+36.75

图中A、B、C,D分别为壳体的4个角点.

直线AB、BD、CD、AC为壳面周边边缘构件(大斜梁)

GJ2、GJ3、GJ4、GJi、A、D点为壳体最高上翘点40m点及另一上翘点25m点,B、C为两落地点.

对壳面方程求一阶偏导数可得：

Z/X等于65y40/2304*48Z/Y等于65x40/2304*48

这些方程的几何意义是线段的斜率,由此可见,可知壳面凡是其水平投影与X轴(Y轴)平行(亦即与边缘构件平行)的母线均为直线段.根据这一性质,如在刚盘上建立测量控制方格网,那么方格网上的点其平面坐标、高程均可很方便地由直线方程导出.由上述两方程还可得到一个重要的信息,即令一阶偏导数为零,则有两条分别平行于X轴、Y轴,且斜率为零的水平线,鉴于壳面上其他直线段都是倾斜的直线段,这两条水平线起着下列独特的作用,测量标高复核、壳底长度检核,模板施工段划分.因此我们把这两根水平线定为基准线,记为EF、GH如下图：

壳面水准基线

3.2.2壳体测量网络系统的建立：

通过对壳面方程的分析,在壳面四周边缘斜梁围成的框架内,建立起水平投影与边缘构件平行的方格控制网络,由实体模型实验表明,当壳体网络单元小于25/单元时,网格单元的扭曲程度趋于平和,因而选择一块模板(木夹板1．83m×0.915m等于1．67)的宽度920mm作为最小测量网络步距,并根据施工工艺进展,建立如下由粗到细的不同高程、不同步距的网络系统,最后达到控制壳面精度的目的.

（1）大#字网络系统――基础网络(底枋下)

（2）支撑网络系统――步距3400mm(底枋下)

（3）模板底枋网络系统――步距l840mm(模板下)

（4）模板网络系统――步距920mm（壳底下）

①大#字网络的建立（基础网格）：

根据壳面基准直线GH、EF线,再引进与之投影平行的其它两条壳面直线KL、MN线,组成一个壳面大#字网络,出于施工方便和选定方格网络最小步距920mm考虑,将GH、EF、MN线段投影长度为12880mm,是920mm的倍数,如下图.

大#字基本网络

②支撑网络系统：

这是一个针对支撑结构施工,在大#字网络控制下根据壳体满堂红脚手架支撑搭设特点建立起来的测量控制系统.搭设是在壳体内钢管立杆按平行于壳面基准直线,以850mm×850mm的投影步距排列.为便于控制,以5排钢管立柱间距为基础,即投影间距为3400mm作为支撑网络控制系统的步距,如下图.

支撑网络系统

3.2.3测量网络的实施：

壳面网络控制的基础决定于轴线控制的好坏,特别是边缘构件轴线(H-1)、(H-2)、(H-3)、(H-4)控制尤为重要,为此,需要建立高精度的控制系统进行建筑轴线投测,这个系统分外控与内控两种形式.外控系统的建立是将轴线(H-1)、(H-2)、(H-3)、(H-4)用经纬仪引投到场地外马路和小厅楼层上．为使轴线控制点保持长期稳定,将顶面刻有十字线的钢筋头打入预定位置,用混凝土灌注严实作为测量基点,轴线定期复制.为保证轴线精确度,又建立了内控系统（如下图）.它是在已施工好的大厅底板刚盘上选择6个控制点,组成一个控制网,其中控1、控2、控3、控4、控5均为边缘构件GJI、GJ2、GJ3、GJ4、GJ5的中点,而控0则为整个壳体中心,而其投影间距均用100m普通钢尺(工地专用)加10kg拉力悬空丈量两次并加温度修正.

内控系统

4壳底模板木底枋的安装施工技术：

4.1壳底模板安装：

为便于模板的制作安装,模板的边线都平行于控制方格网安放,并且尽量使用整块的夹板（1830mm×915mm×18mm）.由于底面上的网格线投影到壳面上每条斜线长度不同,造成各块模板面间有间隙,间隙的大小也不同,要另外用一些散板填补.

4.2壳板面层模板制作安装：

壳体混凝上浇筑,对于坡度27°以上的部位根据壳体混凝土模拟试验总结,必须设置壳体上表面模板,才能阻止混凝土浇筑振实时向淌.为避免盲区,在板间留置喂料口和振动棒的插进操作位置,因此,壳体上表面模板制作安装分为：⒈先安固定模板；⒉后装生口模板.

根据多次浇筑试验,先装的固定模板不宜太宽,它的宽度以450mm为宜(混凝土板厚5倍),并在小直径振动棒有效作用范围内.先安固定模板用具有拉撑两重功能的止水螺栓与壳底模板连结（与墙模拉结相同）.整块浇筑施工段在浇筑前壳板面层按1050mm间距先安450mm宽固定模板,必须制安妥当,留出600mm空档作为壳板混凝土的喂料口,等450mm宽壳板混凝土捣筑、并将600mm空档铺筑混凝土后才安装生口模板.后装生口模应分作两件制作：第一件较宽450mm,剩下的一件150mm宽,待450mm宽灌满混凝土、操作完毕之后才安装.

5壳体混凝土施工技术：

5.1壳体施工段划分：

为了保证壳体混凝土施工时,不出现冷缝,及考虑到双曲抛物面壳体特殊的曲面形状和受力特点,在壳体工程中应根据实际情况将壳体分段施工,施工缝用10mm×10mm网眼钢丝网预先安装固定位置（在浇混凝土后清除）.

5.2混凝土的浇筑：

5.2.1由于壳体具有正反拱变异性,为了确保大型壳体浇筑混凝土时的支撑及模板不变形、稳定牢靠,在施工中强调壳体混凝土灌筑必须做到均匀对称进行铺筑.例如在星海音乐厅壳体工程中其工艺流程是先施工第一段后施工第二段,最后才可以施工第三段；混凝土的铺筑是第一段从最低部位的东西二脚处先开始．同时进行对称铺筑混凝土作业,每次混凝土摊铺宽度不超过1m,逐步向上推进在中间壳顶部位汇合；第二段的混凝土铺筑也是从东西两侧最低部位开始对称摊铺,每次摊铺宽度也控制不超过1m,而且混凝土的摊铺每段应与连梁成垂直,当摊铺到壳脊背汇合后,东西两组仍继续按与边梁垂直方向摊铺1m宽带混凝土,逐步向壳尖推进；第三段的混凝土铺筑与第二段铺筑方法相同.

5.2.2在壳面的两个高点,倾角很大,混凝土浇筑时容易往淌,而在壳体两个落地角则易积聚流淌下来的混凝土,这些都会影响壳体的设计厚度和平整度,通过试验和总结,确定在壳体四个角、四边边缘6m的斜度较大的范围内及壳面坡度大于27°的,均应采取加压面层模板的双层模板工艺来保证壳面混凝土的施工质量.面模由固定模板和后安模板组成.固定模板是将整件夹板一分为二（450×1830×18）,按600的间距在浇混凝土前先安装固定（安装方法同剪力墙模板）,使新浇混凝土能成型并定型,面层模板是按该段壳体混凝土法向厚度、用一排(间距600mm)双头止水螺栓作为拉结和固定.双层夹板内的混凝土捣筑是从固定模板的600空隙间隔内灌入混凝土,用插入式震动器震捣密实至下缘冒浆,并敲打面层模板至听不见空鼓声后,作为完成第一段夹模混凝土捣灌作业,然后铺筑600mm空档的混凝土,待灌料口混凝土填满并稍震捣密实执平后,马上安装空档口面模450mm宽,留下150mm宽作为振动棒操作插进位置及观察位置,再次捣实后则铺筑并震捣执干剩余150mm宽混凝土,插进安装剩下的150mm宽面模,并用木枋穿入上下段面模压木枋用的钢管内,然后挂上外部振动器辅助捣实.如此不断循环直至双层模板范围铺筑完成.坡度小于27°的壳体混凝土则直接在壳模面上铺筑混凝土,振捣后用木磨板执平表面.壳板混凝土厚度的控制则采用三边相互垂直的“人”型钢筋标尺放在模板面作标准来控制.

6壳体无粘结预应力筋的施工技术：

6.1施工工艺流程：安装薄壳底模板→放预应力筋定位→绑扎预应力筋定位马凳→绑扎预应力筋→绑扎薄壳面钢筋→锚垫板→安装薄壳面模板→浇注混凝土→混凝土养护（强度达100%）→安装锚具→检验→张拉→持荷锚固→封端.

6.2为保证薄壳结构对称受力,应由薄壳中间分别向两边张拉.薄壳无粘结预应力筋的理论伸长值在29.8~35.5cm范围内,故分两次张拉.对于一端张拉的预应力筋除超张拉3％外,第一次张拉完成后隔三天时间再补拉一次,同时严格控制好张拉程序,防止高应力锚固时夹片夹伤预应力筋,而致补拉时在锚固处断筋.

6.3张拉过程中出现的断筋,主要是由于浇混凝土时个别承压板偏位,造成钢绞线与承压板不垂直；四周边缘脚手架立杆形成障碍；局部钢绞线张拉位置与脚手架的距离偏大,千斤顶须吊起张拉.这些不利因素都可能不同程度地造成千斤顶与承压板的不垂直张拉,使钢绞线在承压板侧面或千斤顶顶嘴处弯折,致使断筋.必须及时进行处理.例如星海音乐厅壳体工程,在预应力张拉过程中,#59钢绞线拉断了6根单丝,只剩中间1根,将未断单丝穿过千斤顶,在千斤顶后端套上单孔板,然后将该单丝在墩头套

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7质量控制：

7.1分项工程质量保证措施：

7.1.1模板工程：

（1）保证模板及其支撑结构的材料质量符合施工规范和设计的要求；

（2）模板及其支架必须保证工程结构和构件各部分形状尺寸和相互位置正确；

（3）模板应构造简单,装拆方便,并便于钢筋的绑扎与安装和砼的浇灌及养护等工艺要求.

7.1.2钢筋工程：

（1）钢筋的品种和质量必须符合设计要求和《钢筋砼用钢筋》的规定.焊条、焊剂的牌号、性能必须符合设计要求和《低碳钢及低合金高强度焊条》的规定.

（2）钢筋采用焊接接头时,设置在同一构件内的焊接接头应相互错开,错开距离按设计及规范要求设置,一根钢筋不得有两个接头,有接头的钢筋截面面积占钢筋总截面面积的百分率,在受拉区不宜超过50%,在受压区不限制.

受力钢筋采用绑扎接头时,接头位置应相互错开.从任一绑扎接头中心至搭接长度的1.3倍区段范围内,有绑扎接头的受力钢筋截面面积占钢筋总截面面积的百分率应符合下列规定：①受拉区不得超过25%,在受压区不得超过50%.②焊接接头尺寸允许偏差必须符合规范规定.③钢筋接头不宜设置在梁端、柱端的箍筋加密区.④钢筋焊接前,必须根据施工条件进行试焊,合格后方可施焊.焊工必须有焊工考试合格证,并在规定范围进行焊操作.

7.2预防混凝土开裂的措施：

7.2.1加强混凝土本身的内在质量；

7.2.2钢筋方面：①板面钢筋施工要到位,钢筋保护层严格控制；②预留洞口必须严格按照设计要求加设附加钢筋,屋面、筒体周边在板角加设放射状钢筋；③板面分布钢筋按照设计要求绑扎到位.

8主要作业工序安全保证措施：

8.1脚手架：

8.1.1安装较重的杆部件或作业条件较差时,应避免单人单独操作；剪刀撑、连墙杆及其它整体性拉结杆应随架子高度的上升及时装设,以确保整架稳定.搭设途中,架子不得集中（超载）堆置杆件材料；搭设中应统一指挥、协调作业；

8.1.2脚手架的拆除按与搭设相反的程序进行拆除作业；每层连墙件的拆除,必须在其上全部可拆杆件拆除以后进行,严禁先松开连墙件.凡已松开连接的杆件必须及时取出、放下,以免误扶、误靠,引起危险；拆下的杆件和脚手架板应及时吊运至地面,禁止自架上向下抛掷.

8.2钢筋工程：

8.2.1展开盘圆钢筋要一头卡牢,防止回弹；

8.2.2拉直钢筋时的卡头要卡牢,地锚要稳固,拉筋沿线的2m宽区域内禁止人员通过；

8.2.3高大钢筋骨架应设临时支撑固定,以防止倾倒,绑扎墙、柱、钢筋时应搭设适合的作业架子,不得站在钢筋骨架上或攀钢筋骨架上下.

9效益分析：

9.1本工法立足现有的施工技术水平,一切工艺围绕壳体特性而制定；

9.2在进行钢管装搭中,着重抓好钢管之间的高低错位、垂直以及最终钢管高程位置的准确,保证支撑系统受力后的整体稳定牢固性；

9.3根据壳体浇筑混凝土的坡角变化情况及时调整混凝土坍落度,保证壳体混凝土质量.减少返工浪费和建筑垃圾.

10结束语：

综上所述,该工法在广东星海音乐厅壳体工程的成功应用,开创了我国大型现浇钢筋混凝土双曲抛物面薄壳结构施工的先河,为今后同类型建筑施工提供了可供借鉴、应用的宝贵经验.其壳体施工技术工法从项目的实际出发,通过实验,因地制宜,安全可靠,技术先进,具有明显的社会效益和经济效益.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文