·90· 福 建 建 筑 2023 年

該建筑深基坑工程場地周邊平坦開闊,周邊環(huán)境

如圖 1 所示。 場地除南側(cè)為已建道路外,其余各側(cè)均

為規(guī)劃市政道路,北側(cè)隔道路存在兩棟已建建筑(5F,

樁基礎(chǔ)),已建建筑距該工程用地紅線距離約 24 m。

圖 1 位置關(guān)系示意圖

1. 2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場地地貌屬河流堆積形成的沖積平原地貌,

擬建場地地基土主要有近代人工填土層①;近代沖填

層的沖填砂①1 、全新統(tǒng)淤泥夾砂②、淤泥夾砂④、粉

質(zhì)粘土④1 ;全新統(tǒng)沖洪積層中砂③、中砂⑤、粉土⑥、

粉砂⑦、卵石⑧,基底為燕山晚期侵入的花崗巖、風化

基巖組成。

場地土層分布及典型斷面如圖 2 所示,可見該場

地內(nèi)地下水位較高。 場地內(nèi)分布有③中砂、⑤中砂、

⑦粉砂、⑧卵石等強透水層,基坑底位于③中砂層,賦

存于上述土層的承壓水對基坑開挖會產(chǎn)生較大影響,

地下水處理不當,將引起涌水涌砂、周邊地表發(fā)生沉

降等問題,且場地內(nèi)存在有②淤泥夾砂、④淤泥夾砂

等軟弱土層,基坑開挖過程中,易發(fā)生較大變形。

圖 2 典型地質(zhì)剖面示意圖

各土層物理力學參數(shù)如表 1 所示。

表 1 土層物理力學參數(shù)

巖土層名稱

及編號

天然重度

γ

/ (kN/ m

3

)

壓縮模量

Es1 - 2

/ MPa

快剪指標 滲透系數(shù)

粘聚力 ck

/ kPa

內(nèi)摩擦角

φk

/ (°)

k / (m/ d)

①雜填土 17. 50 5. 00 8. 00 15. 00 0. 70

①1沖填砂 18. 00 8. 00 2. 00 22. 00 10. 00

②淤泥夾砂 16. 50 2. 10 8. 36 7. 38 0. 01

③中砂 18. 50 15. 00 2. 00 28. 00 13. 26

④淤泥夾砂 16. 37 2. 26 6. 20 5. 22 0. 01

④1粉質(zhì)黏土 19. 52 5. 84 16. 15 14. 71 0. 03

⑤中砂 18. 50 15. 00 2. 00 28. 00 18. 10

⑥粉土 19. 93 7. 13 23. 67 13. 96 0. 03

⑦粉砂 18. 00 8. 00 2. 00 22. 00 6. 00

⑧卵石 19. 00 40. 00 2. 00 35. 00 80. 00

⑨砂土狀強風

化花崗巖

21. 00 50. 00 30. 00 30. 00 0. 40

⑩碎塊狀強風

化花崗巖

22. 00 100. 00 35. 00 35. 00 1. 00

1. 3 支護方案確定

本基坑長約200 m,寬約100 m,挖深約15. 1 m,基坑

周長約700 m,屬于超大深基坑工程。 由于其地質(zhì)條件

存在深厚軟土以及富水砂層,需選取整體剛度較大的支

護方案,同時,考慮到在各強透水層間存在④淤泥夾砂、

④1粉質(zhì)黏土等隔水層,可對③中砂采取全封閉的止水帷

幕以阻隔地下水,但仍需考慮⑤中砂層的突涌問題。

(1)支護方案

由于本基坑工程平面尺寸較大,挖深達 15. 1 m,

優(yōu)先考慮采用灌注樁 + 鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護,其具

有強度高、剛度大、支護穩(wěn)定性好、變形小等優(yōu)勢。

通過采用理正深基坑軟件對支護方案進行初步

驗算,支護方案如圖 3 所示,即采用 A900@ 1200 鉆孔

灌注樁 + 兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護方式。 開挖

到坑底時,樁身位移及內(nèi)力結(jié)果如圖 4 所示,可見該

支護方案下,圍護樁最大水平變形為 33. 92 mm,可滿

足相關(guān)規(guī)范要求。

圖 3 初步基坑支護方案示意圖

2023 年 11 期 總第 305 期 陳旭丹·某(含)深厚強透水砂層軟土地基深基坑支護及地下水控制方法研究與實踐 ·91·

圖 4 初步驗算結(jié)果

(2)地下水控制措施

由于場地內(nèi)水位較高,且存在承壓水,基坑開挖

過程中,可能引發(fā)突涌問題,依據(jù)相關(guān)規(guī)范,對抗突涌

穩(wěn)定性進行計算,選取鉆孔如圖 3 所示,該承壓水位

標高為 - 5. 20 m,承壓水含水層頂面的壓力水頭高度

為 20 m,承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度

為 18. 1 kN/ m

3

,承壓水含水層頂面至坑底的土層厚

度為 10. 1 m,計算結(jié)果如下:

K =

Dγ

hw γw

=

10. 1 × 18. 09

20. 0 × 10

= 0. 913 < 1. 10

式中:γ 為承壓水含水層頂面至坑底的土層天然

重度(kN/ m

3

);D 為承壓水含水層頂面至坑底的土層

厚度(m);γw為水的重度( kN/ m

3

);hw為承壓水含水

層頂面的壓力水頭高度(m)。

由此可知,基坑底部突涌穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求,

該基坑工程施工需進行減壓降水,避免基坑底部土發(fā)

生突涌。 同時,為避免降水對周邊環(huán)境的影響,還需設(shè)

置全封閉的止水帷幕,以保證基坑降水過程中的安全。

綜合上述考慮,本工程采用沖鉆孔灌注樁 + 兩道

鋼筋混凝土內(nèi)支撐進行支護,樁間設(shè)置三軸水泥攪拌

樁 + 雙重管高壓旋噴樁,形成止水帷幕,以阻隔地下

水,同時布設(shè)疏干降水井、減壓降水井以及回灌井,以

此防止基坑開挖過程中出現(xiàn)突涌現(xiàn)象,減小基坑降水

對周邊環(huán)境的影響。

典型基坑支護剖面圖如圖 5 所示,基坑支撐平面

布置圖如圖 6 所示。 地面標高 0. 00 m(對應 1985 國

家高程 7. 20 m),地下水位標高為 - 3. 00 m,基坑開

挖深度 15. 1 m。 具體支護方案為:坡頂 1 m 放坡,圍

護樁采用 A900@ 1200 鉆孔灌注樁(樁長 30 m),樁后

止水止泥采用 A850@ 600 三軸水泥土攪拌樁(樁長

21 m),樁間止水止泥采用 A600@1200 雙重管高壓旋噴

樁(樁長16 m),冠梁尺寸為1400 ×900,圍檁尺寸為 1800

×1100,支撐尺寸為800 ×900(ZL) / 800 ×600(CL)。

具體的基坑降水方案如下:場地共布設(shè) 28 口疏

干井、18 口減壓井及預設(shè)8 口回灌井。 疏干井主要用

于基坑開挖過程中疏干坑內(nèi)滯水和坑壁滲水;減壓井

主要用于降低承壓水頭水位,防止基坑開挖過程中出

現(xiàn)突涌現(xiàn)象;回灌井主要用于保持圍護結(jié)構(gòu)外地下水

位,防止周邊地表及建(構(gòu)) 筑物沉降。 其根據(jù)道路

監(jiān)測變形和水位下降情況,確定是否打設(shè);坑內(nèi)水位

降至坑底以下 0. 5 m,降深約 12. 6 m。

圖 5 典型基坑支護剖面圖

圖 6 基坑支護平面布置圖

基坑工程施工順序為:①三軸水泥攪拌樁止水帷

幕施工;②支護樁(鉆孔灌注樁)施工;③雙重管高壓

旋噴樁施工;④降水井施工;⑤分步開挖土方,并施作

冠梁、內(nèi)支撐及格構(gòu)柱;⑥圍護樁與地下室填槽施工;

⑦支撐構(gòu)件換撐拆除。 其中土方開挖前,三軸水泥攪

拌樁止水帷幕、支護樁(鉆孔灌注樁)、雙重管高壓旋

噴樁、格構(gòu)柱、降水井施工應完畢。

2 支護方案模擬分析

2. 1 分析假定

本文采用有限元軟件,對上述工程建立三維模型

進行模擬分析,研究建筑深基坑工程施工過程中基坑

圍護結(jié)構(gòu)、土體、周邊地表及建筑的變形規(guī)律,評估該

支護方案及地下水控制措施的合理性。

·92· 福 建 建 筑 2023 年

整個模型建立過程基于如下假定:

(1)土體在自重作用下產(chǎn)生的變形和應力在開

挖前已經(jīng)完成,在計算中不予考慮,且不考慮土體變

形的時間效應。

(2)沖孔灌注樁、建筑外墻、結(jié)構(gòu)底板及頂板采

用板單元、冠梁、圍檁及鋼筋混凝土內(nèi)支撐采用梁單

元,混凝土重度為 25 kN/ m

3

。

(3)考慮到高壓旋噴樁以及水泥土攪拌樁主要

作用為止水,模型中通過限制圍護樁的滲透性已控

制,實際不進行建模。

(4)土體本構(gòu)模型方面:土體均采用硬化土本

構(gòu)(Plastic - Hardening model) 。 對應硬化土本構(gòu)模

型,基于工程經(jīng)驗,取 E50 = Es1 - 2 ,Eoed = E50 ,Eur = (3 ~

10)E50 。

(5)已建道路荷載按 20 kPa 取值。

2. 2 模型工況介紹

根據(jù)第 2 節(jié)所述支護方案,建立基坑開挖三維數(shù)

值模型,模型如圖 7 所示。

對于模型工況,具體如下:①放坡開挖至 - 1. 00

標高;②圍護樁、支撐立柱樁、止水帷幕攪拌樁、高壓

旋噴樁施工;③開挖至第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐面以

下 0. 5 m;④施工冠梁及第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐;

⑤開挖至第二道鋼筋混凝土內(nèi)支撐面以下 0. 5 m;⑥

施工圍檁及第二道鋼筋混凝土內(nèi)支撐;⑦開挖至坑底

標高 - 15. 10 m。 其中,在每步開挖前,均將坑內(nèi)水位

降至擬開挖面以下 0. 5 m。

2. 3 結(jié)果分析

基坑開挖過程中,各工況下基坑圍護結(jié)構(gòu)、土體、

周邊地表及建筑的變形最大值匯總結(jié)果如表 3 所示,

各工況下土體及結(jié)構(gòu)變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(a)整體模型圖 (b)支護結(jié)構(gòu)模型圖

圖 7 模型土體及結(jié)構(gòu)示意圖

表 3 各工況下變形最大值匯總結(jié)果

項目 變形方向

變形最大值(mm)

工況① 工況③ 工況⑤ 工況⑦

規(guī)范允許值

(mm)

是否超規(guī)范要求

土體變形

X 方向 - 2. 24 - 3. 27 - 8. 62 - 28. 10 45 否

Y 方向 - 2. 51 - 3. 39 10. 22 38. 88 45 否

Z 方向 - 4. 83 - 5. 98 - 12. 01 - 27. 56 30 否

圍護結(jié)構(gòu)變形

X 方向 — 2. 35 8. 01 - 25. 75 45 否

Y 方向 — - 2. 67 10. 22 38. 79 45 否

道路變形 Z 方向 - 4. 83 - 5. 98 - 12. 01 - 27. 56 30 否

建筑變形

X 方向 0. 34 1. 10 1. 33 4. 18 30 否

Y 方向 0. 50 - 2. 87 - 1. 95 - 9. 43 30 否

Z 方向 - 2. 12 - 5. 73 - 13. 69 - 21. 42 30 否

注:Z 方向變形中數(shù)值為 Z 方向最大沉降變形值。

根據(jù)表 3 可知,基坑開挖過程中,控制工況為⑦

開挖至坑底標高 - 15. 10 m,故針對控制工況下的基

坑圍護結(jié)構(gòu)、土體、周邊地表及建筑的變形進行進一

步分析。

2. 3. 1 土體變形分析

開挖到坑底時,基坑周邊土體變形云圖如圖 8

所示。 根據(jù)云圖結(jié)果可知,水平方向變形中,Y 方向

變形大于 X 方向變形,因為 X 方向的基坑跨度更

大;Z 方向變形最大值位于南側(cè)已建道路,由于該處

已通車,車輛荷載對基坑開挖引起的變形存在較大

影響。

2. 3. 2 圍護樁變形分析

開挖到坑底時,圍護樁變形云圖如圖 9 所示,可

見圍護樁的水平變形最大值為 38. 79 mm。 由于支撐

的作用,圍護樁樁頂水平變形較小,水平變形最大值

位于圍護樁中部。

2023 年 11 期 總第 305 期 陳旭丹·某(含)深厚強透水砂層軟土地基深基坑支護及地下水控制方法研究與實踐 ·93·

(a)X 方向 (b)Y 方向 (c)Z 方向

圖 8 土體變形云圖

(a)X 方向 (b)Y 方向

圖 9 圍護樁變形云圖

2. 3. 3 鄰近建筑變形分析

開挖到坑底時,鄰近建筑變形云圖如圖 10 所

示。 由于基坑位于建筑的南側(cè),導致建筑主要發(fā)

生向南側(cè)變形,其中最大沉降值為 - 21. 42 mm,計

算所得 最 大 傾 斜 值 為 1. 24‰, 均 滿 足 相 關(guān) 規(guī) 范

要求。

(a)X 方向 (b)Y 方向 (c)Z 方向

圖 10 鄰近建筑變形云圖

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

針對該深基坑工程,進行了包括坡頂沉降、坡頂

水平位移、冠梁水平位移、支撐樁豎向位移、周邊道路

沉降、圍檁水平位移、地下水位(坑內(nèi)外)、鄰近建筑

物沉降、鄰近建筑物傾斜、支撐內(nèi)力、灌注樁內(nèi)應力、

深層位移(坡頂深層位移、灌柱樁深層位移)、裂縫等

內(nèi)容監(jiān)測。

如圖 11 所示,為基坑施工過程中,坑內(nèi)外水位變

化曲線。 坑內(nèi)水位變化幅度較大,最大下降幅度達

8 m。這是由于坑內(nèi)設(shè)置了減壓井以及疏干井,對坑內(nèi)

水位進行了降低;坑內(nèi)水位存在上升的情況,因為自

然降雨的作用,導致坑內(nèi)水位反復變化。

根據(jù)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)反算降水后的抗突涌穩(wěn)定安

全系數(shù),如下:

K =

Dγ

hw γw

=

10. 1 × 18. 09

12. 0 × 10

= 1. 522 > 1. 10

·94· 福 建 建 筑 2023 年

圖 11 地下水位變化曲線

可見,降水后的基坑抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)

范要求。

另一方面,從圖 11 中,可觀察到坑外水位變化幅

度較小,最大幅度在 2 m 范圍內(nèi)。 這是由于基坑采取

了全封閉的地下水控制措施,同時結(jié)合回灌措施,有

效控制了坑外水位的變化。 這進一步表明,采取全封

閉的止水帷幕 + 減壓降水 + 坑外回灌,可有效控制坑

內(nèi)降水對坑外地下水位的影響。

如圖 12 所示,為基坑施工過程中地表沉降最大

監(jiān)測點的變化曲線。 可見,地表沉降值隨時間逐漸增

大,最大沉降值小于 30 mm。

各項監(jiān)測預警指標及監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值匯總表如

表 6 所示,可見,各項數(shù)據(jù)中僅地下水位超預警,其余

數(shù)據(jù)均未超預警值,進一步驗證了該支護方案及地下

水控制方案的安全性與合理性。

圖 12 地表沉降變化曲線

表 6 監(jiān)測預警值及監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值匯總表

項目 預警指標 最大值

是否超

預警

坡頂?shù)孛嫠轿灰?30mm 或變化速率 3mm/ d - 28. 8mm 否

坡頂?shù)孛娉两滴灰?30mm 或變化速率 3mm/ d - 28. 5mm 否

深層位移 45mm 或變化速率 3mm/ d - 39. 9mm 否

冠梁水平位移 30mm 或變化速率 3mm/ d - 25. 3mm 否

圍檁水平位移 30mm 或變化速率 3mm/ d - 25. 7mm 否

支撐樁豎向位移 30mm 或變化速率 3mm/ d - 20. 5mm 否

周邊道路沉降 30mm 或變化速率 3mm/ d - 25. 9mm 否

鄰近建筑物沉降 30mm 或變化速率 3mm/ d - 22. 7mm 否

鄰近建筑物傾斜

2 / 1000 或連續(xù) 3 天

大于 0. 0001H/ d

27. 5mm 否

地下水位(坑內(nèi))

1000mm 或變化速率

500mm/ d

- 8612mm 是

地下水位(坑外)

1000mm 或變化速率

500mm/ d

- 2722mm 是

支撐內(nèi)力 70% F 169. 24kPa 否

灌注樁內(nèi)力 70% F 159. 53kPa 否

裂縫觀測 15mm 或持續(xù)發(fā)展 8. 7mm 否

注:F 為構(gòu)件承載能力設(shè)計值。

4 結(jié)論

針對閩江深厚沖洪積地層條件下的某深基坑工

程,采用數(shù)值模擬及施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證的方式進

行分析,得到以下結(jié)論:

(1)采用鉆孔灌注樁 + 兩道混凝土內(nèi)支撐的支

護方式,并采用三軸水泥攪拌樁 + 雙重管高壓旋噴樁

+ 坑內(nèi)減壓降水 + 坑外回灌組合,所形成的地下水控

制措施,可在保證深基坑工程安全施工的同時,有效

控制基坑開挖引起的土體及圍護結(jié)構(gòu)變形,降低基坑

降水對周邊環(huán)境的影響。

(2)該支護方案中,部分支撐軸力較小,存在冗

余度過大的情況,可對支撐布置形式進一步優(yōu)化。

(3)該地下水控制措施中,部分止水帷幕長度及

降水井布置可進一步優(yōu)化,從而減小工程造價,提高

經(jīng)濟性。

參 考 文 獻

[1] 張曠成,李繼民. 杭州地鐵湘湖站“08. 11. 15”基坑坍塌

事故分析[J]. 巖土工程學報,2010,32(S1):338 - 342.

[2] 薛麗影,楊文生,李榮年. 深基坑工程事故原因的分析與

探討[J]. 巖土工程學報,2013,35(S1):468 - 473.

[3] 盧勇. 某軟土深基坑變形事故處理[ J]. 建筑結(jié)構(gòu),2021,

51(S2):1672 - 1678.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

基于緩粘結(jié)預應力技術(shù)在大跨度空心樓蓋中

應用的監(jiān)理質(zhì)量控制

殷 芝

(廈門長實建設(shè)有限公司 福建廈門 361006)

摘 要:緩粘結(jié)預應力技術(shù)作為適用于大跨度、重荷載結(jié)構(gòu)當中的一種新型技術(shù),近年中得到廣泛應用。 結(jié)合具體項

目,探析緩粘結(jié)預應力技術(shù)在大跨度空心樓蓋中的應用及監(jiān)理質(zhì)量控制要點,以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞: 緩粘結(jié)預應力;空心樓蓋;技術(shù)運用;施工監(jiān)理

中圖分類號:TU74 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0095 - 05

The supervision quality control of the application of slow - bonding prestressing technique

in large - span hollow floor

YIN Zhi

(Xiamen Changshi Construction Co. ,Ltd. ,Xiamen 361006)

Abstract:TSlow bonding prestress technology,as a new technology suitable for large - span and heavy load structure,has been widely used

in recent years. This paper,it expounds the application of slow bonding prestress technology in large - span hollow buildings and the quality

control points of supervision,for reference for similar projects.

Keywords:Slow bonding prestress; Hollowbuilding; Technology application; Construction supervision

作者簡介:殷芝(1979. 3— ),女,高級經(jīng)濟師。

E-mail:524763894@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 07

0 引言

緩粘結(jié)預應力,指通過緩粘結(jié)劑的固化,實現(xiàn)預

應力筋與混凝土之間從無粘結(jié)逐漸過渡到有粘結(jié)的

一種預應力形式[1]

。 在張拉適用期內(nèi),預應力筋與混

凝土之間能相對滑動,無粘結(jié);結(jié)構(gòu)投入使用時,緩粘

結(jié)劑已經(jīng)完全固化,預應力筋與混凝土之間不能滑

動,為有粘結(jié)[1]

。 它是在有粘結(jié)和無粘結(jié)之后發(fā)展起

來的一種新的預應力技術(shù),是對有粘結(jié)和無粘結(jié)預應

力技術(shù)的補充。 緩粘結(jié)預應力具有無粘結(jié)預應力施

工方便、構(gòu)造簡單的優(yōu)點,也具有有粘結(jié)預應力混凝

土結(jié)構(gòu)延性好、抗震性能優(yōu)等特點,同時,可避免有粘

結(jié)預應力壓力灌漿不密實引起的耐久性問題[1]

。 隨

著我國大型綜合體、場館等公共建筑領(lǐng)域的快速發(fā)

展,緩粘結(jié)預應力技術(shù)作為適用于大跨度、重荷載結(jié)

構(gòu)當中的一種新型技術(shù),在近幾年得到了廣泛應用。

本文結(jié)合我司監(jiān)理的閩南佛學院項目之齋堂綜合樓,

闡述緩粘結(jié)預應力技術(shù)在大跨度空心樓蓋中的應用,

以及監(jiān)理人員如何以法律法規(guī)及工程建設(shè)標準、勘察

設(shè)計文件等為主要依據(jù),在施工階段采用平行檢驗、

巡視檢查、旁站監(jiān)理、見證取樣送檢等監(jiān)理工作方法

手段進行質(zhì)量控制[2]

。

1 工程概況

閩南佛學院項目位于廈門市翔安區(qū)香山風景區(qū)

內(nèi),三面臨山,包含大雄寶殿、齋堂綜合樓等 14 個單

體建筑。 其中,齋堂綜合樓建筑面積 9014 m

2

,主要用

途為齋堂、廚房等。一、二層 1 ~ 8 軸/ D ~ G 軸采用預

應力空心板,跨度 36. 3 m × 26. 1 m,板厚 900 mm。 空

心樓蓋為雙向布置,間隔 1200 mm 或 1500 mm 布置 1

道肋梁,橫向(X 軸)跨度 36. 3 m 共布置 20 道肋梁,

縱向(Y 軸)跨度26. 1 m,肋梁寬度200 mm;內(nèi)部放入

輕質(zhì)填充塊。 沿橫向(X 軸)在 E、F 軸上的兩個肋梁

內(nèi)各布置 8 根、其他肋梁內(nèi)各布置 4 根緩粘結(jié)預應力

鋼絞線;沿縱向(Y 軸)在 2、7 軸上的兩個肋梁內(nèi)各布

置 8 根、在 3、4、5 軸上的三個肋梁內(nèi)各布置 10 根、其

他肋梁內(nèi)各布置 5 根緩粘結(jié)預應力鋼絞線,具體預應

力空心板布置如圖 1 所示。

·96· 福 建 建 筑 2023 年

圖 1 齋堂綜合樓一、二層預應力空心板布置圖

2 材料規(guī)格、參數(shù)

采用直徑 21. 8 mm 的高強低松弛緩粘結(jié)預應力

鋼絞線,極限強度標準值 1860 MPa;高強耐磨緩粘結(jié)

預應力筋由鋼絞線、外涂緩粘結(jié)膠粘劑和外包 PE 組

成。 構(gòu)造如圖 2 所示[3]

。

注:1 - 護套;2 - 鋼絞線;3 - 緩凝粘合劑;h - 肋高;

ι - 肋間距;a - 肋寬。

圖 2 緩粘結(jié)預應力鋼絞線構(gòu)造

錨具張拉端采用圓套筒式夾片錨具,埋入式固定

端采用擠壓錨具[1]

。

填充體采用 LPM 聚苯乙烯泡沫,尺寸 1000 mm

× 1000 mm,厚度 680 mm,其燃燒性能為 B2 級,箱體

中部有漏漿孔,且漏漿孔的下部為倒漏斗型。

混凝土采用強度等級 C40 的預拌混凝土;非預應

力筋采用 HRB400 鋼筋。

3 施工要點及技術(shù)措施

3. 1 施工流程

緩粘結(jié)預應力深化設(shè)計→緩粘結(jié)預應力材料進

場驗收及復檢→材料加工制作→安裝底?！惭b鋼

筋骨架(梁拉鉤待預應力筋穿完再掛)→安裝定位筋

→穿預應力筋→張拉端固定→填鋪填充體→封側(cè)模、

端?！垢〈胧?、綁扎板面鋼筋→隱檢驗收→混凝土

澆筑→預應力筋張拉→處理預應力筋端部→封堵

端頭。

3. 2 模板工程

在框梁模板施工時,對于側(cè)模,需預留穿插鋼絞線

束的位置,待預應力筋穿束成型,端部錨件安裝完成后

方可封模。 封模時,注意預應力 PE 護套失高位置,鉆

洞時 (側(cè)模對拉桿件),不能鉆壞 PE 護套管。 預應力

混凝土底模應在同條件養(yǎng)護的混凝土立方體抗壓強度

符合設(shè)計要求且預應力筋張拉完成后,方可拆除。

3. 3 預應力筋制作

(1) 為滿足預應力筋的長度、張拉及不同形式的

組裝要求,預應力筋下料長度 L 可參考下列公式確定:

L = La + N × Lb + Lc;La 為預應力筋在構(gòu)件內(nèi)的投影長

度,Lb 為預應力構(gòu)件每跨內(nèi)取一倍梁高的曲線增量,N

為梁的跨數(shù),Lc 為操作長度(預應力筋長度在 20 m 以

內(nèi)時,Lc 可取 1 m;20 m 以外時,Lc 可取 1. 8 m) 。

(2) 下料時,在平整的場地上,按下料長度在場

地兩端設(shè)置標記、定長下料。 先將預應力筋拉直理

順,再用機械切割,禁用電焊和氣焊,確保端頭斷面

齊整。

(3) 預應力筋端頭擠壓成型。 應去除預應力筋

端部毛刺,裝上承壓板,旋入鋼絲襯套,放入擠壓機,

操縱油泵擠壓。 擠壓過程中,預應力筋應頂緊、扶正、

對中,擠壓一次成型,中途不得停頓。 擠壓時,需保持

擠壓錨內(nèi)表面的清潔。 緩粘結(jié)預應力筋擠壓錨座組

合大樣如圖 3 所示。

圖 3 緩粘結(jié)預應力筋擠壓錨座組合大樣

3. 4 預應力筋鋪放

根據(jù)設(shè)計的曲線用同梁拉鉤鋼筋設(shè)置定位鋼筋,

焊在梁箍筋上,定位鋼筋間距 0. 6 m ~ 1 m。 為保證

預應力筋的矢高位置,當預應力筋與普通鋼筋有沖突

時,應確保預應力筋的位置正確。 預應力筋鋪放須保

持各自平行,嚴禁相互扭絞,且與外邊軸線垂直。 鋪

放雙向預應力筋時,交叉點標高較低的預應力筋先行

鋪設(shè),較高的次之。 固定端錨具安裝時,應在設(shè)計要

求位置綁扎固定,內(nèi)埋式固定端承壓板不得重疊,與

錨具緊貼。 張拉端承壓板應牢靠固定在端部模板上,

且確保張拉作用線與承壓板面垂直。一、二層 Y 軸向

肋梁預應力筋矢高圖如圖 4 所示。

2023 年 11 期 總第 305 期 殷 芝·基于緩粘結(jié)預應力技術(shù)在大跨度空心樓蓋中應用的監(jiān)理質(zhì)量控制 ·97·

圖 4 一、二層 Y 軸向肋梁預應力筋矢高圖

3. 5 預應力筋張拉端做法

齋堂綜合樓張拉端采用內(nèi)藏如圖 5 所示。 提前

預埋承壓板,螺旋筋和穴模,澆筑完混凝土后,將穴模

掏出,形成孔洞。 張拉時將錨具放在孔洞的位置,張

拉完成后,錨具不露出梁側(cè)面,不影響側(cè)立面效果。

圖 5 緩粘結(jié)預應力筋封錨節(jié)點大樣 (內(nèi)藏)

3. 6 填充體鋪填及抗浮措施

將填充體按圖紙尺寸、位置,準確安放在板內(nèi)。

為避免填充體上浮,抗浮控制點按間距不大于 1 m 布

置,每個填充單元體不少于 4 個。 在肋梁部位的底模

上打孔,用 12#鐵絲將肋梁底部縱筋固定在模板下部

的支撐架體上(有交差時固定在交差上層縱筋上)。

安裝填充體后,在上部放置限位墊塊,用 12#鐵絲將

上部縱筋與肋梁箍筋綁扎牢固,壓緊填充體。 預應力

空心板抗浮實例如圖 6 所示。

圖 6 預應力空心板抗浮實例圖

3. 7 混凝土澆筑

考慮到混凝土澆筑時浮力較大,為避免填充體上

浮,900 mm 厚預應力空心板分四層澆筑。 每一層混

凝土初凝之前澆筑上一層,連續(xù)澆筑。 振搗時,嚴禁

撞碰擠壓預應力筋、定位鋼筋及端部預埋件。 填充箱

體平面中心位置設(shè)有振搗孔洞,振搗棒插入振搗孔洞

后,必須伸入混凝土中,待混凝土充分振搗后方可拔

出振搗棒。 振搗棒插入及拔出過程中嚴禁碰觸孔洞

側(cè)壁,以免損壞填充箱體。

3. 8 預應力筋張拉

3. 8. 1 張拉方式、條件

齋堂綜合樓預應力空心板采用一端張拉,預應力

混凝土同條件試塊強度達到設(shè)計強度后方可進行,張

拉前嚴禁拆除其底部支撐系統(tǒng)。 緩粘結(jié)預應力筋應

在張拉適用期內(nèi)張拉,在小于等于 20℃ 張拉時,應采

用持荷超張拉方式,當溫度高于 20℃ 時,可不用持荷

超張拉。

3. 8. 2 張拉設(shè)備

張拉千斤頂(50 t 液壓式)與壓力表配套標定、使

用,并定期維護和校驗。

3. 8. 3 張拉順序

預應力筋張拉,先拆除張拉端端部側(cè)模,并搭設(shè)

操作平臺,按“先長向、后短向”的原則。

3. 8. 4 張拉步驟

從零加載至初拉力,測出伸長值初始讀數(shù),再以

勻速分級加載分級測量并記錄伸長值至終拉力。 張

拉至終拉力時,宜持荷 2 min。

3. 9 張拉端處理

張拉后,應采用機械方式切割多余緩粘結(jié)預應力

筋,切割后外露長度不得小于 30 mm,然后在夾片及

預應力筋端頭用防腐油脂或環(huán)氧樹脂涂抹,最后用微

膨脹細石混凝土或無收縮砂漿進行封閉[1]

。

4 監(jiān)理質(zhì)量控制要點

監(jiān)理機構(gòu)應依據(jù)設(shè)計圖紙、相關(guān)技術(shù)規(guī)范、標準

等編制監(jiān)理規(guī)劃、監(jiān)理細則、旁站監(jiān)理等方案,并從事

前、事中、事后三個階段,對緩粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)

施工進行控制。

4. 1 事前控制

積極準備并參加設(shè)計交底和圖紙會審,并側(cè)重從

以下方面進行控制。

4. 1. 1 資質(zhì)、施工方案的審核

監(jiān)理機構(gòu)應對分包單位資質(zhì)及管理人員資格、預

·98· 福 建 建 筑 2023 年

應力專項施工方案以及成品、半成品供應單位資質(zhì)進

行審核。 由于本混凝土模板支撐工程跨度大于 18

米,依據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于實施《危險性較

大的分部分項工程安全管理規(guī)定》 有關(guān)問題的通知

(建辦質(zhì)〔2018〕31 號文),施工單位應組織專家對該

項目《混凝土模板支撐施工方案》 進行論證,按專家

論證意見修改,并經(jīng)總監(jiān)理工程師審核通過,方可

實施。

4. 1. 2 材料、設(shè)備進場驗收

緩粘結(jié)預應力筋材料進場驗收:核查產(chǎn)品合格

證、產(chǎn)品質(zhì)量證明書、型式檢驗報告,并通知施工單位

按規(guī)范要求進行見證取樣送檢,報告不符合或不全者

嚴禁使用。 現(xiàn)場重點對肋高進行檢查,21. 8 mm 規(guī)格

緩粘結(jié)預應力筋肋高不得低于 2 mm,肋槽深不得低

于 1. 8 mm。 外包護套應為加強型的帶有 4 個縱肋的

護套,材料采用擠塑型聚乙烯樹脂,嚴禁使用聚氯乙

烯[1]

。 肋中緩凝粘合劑應填充充盈,肋中無緩凝粘合

劑或填充不充盈者不得使用。 該材料進場后下料時,應

留取同條件固化試樣,每件試樣長度不少于 100 mm,每

批不少于3 件觀察緩粘結(jié)劑的固化情況[1]

。

進場驗收合格的緩粘結(jié)預應力鋼絞線在成品堆

放期間,應按不同規(guī)格分類堆放于溫度變化不大、通

風良好的倉庫中。 存放應遠離熱源,嚴禁太陽暴曬,

按產(chǎn)品說明書溫度存放[3]

。

錨具、夾具進場驗收:按合同核對錨具、夾具的型

號、規(guī)格、數(shù)量及適用的預應力筋品種、規(guī)格和強度等

級外,還應核查產(chǎn)品質(zhì)量保證書(應具有可追溯性)。

其內(nèi)容應包括產(chǎn)品的外形尺寸,硬度范圍,適用的預

應力筋品種、規(guī)格等技術(shù)參數(shù),生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批次

等[4]

,并通知施工單位按規(guī)范要求進行見證取樣

送檢。

填充體進場驗收:核查生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品質(zhì)量

證明書、型式檢驗報告、由其產(chǎn)品填充的空心板耐火

性能達到 90 min 的檢驗報告,并通知施工單位按規(guī)

范要求進行見證取樣送檢。 現(xiàn)場檢查填充箱中部是

否有漏漿孔,且漏漿孔的下部是否為倒漏斗型,以保

證填充材料底部混凝土的澆筑質(zhì)量操作及抗浮的

要求。

預應力張拉前,要求對張拉設(shè)備進行報驗,查驗

預應力張拉設(shè)備是否在校驗期內(nèi)(不應超過半年),

且應配套進行校驗;查驗張拉設(shè)備壓力表的精度(不

應低于 1. 5 級)。

重點檢查預應力梁板的底模及支架,在預應力張

拉前嚴禁拆除。

4. 1. 3 見證取樣送檢

緩粘結(jié)預應力筋:由同一規(guī)格、同一生產(chǎn)工藝生

產(chǎn)的緩粘結(jié)預應力鋼絞線質(zhì)量不大于 60 t 組成一批,

每批抽樣數(shù)量為 3 根[3]

,進行預應力鋼絞線力學性

能、緩凝粘合劑、護套型式檢驗。 其中,緩凝粘合劑檢

驗項包括外觀、不揮發(fā)物含量、初始粘度、PH 值、固化

后力學性能(彎曲強度、抗壓強度、拉伸剪切強度)

等;護套檢驗項包括護套厚度、肋寬、肋高、肋間距、拉

伸斷裂強度、斷裂伸長率。

錨具、夾具:進行硬度檢驗、靜載錨固性能試驗。

其中硬度檢驗應從每批產(chǎn)品中抽取 3% 且不應少于 5

套樣品進行檢驗,硬度值應符合產(chǎn)品質(zhì)量保證書的規(guī)

定[4]

;靜載錨固性能試驗應在外觀檢查和硬度檢驗均

合格的錨具、夾具或連接器中抽取樣品,與相應規(guī)格

和強度等級的預應力筋組裝成 3 個預應力筋———錨

具組裝件,進行靜載錨固性能試驗[4]

。 夾具用量較少

時,如由生產(chǎn)廠提供有效的靜載錨固性能試驗合格的

證明文件,可僅進行外觀檢查、硬度檢驗[4]

。

填充體:對 LPM 聚苯乙烯填充體進行復檢,檢驗

內(nèi)容包括外觀質(zhì)量、尺寸偏差、密度、承載性能等。

4. 2 事中控制

采用平行檢驗、巡視檢查、旁站監(jiān)理等方法手段,

對施工過程進行監(jiān)理。 在過程中如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題,采

用口頭告知、下發(fā)監(jiān)理通知單等方法要求施工單位整

改,具體從以下方面進行控制。

4. 2. 1 施工階段圍繞施工過程進行平行檢驗、巡視

檢查及驗收

緩粘結(jié)預應力筋安裝前:監(jiān)理工程師在平行檢驗

和巡視檢查時,需檢查標示的張拉適用期和固化時間

(標準張拉適用期為 180 d,標準固化時間為 540 d),

確認是否符合工程要求;檢查固定端組裝件、確認組

裝件安裝可靠。 檢查外包護套外觀:輕微破損,可采

用外包防水聚乙烯膠帶或熱熔膠棒進行修補,嚴重破

損的應予以報廢。 制作緩粘結(jié)預應力筋的鋼絞線不

應有死彎,鋼絞線中每根鋼絲應是通長的[1]

。

錨具、夾具和連接器使用前,監(jiān)理工程師還應進

行外觀檢查,保證其表面無污物、銹蝕、機械損傷和

裂紋。

預應力筋安裝過程中或隱蔽驗收時:監(jiān)理工程師

重點檢查預應力筋數(shù)量、水平布置及矢高,查看定位

2023 年 11 期 總第 305 期 殷 芝·基于緩粘結(jié)預應力技術(shù)在大跨度空心樓蓋中應用的監(jiān)理質(zhì)量控制 ·99·

鋼筋間距、數(shù)量、高度是否滿足圖紙要求。 預應力筋

鋪放各自平行,嚴禁扭絞,確保與外邊軸線垂直。 各

交叉點標高較低的預應力筋應先行鋪放,較高次之。

同時檢查固定端、張拉端的錨具及錨板是否按圖紙節(jié)

點設(shè)置。 固定端的錨具與承壓板緊貼,嚴禁承壓板重

疊;張拉端承壓板可靠固定在端部模板上,且保持與

張拉作用線垂直。

同理,監(jiān)理工程師還應檢查、驗收填充體完好情

況,若表面出現(xiàn)破損,應及時修補,當破損面積超過總

表面積的 30% 時,應予更換。 要重點檢查填充體的

抗浮錨固措施是否滿足圖紙和施工方案要求,確保每

個單元體不小于 4 個固定點。

4. 2. 2 旁站監(jiān)理

混凝土澆搗旁站監(jiān)理:監(jiān)理人員在旁站時,嚴格

監(jiān)督施工單位按照施工方案整體分層連續(xù)澆筑混凝

土,盡量縮短間歇時間,并在前層混凝土初凝之前將

次層混凝土澆筑完畢,層間間歇時間不可大于混凝土

初凝時間。 觀察填充體是否存在上浮現(xiàn)象,檢查預應

力筋是否有移位、上浮現(xiàn)象,如有必須停止?jié)矒v,重新

綁扎固定。 澆搗時嚴禁碰撞踏壓預應力筋及護套、定

位筋以及端部組件;其固定端和張拉端必須振搗密

實。 除按施工規(guī)范要求留置混凝土試塊外,尚應根據(jù)

需要多留置同條件養(yǎng)護試塊,以檢驗強度確定張拉

日期。

預應力筋張拉旁站監(jiān)理:監(jiān)理人員需監(jiān)督施工人

員嚴格按施工圖紙、施工方案,采用應力應變雙控張

拉,校核最大張拉力下的預應力鋼絞線伸長值,實測

伸長值與計算伸長值的偏差控制在 ± 6% 之內(nèi)[5]

。 按

規(guī)范要求逐根填寫張拉記錄表,并留好影相資料。

張拉端處理及端頭封堵旁站監(jiān)理:監(jiān)督施工人員

將張拉中的穴模清理干凈,切割后預應力筋外露長度

不得小于 30 mm,夾片及端頭用防腐油脂或環(huán)氧樹脂

均勻涂抹,并用微膨脹細石混凝土或無收縮砂漿進行

封閉。

4. 3 事后控制包括

4. 3. 1 驗收

依據(jù)設(shè)計文件、施工方案及《緩粘結(jié)預應力混凝

土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 ( JGJ 387—2017)、《混凝土結(jié)構(gòu)工

程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》 (GB 50204—2015) 等相關(guān)規(guī)

程、規(guī)范,監(jiān)理工程師在施工單位自檢合格的基礎(chǔ)上,

嚴格按程序組織各檢驗批、隱蔽工程驗收。 監(jiān)理機構(gòu)

日常工作中,需認真做好質(zhì)控資料的收集和整理,如

經(jīng)審批的施工技術(shù)方案;設(shè)計變更文件;緩粘結(jié)預應

力筋、錨具、連接器的出廠質(zhì)量合格證、出廠檢驗報

告、進場復驗報告;張拉設(shè)備配套標定報告;加工、組

裝緩粘結(jié)預應力筋張拉端、固定端質(zhì)量驗收記錄;緩

粘結(jié)預應力筋安裝質(zhì)量驗收記錄;隱蔽工程驗收記

錄;張拉時同條件養(yǎng)護試塊混凝土抗壓強度檢驗報

告;緩粘結(jié)預應力筋張拉記錄;封錨記錄;同條件固化

觀察記錄等[1]

。 如果預應力專項驗收時緩粘結(jié)劑還

沒達到固化時間,可根據(jù)環(huán)境溫度和固化程度推斷是

否滿足設(shè)計要求,固化期不宜超過 2 年[1]

。 在以上資

料均完整且符合要求的情況下,經(jīng)施工單位自評合格

后,在質(zhì)量安全監(jiān)督站監(jiān)督下,由總監(jiān)理工程師組織

各參建單位進行緩粘結(jié)預應力混凝土分項工程驗收。

4. 3. 2 成品保護及觀察

混凝土澆搗后應加強早期養(yǎng)護,防止混凝土裂

縫。 預應力張拉前禁止拆除底模和支撐架。 在后續(xù)

施工或使用中,該樓板上嚴禁超荷堆載。

妥善保存留取的緩粘結(jié)預應力筋同條件固化試

樣,繼續(xù)觀察緩粘結(jié)劑的固化情況。

5 結(jié)語

通過緩粘結(jié)預應力技術(shù)在閩南佛學院項目之齋

堂綜合樓中的應用,可見該項技術(shù)不僅能滿足公共建

筑所追求的大跨度、大空間效果,相比傳統(tǒng)的預應力

技術(shù),施工更便捷,節(jié)約勞力,節(jié)約工期,綜合效益更

好。 在施工過程中,監(jiān)理機構(gòu)應從事前、事中、事后三

個階段,按照監(jiān)理程序采用旁站、巡視、平行檢驗方法

開展監(jiān)理工作,對工程質(zhì)量進行控制,保證工程質(zhì)量。

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 緩粘結(jié)預應力混凝

土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 387—2017[ S]. 北京:中國建筑工

業(yè)出版社,2017.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國

家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 建設(shè)工程監(jiān)理規(guī)范:GB/ T

50319—2013[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 緩粘結(jié)預應力鋼絞線:

JG/ T 369—2012[S]. 北京:中國標準出版社,2012.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 預應力筋用錨具、

夾具和連接器應用技術(shù)規(guī)程:JGJ 85—2010 [ S]. 北京:

中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 郝玉松,張栩琿,侯煦新一,等. 某大跨度緩粘結(jié)預應力

空心樓蓋施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 施工技術(shù),2017,46(03).

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù)的探索與實踐

蘇亞森

(福建七建集團有限公司 福建漳州 363119)

摘 要:現(xiàn)澆鋼筋混凝屋面大跨度不規(guī)則弧形梁,施工工藝復雜,技術(shù)要求高,傳統(tǒng)工藝的精度和質(zhì)量均無法保證。 為

此,將施工技術(shù)利用 CAD 配合 BIM 建模深化,探索并解決了孤形梁模板成型質(zhì)量問題、材料損耗問題和模架定位難等問

題,使屋面不規(guī)則弧形梁成型質(zhì)量大幅升高,觀感效果極佳,符合設(shè)計及施工規(guī)范要求,同時,縮短了工期,降低了成本。

關(guān)鍵詞: 現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面;不規(guī)則弧形梁;BIM 建模;施工控制技術(shù)

中圖分類號:TU74 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0100 - 05

Exploration and Practice of Construction Control Technology for Irregular Curved Roof Beams

SU Yasen

(Fujian Qijian Group Co. ,Ltd. ,Zhangzhou 363119)

Abstract:The large - span irregular curved beam of cast - in - place reinforced concrete roof has complex construction techniques and high

technical requirements, and the accuracy and quality of traditional techniques cannot be guaranteed. To this end, the construction technology was deepened by combining CAD with BIM modeling, exploring and solving problems such as the quality of arc beam formwork forming, material loss, and difficult positioning of formwork. This significantly improved the quality of irregular arc beam forming on the roof,

resulting in excellent visual effects and meeting the requirements of design and construction specifications. At the same time, it shortened

the construction period and reduced costs.

Keywords:Cast - in - situ reinforced concrete roof;Irregular curved beam;BIM modeling; Construction control technology

作者簡介:蘇亞森(1965. 2— ),男,高級工程師。

E-mail:553176801@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 12

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,越

來越多民用建筑設(shè)計在滿足經(jīng)濟適用的同時,也追求

獨特、優(yōu)美的線條及立面造型。 屋頂設(shè)計采用不規(guī)則

弧形梁,創(chuàng)新建筑品效,此類建筑構(gòu)件施工工藝復雜,

技術(shù)要求很高,傳統(tǒng)的模板支撐體系、模板安裝鋪設(shè)

工藝、過程材料、工藝施工精度較難控制,施工實體質(zhì)

量無法保證。 同時,因為工藝控制不精準,不能一次

成型成效,經(jīng)常出現(xiàn)返工和后期的修補,造成材料浪

費、成本增加和工期延長。 因此,如何利用新技術(shù)、新

工藝來提高施工質(zhì)量、縮短工期、降低施工成本,達到

“創(chuàng)新、創(chuàng)優(yōu)、創(chuàng)效”,尤為重要。

1 工程概況

漳州一中高中部項目位于漳州市薌城區(qū)西湖生

態(tài)園片區(qū)前山南路。 項目占地 12 hm

2

,總建筑面積

155 600 m

2

,由 6 棟教學樓、3 棟實驗樓、4 棟宿舍樓和

藝術(shù)樓、行政綜合樓、圖書館、禮堂、體育館各一棟等

共 18 棟群體多、高層建筑組成。 結(jié)構(gòu)質(zhì)式為地下一

層,地上二 ~ 十三層框架(剪)結(jié)構(gòu),其中地下室建筑

面積35 500 m

2

,地上建筑面積120 100 m

2

。 各棟突出

屋面的屋頂造型群體單梁采用不規(guī)則弧形梁設(shè)計,屋

頂弧形架空線條別具一格,設(shè)計采用朱紅色裝飾面與

外墻立面裝飾統(tǒng)一格局,深淺色澤分界清新。 屋頂裝

飾裝修的立體效果,與建筑物四周以“海綿城市” 設(shè)

計理念相呼應,把新型建筑元素注入校園,融入傳統(tǒng)

建筑風格,傳承與打造閩南地域文化特色,彰顯群體

清色建筑弧形屋面格局,遠近視覺優(yōu)美。

2 工程重難點

2. 1 技術(shù)難度大

本工程中,教學樓、實驗樓、藝術(shù)樓、行政綜合樓、

禮堂、體育館屋面均設(shè)計弧型梁,其弧線長度從 13 m ~

43 m,共有 11 種不同的弧度半徑,從 28 m ~ 196 m,坡

2023 年 11 期 總第 305 期 蘇亞森·屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù)的探索與實踐 ·101·

頂與坡底的高差大、坡率陡,不同弧度半徑交接點、拐

點多。 施工時需要控制的重點:模板及支撐的高精度

放樣、定位;弧形模板的選材、制作、安裝,支撐架的選

型;鋼筋加工、安裝以及現(xiàn)澆混凝土澆筑等方面;各道

施工工序既有內(nèi)在關(guān)聯(lián),又各有施工難度,過程質(zhì)量

控制偏差要求嚴格,如圖 1 所示。

圖 1 行政樓建施屋架立面圖

2. 2 安全要求高

本工程樓層高度高,最高點標高 33 m,地處沿海

臺風地帶,屋面風力大、風壓大、弧形梁坡率較陡,加

之夏季高溫作業(yè),在提倡質(zhì)量的同時,也要提高安全

生產(chǎn)管理水平。

3 弧形梁施工控制技術(shù)

3. 1 施工準備

(1)技術(shù)準備

施工前,項目部組織有關(guān)人員進行詳細的圖紙學

習,領(lǐng)會設(shè)計意圖,了解設(shè)計要求,做好圖紙會審工

作。 結(jié)合施工條件,對工程項目的做法進行認真研

究,針對屋面大跨度弧形梁編制《屋面大跨度弧形梁

模板專項施工方案》,經(jīng)企業(yè)技術(shù)負責人、項目總監(jiān)理

工程師審批后組織實施。 針對本工程弧形梁弧度變

化較大,交接點位置較多,且在一個弧度交接位置放

樣的定位、立桿的定位、弧形梁底模的定位,技術(shù)負責

人向管理人員及班組長進行詳細的技術(shù)交底,對重點

部位進行單獨交底,并制定了工藝標準流程圖,如圖

2 所示。

(2)人員準備

抽調(diào)經(jīng)驗豐富、技術(shù)水平較高的技術(shù)工人進行施

工,并設(shè)專人負責,做到分工明確。

(3)材料準備

根據(jù)施工要求及材料進場計劃表,及時按材料管

理制度進料,所有主材必須有出廠合格證,鋼管、扣

件、鋼材、水泥、砂石料等,方能滿足要求放行。

圖 2 工藝標準流程圖

3. 2 模板施工工藝優(yōu)化

3. 2. 1 應用 CAD 及 BIM 技術(shù)輔助模板及支撐高精

度放樣

利用矢高法在 CAD 快速建模分解,根據(jù)弧度和弧長

大小,合理制定控制點,分解出各個控制點的高程和點與

點之間的弧度和弧長,標出各控制點之間的距離和高度

坐標,利用 BIM 技術(shù)進行建模[2]

,配合施工現(xiàn)場施工,提

高工作效率和質(zhì)量,減少錯誤和風險,如圖3 所示。

·102· 福 建 建 筑 2023 年

圖 3 CAD 及 BIM 建模深化

3. 2. 2 模板、支撐選型以及支撐搭設(shè)要求

(1)選用塑性良好的竹膠板制作梁模板,選擇安

全性可靠性較高的承插式盤扣架作為模板支撐。

(2)根據(jù) CAD 分解的數(shù)據(jù),結(jié)合高支模方案立桿

定位圖定出立桿排布點,對弧形梁的定位,在現(xiàn)場架

體搭設(shè)層放線,定出控制點,逐步縮小控制點間距,放

出弧線;用全站儀對弧線任一點使用“前方交匯” 復

核并修正,引線至操作層支模;結(jié)合 BIM 建模成型數(shù)

據(jù)和效果,根據(jù)現(xiàn)場施工情況多次復核,如圖 4 所示。

圖 4 弧形梁支撐搭設(shè)

3. 2. 3 利用 BIM 技術(shù),精確制作模具

(1)利用 BIM 建模所得到的數(shù)據(jù),現(xiàn)場精確制作

模具,如圖 5 所示。

(2)制作梁底木枋次楞時,應根據(jù)弧度,將梁底模

邊緣木枋背楞每隔 7 cm 開“V”型槽[3]

,“V”型槽寬度

和深度根據(jù)梁的弧度而定。 木枋背楞沿著弧形梁底模

邊緣做齊,保證弧形梁底模陽角弧度,如圖 6 所示。

圖 5 根據(jù) BIM 模型分解現(xiàn)場制作模具

圖 6 根據(jù) BIM 模型對木枋開“V”型槽

3. 2. 4 合理選用加固方式

(1)制作弧形梁側(cè)模加固次楞時,根據(jù)弧度將木

枋對接的一側(cè)鋸成“V”字型,用以加固弧形梁[3]

。

(2)弧度小的部位,采用 2 m 短木枋作為側(cè)模背

楞;弧度較大,木枋背楞應開豁口彎折,以達到最佳效

果。 個別弧度過大的部位,可使用粗鋼筋代替加固背

楞,以減少開槽木枋。 根據(jù)不同弧度,采用不同的加

固方式,如表 1 及圖 7 所示。

表 1 側(cè)模加固方式表

所用單位

弧度較小部位

(30°以下)

弧度適中部位

(30°至 60°)

弧度較大部位

(60°以上)

模塊 鏡面板 鏡面板 鏡面板

側(cè)向背楞

橫向設(shè)置

木枋兩端開“V”

型口,折成弧度

橫向設(shè)置

森枋兩端開“V”

型口折成弧度

木枋 兩 端 開 “ V”

型口折成弧度,個

別部 分 可 利 用 直

徑 25 以 上 三 級

鋼,變曲成弧度

圖 7 粗鋼筋代替加固

3. 3 鋼筋加工、安裝

弧形梁梁筋通過所建 BIM 模型放樣后,根據(jù)放樣

的角度,采用彎曲機完成,以保證鋼筋保護層的均勻

性。 鋼筋的安裝,應嚴格按照設(shè)計和施工驗收規(guī)范要

求完成。 在屋脊標高處沿屋脊方向每隔約 2. 0 m 加

設(shè)一根高于屋脊的鋼筋彎鉤[4]

,以便工人在屋面混凝

土澆筑和屋面防水施工中固定安全繩。

2023 年 11 期 總第 305 期 蘇亞森·屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù)的探索與實踐 ·103·

3. 4 混凝土的澆筑

(1)為充分保證混凝土澆筑質(zhì)量,澆筑前,勞動

力和機具應準備齊全。 項目部組織人員進行最后一

次檢查和控制,對模板、鋼筋、保護層、預埋件等規(guī)格、

尺寸、數(shù)量、位置等進行檢查,檢查合格后才進行混凝

土的澆筑。

(2)本工程所用混凝土為商品混凝土,利用塔吊

運至澆筑部位進行澆筑。 由于弧形梁弧度較大,混凝

土的流動性不能太大,必須嚴格安裝混凝土配合比進

行配置,控制混凝土的水灰比和塌落度,同時應保證

混凝土的密實度。 根據(jù)以往工程經(jīng)驗和實際應用,混

凝土的塌落度應控制在 120 mm ~ 150 mm,能有效避

免混凝土由于自重作用產(chǎn)生流動及流墜現(xiàn)象,以保證

混凝土施工質(zhì)量。 弧形梁混凝土按檢驗批由高到低

整體分層進行澆筑,每層厚度不得大于 300 mm,并及

時進行振搗,同時應加強對支撐系統(tǒng)的變形監(jiān)測。

(3)使用直徑 30 mm 或 50 mm 插入式振搗棒,要

做到快插慢拔,插入點按梅花形布置,按澆筑順序進

行,不得遺漏。 移動間距不大于振搗棒作用半徑的

1. 5 倍(50 mm 振搗棒移動間距不大于 50 cm;30 mm

振搗棒移動間距不大于 40 cm),振搗上一層時,插入

下一層混凝土 5 cm,以消除兩層間的接縫。 振搗時間

以不再出現(xiàn)氣泡、下沉,混凝土表面出現(xiàn)浮漿為宜[1]

。

(4)混凝土澆筑時,每根弧形梁必須一次性澆筑

完成,中間不允許留施工冷縫。

(5)混凝土收水初凝前,必須采用木抹進行二次

抹壓,以消除混凝土因收縮和自重而產(chǎn)生的裂縫[1]

。

3. 5 混凝土的養(yǎng)護

混凝土初凝前,應派專人負責進行塑料薄膜覆蓋

養(yǎng)護,并進行測試記錄;保濕養(yǎng)護持續(xù)時間為 14 d。

養(yǎng)護期間應經(jīng)常檢查塑料薄膜的完整情況,應保持混

凝土表面濕潤[1]

。

3. 6 質(zhì)量管理措施

(1)搭設(shè)模板支架用的盤扣支架材料質(zhì)量應滿

足方案設(shè)計和相關(guān)規(guī)程要求,所用盤扣支架及配件應

有產(chǎn)品標識和產(chǎn)品質(zhì)量合格證。 當對支架質(zhì)量有疑

問時,應進行質(zhì)量抽檢和試驗。

(2)確保各工序的檢查和驗收工作得到認真對

待,嚴格把關(guān)各工種的交接環(huán)節(jié),確保各個環(huán)節(jié)緊密

銜接。 加強檢查驗收工作,找出影響質(zhì)量的薄弱環(huán)

節(jié),并提出改進措施,將質(zhì)量問題消除在萌芽狀態(tài)。

(3)嚴格執(zhí)行班組內(nèi)部自檢、互檢、交接檢以及

項目整體質(zhì)檢的“四檢” 制度,確保模板安裝質(zhì)量得

到充分保障。

(4)在混凝土澆筑過程中,要定期檢查支架和支

承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,一旦發(fā)現(xiàn)下沉、松動或變形等情況,

應立即停止施工作業(yè),并及時上報,采取相應的加固

措施,防止物體墜落和支撐系統(tǒng)局部坍塌。

(5)在支撐架體的實際施工中,要嚴格控制荷載,

確保分散堆放,不得超過設(shè)計荷載。 對于可能出現(xiàn)的

超過最大荷載的情況,要有相應的跟進控制措施。

(6)對于變形或損壞的模板及配件,要按照規(guī)范

要求及時進行修理和校正。 維修質(zhì)量不合格的模板

和配件不得發(fā)放使用。

(7)在模板拼接過程中,要嚴格控制精度。 所有

模板拼縫,包括梁底模與側(cè)模、柱與梁等節(jié)點處應保

持嚴密,模板縫隙采用膠帶紙貼縫,確?；炷敛?/p>

漏漿。

(8)模板安裝時,要嚴格控制軸線、平面位置、標

高、斷面尺寸、垂直度和平整度等方面的要求。 同時,

還要確保模板接縫寬度、高度、脫模劑刷涂,及預留洞

口等的準確性。

3. 7 安全管理措施

(1)施工前,由施工員向作業(yè)班組進行詳細的方

案、質(zhì)量、安全技術(shù)交底,并作好職工三級安全進場及

操作規(guī)程教育,下達工程施工任務,使班組明確有關(guān)

質(zhì)量、安全、進度等要求。

(2)所有作業(yè)人員均持證上崗,進入工地必須按

規(guī)定佩戴安全防護用品,嚴禁穿高跟鞋及硬底鞋作

業(yè)。 高處作業(yè)應遵守安全技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

(3)模板支撐系統(tǒng)在安裝過程中,必須設(shè)置防傾

覆的可靠臨時設(shè)施。 現(xiàn)場應搭設(shè)專門的工作梯,作業(yè)

人員不得爬模上下。 登高作業(yè)時,工具、零配件應放

在專門的工具箱或工具袋中,嚴禁放在模板或腳手架

上。 各種工具應系掛在作業(yè)人員身上或放置在專門

的工具袋中,防止吊落傷人。

(4)在施工前,必須保證腳手架的操作層有滿鋪

腳手板、維護欄桿(板)、密目網(wǎng)、安全網(wǎng),并經(jīng)專職安

全員檢驗合格,方可開始下一道工序施工。

(5)因屋面弧度較大,操作工人無法在屋面站

穩(wěn),所以操作人員必須系好安全繩。 安全繩應固定在

屋脊處專門設(shè)置的鋼筋彎鉤上,當完成一處時,再固

定到相鄰的鋼筋彎鉤上。

(6)使用振搗器前,必須經(jīng)電工檢驗確認合格后

方可使用;開關(guān)箱內(nèi)必須裝設(shè)漏電保護器,插座插頭

應完好無損,電源線不得破皮、漏電;操作者必須穿絕

緣鞋,戴絕緣手套。

(7)模板搭設(shè)時,應保證安全照明及空氣的流通。

·104· 福 建 建 筑 2023 年

(8)在支撐搭設(shè)、拆除和澆筑混凝土時,無關(guān)人

員不得進入支模底下。 應在適當位置掛設(shè)警示標志,

并指定專人監(jiān)護。 拆模應嚴格遵守從上而下的原則。

嚴守“先支后拆,后支先拆,先拆側(cè)模,后拆底?！?的

施工順序,并在拆模時注意人身安全。

(9)在拆模過程中,如發(fā)現(xiàn)混凝土有影響結(jié)構(gòu)安

全的質(zhì)量問題時,應暫停拆除工作,經(jīng)過研究處理后,

方可繼續(xù)拆除。

(10)拆除前應做好安全技術(shù)措施,逐級進行技術(shù)

交底,消除腳手架上雜物及地面上的障礙物;劃出拆

除區(qū)域,做好宣傳工作,專人看守場地。

(11)拆下來的盤扣桿件不得從高處擲下,以防桿

件損壞或發(fā)生砸傷事故。 拆下來的配件要集中放在

工具箱內(nèi),不得從上面拋擲下來。

4 工程效果

通過以上控制措施,屋面不規(guī)則弧形梁混凝土一

次成型合格率和質(zhì)量有較大的提高,弧線結(jié)構(gòu)位置誤

差均在 5 mm 以內(nèi),觀感效果美觀,弧度順暢,交接位

置平順,效果圖如圖 8 ~ 圖 9 所示。

圖 8 現(xiàn)場成型效果二

圖 9 效果對比圖

5 經(jīng)濟效益總結(jié)

屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù)的使用,很好地

解決了模板成型質(zhì)量問題和材料損耗問題,同時大大

縮短工期,減少了后期處理弧形梁施工質(zhì)量問題的額

外費用。

屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù)的使用,使用

CAD 建模配合 BIM 建模深化,對逐條梁進行分解,解

決了弧形梁材料加工難和模架定位難的問題,共節(jié)約

工期 25 d,具有很好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

屋面不規(guī)則弧形梁施工控制技術(shù),利用 CAD 配

合 BIM 建模深化,采用合理的材料,加固的方式,解決

了弧形梁模板成型質(zhì)量問題、材料損耗問題和模架定

位難等問題,使屋面不規(guī)則弧形梁成型質(zhì)量大幅升

高,觀感效果極佳,同時縮短工期,降低了成本。 本公

司在漳州一中高中部和漳州市職業(yè)教育園區(qū)兩個項

目的屋面弧形梁均使用該技術(shù)。 漳州一中高中部項

目榮獲福建省“閩江杯” 優(yōu)質(zhì)工程獎和國家優(yōu)質(zhì)工

程,漳州市職業(yè)教育園區(qū)項目榮獲“閩江杯” 優(yōu)質(zhì)工

程獎和華東地區(qū)優(yōu)質(zhì)工程獎,極大提高了項目的聲

譽,為我公司樹立了良好的形象。

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 混凝土結(jié)構(gòu)工程施

工規(guī)范:GB 50666—2011[ S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版

社,2011.

[2] 劉天英. 試論混凝土現(xiàn)澆弧形梁一次成型質(zhì)量的控制方

法及設(shè)備應用[J]. 四川水泥,2017:223.

[3] 張濤. 混凝土現(xiàn)澆弧形梁一次成型質(zhì)量的控制方法[ J].

安徽建筑,2014,11(6):188 - 189.

[4] 趙娟. 淺談住宅工程中弧形梁的質(zhì)量控制[J]. 交通與建

筑科學,2014(11):71.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

UHPC 的研究進展及其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用

戴長明 王 琨 丁永琪 吳 浪 陳海鵬

(揚州大學建筑科學與工程學院 江蘇揚州 225127)

摘 要:超高性能混凝土(Ultra - High Performance Concrete,簡稱 UHPC),也稱作活性粉末混凝土(RPC,Reactive Powder

Concrete),是近三十年來最具有創(chuàng)新性的水泥基工程材料。 由于其優(yōu)越的性能,自問世以來,其就受到了土木工程界

的廣泛關(guān)注與應用。 為此,從它的材料研發(fā)、力學性能、在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應用、與預應力結(jié)合的應用研究以及在

未來工程中的應用與展望等方面進行了論述。

關(guān)鍵詞: 超高性能混凝土(UHPC);力學性能;型鋼 UHPC 組合結(jié)構(gòu);預應力 UHPC 結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TU5 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0105 - 04

Research progress of UHPC and its application in concrete structures

DAI Changmin WANG Kun DING Yongqi WU Lang CHEN Haipeng

(Yangzhou University College Of Architectural Science And Engineering,Yangzhou 225127)

Abstract:Ultra - High Performance Concrete(UHPC),also knownas Reactive Powder Concrete(RPC),is the most in novative cement - based

engineering material in the past three decades. Because of its superior performance,it has been widely concerned and applied by the civil engineering community since it sinception. It is discussed from the aspects of material research and development,mechanical properties,application

in reinforced concrete structures,applicati on research combined with prestressing,and application and prospect in future engineering.

Keywords:Ultra - High Performance Concrete(UHPC); Mechanical properties; Sectionsteel UHP Ccomposite structure; Prestressed UHPC structure

基金項目:揚州大學大學生科技創(chuàng)新基金資助(編號:X20220427)。

作者簡介:戴長明(2001. 9— ),男。

通訊作者:王琨(1982— ),男,教授。

E-mail:wangkun@ yzu. edu. cn

收稿日期:2023 - 04 - 04

0 引言

隨著社會的發(fā)展,科技的進步,高等級建筑對建

設(shè)材料的要求越來越高,普通混凝土顯然無法滿足建

設(shè)的需求,于是人們開始探索超高性能混凝土。 超高

性能混凝土 ( Ultra - HighPerformanceConcrete, 簡 稱

UHPC),是基于最大堆積密度理論( densifiedparticlepacking)而設(shè)計的,相比于普通混凝土,超高性能混凝

土(UHPC)不僅兼具超高的耐久性和超高的力學性

能優(yōu)勢,還具有優(yōu)良的抗爆性能以及工作性能。

人類發(fā)展到今天,對工程建設(shè)的要求越來越高,建

筑材料的使用要具備多方面性能。 如強度更高、機械

性能更好、更加環(huán)保、成本更低等要求,為滿足人類新

需求,擺脫傳統(tǒng)混凝土強度較低并且功能單一的限制,

促進超高性能混凝土(UHPC)的推廣使用,非常必要。

2004 年,瑞士完成第一個公路橋梁 UHPFRC(瑞

士將 UHPC 稱作 UHPFRC) 維修加固,其采用 30mm

配筋 UHPC 薄層加固舊鋼筋混凝土橋面板。 2011

年,在肇慶馬房大橋中,首次將 UHPC 與鋼箱梁組合,

形成輕型組合橋面,是我國 UHPC 材料的首次應用。

迄今為止,越來越多的工程中應用到 UHPC,其已成

為國際工程材料領(lǐng)域一個研究熱點[1 - 2]

。

1 UHPC 材料的研發(fā)

UHPC 作為一種具有優(yōu)異的抗壓強度、高度的耐

腐蝕性、優(yōu)異的耐火性能的通用且可靠的材料,可在

建筑行業(yè)提供一系列功能。 其獨特的特點,使其成為

廣泛應用的理想選擇,包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件、橋梁施工、海洋

結(jié)構(gòu)物和高層建筑。 UHPC 憑借其卓越的強度、耐用

性和對環(huán)境因素的抵抗力,正迅速成為世界各地建筑

項目的熱門選擇。

為了推廣超高性能混凝土(UHPC)的使用,各國

學者從原材料方面入手,以提高材料性能、降低材料

成本、提高材料可持續(xù)性、改善材料環(huán)保性能為目標

開展研究。 國內(nèi)已經(jīng)有許多學者開展了針對超高性

能混凝土(UHPC)材料的研究。

魏慧男等[3]制備超高性能混凝土(UHPC)時,采

用廢棄陰極射線管玻璃代替河砂,既有環(huán)保的意義,

又可以降低生產(chǎn)成本。 李文娟等[4]通過實驗,研究超

高性能混凝土固化焚燒飛灰的可行性,證明利用生活

垃圾焚燒飛灰,能夠制備環(huán)保型超高性能混凝土,并

且性能良好。 褚洪巖等[5]通過試驗,證明了使用環(huán)保

型細集料可以用來制備環(huán)保形 UHPC 材料。 其證明

了通過使用環(huán)保型細集料制備的環(huán)保 UHPC 材料的

力學性能與采用河砂制備的普通 UHPC 力學性能相

比更為優(yōu)秀。 陸秀麗等[6] 研究了通過增加植物纖維

對 UHPC 的力學性能、流動性、抗高溫性這三個方面

的影響, 證明了用植物纖維增強 UHPC 性能的可

行性。

·106· 福 建 建 筑 2023 年

這些研究表明,在 UHPC 材料的制備過程中,利

用廢棄物、工業(yè)廢渣等替代品可以降低生產(chǎn)成本,同

時能夠減少對自然資源的消耗和環(huán)境污染,具有環(huán)保

意義。 這些替代品經(jīng)過合理配比和處理后,可以不影

響 UHPC 材料的力學性能和耐久性能,并且還能提高

其可持續(xù)性和應用范圍。 使用焚燒飛灰、廢棄陰極射

線管玻璃等廢棄物替代傳統(tǒng)原材料,可以有效地解決

這些廢棄物的處置問題,實現(xiàn)資源化利用。 此外,使

用環(huán)保型細集料和植物纖維來增強 UHPC 的性能,可

以進一步提高 UHPC 的力學性能和可持續(xù)性,同時也

能滿足環(huán)保需求。 通過這些研究可以看出,利用廢棄

物和環(huán)保型材料制備 UHPC,是一種具有潛力和可行

性的方案,可以為 UHPC 的推廣和應用提供新的途徑

和選擇。 但是,需要注意的是,在使用這些替代品時,

要根據(jù)具體情況,精細設(shè)計配比和生產(chǎn)工藝,以保證

UHPC 的性能穩(wěn)定和可靠。

此外,還需進一步完善相關(guān)標準和規(guī)范,明確質(zhì)量

要求和檢測方法,提高行業(yè)的一致性和可信度。 在

UHPC 材料生產(chǎn)應用方面,通過對新型 UHPC 材料的研

發(fā),使得在普通工藝下,制備超高強水泥基復合材料的

方法成為了可行的方案。 目前,超高性能混凝土(UHPC)材料已在遷曹鐵路、京滬高速、滬寧城際等 10 多條

鐵路中的低高度梁及高耐久性配套構(gòu)件中成功應用,

表現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟與社會效益[7]

。 國內(nèi)超高性能混

凝土環(huán)保新型原材料的研究仍然不足,若新型的廉價

環(huán)保超高性能混凝土材料研發(fā)能夠有效降低建筑工程

成本、減少混凝土建筑、減少對天然資源的需求、減少

環(huán)境污染、提高 UHPC 材料的應用范圍,促進建筑工程

行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,符合國家節(jié)能減排、資源節(jié)約的政

策要求,同時帶來經(jīng)濟效益和社會效益。

2 UHPC 力學性能

2. 1 抗壓性能

UHPC 的抗壓強度是普通混凝土的 3 ~ 6 倍,其

優(yōu)點為可以減少材料用量,降低結(jié)構(gòu)自重,能夠適用

于高聳結(jié)構(gòu)及大跨度結(jié)構(gòu)。

趙康等[8]通過分析 UHPC 抗壓強度在不同試件

尺寸下的變化,得出以下結(jié)論:摻入鋼纖維,可以明顯

提高 UHPC 的抗壓強度,其最佳摻量為 2% 且 UHPC

有比較明顯的尺寸效應。 蘇俊等[9] 對不同尺寸粉煤

灰鋼纖維 UHPC 的立方體和棱柱體試件進行壓縮試

驗,研究不同尺寸試件的抗壓強度和壓縮破壞模式。

試驗顯示,其試件分別呈現(xiàn)韌性拉伸破壞,和脆性剪

切破壞。

2. 2 抗拉性能

UHPC 中的纖維能起到很好的拉結(jié)作用,可以保

持材料的完整性并防止其剝落,從而適用于薄壁結(jié)構(gòu)

及對抗裂要求高的結(jié)構(gòu)。

方志等[10]對 50 個強度等級為 150 MPa 的 UHPC

試樣的軸向拉伸、彎曲拉伸和劈裂拉伸性能進行了測

試,得出了鋼纖維含量和形狀對 UHPC 試件軸向拉

伸、彎拉和劈拉強度的影響關(guān)系。 結(jié)果表明:UHPC

軸向拉伸在鋼纖維體積含量小于等于 1% ,為單裂紋

開裂的應變軟化特征;鋼纖維體積含量大于等于 2%

時,為多裂紋的應變硬化特征。 楊小鈺等[11] 通過使

用分離的壓桿裝置研究 UHPC 在高應變速率條件下

的機械響應行為。 研究表明,在拉伸過程中加入微鋼

纖維,可以使 UHPC 的拉伸強度提高約 2 倍,并且

UHPC 的動態(tài)拉伸強度增加因子隨著應力速率的增

加而增加,表現(xiàn)出明顯的速率效應。

2. 3 耐久性能

UHPC 通過特殊配方,將材料分子進行有規(guī)律排

列,使其具有極低的穿透性,空氣中的有害物質(zhì)難以

滲入,從而擁有良好的耐久性,適用于材料潮濕、冰

雹、化學廠區(qū)等特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)。

楊家俊等[12] 通過設(shè)置不同風沙質(zhì)量置換率的

UHPC 試件,研究了風沙混合 UHPC 在凍融循環(huán)和硫

酸鹽浸漬條件下的耐久性。 結(jié)果表明,在機制砂骨料

中加入一定比例的風成砂可以優(yōu)化 UHPC 的力學性

能;摻有風沙的 UHPC 在硫酸鹽浸泡 60 d 以上后,抗

壓強度有一定影響,浸泡 120 d 后,試件抗壓強度有

較大損失。

超高性能混凝土(UHPC)擁有以下力學特點:其

抗壓強度通常大于 150 MPa,是普通混凝土 2 ~ 3 倍,

從而使其成為承重結(jié)構(gòu)材料的廣泛選擇之一。 例如

在橋梁建設(shè)中,UHPC 的使用不僅可以節(jié)省建造成

本,而且還能減輕橋的重量。 并且,UHPC 有著優(yōu)秀

的抗拉性能,它的抗拉強度通常大于 10 MPa,遠高于

普通混凝土的抗拉強度。 在大跨度橋梁建設(shè)中,UHPC 已成為高強度、輕量化橋梁構(gòu)件的首選材料之一。

此外,UHPC 具有很高的耐久性,能夠承受各種惡劣

環(huán)境條件和使用況,例如化學侵蝕、氣候變化、凍融循

環(huán)和碳化等。 UHPC 的耐久性能是由其抗?jié)B性、抗裂

性和抗化學侵蝕能力共同構(gòu)成的,使其在工業(yè)場館、

化工廠、地下結(jié)構(gòu)中擁有廣泛的應用前景。

未來,由于 UHPC 優(yōu)異的力學性能,其在各種工

程領(lǐng)域都將有更廣泛的應用前景[13 - 14]

。 例如,在高

層建筑和大跨度橋梁等重要工程中,UHPC 的高強

度、高韌性和耐久性將成為更加可靠的結(jié)構(gòu)材料選

擇。 在海洋工程領(lǐng)域,UHPC 的耐久性和強度使得其

具有廣泛的應用前景。 不僅在軍事工程和民用建筑

領(lǐng)域,UHPC 也廣泛應用于掩體、地下堡和飛機跑道

等方面。 UHPC 的應用潛力和前景將會越來越廣闊。

但在技術(shù)創(chuàng)新、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面,UHPC

還有很大的提高空間。

2023 年 11 期 總第 305 期 戴長明,王 琨,丁永琪,等·UHPC 的研究進展及其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用 ·107·

3 預應力在超高性能混凝土(UHPC)中的應用

隨著社會經(jīng)濟與技術(shù)的發(fā)展,單一的 UHPC 以及

高強預應力鋼筋的性能已經(jīng)很難滿足人們對于技術(shù)

和經(jīng)濟效益的需求。 將 UHPC 與高強預應力鋼筋結(jié)

合,可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢與特點,增加建筑

結(jié)構(gòu)的跨度和承載能力,同時縮小構(gòu)件截面尺寸,優(yōu)

化建筑空間布局,非常具有發(fā)展?jié)摿Α?因此,對于預

應力在超高性能混凝土中的應用,是一個十分具有發(fā)

展空間和經(jīng)濟效益的研究。 許多人也對預應力在超

高性能混凝土中的應用進行了進一步的研究。

其相關(guān)應用如下所示:秦昊等[15] 通過 8 個足尺

寸預應力 UHPC 梁的恒載升溫試驗,采用預埋測溫塊

采集梁內(nèi)部溫度變化,再根據(jù)撓度變化幅度和變化速

率獲得梁的耐火極限。 發(fā)現(xiàn)預應力鋼筋保護層厚度

越大,UHPC 梁的耐火極限越高,且有粘結(jié)預應力梁

的耐火性能明顯優(yōu)于無粘結(jié)預應力梁。 馬熙倫等[16]

建成一座 4 m ~ 30 m 預應力 UHPC 連續(xù)箱梁橋,并利

用一個 30 m 預應力 UHPC 小箱梁進行了足尺試驗,其

受力性能滿足設(shè)計驗算要求,經(jīng)濟效益明顯提高。 鄧

宗才等[17]用 100 t 推拉千斤頂對 3 根預應力和一根非

預應力 UHPC 梁進行兩點上下反復加載,發(fā)現(xiàn)高預應

力度 UHPC 梁滯回曲線捏縮效應明顯,但其變形恢復

能力顯著優(yōu)化。 楊劍等[18] 使用試驗梁,為 6 根配置碳

纖維預應力筋的簡支 T 梁進行加載,發(fā)現(xiàn)了施加預應

力的 UHPC 梁,具有更好的變形能力和抗裂縫能力。

上述研究表明,預應力在超高性能混凝土中的應

用,能夠極大提高梁的耐火性能,提高結(jié)構(gòu)的耐火極

限;兩者的相互應用,能夠極大提高結(jié)構(gòu)的力學性能

和抗彎性能,提升結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益。 這種組合應用對

如今新時代新型建筑來說,是一個具有極其好的經(jīng)濟

效益和實用效果的方向。

但是,預應力在超高性能混凝土的應用中,也存

在著諸多的問題等待研究。 對于 UHPC 預應力結(jié)構(gòu)

在長期持荷和部分卸荷下的構(gòu)件加固、系統(tǒng)的有限元

模型分析、受不同預應力施加工藝影響等方面的研

究,還有大片空缺,仍需研究解決。 且對火災下 UHPC 的爆裂問題的研究,是基于火災中其不發(fā)生爆裂

的前提下。 因此,后續(xù)研究需考慮到火災爆裂的情

況,繼續(xù)研究溫度、荷載對于爆裂的影響。

4 UHPC 在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的應用

由于經(jīng)濟社會的發(fā)展,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在

各個性能方面,已經(jīng)很難滿足人們的需求。 所以,將各

類高性能材料的優(yōu)點集合于一體進行研發(fā),以期望制

成滿足實際需要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,是目前的研發(fā)趨勢。 其

中一個方向,便是研究 UHPC 與型鋼混凝土的結(jié)合。

通過在鋼筋混凝土梁內(nèi)配置焊接型鋼或軋制型鋼后,

與傳統(tǒng)的剛筋混凝土相比,具有承載力提高、剛度較

大、抗震、抗裂性能好等優(yōu)點,還可通過減小梁柱的截

面面積、調(diào)節(jié)軸壓比,來提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。 而

UHPC 作為近些年來的高性能新材,同普通的混凝土相

較,也具有更高強度、更高韌性、更高耐久等顯著優(yōu)勢。

目前,社會各方面的研究成果已表明,將 UHPC 應用于

型鋼混凝土中,兩者優(yōu)勢結(jié)合,構(gòu)件的截面尺寸、結(jié)構(gòu)

自重、鋼筋配置能夠有效減少,以此減少工程造價。

關(guān)于 UHPC 在型鋼混凝土應用中所體現(xiàn)出的各

項性能———卜良桃等[19]通過純型鋼與 RPC 包裹型鋼

兩者的對比實驗研究組合梁的受力性能,發(fā)現(xiàn)外包

RPC 后梁承載力大幅提升,且組合梁表現(xiàn)出優(yōu)秀的耐

久和使用性能;唐長久等[20] 通過進行足尺 UHPC 型

鋼梁受彎性能靜載試驗,得到結(jié)論:該組合梁有良好

的抗 裂 性 能, 開 裂 載 荷 可 達 極 限 載 荷 56. 4% ~

62. 6% ,遠高于傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土梁,且極限承

載力高出了 79. 9% ~ 100. 1% ;鐘振鵬等[21]通過位移

計測量 14 個 UHPC 型鋼梁的加載、自由端滑移量及

型鋼錨固方向應變,發(fā)現(xiàn) UHPC 型鋼梁的荷載滑移曲

線,與普通型鋼混凝土的粘結(jié)滑移理論相類似。

上述研究結(jié)論可以證明,UHPC 應用于型鋼梁

中,構(gòu)件的受剪性能、受彎性能、極限承載力、抗裂性

能等各項力學性能、耐久性能都能得到提高,充分發(fā)

揮了 UHPC 和型鋼的性能。 這種組合梁對如今朝著

高、大、重發(fā)展建設(shè)的新時代建筑來說,是一個不錯的

選用方向。 優(yōu)良的耐久性,使其甚至可用于長期處于

雨雪凍融、侵蝕的地區(qū)環(huán)境。 再例如,利用其較好抗

震、抗裂、耐久等性能,可將其用于高烈度區(qū),解決普

通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)易震損、施工周期長、養(yǎng)護條

件差、耐久耐腐蝕差等問題。

同時,在 UHPC 型鋼梁的研究和應用中,也存在許

多問題[22 - 23]

。 如制備 UHPC 時需要的水泥用量較大,

并且水膠比較低;以及在其較大收縮變形和徐變作用

下,對于施加預應力的構(gòu)件的預應力損失難以準確評

估;纖維種類、摻量、材料強度等 UHPC 的性能對外包

UHPC 型鋼梁又有何影響等,都還未完善,有待研究。

在未來 UHPC 的研發(fā)應用中,由于環(huán)境要求的限

制以及實際工程的成本、設(shè)備等因素影響,會使 UHPC 制備遇到高成本、無蒸養(yǎng)條件的情況,特別是在大

體積大跨度的構(gòu)件制備時,尤為突出。 針對這一現(xiàn)實

問題,可從設(shè)計骨料、試劑變化研究收縮應力應變的

一般規(guī)律,而后初步設(shè)計出低收縮、免蒸養(yǎng)的 UHPC

配比,以此為出發(fā)點,研究其與型鋼結(jié)合后的收縮徐

變、應力損失、力學性能,建立起力學模型,并推導出

計算方法,最終設(shè)計出符合要求的免蒸養(yǎng)超高性能混

凝土型鋼梁。 以此類推,對實際工程中的其他技術(shù)問

·108· 福 建 建 筑 2023 年

題,也可參照此設(shè)計思路,由單獨的 UHPC 或型鋼的

制備入手,通過參量控制,找出符合要求的材料配比

與制備工藝,再進一步研究兩者結(jié)合后的性能表現(xiàn)從

而設(shè)計出整體構(gòu)件。

5 結(jié)語

本文綜述了 UHPC 的研究成果和發(fā)展現(xiàn)狀,深入

分析了 UHPC 的力學性能,分析了 UHPC 在混凝土結(jié)

構(gòu)中的應用現(xiàn)狀和前景。

首先針對超高性能混凝土材料的研發(fā),總結(jié)了各

方研究中的環(huán)保型制備工藝,體現(xiàn)了環(huán)保工藝下,制

備 UHPC 的較高性能和環(huán)境效益,同時指出了未來發(fā)

展存在的材料用量、制備成本等限制因素。 其次針對

UHPC 的力學性能,從抗壓性能、抗拉性能、耐久性能

3 個方面展示了其優(yōu)越的力學性能,并結(jié)合現(xiàn)階段的

各方研究,描述了鋼纖維、風沙等摻和料對其的增強

效果。 與傳統(tǒng)的混凝土相比較,突出了更優(yōu)越的性能

以及更廣泛的應用前景。 最后,通過預應力在 UHPC

中的應用,以及 UHPC 在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的應用兩

方面,引證具體的相關(guān)實驗,表現(xiàn)了預應力對超高性

能混凝土耐火性和力學性能的增強,以及 UHPC 對型

鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能、耐久性能、力學性能等方

面的提高。 同時,提出預應力超高性能混凝土在各種

實際情況中的性能欠考慮及 UHPC 型鋼梁制備受環(huán)

境、成本等因素的制約等實際工程問題。

UHPC 不僅可以制作出高強度、高韌性、高耐久

性的混凝土構(gòu)件,而且還可以實現(xiàn)更為輕巧、優(yōu)美的

建筑形態(tài),滿足當代建筑設(shè)計對于構(gòu)件輕型化和形態(tài)

自由化的要求,且在橋梁、隧道等重要工程中得到了

廣泛應用。 甚至可以對節(jié)能環(huán)保做出貢獻。

綜上所述,UHPC 是一種值得深入研究的高性能

混凝土材料,在未來,隨著建筑工程對高性能和多功

能混凝土材料需求的不斷增加,UHPC 在混凝土結(jié)構(gòu)

中的應用前景將變得更為廣闊。 雖然我國在 UHPC

材料的技術(shù)研究和實際應用的起步較晚,和國際 UHPC 材料應用技術(shù)相比有一定差距,但是筆者相信,通

過我國科研人員的深入研究與探索,UHPC 材料和技

術(shù)必將在我國建筑領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

參 考 文 獻

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2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

法規(guī)對生土材料使用及建筑與室內(nèi)設(shè)計影響研究

李鎨翰

(廈門大學嘉庚學院 福建漳州 363105)

摘 要:在全球能源危機之后,生土建筑作為一種極具生態(tài)價值與地域特色的建筑形式,再度在國外建筑市場興盛。

生土材料應用廣泛,可以用于建造墻體、室內(nèi)壁爐、室內(nèi)裝飾墻以及制作涂料等。 與國外的蓬勃發(fā)展相比,現(xiàn)代生土建

筑當前在我國的發(fā)展似乎停滯不前。 究其原因,法規(guī)對于一國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展有相當?shù)挠绊憽?了解國外法規(guī)發(fā)展經(jīng)驗,將

對我國生土建筑產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展起到促進作用。 為此,從分析幾個代表性國家的生土建筑法規(guī)出發(fā),探究法規(guī)對該國生土

材料使用與生土建筑設(shè)計的影響。 并借鑒國外生土建筑法規(guī),結(jié)合我國國情展開探討。 加強與生土建筑產(chǎn)業(yè)相關(guān)專

項法規(guī)的制訂與政策扶持,推動生土建筑產(chǎn)業(yè)作為生態(tài)建筑。

關(guān)鍵詞: 建筑規(guī)范;生土建筑;產(chǎn)業(yè)

中圖分類號:TU5 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)04 - 0109 - 05

Research on the impact of regulations on the use of earth materials and architectural and interior design

LI Sunhan

(Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou 363105)

Abstract:After the global energy crisis, earth building, as an architectural form with great ecological value and regional characteristics,

has become active again in the foreign architectural market. Earth materials are widely used for building walls, indoor fireplaces, interior

decorative walls and making paints. Compared with the vigorous development of foreign countries, the development of earth architecture in

contemporary China seems to be stagnant. Investigate its reason, laws and regulations have a considerable impact on the development of a

country's industry. Understanding the development experience of foreign laws and regulations will promote the development of China's earth

construction industry chain. To this end, starting from analyzing the regulations on earth construction in several representative countries,

explore the impact of regulations on the use of earth materials and design of earth buildings in that country. And draw inspiration from foreign laws and regulations on earth architecture, and explore in combination with China's national conditions. Strengthen the formulation of

special regulations and policy support related to the earth construction industry, and promote the earth construction industry as an ecological

building.

Keywords:Building code; Earth building; Industry

基金項目:2020 年度福建省社會科學規(guī)劃基礎(chǔ)研究項目(FJ2020T004)。

作者簡介:李鎨翰(1968— ),男,教授。

E-mail:sunhan_lee2014@ 163. com

收稿日期:2023 - 03 - 15

0 引言

以不經(jīng)燒結(jié)的素土為原料,經(jīng)現(xiàn)代工藝改良的生

土建筑,具有低碳、低污染、可降解的特性,又有優(yōu)異

的室內(nèi)熱工與調(diào)濕性能,加之豐富的美學表現(xiàn)力,可

以說,現(xiàn)代生土建筑有鮮明的生態(tài)建筑特征。 因此,

近年來,生土建筑與建材成為國際關(guān)注的新焦點。 反

觀我國,在國家層面上,相比發(fā)達國家完善的生土建

筑產(chǎn)業(yè)鏈,這方面仍較為滯后。 在社會層面上,越來

越多的發(fā)達國家選擇生土作為墻體材料、室內(nèi)裝修材

料或室內(nèi)外涂料,而我國廣大人民對生土建筑的印

象,仍然停留在以前落后的技術(shù)水準和審美。

目前,國外生土材料的使用與建筑設(shè)計的發(fā)展主

要有兩個大方向:一是發(fā)達國家重視生土建材的低碳

與改善室內(nèi)物理環(huán)境特性,將重心放在改善材料性能

與開發(fā)各種預制產(chǎn)品上,同時完善相關(guān)法規(guī),讓生土建

筑能夠躋身現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)體系;二是發(fā)展中國家更注

重生土材料就地取材、加工簡易、量大價廉等特點,致力

于研究在低技術(shù)限制下,以改良傳統(tǒng)生土建筑來改善人

居環(huán)境,因此具有推動的優(yōu)勢與必要性。 我國地域?qū)拸V,

物候懸殊,各地區(qū)發(fā)展不平衡,且存在不同的需求。 所

以,國外兩種發(fā)展方向,對我國都有借鑒意義。

建筑產(chǎn)業(yè)與法規(guī)是互為因果、相輔相成的。 不論

是發(fā)達國家或是發(fā)展中國家,其生土建筑法規(guī)發(fā)展大

多由國家或行業(yè)組織根據(jù)該國技術(shù)條件與實際使用

需求進行制定,同時法規(guī)又指導、促進著該國生土建

筑設(shè)計與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 因此,本文針對不同國家的法

規(guī)情況進行分析,了解其對生土材料使用與建筑設(shè)計

的影響,希望能對我國不同地區(qū)生土建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

起到借鑒作用。

1 發(fā)達國家生土建筑規(guī)范與經(jīng)驗

1. 1 德國

1. 1. 1 德國生土建筑法規(guī)

日耳曼地區(qū)的傳統(tǒng)生土民居建筑,是半土半木結(jié)

構(gòu)(half - timber house),擁有近千年的歷史[1]

。 1944

·110· 福 建 建 筑 2023 年

年,德意志帝國制定了第一部現(xiàn)代化的生土建筑規(guī)

范:帝國生土建筑規(guī)范 ( Reichslehmbauordnung)

[1]

。

后來在此基礎(chǔ)上持續(xù)進行修訂,2009 年更名公布了

生土建筑規(guī)范 ( Lehmbau Regeln), 并沿用至今[2]

。

2013 年起,又相繼出臺了四項生土建筑 DIN 標準,它

們分別是:DIN 18945 預制生土磚的生產(chǎn)要求與檢驗

標準、DIN 18946 砌筑用生土砂漿的生產(chǎn)要求與檢驗

標準、DIN 18947 生土抹面灰漿的生產(chǎn)要求與檢驗標

準、DIN 18948 預制生土板的生產(chǎn)要求與檢驗標準。

德國一直致力于研究預制生土建材產(chǎn)品、提高施工工

藝與制訂檢驗標準,這樣能縮短現(xiàn)場施工時間,優(yōu)化

建筑品質(zhì)。 另外,德國生土建筑一直堅持采用無任何

化學添加劑的“素土” 保證生土建筑的生態(tài)性。 同

時,由于受到建筑傳統(tǒng)的影響,德國目前主流的生土

建筑技術(shù)仍是采用半土半木結(jié)構(gòu),亦即木框架結(jié)構(gòu)和

生土結(jié)合。

1. 1. 2 德國達姆施塔特住宅 House J

該建筑使用預制木框架結(jié)構(gòu)承重及預制生土磚

填充,使整個工程得以在 6 個月內(nèi)完工,同時控制在

較低的建筑成本。 由于生土內(nèi)未添加改性添加劑,不

能防水,所以建筑外觀上采用抹灰,保護生土墻面免

遭雨水的侵蝕(圖 1),但也因此無法從外觀上辨認出

是否為生土建筑;在外墻和內(nèi)墻中使用了生土材料

(共約 40 t)作為承重木框架的填充材料,保證了良好

的室內(nèi)隔熱隔音與吸濕調(diào)濕效果(圖 2),室內(nèi)環(huán)境舒

適宜人;土木結(jié)合的構(gòu)造方式也讓人想起歷史悠久的

日耳曼生土民居傳統(tǒng),有著豐富的文化意涵,如圖 3 ~

圖 4 所示。

圖1 House J 的抹灰外觀 圖2 以粘土磚填充承重木框架

圖 3 土木結(jié)合的現(xiàn)代

德國生土民居

圖 4 有千年歷史的日耳曼

傳統(tǒng)生土民居

1. 2 美國

1. 2. 1 美國生土建筑法規(guī)

美國國家標準局 1941 年首次公布了有關(guān)土坯磚

的生產(chǎn)標準《統(tǒng)一建筑規(guī)范標準———免燒粘土砌塊》

(Uniform Building Code Standards - Section 24 - 15,

2403 Unburned Clay Masonry Units and Standards)。 美

國材料試驗協(xié)會 ASTM(American Society for Testing

and Materials)于 2005 年發(fā)布了關(guān)于土墻的完整法規(guī)

《土墻建筑系統(tǒng)設(shè)計標準 ASTM E2392 》 ( Standard

Guide for Design of Earthen Wall Building Systems,

ASTM,2005),2010 年增加了地震地區(qū)的土墻設(shè)計標

準,沿用至今。 有幾個州根據(jù)各州實際情況對這些國

家標準做出了改進,包括新墨西哥州、亞利桑那州、加

利福尼亞州、內(nèi)華達州、猶他州、科羅拉多州和德克薩

斯州。

1. 2. 2 新墨西哥州土坯建筑

新墨西哥州是美國使用生土磚最多的州,1991

年,該州發(fā)布了一項關(guān)于免燒制磚和夯土的法規(guī)

(New Mexico Building Code,CID - GCB - NMBC - 91

- 1),到了 2015 年又發(fā)布了關(guān)于生土建筑材料的規(guī)

范 14. 7. 4 NMAC。 在規(guī)范中規(guī)定,土坯建筑不得超過

兩層,且在距離地面 1. 2 m 以上禁止使用未加添加劑

的土坯磚,而需使用改性固化的土坯磚,在抗壓強度

上規(guī)定固化土坯磚需不低于 2 MPa。

新墨西哥州具有豐富的土壤資源和眾多現(xiàn)存生

土建筑遺產(chǎn),尤其是土坯磚建筑。 新墨西哥州土坯磚

場自 1972 年成立以來,已發(fā)展成為世界上最大的土

坯磚場之一(圖 5),年產(chǎn)量近 50 萬塊土坯磚。 這些

土坯磚基本都添加了化學添加劑,以提高其抗壓強度

和耐水性,但此舉會產(chǎn)生日后拆除時廢料難以降解的

問題。

圖 5 新墨西哥州土坯磚場

在該州一個以傳統(tǒng)土坯建筑聞名的地區(qū),美國工

作室 Mollhaus 建造了一座外墻涂有土色灰泥涂料的

土坯住宅,新土坯建筑在體現(xiàn)現(xiàn)代美學的同時,也在

材料上尊重該地區(qū)的建筑傳統(tǒng),如圖 6 所示。

2023 年 11 期 總第 305 期 李鎨翰·法規(guī)對生土材料使用及建筑與室內(nèi)設(shè)計的影響研究 ·111·

圖 6 新墨西哥土坯建筑案例

1. 2. 3 亞利桑那州夯土建筑

1997 年,亞利桑那州皮馬縣圖森市制定了有關(guān)

生土材料和草捆建筑的法規(guī)(Uniform Administrative

Code Amendment for Earthen Material and Straw BaleStructures, Tucson / Pima County, Arizona [ USA ],

1997),之后在 2016 年進行了更新。 亞利桑那州馬里

科帕縣于 2013 年制定的建筑法規(guī)中的第三章,是關(guān)

于生土結(jié)構(gòu)和草捆建筑的法規(guī)內(nèi)容(Maricopa Association of Governments Building Code Amendments and

Standards Manual,2013)。 在皮馬縣和馬里科帕縣的

法規(guī)中都規(guī)定,水泥固化夯土墻在施工時,需要滿足

一系列指標,例如土壤中的水溶性鹽含量不得超過

0. 2% ,現(xiàn)場開采的土壤混合物料需要經(jīng)反復測試,直

至全部材料達到使用要求,水泥固化夯土墻在干燥

14 d 后強度不小于 2 MPa 等。

美國生土建筑師瑞克·喬伊(Rick Joy)在圖森市

索諾拉沙漠里設(shè)計了一座夯土住宅,落地的玻璃窗提

供了一覽無遺的沙漠風景。 墻由沙漠土壤和 3% 的

波特蘭水泥夯筑而成,西側(cè)夯土墻面采用屋頂挑檐和

加大窗口進深,以遮擋炙熱的陽光。 晚上當室外溫度

驟降時,夯土墻體會將儲存的熱量逐漸轉(zhuǎn)移到室內(nèi),

以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度(圖 7)。 同時,多孔隙的室內(nèi)土墻表

面,除了起到良好的調(diào)節(jié)濕度與提升室內(nèi)舒適度的功

能外,還呈現(xiàn)了粗獷樸拙的室內(nèi)裝飾美感。

圖 7 生土建筑案例

1. 3 澳大利亞

1. 3. 1 澳大利亞生土建筑法規(guī)

澳大利亞是最早為土坯、壓縮土塊和夯土建筑等

的設(shè)計施工制訂規(guī)范的國家之一。 《澳大利亞生土建

筑手 冊》 ( The Australian Earth Building Handbook,

Standards Australia, 2002 ) 由 澳 大 利 亞 標 準 協(xié) 會 于

2002 年出版,是主要但不限于建造單層和兩層生土

建筑的一份設(shè)計準則。 手冊的目的,是為尋求生土建

造的人提供指導。 盡管這是一份建議性文件,但它使

生土建筑標準化進程朝著全面標準邁進了一步。 該

手冊反映了水泥等固化穩(wěn)定劑在生土建造中的普遍

使用。 由于添加固化劑的墻體不怕雨水淋蝕,無須屋

頂或是墻體抹灰來保護,可以將生土材料直接暴露于

外,展現(xiàn)了生土建材的強大藝術(shù)表現(xiàn)力。

1. 3. 2 西澳長城

西澳長城為一住宅項目,位于澳大利亞西北部,

總長 230 m,是南半球最長的夯土墻結(jié)構(gòu)(圖 8)。 澳

大利亞生土建筑手冊中,給出適宜夯土的最佳土壤配

比是:砂和礫石占 45% ~ 75% ,淤泥占 10% ~ 30% ,

粘土占 20% 左右。 而建筑場地土壤經(jīng)過檢測,發(fā)現(xiàn)

具有高含量的鐵砂質(zhì)粘土,于是建筑師從附近的河床

采集砂礫等粗骨料,將土壤調(diào)至合適的配比。 平面采

取多個矩形連接(圖 9),開口較少,且暴露于環(huán)境中

的粗獷生土墻體符合生土建筑的建造邏輯,又極大表

現(xiàn)了生土材料在室外與室內(nèi)的裝飾美感。 這種住宅

的設(shè)計,表達了澳大利亞西北部的一種新的建筑理

念,獲得了 2016 年國際生土建筑獎,極大地推動了生

土建筑在澳大利亞的發(fā)展。

圖 8 西澳長城外觀

圖 9 西澳長城平面

·112· 福 建 建 筑 2023 年

2 發(fā)展中國家生土建筑規(guī)范與案例

2. 1 印度生土建筑法規(guī)

印度在 1960 年制定一部國家規(guī)范《一般建筑建

造用水泥 - 土砌塊規(guī)范》 ( Specification for soil - cement blocks used in general building construction, IS

1725,Indian Standards Institute),用來規(guī)范固化穩(wěn)定

土塊的建造,這份國家標準已沿用多年[3]

。 由于在印

度大約有一半的建筑都含有土墻,且印度有部分地區(qū)

處于地震帶,為了提高生土建筑的抗震能力,印度標

準局于 1967 年制定并在 1976 年和 1993 年修訂發(fā)布

的一項國家法規(guī)《提高生土建筑的抗震能力—導則》

( Improving Earthquake Resistance of Earthen Buildings—Guidelines,IS 13827:1993,the Bureau of Indian

Standards)

[3]

。 該法規(guī)對于生土建筑防震提出一些建

議與指導,例如在四五級地震帶生土建筑不得超過一

層;建筑物平面盡可能采取 L 型、T 型等對稱的形式,

以削弱地震對建筑的影響;采用輕質(zhì)屋頂來減小地震

帶來的沖擊。 在強度上也有明確的規(guī)定:垂直于兩個

連續(xù)墻之間的墻的長度不應大于壁厚 t 的 10 倍(圖

10);土坯在陽光下曬干 4 周后,其強度應足以支撐一

個人(60 kg ~ 70 kg)的重量,如果破裂,需要添加更多

的粘土和纖維材料,或可通過定量測試 100 mm 立方

體的抗壓強度最小值是否達到 1. 2 N/ mm

2

。 在基地

選擇上,應注意避免地下水位較高區(qū)域;基地應高于

高洪水位,或?qū)⒌孛嫣Ц叩鹊取?該法規(guī)從低成本和實

操性出發(fā),為發(fā)展中國家地震區(qū)提供了寶貴的經(jīng)驗。

圖 10 印度法規(guī)中關(guān)于抗震地區(qū)生土墻壁的規(guī)定

2. 2 印度 Phoolna 教師公寓

該慈善項目位于印度比哈爾邦北部桑德布爾

(Sunderpur),建筑包括 6 間教師公寓和一個社區(qū)交

流大廳(圖 11、圖 13)。 該項目高兩層,平面采用“L”

型形成半包圍院落(圖 12),以提高其抗震能力;同時

采用竹質(zhì)屋頂形成遮陰空間,有利于減重和室內(nèi)微氣

候改善。 地面和地基采用水泥抹面,并將一層地面升

高,防止雨水對生土墻體的侵蝕。 公寓的主要建筑材

料是村民自制的土塊和竹子,土塊多孔隙的表面,有

利于室內(nèi)吸濕調(diào)濕與降低噪聲。 該項目在 2016 年國

際生土建筑獎中,被選為合作住房領(lǐng)域最佳項目

之一。

圖 11 教師公寓外觀

圖 12 教師公寓平面

圖 13 廊下空間

3 各國生土建筑規(guī)范發(fā)展小結(jié)

3. 1 制定時間

20 世紀 90 年代,大部分國家開始大量制定或修

訂規(guī)范。 發(fā)達國家再次修訂規(guī)范的動機,主要迫于石

2023 年 11 期 總第 305 期 李鎨翰·法規(guī)對生土材料使用及建筑與室內(nèi)設(shè)計的影響研究 ·113·

油危機與氣候暖化的壓力和對社會可持續(xù)發(fā)展的追

求。 而相對于生態(tài)環(huán)保,對于發(fā)展中國家而言,就地

取材并以低技術(shù)低成本來滿足大量住房需求,則是其

制定規(guī)范更為重要的動力。

3. 2 數(shù)量與內(nèi)容

發(fā)達國家的規(guī)范一般數(shù)量多,涵蓋的生土建材與

產(chǎn)品的范圍也較廣。 發(fā)展中國家則根據(jù)自身的需求

傾向,少量卻有針對性地制定法規(guī)[4]

。 規(guī)范建設(shè)與國

家的社會條件和工業(yè)化水平相關(guān),與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著互

為因果,互相促進的關(guān)系。

3. 3 是否容許化學添加劑

許多發(fā)展中國家以及少部分發(fā)達國家如美國、澳

大利亞等,為增強生土強度與耐水性能,選擇了加入

可以改性固化的添加劑[5]

。 另一方面,歐陸主流發(fā)達

國家如德國、法國則堅持使用不加任何化學添加劑的

素土作為建筑材料,以保有生土建筑在拆除之后可以

降解回歸自然的生態(tài)特性[6]

。 截然不同的理念,促使

著這些國家在現(xiàn)代生土建造技術(shù)與建筑形式上,有著

豐富多樣的發(fā)展。

4 結(jié)語

(1) 發(fā)展生土建筑產(chǎn)業(yè)作為生態(tài)建筑產(chǎn)業(yè)鏈的

一環(huán)

英國學者 Becky Little 和 Tom Morton 在《Building

with Earth in SCOTLAND: Innovative Design and Sustainbility》一書中提到,英國二氧化碳排放量的 40% ~

50%歸因于建筑物的使用和建造,且英國有近一半的

固體廢物是由建筑業(yè)產(chǎn)生的[7]

。 根據(jù)我國住建部于

2019 年 發(fā) 布 的 《 建 筑 碳 排 放 計 算 標 準》 ( GBT /

51366—2019)內(nèi)容來看,目前市面上使用的普通硅酸

鹽水泥碳排放因子為 739 kgCOe / t,混凝土為 200 ~

400 kgCOe / t,石灰甚至超過 1000 kgCOe / t,與表上同

時在列的砂、碎石、黏土三種天然材料碳排放因子做

對比。 這些常見工業(yè)材料的碳排放,是天然建筑材料

碳排放的幾百倍甚至更多[8]

。 因此,提高生土材料在

建材中的使用比例,發(fā)展生土建筑產(chǎn)業(yè),將其作為節(jié)

能減排生態(tài)建筑產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán),應是我國日后努力的

方向[9]

。

(2)加強專項法規(guī)的制訂與政策扶持

我國目前沒有針對生土建筑的專項規(guī)范,只是在

行業(yè)標準《鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村建筑抗震技術(shù)規(guī)程》中涉及了生

土結(jié)構(gòu)房屋的規(guī)定[10]

。 規(guī)范缺乏與位階較低,一定

程度上阻礙了我國生土建筑產(chǎn)業(yè)的有效發(fā)展。 沒有

規(guī)范的文件進行指導,生土建筑工程難以進行規(guī)范化

招標發(fā)包及驗收程序,導致生土材料與其他建材處于

不對等的位置,始終處于“非正規(guī)”的尷尬境地[11]

。 由

于生土材料與生土建筑這巨大的生態(tài)優(yōu)勢是不容忽視

的,所以需要從制定專項法規(guī)起步,來帶動生土建筑產(chǎn)

業(yè)。 此外,由于我國地域廣大,發(fā)展條件懸殊,法規(guī)與

政策的制訂應同時,考慮發(fā)達地區(qū)與發(fā)展中地區(qū)的差

異性,還需具備靈活多樣、兼容并蓄的特性[12]

。

參 考 文 獻

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2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

回彈儀率定值對回彈法檢測 C25 ~ C50

混凝土強度的影響分析

郭德輝

(漳州臺商投資區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全站 福建漳州 363107)

摘 要:通過現(xiàn)場鋁模試模墩回彈強度值與芯樣抗壓強度值對比,以及采用同條件試塊回彈強度與抗壓強度對比,分

析在回彈率定值符合標準要求的前提下,不同率定值的回彈儀檢測同一試件,或同一試模墩的混凝土強度的差異;并

采用普通回彈儀與高強回彈儀對試模墩進行回彈以及試模墩芯樣抗壓值,對比分析在齡期相同的情況下,鋁模混凝土

回彈強度的差異。 常用的回彈儀器有高強回彈儀和普通回彈儀,普通回彈儀的標稱能量為 2. 207J,剛砧率定值為

80 ± 2;高強回彈儀的標稱能量為 5. 5J,剛砧率定值為 83 ± 2。 在標準允許范圍內(nèi),不同率定值對混凝土強度是否有不

同影響,鋁模體系對混凝土早期強度是否有影響? 在此將進行系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞: 回彈儀;率定值;混凝土試塊;鋁膜

中圖分類號:TU5 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0114 - 06

Analysis of the influence of the rate of rebound instrument on the rebound method for

testing the strength of C25 ~ C50 concrete

GUO Dehui

(Zhangzhou Taiwanese Investment Zone Construction Engineering Quality and Safety Station,Zhangzhou 363107)

Abstract:In this paper,through the comparison of the rebound strength value of the aluminum mold test pier and the compressive strength

value of the core sample,as well as the comparison of the rebound strength and compressive strength of the test block under the same conditions,the difference of the concrete strength of the same specimen or the same test pier detected by the rebound meter with different rated

values is analyzed under the premise that the rebound rate meets the requirements of the standard. The rebound of the test pier and the compressive value of the core sample of the test pier were carried out by using the ordinary rebound instrument and the high - strength rebound

instrument,and the difference of the rebound strength of the aluminum formwork concrete under the same age was compared and analyzed. The commonly used rebound instruments are high - strength rebound instrument and ordinary rebound instrument. The nominal energy

of ordinary rebound instrument is 2. 207 J,and the fixed value of rigid anvil rate is 80 ± 2. The nominal energy of the high strength springback instrument is 5. 5 J,and the steel anvil rate is 83 ± 2. Does the different rate setting have different effects on the strength of concrete

within the allowable range of the standard,and does the aluminum mold system have an effect on the early strength of concrete ? This article

will conduct a systematic study.

Keywords:Rebound tester; Rated value; Concrete test blocks; Aluminum film

作者簡介:郭德輝(1988. 12— ),男,工程師。

E-mail:317656322@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 26

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化率不斷提高以及土地資源不斷減

少,為了滿足人民日益增長的居住需求,住宅建筑由多

層向高層發(fā)展,鋁合金模板作為高效、綠色環(huán)保、循環(huán)

使用的建筑模板,也越來越受到建筑行業(yè)青睞。 隨著

鋁合金模板使用的普及,鋁膜體系下的混凝土(混凝土

齡期滿足回彈要求)早期強度不足的問題也在慢慢體

現(xiàn)。 通過施工現(xiàn)場成型同條件試塊的回彈值、抗壓值

以及鋁模試模墩的回彈值、芯樣抗壓值的檢測結(jié)果分

析比對相同回彈儀不同率定值、不同回彈儀不同率定

值對 C25 ~ C50 混凝土強度的影響及建議,希望可以對

現(xiàn)場的回彈檢測工作起到一定的指導作用。

1 相同回彈儀不同率定值檢測實體構(gòu)件回彈

強度數(shù)據(jù)分析

福建省某地區(qū)某高層房建工程,8#樓三層剪力墻

和梁柱節(jié)點的混凝土強度設(shè)計等級為 C45,四層梁和

板的混凝土強度設(shè)計等級為 C35,在建設(shè)單位組織的

內(nèi)部質(zhì)量檢查中,甲方隨機選取了混凝土齡期在 50 d

左右的三層剪力墻(8 - 9 / D)、四層梁柱節(jié)點(8 - 9 /

D)、四層梁板(11 / E - F),共 3 個構(gòu)件委托第三方檢

測公司采用回彈法進行混凝土強度檢驗,具體回彈檢

測結(jié)果,如表 1 所示。

2023 年 11 期 總第 305 期 郭德輝·回彈儀率定值對回彈法檢測 C25 ~ C50 混凝土強度的影響分析 ·115·

表 1 構(gòu)件回彈法檢測結(jié)果 MPa

測區(qū)編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

剪力墻(8 - 9 / D)強度平均值(Rm) 45. 7 41. 9 44. 8 44. 5 45. 0 39. 8 42. 4 42. 0 43. 2 43. 0

剪力墻(8 - 9 / D)強度換算值 55. 6 46. 6 53. 4 52. 6 53. 8 42. 0 47. 7 46. 8 49. 6 49. 1

剪力墻(8 - 9 / D)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:42. 9 平均值:49. 7 標準差:4. 16 最小值:42. 0 碳化值(mm):1. 5

節(jié)點(8 - 9 / D)強度平均值(Rm) 39. 2 39. 1 44. 6 42. 7 43. 5 — — — — —

節(jié)點(8 - 9 / D)強度換算值 41. 2 41. 0 53. 5 49. 0 50. 8 — — — — —

節(jié)點(8 - 9 / D)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:41. 0 平均值:47. 1 標準差:— 最小值:41. 0 碳化值(mm):1. 0

梁板(11 / E - F)強度平均值(Rm) 36. 3 37. 2 39. 2 37. 3 35. 4 36. 2 38. 0 37. 3 39. 2 37. 2

梁板(11 / E - F)強度換算值 35. 2 37. 0 41. 2 37. 2 33. 5 35. 0 38. 7 37. 2 41. 2 37. 0

梁板(11 / E - F)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:33. 2 平均值:37. 3 標準差:2. 51 最小值:33. 5 碳化值(mm):1. 0

該剪力墻、節(jié)點、梁板的混凝土現(xiàn)齡期回彈強度

推定值分別為 42. 9 MPa、41. 0 MPa、33. 2 MPa,低于

其強度設(shè)計等級 C45、C35。

施工單位立即組織商品混凝土公司進行現(xiàn)場回

彈排查,商混公司采用自有的回彈儀(該回彈儀率定

值在 80 MPa,且在檢定有效期內(nèi))對該構(gòu)件進行重新

回彈,回彈結(jié)果均符合強度設(shè)計等級要求;又通過觀

察節(jié)點構(gòu)件混凝土顏色發(fā)現(xiàn)無色差,且施工單位在混

凝土澆筑過程中,在交接區(qū)域梁柱節(jié)點位置采用鐵絲

網(wǎng)分隔,不存在混料問題。 施工單位立即向建設(shè)單位

提出疑義,建設(shè)單位也考慮到梁柱節(jié)點位置有限,而

且是鋼筋加密區(qū),取芯難度比較大,且取芯對結(jié)構(gòu)也

會造成損害。 在建設(shè)、監(jiān)理、施工等單位的旁站下,檢

測單位重新對該回彈儀進行率定,率定值在 78 MPa

(該回彈儀經(jīng)第三方有資質(zhì)的計量機構(gòu)檢定合格,且

在檢定有效期內(nèi))。 這雖然符合標準規(guī)范 80 ± 2 的要

求,但卻是在率定的下限值。 檢測單位立即對該把回

彈儀清潔機芯各零部件,重點清洗中心導桿、彈擊錘

和彈擊桿。 清洗后,在中心導桿上涂抹一層薄薄的鐘

表油,確保率定值率定在中間值 80 MPa。 重新對該

三個構(gòu)件進行回彈(避開原回彈痕跡),具體回彈檢

測結(jié)果,如表 2 所示。

表 2 構(gòu)件回彈法檢測結(jié)果 MPa

測區(qū)編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

剪力墻(8 - 9 / D)強度平均值(Rm) 44. 1 42. 2 45. 3 45. 6 42. 9 43. 6 45. 6 45. 1 43. 6 45. 1

剪力墻(8 - 9 / D)強度換算值 51. 6 47. 3 54. 6 55. 3 48. 8 50. 5 55. 3 54. 0 50. 5 51. 0

剪力墻(8 - 9 / D)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:47. 5 平均值:52. 2 標準差:2. 85 最小值:47. 3 碳化值(mm):1. 5

節(jié)點(8 - 9 / D)強度平均值(Rm) 41. 9 40. 6 41. 5 41. 0 41. 1 — — — — —

節(jié)點(8 - 9 / D)強度換算值 48. 4 45. 3 47. 4 46. 2 46. 4 — — — — —

節(jié)點(8 - 9 / D)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:45. 3 平均值:46. 7 標準差:— 最小值:45. 3 碳化值(mm):1. 0

梁板(8 / D - E)強度平均值(Rm) 38. 8 38. 2 36. 7 37. 4 36. 2 37. 2 37. 9 38. 5 38. 9 39. 3

梁板(8 / D - E)強度換算值 40. 8 39. 6 36. 5 37. 9 35. 5 37. 5 38. 9 40. 2 41. 0 41. 9

梁板(8 / D - E)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:35. 6 平均值:39. 0 標準差:2. 09 最小值:35. 5 碳化值(mm):1. 0

此案例表明,重復性試驗條件下,回彈法檢測混

凝土強度,隨著回彈率定值的調(diào)高而升高。

2 不同回彈儀不同率定值檢測鋁?；炷翉?/p>

度數(shù)據(jù)分析

漳州某房建高層住宅項目,鋁合金模板體系,

雙隨機抽測的 5 #樓四層剪力墻和柱的混凝土強

度設(shè)計等級為 C45 ,五層梁和板的混凝土強度設(shè)

計等級為 C40 。 試驗前在圖紙上盲取了五層二堵

墻軸線:剪力 墻 ( 6 / D - E) 、剪 力 墻 ( 1 / B - C) 以

及 1 條梁軸線為:梁板( 7 - 8 / D) ,采用回彈法檢

測混凝土強度,其中二堵剪力墻回彈推定值不滿

足設(shè)計 強 度 要 求。 具 體 回 彈 測 測 結(jié) 果 如 表 3

所示。

·116· 福 建 建 筑 2023 年

表 3 剪力墻回彈法檢測結(jié)果 MPa

測區(qū)編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

剪力墻(6 / D - E)強度平均值(Rm) 45. 6 38. 5 37. 2 35. 6 37. 8 38. 5 39. 1 36. 7 35. 4 36. 1

剪力墻(6 / D - E)強度換算值 49. 4 42. 8 41. 5 39. 0 41. 1 42. 6 42. 4 40. 5 39. 2 39. 8

剪力墻(6 / D - E)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:36. 9 平均值:41. 8 標準差:2. 99 最小值:39. 0 碳化值(mm):1. 5

剪力墻(1 / B - C)強度平均值(Rm) 36. 4 35. 8 36. 3 37. 9 34. 2 38. 7 36. 7 36. 5 39. 8 37. 4

剪力墻(1 / B - C)強度換算值 40. 4 40. 0 39. 6 40. 2 38. 5 42. 3 40. 4 39. 8 43. 1 40. 8

剪力墻1

(1 / B - C)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:38. 3 平均值:40. 5 標準差:1. 32 最小值:38. 5 碳化值(mm):2. 0

梁板(7 - 8 / D)強度平均值(Rm) 45. 7 41. 9 44. 8 44. 5 45. 0 39. 8 42. 4 42. 0 43. 2 43. 0

梁板(7 - 8 / D)強度換算值 55. 6 46. 6 53. 4 52. 6 53. 8 42. 0 47. 7 46. 8 49. 6 49. 1

梁板(7 - 8 / D)混凝土抗壓強度 現(xiàn)齡期推定值:42. 9 平均值:49. 7 標準差:4. 16 最小值:42. 0 碳化值(mm):1. 5

該剪力墻的回彈推定值 = 36. 9(MPa),剪力墻的回

彈推定值 =38. 3(MPa),均低于其強度設(shè)計等級 C45。

依據(jù)《 福建省建設(shè)工程質(zhì)量安全動態(tài)監(jiān)管辦

法》、閩建〔2018〕5 號和《關(guān)于規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強

度檢測檢驗有關(guān)問題的通知》閩建建〔2018〕40 號規(guī)

定,對該兩堵剪力墻進行取芯驗證。 剪力墻取芯部位

選擇在回彈法強度換算最低的測區(qū) 4,剪力墻取芯部

位選擇在回彈法強度換算最低的測區(qū) 5。 經(jīng)取芯抗

壓驗證,混凝土強度滿足設(shè)計等級要求,其中剪力墻

芯樣抗壓值為 53. 2 MPa,剪力墻的芯樣抗壓值為

54. 4 MPa。 施工單位介紹,在混凝土澆筑過程,都按

規(guī)范進行施工,且監(jiān)理均有旁站,杜絕了工人無私自

加水現(xiàn)象。 該項目采用鋁膜體系,混凝土的澆筑齡期

在 50 d 左右,考慮到鋁膜為快拆體系,且保溫保水的

效果較差,混凝土早期強度比較低,對混凝土回彈儀

重新率定,率定值在 79。 雖然定率值在標準范圍內(nèi),

但是在下限值。 重新對該回彈儀保養(yǎng)上油,并把率定

值調(diào)整到 81 后,將取芯部位在同一測區(qū)內(nèi)避開原回

彈點位重新彈,結(jié)果剪力墻回彈推定值為 45. 3 MPa,

剪力墻回彈推定值為 46. 2 MPa,滿足混凝土回彈設(shè)

計等級。 后又采用高強回彈儀(剛砧率定值 83)對該

部位同一測區(qū)進行回彈驗證,結(jié)果剪力墻回彈推定值

為 54. 8 MPa,剪力墻回彈推定值為 55. 3 MPa。

此案例表明,采用鋁膜體系的混凝土(混凝土齡期

在50 d 內(nèi)),用普通回彈儀進行檢測時,回彈值普遍偏

低;采用高強回彈儀的回彈推定值,更接近取芯抗壓值,

高強回彈儀的穿透力比普通回彈儀強,而且不用進行碳

化測量,可以避免鋁模假性碳化對混凝土強度換算值的

影響。

3 采用相同回彈儀不同率定值對同條件試塊

進行回彈并與抗壓值進行對比驗證

3. 1 同條件試塊試驗步驟

3. 1. 1 試塊的制做過程

在施工現(xiàn)場澆筑混凝土過程中(圖 1),每種強度

等級,由施工班組在板面上成型 4 組 12 個 150 mm ×

150 mm ×150 mm 同條件混凝土立方體試塊,成型完的

試塊在表面覆蓋薄膜;與混凝土構(gòu)件同時拆模,并放置

混凝土構(gòu)件旁邊同時養(yǎng)護。 試驗范圍從混凝土強度等

級(C25 ~ C50)(其中混凝土強度等級:C40 ~ C50 的混

凝土模板為鋁膜體系),試驗齡期按照《回彈法檢測混

凝土抗壓強度技術(shù)標準》(DBJ/ T 13 - 71—2021)規(guī)定,

等效養(yǎng)護齡期累計達到 600℃·d 以上進行。

圖 1 施工現(xiàn)場成型混凝土試塊

3. 1. 2 儀器規(guī)格型號

本試 驗 選 擇 兩 把 同 一 規(guī) 格 型 號 ( 規(guī) 格 型 號:

HT225 - B,出廠編號:21120545、21120530)的數(shù)字式

回彈儀,符合國家標準(GB / T 9138)規(guī)定要求。 經(jīng)有

資質(zhì)的計量公司檢定,檢定結(jié)果符合標準規(guī)范要求。

3. 1. 3 回彈儀的率定

重新調(diào)整率定值,率定試驗過程室溫符合 5 ~

35℃ ,確保普通和高強剛砧的表面干燥且整潔穩(wěn)固,

并放置在剛度大的物體上。 將普通回彈儀率定值一

把率定為 80、另外一把率定為 82。

3. 1. 4 試塊的測試前準備工作

試塊達到等效齡期累計達到 600℃·d 時,將試塊

分批提前 1d 運回試驗室進行。 試驗前,將試塊表面

擦凈,以澆筑側(cè)面的兩個向?qū)γ嬷糜陔娨菏綁毫υ囼?/p>

機(TYA - 3000S)的上下壓力承壓板之間,分別取試

塊的兩個側(cè)面進行進行試驗部位,手動加壓至(60 ~

2023 年 11 期 總第 305 期 郭德輝·回彈儀率定值對回彈法檢測 C25 ~ C50 混凝土強度的影響分析 ·117·

100)kN(低強度試件取低值),暫停加壓進行回彈試

驗,如圖 2 所示。

圖 2 混凝土試塊回彈試驗

3. 1. 5 試塊試驗過程

在確保抗壓力值下,由同一個人分別用普通兩把

不同率定值對混凝土試塊兩側(cè)進行回彈。 每一側(cè)面

回彈 16 個值,再從中剔除 3 個最大值和 3 個最小值,

剩下的 10 個回彈值再算平均值,作為該試塊的平均

值回彈值 Rm。

3. 1. 6 試塊的抗壓強度值

試塊回彈完畢,混凝土試塊抗壓試驗過程中連續(xù)

均勻地加荷。 混凝土強度等級≤C30 時,加荷速度取

每秒鐘 0. 3 ~ 0. 5 MPa,混凝土強度等級≥C30 且≤

C60 時,取每秒鐘 0. 5 ~ 0. 8 MPa,將試塊加荷直至破

壞,計算試塊的抗壓強度值(MPa),精確至 0. 1 MPa;

試驗數(shù)據(jù)如表 4 所示。

表 4 強度等級 C25 ~ C50 試塊回彈及抗壓強度值 MPa

強度 試塊編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 平均值

C25

率定值:80

回彈強度推定值

28. 1 28. 0 25. 6 30. 9 28. 8 28. 0 28. 1 26. 6 30. 3 27. 1 30. 0 25. 9 28. 1

率定值:82

回彈強度推定值

30. 5 29. 7 38. 7 34. 3 30. 5 30. 1 29. 6 27. 8 32. 1 29. 5 31. 5 27. 2 30. 2

率定值:80 與 82

偏差值

2. 4 1. 7 13. 1 3. 4 1. 7 2. 1 1. 5 1. 2 1. 8 2. 4 1. 5 1. 3 1. 9

試塊抗壓強度值 32. 4 31. 8 40. 6 34. 9 38. 6 34. 7 31. 8 32. 4 33. 5 37. 1 32. 2 33. 8 31. 7

C30

率定值:80

回彈強度推定值

40. 1 36. 6 39. 3 35. 4 40. 3 35. 0 33. 9 34. 5 34. 3 35. 2 35. 6 32. 8 36. 1

率定值:82

回彈強度推定值

43. 1 38. 5 40. 5 36. 7 41. 0 37. 3 35. 7 37. 0 37. 3 36. 5 35. 9 35. 2 37. 9

率定值:80 與 82

偏差值

3. 0 1. 9 1. 2 1. 3 0. 7 2. 3 1. 8 2. 5 3. 0 1. 3 0. 3 2. 4 1. 8

試塊抗壓強度值 45. 6 44. 3 45. 7 41. 1 46. 4 46. 8 44. 6 42. 8 46. 7 42. 3 45. 9 44. 9 44. 7

C35

率定值:80

回彈強度推定值

36. 2 42. 3 31. 8 36. 7 38. 4 39. 8 34. 7 41. 0 38. 9 40. 3 41. 4 38. 1 38. 3

率定值:82

回彈強度推定值

39. 1 44. 8 32. 7 40. 2 41. 9 42. 8 39. 7 42. 3 41. 5 43. 5 44. 4 40. 3 41. 8

率定值:80 與 82

偏差值

2. 9 2. 5 0. 9 3. 5 3. 5 3. 0 5. 0 1. 3 2. 6 3. 2 3. 0 2. 2 2. 8

試塊抗壓強度值 49. 6 45. 8 44. 2 46. 8 47. 7 46. 5 43. 7 48. 9 42. 1 45. 3 48. 7 48. 8 46. 5

C40

率定值:80

回彈強度推定值

36. 5 39. 1 45. 0 39. 4 41. 0 36. 7 34. 9 40. 5 41. 1 38. 5 39. 1 40. 7 39. 3

率定值:82

回彈強度推定值

44. 5 42. 3 47. 5 43. 0 42. 1 40. 7 36. 7 44. 3 43. 0 39. 8 40. 9 42. 1 42. 2

率定值:80 與 82

偏差值

8. 0 3. 2 2. 5 3. 6 1. 1 4. 0 1. 8 3. 8 2. 9 1. 3 1. 8 1. 4 3. 0

試塊抗壓強度值 51. 9 51. 8 48. 1 50. 3 49. 9 50. 9 53. 3 49. 0 52. 8 51. 2 53. 6 50. 8 51. 1

C45

率定值:80

回彈強度推定值

42. 6 37. 5 43. 7 40. 9 41. 1 44. 3 37. 6 36. 7 38. 3 42. 6 36. 1 42. 6 40. 3

率定值:82

回彈強度推定值

46. 7 43. 2 48. 0 46. 4 46. 4 49. 4 42. 8 42. 5 42. 2 46. 7 41. 5 45. 7 45. 1

率定值:80 與 82

偏差值

4. 1 5. 7 4. 3 5. 5 5. 3 5. 1 5. 2 5. 8 3. 9 4. 1 5. 4 3. 1 4. 8

試塊抗壓強度值 52. 4 60. 1 50. 9 51. 6 49. 8 61. 7 51. 6 55. 7 49. 7 46. 8 52. 3 53. 7 53. 8

C50

率定值:80

回彈強度推定值

50. 1 50. 3 49. 4 50. 8 53. 2 48. 0 42. 3 44. 3 48. 4 44. 8 42. 8 53. 5 49. 0

率定值:82

回彈強度推定值

54. 8 52. 6 53. 7 56. 7 59. 5 53. 2 49. 4 50. 9 52. 1 49. 6 47. 3 57. 8 53. 1

率定值:80 與 82

偏差值

4. 7 2. 3 4. 3 5. 9 6. 3 5. 2 7. 1 6. 6 3. 7 4. 8 4. 5 4. 3 4. 9

試塊抗壓強度值 62. 0 64. 2 63. 6 63. 9 66. 9 65. 7 62. 8 65. 3 48. 6 65. 5 61. 3 60. 5 62. 5

·118· 福 建 建 筑 2023 年

3. 2 試塊抗壓強度與普通回彈推定值分析

試驗過程中,將 80 與 82 率定值回彈的推定值偏

差值比對大小,采用格拉布斯準則法剔除異常值。 首

先對混凝土強度 C25 的試塊回彈數(shù)據(jù)進行分析,剔除

異常值后,采用統(tǒng)計法進行判別。

(1)先計算出偏差量平均值 χ?= 2. 841;

(2)計算出試驗標準差 s = 3. 348;

(3)在強度等級 C25 的偏差值中,相對于其他平

均值的殘值的絕對值的最大者為可疑值:χd = 13. 1;

(4)查格拉布斯準則的臨界值 G(ɑ,n)表,可得 G

(0. 975,12)即 G(2. 412,12);

(5)若| χd - χ?| / s≥G(ɑ,n),可判定 χd 為異常值,

|13. 1 - 2. 841 | / 3. 348 = 3. 064 大于 G(0. 975,12) =

2. 412;故 13. 1 此偏差值為異常值;

(6)剔除異常值后,采用統(tǒng)計法,求出 C25 的偏

差量平均值為 1. 8 MPa。

3. 3 利用相同的方法計算出剩余的平均值

(1)混凝土強度等級 C30,相同回彈儀不同率定

值強度推定值平均偏差量為 1. 9 MPa;

(2)混凝土強度等級 C35,相同回彈儀不同率定

值強度推定值平均偏差量為 3. 0 MPa;

(3)混凝土強度等級 C40,相同回彈儀不同率定

值強度推定值平均偏差量為 2. 9 MPa;

(4)混凝土強度等級 C45,相同回彈儀不同率定

值強度推定值平均偏差量為 4. 8 MPa;

(5)混凝土強度等級 C50,相同回彈儀不同率定

值強度推定值平均偏差量為 4. 9 MPa。

對試塊回彈數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn),強度等級在

C25 ~ C30 時,相同回彈儀不同率定值(率定值偏差

在 2)內(nèi),回彈推定值的偏差量約在 1 ~ 2 MPa;強度等

級為 C35 ~ C40 時,回彈推定值的偏差量約在 2 ~

3 MPa;強度等級在 C45 ~ C50 時,回彈推定值的偏差

量約在4 ~ 5 MPa。

4 采用不同回彈儀對試模墩(鋁模體系)進行

回彈、取芯試驗對比驗證

4. 1 試模墩鋁模模型

為了試驗數(shù)據(jù)準確性,同時考慮到現(xiàn)場實體構(gòu)件

取芯破壞結(jié)構(gòu),取芯抗壓存在難度,所以委托鋁模廠

家加工制作 6 個鋁模試模墩模型,該試模墩尺寸:400

× 400 × 200(mm)。

4. 2 試模墩制作過程

選取 3 個在建高層住宅項目(該項目模板均為鋁

模體系),按同配比(混凝土強度等級 C40 ~ C50) 分

別在施工現(xiàn)場澆筑混凝土過程中(圖 3),每種強度等

級由施工班組在板面上成型 6 個 400 mm × 400 mm ×

200 mm 同條件混凝土試模墩,與混凝土構(gòu)件同時拆

模,并放置混凝土構(gòu)件旁邊同時養(yǎng)護。

圖 3 施工現(xiàn)場成型混凝土試模墩

4. 3 儀器規(guī)格型號

本試驗選擇一把普通回彈儀(規(guī)格型號:HT225 -

B,出廠編號:21120530,率定值:80MPa)和一把高強回

彈儀(規(guī)格型號:HT550 - D,出廠編號:19050386,率定

值:83MPa)、一部混凝土鉆孔取芯機(型號 Hz - 20,出

廠編號 27772),符合國家標準 GB / T 9138 規(guī)定要求。

經(jīng)有資質(zhì)的計量公司檢定,檢定結(jié)果符合標準規(guī)范

要求。

4. 4 試模墩試驗過程

達到等效齡期累計達到 600℃·d 時且齡期不大

于 45 d,將試塊分批提前 1d 運回試驗室進行,以混凝

土同條件試塊回彈的模式,將試模墩固定在電液式萬

能材料試驗機( WA - 1000B) 上下壓力承壓板之間

(圖 4),分別取試塊的側(cè)面進行回彈試驗。 在確?？?/p>

壓力值下,由同一個人分別用一把普通不同率定值和

一把高強的回彈儀對試模墩進行回彈。 每一側(cè)面回

彈 16 個值,再從中剔除 3 個最大值和 3 個最小值,剩

下的 10 個回彈值再算平均值,作為該試塊的平均值

回彈值 Rm。 回彈結(jié)束后,立即對該批試模墩進行取

芯抗壓,如圖 4 所示。

圖 4 試模墩回彈以及取芯

4. 5 試模墩回彈值、芯樣抗壓值數(shù)據(jù)整理收集

通過以下表格對 C40 ~ C50 的試模墩回彈值、芯

樣抗壓值進行整理分析,具體回彈、芯樣抗壓檢測結(jié)

果如表 5 所示。

2023 年 11 期 總第 305 期 郭德輝·回彈儀率定值對回彈法檢測 C25 ~ C50 混凝土強度的影響分析 ·119·

表 5 強度等級 C40 ~ C50 試模墩回彈值以及芯樣抗壓值 MPa

普通回彈儀回彈(試模墩 C40)

率定值:80MPa

高強回彈儀現(xiàn)場回彈(試模墩 C40)

率定值:83MPa

試模墩芯樣

(C40)

序號 平均值 標準差 最小值 推定值 碳化(mm) 平均值 標準差 最小值 推定值 芯樣抗壓值

1 38. 6 1. 11 36. 1 36. 8 2. 0 54. 2 1. 91 50. 5 51. 1 48. 8

2 37. 3 1. 47 37. 7 34. 9 2. 0 54. 2 2. 12 52. 2 50. 0 50. 6

3 38. 1 2. 35 33. 0 34. 2 2. 0 55. 0 1. 57 53. 2 52. 4 53. 9

4 39. 2 1. 24 37. 1 37. 2 2. 0 55. 8 2. 06 53. 2 52. 4 50. 1

5 35. 9 3. 52 29. 6 30. 1 2. 0 — — < 50 — 47. 2

6 39. 4 1. 92 37. 2 36. 2 2. 0 56. 4 3. 35 50. 5 50. 9 49. 9

平均值 35. 9 51. 9 49. 9

普通回彈儀回彈(試模墩 C45)

率定值:80 MPa

高強回彈儀現(xiàn)場回彈(試模墩 C45)

率定值:83 MPa

試模墩芯樣

(C45)

1 44. 6 2. 88 40. 4 39. 9 2. 0 55. 4 1. 80 53. 2 52. 4 50. 8

2 43. 8 3. 94 40. 0 37. 3 2. 0 57. 4 3. 24 52. 8 52. 1 48. 6

3 44. 6 3. 73 40. 5 38. 5 2. 0 57. 3 3. 23 53. 6 53. 6 59. 1

4 47. 3 3. 47 44. 2 42. 1 2. 0 59. 1 2. 46 55. 2 55. 1 53. 2

5 47. 3 3. 56 43. 6 41. 4 2. 0 56. 2 2. 65 52. 8 51. 8 49. 3

6 46. 9 3. 57 42. 0 41. 0 2. 0 58. 6 3. 61 53. 6 52. 7 51. 7

平均值 40. 0 53. 5 52. 1

普通回彈儀回彈(試模墩 C50)

率定值:80 MPa

高強回彈儀現(xiàn)場回彈(試模墩 C50)

率定值:83 MPa

試模墩芯樣

(C45)

1 52. 6 3. 18 46. 1 47. 4 2. 5 60. 7 4. 04 55. 6 54. 1 54. 8

2 47. 5 3. 16 38. 3 42. 3 2. 5 58. 1 3. 34 53. 9 52. 6 56. 9

3 51. 2 4. 68 46. 4 43. 5 2. 5 63. 2 4. 77 58. 6 55. 4 54. 7

4 — — 46. 6 46. 0 2. 5 64. 5 3. 76 60. 4 58. 3 59. 8

5 50. 9 2. 78 46. 9 46. 3 2. 5 62. 6 2. 89 59. 6 57. 8 56. 3

6 — — 46. 2 46. 2 2. 5 63. 5 2. 99 60. 4 58. 6 56. 2

平均值 45. 3 58. 1 56. 5

4. 6 試模墩回彈值與芯樣抗壓值對比分析

采用統(tǒng)計法分別對試模墩強度等級 C40 ~ C50 的

回彈值與芯樣抗壓平均值進行對比分析

(1) 強度等級 C40 的高強回彈推定值與芯樣抗

壓值的平均值偏差為 2. 0 MPa;

(2) 強度等級 C45 的高強回彈推定值與芯樣抗

壓值的平均值偏差為 1. 4 MPa;

(3) 強度等級 C50 的高強回彈推定值與芯樣抗

壓值的平均值偏差為 1. 6 MPa。

通過對普通回彈儀推定值與高強回彈推定值以

及芯樣抗壓值的數(shù)據(jù)進行整理分析發(fā)現(xiàn),混凝土強度

等級在 C45 ~ C50 時, 當鋁 膜 等 效 齡 期 累 計 達 到

600℃·d 且混凝土齡期在 45 d 左右時,采用普通回

彈儀進行回彈時,混凝土強度普遍強度偏低,且碳化

偏高。 當采用高強回彈儀進行回彈時,混凝土回彈

強度值更接近設(shè)計值及芯樣抗壓值。 因為高強回彈

儀的穿透力比普通回彈儀強,而且不用進行碳化測

量,可以避免鋁模假性碳化對混凝土強度換算值的

影響。

5 結(jié)語

通過案例一以及試塊回彈推定值偏差量試驗數(shù)

據(jù)分析,從相同回彈儀不同率定值對不同等級的混凝

土強度偏差值對比發(fā)現(xiàn),隨著混凝土強度等級的提

高,不同率定值(率定值相差在 2 MPa)對混凝土強度

也逐級提高。

通過案例二以及試模墩的高強回彈推定值及普

通回彈推定值、芯樣抗壓值的數(shù)據(jù)分析,采用普通回

彈儀對鋁膜體系成型的混凝土早期強度檢測,回彈值

普遍偏低。 采用高強回彈儀的回彈推定值與試模墩

芯樣抗壓值試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),在強度等級 C40、

C45、C50 時,高強回彈儀的回彈推定值更接近試模墩

芯樣抗壓值。

(1)混凝土回彈推定值與設(shè)計強度等級偏差在一個

等級(5 MPa)左右時,把回彈儀率定值調(diào)整在上限,有可

能減少取芯情況,避免取芯對結(jié)構(gòu)的不必要破壞。 (2)

混凝土強度 C40、C45、C50 等級時,改用高強回彈儀

檢測,回彈推定值相對比較接近取樣抗壓值。

參 考 文 獻

[1] 周磊. 鉆芯回彈綜合法在梁柱(墻) 節(jié)點混凝土實體強

度檢測中的應用[J]. 福建建材,2018(07):17 - 18,98.

[2] 黃志寧,曾國良,劉衛(wèi)中,等. 回彈法檢測混凝土強度與砼

試塊抗壓強度差異的探討[ J]. 廣東水利水電,2006

(10):4 - 6,9.

[3] 福建省工程建設(shè)地方標準. 回彈法檢測混凝土抗壓強度

技術(shù)標準:DBJ/ T 13 - 71—2021[S]. 2021.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

地聚合物耐高溫性能研究進展探析

楊金棟1,2 張棟梁3 張必勝1,2 陳金盛1,2 王壇華1,2 黃金局1,2 吳文達2,3

(1. 福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司 福建福州 350004; 2. 近海公路建設(shè)與養(yǎng)護新材料技術(shù)應用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心

福建福州 350004; 3. 福州大學先進制造學院 福建泉州 362251)

摘 要:地質(zhì)聚合物是一種由堿激發(fā)劑激發(fā)鋁硅酸鹽前驅(qū)體而成的新型環(huán)境友好型無機膠凝材料,其力學性能和耐久

性能相比普通硅酸鹽水泥更優(yōu)異,被視作普通硅酸鹽水泥的實用替代品。 近年來,由于火災頻發(fā),耐高溫性能研究引

起了廣泛的關(guān)注。 地聚物經(jīng)過水化反應,得到的無定型態(tài)的硅鋁網(wǎng)狀三維凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在高溫作用下不易分解,因

此相較于傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥,擁有更優(yōu)異的耐高溫性能。 為此,整理國內(nèi)外相關(guān)研究,分析探討地聚合物耐高溫性能

的影響因素、強度變化后的機理分析,以及提高地聚合物高溫后力學性能的措施。 在此基礎(chǔ)上,提出研究展望,為地聚

物水泥耐高溫性能的進一步研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞: 地聚物;堿激發(fā);力學性能;耐高溫性能

中圖分類號:TU5 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0120 - 05

Researchprogress on high temperature resistance of geopolymers

YANG Jindong

1,2 ZHANG Dongliang

3 ZHANG Bisheng

1,2 CHEN Jinsheng

1,2

WANG Tanhua

1,2 HUANG Jinju

1,2 WU Wenda

2,3

(1. Fujian Communication Planning &Design Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350004;2. Research and Development Center of

Transport Industry of New Materials,Technologies Application for Highway Construction and Maintenance of Offshore Areas Ministry

of Transport,PRC. ,Fuzhou 350004;3. School of Advanced Manufacturing,Fuzhou University,Quanzhou 362251)

Abstract:Geopolymer,an inorganic cementitious material of eco - friendly nature,is created by the activation of aluminosilicate precursors

with alkali initiators. Its mechanical properties and durability are better than those of regular Portland cement,making it a viable substitute

for the latter. In the past few years,the study on high temperature resistance has appeal to widespread attention owing to frequent fires. The

amorphous silica - aluminum network zeolite - like three - dimensional structure makes the geopolymer have the characteristics of ceramics,

which is not easy to decompose under high temperature,contributing to much better high temperature resistance than ordinary Portland cement. In this paper,relevant studies at home and abroad are sorted out,and the influencing factors of high temperature resistance of geopolymers,the mechanism analysis after strength changes,and the measures to improve the mechanical properties of geopolymers after high temperature are analyzed. On this basis,it then proposes a research prospect that provides a theoretical foundation for further exploration of high

temperature resistance of geopolymer cement.

Keywords:Geopolymer; Alkali activated; Mechanical properties; High temperature resistance

基金項目:國家自然科學基金青年項目(51808124);近海公路建設(shè)與養(yǎng)

護新材料技術(shù)應用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心開放基金課題;綠色建筑材

料國家重點實驗室開放基金 ( 2021GBM07 ); 泉州市科技計劃項目

(2021C026R)。

作者簡介:楊金棟(1968— ),男,高級工程師。

E-mail:1905804723@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 14

0 引言

近年來,世界各國火災頻發(fā),并且呈現(xiàn)不斷增加

的趨勢。 其中,結(jié)構(gòu)性火災(建筑火災) 發(fā)生的次數(shù)

約占火災的 80%

[1]

,這些結(jié)構(gòu)性火災擁有極強的突

發(fā)性和危害性,不僅嚴重損害環(huán)境,造成巨大的財產(chǎn)

經(jīng)濟損失,甚至將導致人員受傷和死亡。 據(jù)國家公安

部消防局統(tǒng)計[2]

,我國最近十年間,建筑結(jié)構(gòu)引起的

火災高達 132. 4 萬起,死亡人數(shù)高達 11 634 人、受傷

人數(shù)達 6738 人,造成經(jīng)濟損失高至 77. 7 億元。 傳統(tǒng)

的普通硅酸鹽混凝土材料作為現(xiàn)階段仍使用量最大、

最廣的建筑材料,經(jīng)過火災后的高溫作用,結(jié)構(gòu)會發(fā)

生嚴重的劣化[3]

,混凝土內(nèi)部由于溫度升高產(chǎn)生的應

變,產(chǎn)生了應力重分布,大大降低建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,

從而導致整體結(jié)構(gòu)破壞。

傳統(tǒng)普通硅酸鹽水泥用作膠凝材料時,水泥水化

產(chǎn)物生成的水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠,在

高溫后具有不穩(wěn)定性。 隨著溫度的變化,水化產(chǎn)物的

化學性質(zhì)也有所變化[4]

:在 100 ~ 150℃ 下,結(jié)構(gòu)中的

毛細管和凝膠水將會大量蒸發(fā);在 150 ~ 250 ℃ 下,則

可能出現(xiàn)收縮、開裂等現(xiàn)象,對混凝土的拉伸強度產(chǎn)

2023 年 11 期 總第 305 期 楊金棟,張棟梁,張必勝,等·地聚合物耐高溫性能研究進展探析 ·121·

生負面影響;而在 250 ~ 300℃ 下,化學結(jié)合水將會大

量從鋁、鐵等成份中蒸發(fā),可能影響混凝土的抗壓強

度;當溫度上升至 400℃ ,水化產(chǎn)物氫氧化鈣將脫水,

轉(zhuǎn)化成氧化鈣,將引起體積收縮,使整體的結(jié)構(gòu)變得

更加脆性;而 600℃ 時,水化產(chǎn)物 C - S - H 凝膠隨著

溫度升高的徹底分解,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也急劇下滑。 傳

統(tǒng)硅酸鹽水泥混凝土的耐火抗高溫能力具有局限性。

因此,尋找耐高溫性能好,綜合性能優(yōu)良的新型水泥

材料,使火災高溫對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞得到延緩,減

少火災造成的損失,十分迫切。

有研究表明,地質(zhì)聚合物就是這樣一種新型水泥

基材料。 地聚物以天然材料和工業(yè)副產(chǎn)品為主要原

料,它是通過堿或酸的激發(fā)反應,合成一種無定形三

維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的無機高分子材料。 地聚物較普通硅酸

鹽水泥,具有耐高溫[5]

、耐化學腐蝕性[6]

、機械強度

高[7]

、可以固化有害金屬[8] 等優(yōu)點。 此外,相對于普

通硅酸鹽水泥,地聚物具有更低的碳排放,更加綠色

環(huán)保,具有很強的應用潛力。 地質(zhì)聚合物水化生成的

三維網(wǎng)絡形式,以鋁氧四面體與硅氧四面體的組合形

式存在,并且水化產(chǎn)物不含游離的氫氧化鈣晶體或 C

- S - H 凝膠,具有更高的穩(wěn)定性[9]

。 在高溫下,它會

逐漸向陶瓷類晶體和類沸石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,因此相較于

OPC,具有更高的抗高溫性。

目前,關(guān)于地聚物的研究,主要集中于常溫下的

力學性能和和耐久性能,對于高溫后地聚合物正在逐

步展開,但是缺乏系統(tǒng)地整理。 因此,本文系統(tǒng)地梳

理了地聚物耐高溫性能的相關(guān)研究現(xiàn)狀、地聚物高溫

后劣化機理以及耐高溫性能的一些改進措施,為后續(xù)

地聚物耐高溫性能研究提供一些參考,為地聚物應用

于高溫耐火工程提供理論依據(jù)。

1 地聚物耐高溫性能影響因素

1. 1 前驅(qū)體

地聚物的耐高溫性能受前驅(qū)體種類的影響較大。

不同前驅(qū)體例如礦渣、粉煤灰、偏高嶺土等由于所含

鈣、硅、鋁的含量差異很大,所以生成的水化產(chǎn)物也不

一樣,從而導致高溫后的力學性能亦有較大的差異。

采用礦渣為前驅(qū)體制備地聚物,600℃ 下的抗壓強度

可以較常溫下的持平,強度仍然高達 90 MPa。 溫度

繼續(xù)升高至 800℃

[10]

,地聚物抗壓強度開始下降至常

溫下的 40% ,高鈣體系的礦渣生成水化產(chǎn)物 C - A -

S - H 凝膠在 800℃ 開始分解,使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和孔

隙,結(jié)構(gòu)變得松散[11]

。 因為礦渣作為高鈣體系,暴露

于高溫下 C - A - S - H 型凝膠更易受脫水和結(jié)晶過

程的影響,表現(xiàn)出對熱誘導結(jié)構(gòu)降解的高敏感性。 在

1000℃的高溫下,偏高嶺土地聚物砂漿在馬弗爐中保

持恒溫 2 h, 其相對殘留抗壓強度仍然可以超過

50%

[12]

。 這表明,偏高嶺土獨特的層狀結(jié)構(gòu),使其具

有十分優(yōu)異的耐高溫性能。 將粉煤灰和高鎂鎳渣復

摻,發(fā)現(xiàn)此二元體系的地聚物具有良好的熱穩(wěn)定性。

在暴露于 400℃ 和 800℃ 的二元體系中,力學性能均

優(yōu)于常溫[13]

。 這是因為高鎂鎳渣中存在大量硅酸鹽

和 Mg,導致形成 Mg - 硅酸鹽相、頑火輝石、透輝石,N

- A(M) - S - H 致密凝膠,可能減緩熱暴露對樣品結(jié)

構(gòu)退化的影響。 這和一些學者研究的觀點類似。 粉

煤灰地合物與偏高嶺土地聚物相比,有更好的耐高溫

性能[14]

。 另外,將廢玻璃作為一種前驅(qū)體,也可以摻

入粉煤灰地聚物中,在高溫 1200℃剩余強度保留率較

高[15]

。 因為未反應的廢玻璃熔融可以填充地質(zhì)聚合

物基質(zhì)的多孔微結(jié)構(gòu),減緩孔隙的增加,說明適當比

例的廢玻璃,可以提高地聚合物漿體在高溫下的耐火

性能。 前驅(qū)體本身元素成分不同導致巨大的水化差

異,決定了耐高溫性能各異。

1. 2 激發(fā)劑的影響

激發(fā)劑濃度和種類會影響前期地聚物反應速率

以及水化產(chǎn)物的生成。 不同的水化產(chǎn)物,在不同溫度

下的熱穩(wěn)定性不一,因此也是影響高溫后的力學性能

的關(guān)鍵因素。 800℃ 下, 使用不同濃度的 Na2 O 為

4% 、5% 和 6% 的堿性激發(fā)劑時,隨著 Na2O 濃度的增

加,混凝土的耐高溫性能可以得到提高[16]

。

在常溫至 200℃的溫度范圍內(nèi),Na2O 濃度對堿礦

渣砂漿強度變化的影響明顯。 暴露于 1200℃ 后堿礦

渣砂漿在熔融變化時,依然高度依賴于 Na2O 的濃度。

因為氧化鈉濃度會影響地聚物前期反應的劇烈程度,

決定著水化產(chǎn)物的致密性,耐高溫性能高度依賴于

此。 而當 Na2 SO4作激發(fā)劑時,當 Na2 SO4的濃度,在暴

露于 600 ~ 800℃下,抗壓強度隨著 Na2O 濃度的增加

略有增加[17]

。 Na2 SO4激發(fā)的堿礦渣砂漿相比于硅酸

鈉激發(fā),在 600℃下具有更高的熱穩(wěn)定性。 這可能是

因為硫酸根激發(fā)時生成了較硅酸根更有利于耐高溫

性能的水化產(chǎn)物。 另外,堿模數(shù)也對地聚物耐高溫性

能有一定影響。 當堿濃度介于 25% ~ 35% 之間時,高

模數(shù)的偏高嶺土地聚物可以顯著提升其在高溫環(huán)境

下的力學特性。 劉倩[18] 也發(fā)現(xiàn),地聚物高溫后的強

度,會隨著模數(shù)的減小而增大。 不同學者發(fā)現(xiàn),激發(fā)

劑的種類、摻量和堿模數(shù)變化,對地聚物耐高溫性能

的變化都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,這和地聚物本身使用不

同激發(fā)劑激發(fā)生成的水化產(chǎn)物不一樣、導致的水化機

理不同也有關(guān)。

·122· 福 建 建 筑 2023 年

1. 3 堿激發(fā)劑陽離子的種類

堿金屬陽離子對暴露于升高的溫度之后的粉煤

灰基地質(zhì)聚合物的抗壓強度,具有強烈的影響[19]

。

一般的說,K

+ 激發(fā)的地質(zhì)聚合物暴露于高溫后抗壓

強度增強,Na

+ 激發(fā)的地質(zhì)聚合物抗壓強度下降,而

Na

+ 與 K

+ 混合激發(fā)的地質(zhì)聚合物的強度,在暴露于

升高的溫度后,保持不變。 另外,地聚物體積穩(wěn)定性

隨所用堿性陽離子的類型而變化。 因為 K

+ 促進了鋁

氧鍵和硅氧鍵的交替,導致鋁氧鍵的鍵能增加,使 K

+

發(fā)生燒結(jié)反應的起始溫度增加,從而提高了熱穩(wěn)定

性。 這說明,K

+ 相較于 Na

+ 更加有益于地聚合物的

耐高溫性能。

1. 4 其它影響因素

骨料仍然是地聚物耐高溫關(guān)鍵影響因素之一。

良好的骨料,對地聚合物的耐高溫提升明顯。 石英

砂[20 - 21]和電瓷[22]代替標準砂,作為細骨料的良好替

代材料。 當溫度升高時,由于發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象,暴露砂

漿的殘余抗壓強度降低,并在 800℃ 時獲得最低抗壓

強度。 然而,當溫度從 800℃ 升高到 1200℃ 時, 在

1200℃下,在使用石英砂作為細骨料的情況下,砂漿

剩余強度達到常溫的砂漿強度的 87% ,在使用電瓷

時作為細骨料,砂漿強度達到常溫下的兩倍,這是因

為它們相對于普通砂在高溫下膨脹更低。

前期的養(yǎng)護環(huán)境,對地聚合物耐高溫性能的影響

也十分顯著。 在常溫養(yǎng)護下,地聚物砂漿在 200℃ 抗

壓強度提高了 20% ,在熱養(yǎng)護條件下,200℃的抗壓強

度反而下降[23]

。 Daniel L. Y. Kong

[24] 卻得到了不同

的結(jié)果,他對偏高嶺土地聚物進行不同溫度下的養(yǎng)

護,發(fā)現(xiàn)當養(yǎng)護溫度高于 80℃ 時,地聚物可以獲得最

優(yōu)的耐高溫性能。 常溫下地聚物的耐高溫性能很差。

這說明,不同配比的前驅(qū)體在不同的養(yǎng)護環(huán)境下,耐

高溫性能存在差異。

2 地聚合物高溫后強度變化機理分析

2. 1 骨料與膠凝材料的高溫下變形不相容

隨著溫度的不斷升高,骨料會不斷膨脹,地聚物

產(chǎn)生較大的收縮變形。 這種不相容性,會導致結(jié)構(gòu)劣

化,從而表現(xiàn)更低的強度。 前文提到采用電瓷和石英

砂[20 - 22]作為細骨料時,通過熱膨脹測試發(fā)現(xiàn),隨著溫

度的升高,電瓷和石英砂相較于普通的砂,均產(chǎn)生了

更低的膨脹,在一定程度抑制了膠凝材料與骨料之間

的不相容性,從而導致高溫下具有更高的力學性能和

熱穩(wěn)定性。 Z. Pan

[25]得到了類似的結(jié)論,他通過不過

尺寸的骨料下硅酸鹽水泥混凝土和地聚物混凝土相

比較,認為骨料的膨脹變形是影響地聚合物耐高溫性

能的關(guān)鍵因素之一。 因此,使用膨脹率較低的骨料或

者高延性的材料,有利于地聚合物的耐高溫性能。

2. 2 微觀結(jié)構(gòu)的變化

地聚物由于其水化機理和水化產(chǎn)物與普通硅酸

鹽水泥完全不一樣,隨著溫度的升高,抗高溫的表現(xiàn)

也不一樣。 在常溫到200℃之間,物理水的不斷蒸發(fā),

和 C - A - S - H 凝膠的輕度分解,導致了結(jié)構(gòu)的劣

化。 在 200℃ ~ 600℃之間,砂漿中的結(jié)合水進一步脫

去,凝膠顆粒之間的粘附力中斷,進而導致材料收縮,

非常小的孔隙的尺寸和體積隨之增加[26]

。 另外,在

這個溫度區(qū)間未反應的地聚物顆粒較少,會有燒結(jié)反

應產(chǎn)生,其他研究者也觀察到類似的現(xiàn)象[27 - 28]

。 這

證明,高溫下的地聚合反應在進一步發(fā)生。

在600℃時,原始 C - A - S - H 凝膠被逐漸破壞,

隨著溫度繼續(xù)升高到 800℃ 過程中,從由于結(jié)晶導致

微觀和孔隙率觀察中可以明顯看出,骨骼致密化,從

而導致孔隙增大[29]

。 在升高的溫度下,隨著凝膠孔

變大,非常小的孔侵入體積增加。 凝膠的顯著收縮,

導致小孔的減少,而大毛細管孔的體積(1 ~ 10 um)進

一步加熱,增加孔隙的累積體積再次顯著增加,0. 1 ~

10μm 之間的毛細管孔隙在糊狀物的結(jié)構(gòu)中占主導地

位,而小孔幾乎完全消失。 大量的裂紋形成,對結(jié)構(gòu)

造成損傷,從而使結(jié)構(gòu)劣化,高溫下強度下降。

2. 3 新晶相的產(chǎn)生

地聚物的水化產(chǎn)物隨著溫度的升高,會產(chǎn)生新晶

相,這些新晶相可以通過一些微觀手段例如 XRD 獲

取。 不同的前驅(qū)體生成的水化產(chǎn)物凝膠類型有所差

異,常溫下礦渣生成的產(chǎn)物以 C - A - S - H 凝膠為

主[13]

,而粉煤灰生成的水化產(chǎn)物以 N - A - S - H 凝

膠為主[23]

。 當復摻高鎂鎳渣時,生成的產(chǎn)物會伴隨

著 N - A(M) - S - H 凝膠[17]

,后者的熱穩(wěn)定性和耐

高溫性能更為優(yōu)異。 另外,生成新晶相的強弱,決定

了高溫后的力學性能。

不同的溫度下,分別伴隨著不同新晶相的產(chǎn)生。

常溫下除了無定型凝膠,還伴隨著大量的鎂橄欖石和

石英。 當溫度從 200℃ 升高到 400℃ 時,伴隨著羥基

方鈉石和方沸石的生成,它們具有良好的體積熱穩(wěn)定

性,有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 隨著溫度的繼續(xù)升高至

600℃ ,伴隨著有霞石的產(chǎn)生,并且存在于 1000℃的體

系中[30]

。 當溫度從 600℃ 升高到 800℃ 之間,鈉鎂石

會在此溫度區(qū)間生成。 而800℃主要的結(jié)晶相為黃長

石。 另外較小的結(jié)晶相,如透輝石和微量硅灰石,在

760℃和 980℃下分別結(jié)晶,在 1150℃ 時消失[31]

。 此

外,新晶相的生成并不受硅鋁原子比的影響,但硅鋁

原子比會影響特征峰的強度,高硅鋁原子比擁有更加

2023 年 11 期 總第 305 期 楊金棟,張棟梁,張必勝,等·地聚合物耐高溫性能研究進展探析 ·123·

窄的峰。 新晶相的產(chǎn)生及其在高溫中穩(wěn)定性存在,可

能是地聚物高溫下性能優(yōu)異的關(guān)鍵原因。

3 改善地聚物耐高溫性能的措施

地聚物較普通硅酸鹽水泥,具有更加優(yōu)異的耐高

溫性能。 然而在高溫環(huán)境下,地聚物的力學性能仍然

存在一定程度的劣化。 因此,考慮以下改善措施,以

提高地聚合物耐高溫性能。

3. 1 摻入纖維

纖維的摻入,由于其高延性,在一定程度上能抑

制地聚物漿體的收縮變形,同時也可以抑制骨料的膨

脹,從而使高溫下骨料與膠凝材料的變形不相容程度

降到最低,一定程度上對抗高溫性能有較大的改善。

在粉煤灰地聚物中摻入 1% 的碳纖維,高溫下質(zhì)量損

失下降,收縮也下降,且殘余抗壓強度有明顯的提高,

而且比未摻纖維的地聚物結(jié)構(gòu)更加緊湊,表現(xiàn)出更高

的粘結(jié)能力[32]

。

3. 2 調(diào)節(jié) Si / Al 摩爾比

不同前驅(qū)體的元素含量各不相同,導致水化后生

成的水化產(chǎn)物不一樣,高溫后生成的新晶相也不相

同,從而產(chǎn)生不同的抗高溫性能。 因此,尋求最佳的

Si / Al 摩爾比,生成抗高溫能力高的水化產(chǎn)物和晶相,

有利于抑制地聚物高溫下的劣化。 通過粉煤灰高鎂

鎳渣復摻調(diào)節(jié) Si / Al 摩爾比,可以獲得抗高溫性能優(yōu)

異的地聚物[17]

。 Mukund Lahoti

[29]等對偏高嶺土地聚

物 Si / Al 摩爾比進行調(diào)整,發(fā)現(xiàn)當 Si / Al 摩爾比 > 1. 5

時,地聚物水化產(chǎn)物越致密,殘余抗壓強度越高。 當

Si / Al 摩爾比≤1. 5 時,高溫下高收縮引起的裂紋決

定了殘余抗壓強度的高低。 當 Si / Al 摩爾比為 1. 75

時,900℃下偏高嶺土地聚物具有最高的殘余抗壓強

度。 此外,不同的 Si / Al 摩爾比,在高溫下會生成不

同的新晶相[33]

。 因此,調(diào)整合適的 Si / Al 摩爾比,在

高溫下生成強晶相,有益于抗高溫性能的提升。

3. 3 其它改善措施

根據(jù)前面的文獻綜述,采用膨脹率較低的骨料,

如電瓷,石英[20 - 22]

;堿激發(fā)陽離子為 K

+ 的激發(fā)劑代

替陽離子為 Na

+ 的堿性激發(fā)劑[25]

;相較于常溫,在較

高的溫度下養(yǎng)護地質(zhì)聚合物[30]

。 這些方法在一定程

度上,都能提升地聚合物的抗高溫性能。

4 結(jié)語

(1)地聚物除了低碳環(huán)保,常溫下各項性能優(yōu)

異,還有著較為優(yōu)異的抗高溫性能和熱穩(wěn)定性,在防

火領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。 目前,關(guān)于地聚物耐高

溫影響因素已有一些研究,但是一些關(guān)鍵因素比如水

膠比,往前驅(qū)體中摻入不同摻量的礦物摻合料,形成

二元體系后的地聚物耐高溫性能的研究很少,規(guī)律不

清晰,應進一步探討這些因素對殘余抗壓強度的影響

規(guī)律。

(2)關(guān)于地聚物抗高溫的影響機理,主要是在不

同溫度區(qū)段下探討的,關(guān)于地聚物本身配合比下不同

激發(fā)劑濃度、模數(shù),對前驅(qū)體的用量在高溫后的殘余

抗壓強度規(guī)律背后的微觀機理的研究很少。 因此,需

探究這些關(guān)鍵因素變化對地聚物抗高溫性能影響的

機理。

(3)關(guān)于地聚物高溫后的性能研究主要集中在

抗壓強度上,對于高溫后的抗折強度,抗拉強度以及

高溫后的一些耐久性能的研究仍處于空白階段,對地

聚合物抗高溫性能的評價過于單一。 因此,有必要對

地聚物高溫后的這些性能進行進一步探究。

(4)盡管地聚物由于本身體系具有較優(yōu)異的抗

高溫性能,目前也具有一定的抗高溫性能的改善措

施,但仍存在許多新的改善措施,尚未被開發(fā),比如可

以考慮將適用于普通硅酸鹽的防火涂料應用于地質(zhì)

聚合物中,研究地聚物耐火耐高溫性能等,從而完善

地聚合物耐高溫體系,為其應用于實際工程提供理論

基礎(chǔ)。

參 考 文 獻

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2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

既有橋梁樁基抬樁加固技術(shù)研究

伍秉順

(福建省高速公路養(yǎng)護工程有限公司 福建福州 350019)

摘 要:針對烏龍江特大橋基礎(chǔ)復雜的加固環(huán)境狀況,提出了“下抬樁加固方案”與“上抬樁加固方案”,并通過實體有

限元軟件 ABAQUS,對兩種加固方案進行了受力性能對比分析。 研究結(jié)果表明:“上抬樁加固方案”是荷載先傳遞給舊

承臺,再通過界面植筋及預應力錨固構(gòu)造將下拉力傳遞給延伸承臺及新增上承臺后共同受力;“下抬樁加固方案”是舊

承臺利用下壓力帶動新增承臺實現(xiàn)協(xié)同受力,傳力路徑更為清晰合理;有限元受力機理分析表明,下抬樁加固與上抬

樁加固均發(fā)生脆性破壞;二者的受力過程可劃分為彈性階段、彈塑性階段、強化階段和破壞階段四個階段。 結(jié)合工程

實際,與“下抬樁加固”方案相比,“上抬樁加固”方案可極大簡化加固施工工藝,縮短施工工期,降低加固成本。

關(guān)鍵詞: 橋梁基礎(chǔ);下抬樁加固;上抬樁加固;有限元分析;受力性能

中圖分類號:U44 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0125 - 04

Study on Strengthening Technology of Pile Foundation of Existing Bridge by Lifting Pile

WU Bingshun

(Fujian Provincial Fuquan Expressway Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350019)

Abstract:In view of the complex environmental conditions of the foundation reinforcement of the Wulong River Bridge,this paper puts forward the \" downward pile reinforcement scheme\" and \" upward pile reinforcement scheme\" ,and makes a comparative analysis of the mechanical properties of the two reinforcement schemes through the solid finite element software ABAQUS. The research results show that the

\" lifting pile reinforcement scheme\" is that the load is first transferred to the old pile cap,and then the downward tension is transferred to

the extended pile cap and the newly added upper pile cap through the interface planting reinforcement and prestressed anchorage structure,

and then they are jointly stressed; The \" pile - lifting reinforcement scheme\" is that the old pile cap uses the downward pressure to drive the

new pile cap to realize the cooperative force,and the force transmission path is clearer and more reasonable; The analysis of finite element

stress mechanism shows that brittle failure occurs in both downward - lifting pile reinforcement and upward - lifting pile reinforcement. The

stress process can be divided into four stages:elastic stage,elastic - plastic stage,strengthening stage and failure stage. Combined with the

engineering practice,compared with the \" down - lifting pile reinforcement\" scheme,the \" up - lifting pile reinforcement\" scheme can greatly simplify the reinforcement construction technology,shorten the construction period and reduce the reinforcement cost.

Keywords:Bridge foundation; Reinforcement by lifting piles below; Reinforcement by lifting piles above; Finite element analysis; Performance of force

作者簡介:伍秉順(1970— ),男,高級工程師。

E-mail:549016645@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 28

0 引言

我國地形及地質(zhì)條件復雜,境內(nèi)跨江河橋梁數(shù)量

眾多,且多采用樁基礎(chǔ)[1]

。 近些年,針對橋梁水下樁

基礎(chǔ)的詳細檢測結(jié)果表明,受自然環(huán)境及人類活動等

因素的影響,很多跨江河橋梁樁基出現(xiàn)混凝土劣化、

樁身外露、鋼筋銹蝕、樁身橫向斷裂等不同種類的病

害,并由此導致橋梁樁基出現(xiàn)承載力、穩(wěn)定性不足以

及耐久性差等問題,對橋梁結(jié)構(gòu)和交通運輸安全造成

了威脅,急需進行加固處理[2 - 4]

。

在既有的橋梁樁基加固方法中[5 - 7]

,針對橋梁樁

基豎向承載能力不足的最有效的加固方式,是增補樁

基法[8]

,其中抬樁法是增補樁基法中應用最多的一種

方式。 抬樁法又可細分為上抬樁法和下抬樁法,二者

均是在橋梁舊樁周圍增設(shè)新樁,通過新承臺將新樁與

舊樁連接成整體,共同承擔橋梁上部荷載[9]

。

本文以烏龍江特大橋 0#主墩基礎(chǔ)抬樁加固工程

為背景,利用通用有限元軟件 ABAQUS,分別建立上

抬樁與下抬樁承臺加固節(jié)點的精細化實體有限元模

型,對兩種加固方案的受力性能進行對比分析,為后

續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

烏龍江特大橋全長 2030. 6 m,主橋上部構(gòu)造為

60 m + 3 × 110 m + 60 m 的單箱單室變截面連續(xù)梁,

采用三向預應力體系;主橋下部結(jié)構(gòu)主墩為鋼筋砼薄

壁式柔性橋墩,基礎(chǔ)為 4?2. 5 鉆孔群樁,過渡墩為鋼

·126· 福 建 建 筑 2023 年

筋砼柱式橋墩,基礎(chǔ)采用 4?1. 8 m 鉆孔群樁。

由于烏龍江南北港分流比調(diào)整、水口水庫建設(shè)、

河道疏浚和人工采砂等原因,大橋所在江段水文環(huán)境

發(fā)生變化,使得大橋橋位處的河床沖刷嚴重。 2021

年 6 月開展的水下地形及河床沖刷專項檢測顯示,大

橋橋 墩 受 到 不 同 程 度 的 沖 刷, 最 大 沖 刷 深 度 達

21. 2 m。在目前的狀況下,部分樁基單樁豎向承載力、

抗彎承載力、抗裂和抗船撞性能驗算,不能滿足現(xiàn)行

規(guī)范要求。 其中 0#主墩樁基為摩擦樁,樁基最大軸

力為 6065 kN,大于容許承載力 5719 kN,安全系數(shù)為

0. 94,單樁豎向承載力驗算不滿足規(guī)范要求,需對其

進行專項加固。

2 不同抬樁加固方案對比分析

目前,對于大橋 0#主墩樁基出現(xiàn)的豎向承載力

不足的問題,多采用抬樁加固。 為此,本工程擬定了

下抬樁加固和上抬樁加固兩個方案,本節(jié)對這兩種加

固方案進行了對比分析。

下抬樁加固方案如圖 1 所示。 先完成新增樁基

的施工,而后直接在樁頂澆筑包裹舊樁的新增承臺。

該方法主要是利用下壓力帶動新增承臺(樁基)協(xié)同

受力,雖然新舊樁基經(jīng)新增承臺的連接形成一個整

體,但新增樁基無法馬上承擔荷載。 當舊樁基承載力

不足發(fā)生沉降,新增樁基很快就會參與共同受力。 該

方法具有傳力路徑清晰合理的優(yōu)點,但具有水下作業(yè)

施工難度大、工期較長的缺點。

圖 1 下抬樁加固方案示意

上抬樁加固方案如圖 2 所示。 該方法是在既有

承臺,之上新建承臺以上托形式的方式加固承臺,通

過橋墩將上部結(jié)構(gòu)自重與活載傳遞給舊承臺,舊承臺

通過頂面豎向植筋界面及預應力錨固構(gòu)造將下拉力

傳遞給新增上承臺后共同受力,有效增強加固結(jié)構(gòu)的

整體受力性能,極大降低施工難度,縮短施工工期,并

減少加固成本。

圖 2 上抬樁加固方案示意

3 不同抬樁加固方案受力機理分析

3. 1 有限元模型

采用通用有限元軟件 ABAQUS,分別建立上抬樁

與下抬樁加固的精細化實體有限元模型。 對于幾何

模型的建立,以分離式建模方法,對加固節(jié)點各部件

進行建立,其中鋼筋部件采用桁架單元 T3D2,混凝土

部件采用實體單元 C3D8R。 材料參數(shù)中,混凝土本構(gòu)

選用 CDP 模型,具體采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)

范》(GB 50010—2010)

[10]所提供的計算模型,鋼筋采

用韓林海[11] 提出的本構(gòu)模型。 相互作用設(shè)置中,鋼

筋網(wǎng)架采用“內(nèi)置區(qū)域” 的方式嵌入混凝土中;新舊

混凝土的粘結(jié)面采用表面與表面接觸,二者之間的粘

結(jié)滑移關(guān)系采用《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》 ( JTG/ T

J22—2008)

[12]中的雙折線模型模擬。 邊界條件設(shè)置

中,為模擬分析樁基承臺加固節(jié)點的受力特性,下部

樁基取三倍樁基直徑長度后進行底面固結(jié)。 網(wǎng)格劃

分后的模型示意圖如圖 3 所示。

(a)下抬樁加固

(b)上抬樁加固

圖 3 加固后的模型示意圖

2023 年 11 期 總第 305 期 伍秉順·既有橋梁樁基抬樁加固技術(shù)研究 ·127·

3. 2 下抬樁加固結(jié)果分析

在下抬樁加固模型上施加上部結(jié)構(gòu)的自重和活

載,提取混凝土的最大對數(shù)應變云圖、鋼筋網(wǎng)架 S11

應力云圖以及 CSMAXSCRT 云圖,如圖 4 所示。 從中

可以看出,下抬樁加固后的樁基承臺節(jié)點最大 LE 應

變數(shù)值為 2. 313e - 05。 整體鋼筋網(wǎng)架中受到最大拉

應力值為 12. 05 MPa,最大受壓應力為 17. 88 MPa,滿

足加固后的受力要求。 加固后,新舊混凝土結(jié)合面

CSMAXSCRT 值最大僅為 0. 4202,說明下抬樁加固的

樁基承臺節(jié)點在加載后,結(jié)合面均未發(fā)生粘結(jié)破壞,

界面未出現(xiàn)滑移,加固節(jié)點的整體性仍然較好。

(a)混凝土 LE 應變云圖

(b)鋼筋網(wǎng)架 S11 應力云圖

(c)CSMAXSCRT 云圖

圖 4 下抬樁加固方案主要受力云圖

3. 3 上抬樁加固結(jié)果分析

同樣提取上抬樁加固混凝土的最大對數(shù)應變云

圖、鋼筋網(wǎng)架 S11 應力云圖以及 CSMAXSCRT 云圖,

如圖 5 所示。 可以看出,上抬樁加固的樁基承臺節(jié)點

的最大對數(shù)應變?nèi)匀晃挥谠信_的底部,最大數(shù)值為

2. 14e - 05,與下抬樁加固結(jié)果基本一致。 由圖 8 可

知,整體鋼筋網(wǎng)架中受到最大拉應力值為 38. 15 MPa,

最大受壓應力為 25. 87 MPa,相對于下抬樁加固,鋼筋

應力均有所增大。 新舊混凝土結(jié)合面的 CSMAXSCRT

值最大達 0. 6344,較下抬樁加固,上抬樁加固結(jié)合面

粘結(jié)的損傷更為嚴重,這是由于新增下承臺、新增上

承臺與原承臺的結(jié)合面粘結(jié)受拉,更易發(fā)生粘結(jié)破

壞。 可見,下抬樁加固方案,利用下壓力帶動新增承

臺(樁基)的受力機制更為合理。

(a)混凝土 LE 應變云圖

(b)鋼筋網(wǎng)架 S11 應力云圖

(c)CSMAXSCRT 云圖

圖 5 上抬樁加固方案主要受力云圖

3. 4 上下抬樁有限元受力機理對比分析

圖 6 給出了上下抬樁加固模型的受力全過程荷

載 - 位移曲線,二者的受力過程均可劃分為彈性階

段、彈塑性階段、強化階段和破壞階段四個階段。 從

圖中可以看出,在彈性段兩者的初始剛度基本一致;

在彈塑性段、強化段,相比于下抬樁,上抬樁加固模型

的剛度下降更為明顯;下抬樁模型率先達到峰值荷

載,荷載值為 49 278 kN,上抬樁模型的峰值荷載為

43 565 kN,荷載值較下抬樁模型降低約 11. 6% 。

圖 6 荷載位移曲線

·128· 福 建 建 筑 2023 年

圖 7 給出了下抬樁加固模型的各特征點混凝土

應變云圖,此處可結(jié)合荷載位移曲線,對下抬樁加固

模型的受力機理進行分析。 OA1 段模型處于彈性狀

態(tài),加載至 A1點時新增承臺底部出現(xiàn)多道橫向裂縫,

但裂縫的出現(xiàn),未對曲線的整體發(fā)展趨勢產(chǎn)生影響;

過了 A1點下抬樁加固節(jié)點逐漸進階至彈塑性的 A1B1

段,A1B1 段曲線斜率的變化幅度不大,說明加固節(jié)點

仍有較大的剛度;加載至 B1C1 段,原承臺底部開始出

現(xiàn)裂縫,內(nèi)部的部分鋼筋也開始屈服;此階段荷載增

速減緩,變形速率加快;在達到峰值荷載 C1 點時,原

承臺以及新增承臺中的大部分鋼筋屈服,原承臺受壓

區(qū)混凝土被壓碎,荷載值迅速下降,表現(xiàn)為脆性破壞。

(a)A1點 (b)B1點 (c)C1點 (d) D1點

圖 7 下抬樁加固模型各特征點混凝土應變云圖

圖 8 給出了上抬樁加固模型的各特征點混凝

土應變云圖。 同理,結(jié)合荷載位移曲線,對上抬樁

加固模型的受力機理進行分析。 OA2 段加固節(jié)點

處于線彈性狀態(tài),到達 A2點時,原承臺底部開始出

現(xiàn)多道裂紋,而新增上承臺混凝土還未超過開裂

應變;加載至 A2B2段彈塑性段時,A2B2段曲線斜率

變小,但變化幅度較小;過了 B2點加固節(jié)點則逐漸

進入強化段 B2C2 ,此時界面的連接鋼筋開始屈服,

原承臺與原樁基的連接處也開始出現(xiàn)裂紋,此階

段荷載增速減緩,變形速率加快。 在達到峰值荷

載 C2點后,荷載趨于穩(wěn)定,并保持在 43 000kN 左

右,直至大部分原承臺鋼筋以及界面連接鋼筋屈

服時,承載力驟降,此時新增承臺中的鋼筋還未屈

服,受壓區(qū)混凝土未被壓碎。

(a)A2點 (b)B2點 (c)C2點 (d) D2點

圖 8 上抬樁加固模型各特征點混凝土應變云圖

4 結(jié)論

(1)下抬樁加固方案的傳力路徑,較上抬樁方案

更為合理。 上抬樁的傳力機制為橋墩將上部結(jié)構(gòu)自

重與活載傳遞給舊承臺,舊承臺再通過頂面豎向植筋

界面及預應力錨固構(gòu)造,將下拉力傳遞給新增上承臺

后共同受力;下抬樁加固的傳力機制為舊承臺利用下

壓力,帶動新增承臺協(xié)同受力。

(2)結(jié)合工程實際,與“承臺下抬樁加固”方案相

比,“承臺上抬樁加固”方案可使新舊承臺、樁基形成

整體結(jié)構(gòu),極大簡化加固施工工藝,縮短施工工期,降

低加固成本。

(3)下抬樁加固與上抬樁加固的承臺均發(fā)生脆

性破壞;二者的受力過程可劃分為彈性階段、彈塑性

階段、強化階段和破壞階段四個階段。

參 考 文 獻

[1] 周歡,周華威,朱慈祥,等. 分離式橋梁整體抬樁加固技

術(shù)研究[J]. 公路,2020,65(08):115 - 120.

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[3] 余紅峰. 公路橋梁加固施工技術(shù)的應用研究[J]. 交通世

界,2017(30):122 - 123.

[4] 趙彬. 預制混凝土管片快速拼裝加固水下橋墩技術(shù)研究

[D]. 南京:東南大學,2015.

[5] 肖長進. 縱向抬樁法在橋梁樁基加固中的應用[ J]. 福建

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[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國

家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB

50010—2010[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[11] 韓海林. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu):理論與實踐(第三版)[M]. 北

京:科學出版社,2016.

[12] 中華人民共和國交通運輸部. 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范:

JTG/ T J22—2008[S]. 北京:人民交通出版社,2008.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋設(shè)計研究

林志滔

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司 福建福州 350108)

摘 要:針對福建某人行天橋的工程背景,基于 UHPC 的優(yōu)異性能,研究開發(fā)了低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋。

研究進行了組合箱梁的設(shè)計與計算分析,并根據(jù)模型試驗獲得新型結(jié)構(gòu)的基本受力性能。 隨后,利用經(jīng)試驗結(jié)果驗證

后的有限元模型,針對新型結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力性能,尤其是承載力的影響進行了深入分析。 研究結(jié)果表明,

采用 UHPC - RC 材料設(shè)計的橋梁,其強度、撓度以及自振頻率計算均能滿足現(xiàn)行橋梁規(guī)范的要求。 同時,UHPC 在人

行天橋中可有效減輕自重、減小結(jié)構(gòu)尺寸,提升橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性,充分發(fā)揮其材料特性。 采用預制拼裝施工

方法,可充分利用 UHPC 的抗拉強度,增大預制塊大小,減小預應力及普通鋼筋的配置,實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞: 人行天橋;UHPC;組合箱梁;新型結(jié)構(gòu)

中圖分類號:U44 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0129 - 05

Design and research of low - height prestressed UHPC - RC composite box girder pedestrian bridge

LIN Zhitao

(Fuzhou Planning&Design Research InstituteGroup Co. Ltd,Fuzhou 350108)

Abstract:Based on the excellent properties of UHPC,this paper aims to develop a low - height prestressed UHPC - RC composite box girder pedestrian bridge for a project in Fujian. The design and calculation analysis of the composite box girder were conducted,and the basic

mechanical properties of the new structure were obtained through model tests. Then,using the validated finite element model based on experimental results,a thorough analysis was performed on the effect of different parameters on the mechanical properties of the new structure,especially the bearing capacity. The results show that the bridge designed with UHPC - RC material can meet the requirements of current

bridge specifications in terms of strength,deflection,and natural frequency. Meanwhile,UHPC can effectively reduce the self - weight and

size of the pedestrian bridge,enhance the stiffness and stability of the structure,and fully exploit its material properties. By utilizing the tensile strength of UHPC and increasing the size of prefabricated blocks while reducing the prestress and ordinary steel reinforcement,the optimized structure design was achieved through the prefabricated assembly method.

Keywords:Pedestrian bridge; UHPC; Composite box girder; New structure

作者簡介:林志滔(1986. 2— ),男,高級工程師。

E-mail:38981904@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 06

0 引言

目前橋梁建設(shè)最主要的建筑材料是普通混凝土,

但其比強度較低,導致其跨越能力和快速施工能力受

到嚴重限制,耐久性不夠優(yōu)越,降低了使用壽命。 其

帶來的后期維修養(yǎng)護工作,嚴重影響了其全壽命建設(shè)

成本;其生產(chǎn)過程帶來的自然資源消耗與排放引起的

環(huán)保問題將影響著社會可持續(xù)發(fā)展,因此在現(xiàn)代橋梁

建設(shè)中應用越來越受到限制。 為此,迫切需尋求一種

新材料來替代現(xiàn)有的混凝土材料,以滿足現(xiàn)代橋梁的

建設(shè)需求。

在國內(nèi),預應力 UHPC - RC 組合箱梁人行橋的

研究還屬于首次。 UHPC 是一種水泥基復合材料,具

有超高的抗壓強度和抗剪強度,以及高韌性、高耐久

性和體積穩(wěn)定性[1 - 3]

。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,可以采用更薄

或更具創(chuàng)新性的截面形狀,以有效減輕結(jié)構(gòu)物的自

重[4]

。 此外,UHPC 材料的高韌性和減輕結(jié)構(gòu)自重的

特點,有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震和抗沖擊性能[5 - 6]

。

因此,本文結(jié)合超高性能混凝土和組合箱梁結(jié)構(gòu)

的優(yōu)點,對低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋進

行設(shè)計研究。 基于模型試驗與數(shù)值分析,開展優(yōu)化后

低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁的設(shè)計計算理論

分析,為新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論支撐。 通過對組合

箱梁結(jié)構(gòu)進行計算和調(diào)整優(yōu)化,推動預應力 UHPC -

RC 組合箱梁在具體工程實例中的應用,并為今后的

預制節(jié)段拼裝設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

1. 1 上部結(jié)構(gòu)

人行天橋主橋采用預應力超高性能混凝土魚腹式

箱梁,半圓形截面,半徑 1 m,中心梁高 1. 52 m,頂部總

寬4 m,底部平直段寬1. 74 m,頂部設(shè)雙向橫坡,橫坡坡

度 1% ,底部為平坡。 預制橋面板分為 A、B 類,縱向分

·130· 福 建 建 筑 2023 年

塊長度為 5. 3 m ~5. 45 m,寬度3. 154 m ~3. 34 m,中心

厚度均為 0. 2 m,通過縱橫向濕接縫、剪力鍵與主梁下

部形成組合截面。

開口 U 型梁斷面分為4 個節(jié)段,濕接縫縱向?qū)挾葹?/p>

0. 5 m,底板厚0. 25 m ~0. 6 m,腹板厚 0. 15 m ~0. 38 m,

通過現(xiàn)場 U 型縱向濕接縫形成主梁下部整體結(jié)構(gòu)。 南

北側(cè)端均設(shè)置牛腿,牛腿長度 3. 9 m,寬度 1. 0 m,高度

0. 7 m;端橫梁厚均為 4. 90 m,并在順橋向設(shè)置 4 道橫

隔板,每個橫隔板的厚度為 0. 25 m。 預制橋面板與

開口 U 型梁之間通過預埋 U 型 Ф16 剪力筋連接,剪

力鍵縱向間距 150 mm,橫向間距 150 mm。

天橋主橋橫斷面布置:0. 5 m(欄桿及花圃) +3. 0 m

(人行道) +0. 5 m(欄桿及花圃) = 4. 0 m,如圖 1 所示。

主梁總長為39. 25 m,而主梁計算跨徑為35. 35 m,梁高

為 1. 5 m。 橋面板采用 UHPC,其截面寬度為 4 m,厚度

為 0. 2 m,橋面鋪裝均采用 C40 鋼纖維防水混凝土 + 耐

磨涂層,雙向 1. 0% 橫坡;跨中處底板厚為 25 cm,腹板

為 15 cm,支座處增大底板及腹板截面尺寸目的在于

張拉預應力鋼束,在腹板的上部和底部預留預應力鋼

束孔道。 主梁橫截面的示意如圖 2 所示。

圖 1 主橋橫斷面布置圖(單位:mm)

圖 2 主梁跨中橫截面(單位:mm)

1. 2 下部結(jié)構(gòu)

人行天橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱作為墩

身,主橋墩柱直徑為 1. 0 m,采用兩根直徑為 1. 2 m

的鉆孔灌注樁作為承臺樁基礎(chǔ);其余橋墩墩柱直徑

為 0. 7 m,采用直徑為 1. 2 m 的鉆孔灌注樁作為單樁

單柱基礎(chǔ)。 在墩柱內(nèi)填充 C30 微膨脹混凝土,以提高

抗裂性能和耐久性。

2 有限元模型

2. 1 材料參數(shù)

2. 1. 1 超高性能混凝土

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)

范》和《超高強度纖維補強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指

南(案)》(日本),確定 U130 混凝土的軸心抗壓、抗拉

強度標準值及強度設(shè)計值。 參考《規(guī)范》

[7]

,計算得

U130 抗壓、抗拉強度設(shè)計值和容許應力,結(jié)果如表 1 ~

表 2 所示。

表 1 U130 與 C50 強度值 MPa

材料 標準值

設(shè)計值

承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)

f

ck

f

tk

f

cd

f

td

f

cd

f

td

U130 70. 42 5. 93 54. 17 4. 56 70. 42 5. 93

C50 32. 4 2. 65 22. 4 1. 83 32. 4 2

2. 1. 2 預應力鋼絞線

預應力鋼絞線的強度標準值、設(shè)計值和容許應力

如表 2 所示。

表 2 鋼絞線強度與容許應力 MPa

項目 主梁

直徑 φ = 15. 2mm

抗拉強度標準值 f

pk 1860

抗拉強度設(shè)計值 f

pd 1260

張拉控制應力 0. 75f

pk 1395

正常使用階段容許最小拉應力值 0. 65f

pk 1209

2. 1. 3 設(shè)計荷載

恒載包括主梁自重和二期恒載,其材料密度如表

3 所示。

表 3 橋梁結(jié)構(gòu)材料密度表

種類 容重(kN/ m

3

) 種類 容重(kN/ m

3

)

U130 26. 25 C50 25

瀝青混凝土 25 石材 25

2023 年 11 期 總第 305 期 林志滔·低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋設(shè)計研究 ·131·

2. 2 有限元計算模型

采用有限元軟件 Midas Civil,建立箱梁橋的三維

有限元梁單元模型,該計算模型共有節(jié)點數(shù)量 46 個;

單元數(shù)量 140 個;邊界條件數(shù)量 14 個;其中包括施工

階段臨時墩邊界 10 個,成橋階段永久墩邊界 4 個。

計算模型如圖 3 所示。

圖 3 有限元計算模型

2. 3 荷載工況設(shè)置

該橋在結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預應力荷載、溫度荷

載等的作用下,按照公路橋規(guī)的要求進行荷載組合,

考慮以下 2 種荷載組合:

組合一:一期恒載 + 二期恒載 + 人群荷載 + 預應

力 + 收縮徐變 + 支座位移 + 溫度梯度正溫差。

組合二:一期恒載 + 二期恒載 + 人群荷載 + 預應

力 + 收縮徐變 + 支座位移 + 溫度梯度負溫差。

荷載工況如表 4 所示。

表 4 荷載工況

工況名稱 工況說明

恒荷載 一期 γ = 26. 5 kN/ m

3

;二期 γ = 25 kN/ m

3

人群荷載 W = 3. 53 kN/ m

2

預應力 鋼束一次、鋼束二次

收縮徐變 收縮系數(shù)? = 3. 1 × 10

- 2

;徐變系數(shù):φ = 2. 44

支座沉降 1cm

整體升溫 整體升溫 + 25℃

整體降溫 整體降溫 - 23℃

溫度梯度升 升溫 + 14℃

溫度梯度降 降溫 - 7℃

3 橋梁整體受力計算分析

根據(jù)規(guī)范要求,對 A 類預應力混凝土構(gòu)件在施

工階段、使用階段的應力、極限承載力及整體剛度進

行計算,并按不同的作用組合進行計算,包括持久狀

況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)、

持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應力,結(jié)果如表 5 ~ 表 8

及圖 5 ~ 圖 6 所示。

3. 1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)

3. 1. 1 抗彎、抗剪驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計

規(guī)范》的相關(guān)要求,對箱梁截面作用效應組合的設(shè)計

值進行抗彎、抗剪截面驗算,結(jié)果如表 5 所示。

表 5 抗彎、抗剪承載能力驗算

項目 設(shè)計值/ kN·m 計算值/ kN·m 是否滿足要求

正截面抗彎承載力驗算 16061 25698 是

斜截面抗剪承載力驗算 2255 5637 是

抗扭承載力驗算 2467 3826 是

3. 1. 2 錨頭局部承壓驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計

規(guī)范》的相關(guān)要求,對預應力鋼束錨固區(qū)進行局部承

壓驗算,結(jié)果如表 6 所示。

表 6 局部承壓驗算

項目 設(shè)計值/ kN·m 計算值/ kN·m 是否滿足要求

錨頭局部承壓驗算 1801 2906 是

錨頭局部抗壓驗算 1801 2565 是

在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下,抗彎、抗剪、抗

扭承載力驗算的計算值均大于設(shè)計值,錨頭局部承壓

驗算和錨頭局部抗壓驗算的計算值也均大于設(shè)計值,

滿足規(guī)范要求。

3. 2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)

3. 2. 1 抗裂驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計

規(guī)范》的相關(guān)要求,針對箱梁在短期和長期效應組合

作用下的正截面以及斜截面進行抗裂驗算,結(jié)果如表

7 所示。

表 7 抗裂驗算

項目 設(shè)計值/ MPa 計算值/ MPa 是否滿足要求

正截面抗裂驗算

(長期效應組合)

0 - 0. 2 是

正截面抗裂驗算

(短期效應組合)

0 - 2. 86 是

斜截面抗裂驗算 4. 0 0. 5 是

3. 2. 2 持久狀況構(gòu)件應力與撓度驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計

規(guī)范》的相關(guān)要求,針對在持久狀況下箱梁正截面和

斜截面應力以及主梁跨中撓度進行驗算,結(jié)果如表 8

所示。

表 8 應力與撓度驗算

項目 設(shè)計值 計算值 是否滿足要求

正截面法向壓應力驗算 - 25. 1 MPa - 18. 5 MPa 是

斜截面主壓應力驗算 - 30. 1 MPa - 17. 1 MPa 是

主梁跨中撓度 58. 9 mm 17. 2 mm 是

3. 2. 3 受拉區(qū)鋼筋拉應力驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計

規(guī)范》的相關(guān)要求,對受拉區(qū)鋼筋最大拉應力進行驗

算,結(jié)果如表 9 所示。

·132· 福 建 建 筑 2023 年

表 9 鋼筋拉應力驗算

項目 設(shè)計值/ MPa 計算值/ MPa 是否滿足要求

鋼束 1 1209 1207. 8 是

鋼束 2 1209 1177. 1 是

鋼束 3 1209 1203. 8 是

在持久狀況正常使用極限狀態(tài)下,正截面抗裂驗

算的兩種效應組合的計算值小于設(shè)計值,正截面法向

壓應力驗算和斜截面主壓應力驗算的計算值均小于設(shè)

計值,且主梁跨中撓度的計算值小于設(shè)計值,所有預應

力鋼筋應力均小于容許最大應力,滿足規(guī)范要求。

3. 3 橋梁結(jié)構(gòu)應力驗算圖

由表 5 ~ 表 9 和圖 4 ~ 圖 5 的驗算結(jié)果可以看

出,在長期荷載效應組合不出現(xiàn)拉應力的限制下,整

個橋梁在運行中的拉應力非常小,安全余量很大。 在

正常使用極限狀態(tài)下,箱梁的主拉應力小于 3 MPa,

遠低于 UHPC 的抗拉強度。 由于采用更合理的結(jié)構(gòu)

尺寸布局,橋梁整體剛度得到較大提高。 使用階段長

期撓度值為 17. 2 mm,撓度比為 1 / 2054,遠低于規(guī)范

限值(1 / 600)。 由于 UHPC 具有低徐變性和良好的耐

久性,可以有效抑制徐變的發(fā)生,保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

和剛度,減小結(jié)構(gòu)撓度,因此,在實際情況下,撓度比

會更小。

圖 4 U 梁頂板正截面應力圖

圖 5 U 梁底板正截面應力圖

3. 4 模態(tài)分析

采用 Midas 分別計算 UHPC - RC 組合箱梁與傳

統(tǒng) RC 箱梁前 4 階振型,自振頻率值如表 10 所示。

表 10 自振頻率分析

振動方向 階次

UHPC - RC 組合箱梁 傳統(tǒng) RC 箱梁

頻率值(Hz) 頻率值(Hz)

豎向

1 3. 65 3. 48

2 15. 25 13. 24

橫向

1 10. 51 10. 32

2 20. 21 19. 87

由以上計算結(jié)果可以看出,自振頻率大于 3Hz,

滿足規(guī)范要求。 同時,豎向和橫向方向上,UHPC -

RC 組合箱梁的一、二階頻率值均高于傳統(tǒng) RC 箱梁,

表明其質(zhì)量分布更合理,剛度更高,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

4 施工工藝

由于 UHPC 材料成分較為復雜,施工要求也相對

較高,對工人的技術(shù)水平和設(shè)備要求較高。 而且,由

于現(xiàn)場施工條件有限,很難保證其質(zhì)量。 因此,為了

確保 UHPC 構(gòu)件的質(zhì)量,一般采用工廠預制的方式進

行生產(chǎn),以保證其質(zhì)量和可靠性。 在 UHPC 梁橋的施

工過程中,必須根據(jù)橋梁整體受力的計算分析以及

UHPC 結(jié)構(gòu)的特點,制定相應的施工工藝,才能確保

其安全性、穩(wěn)定性和持耐久性[8 - 11]

。 主要施工過程

如下:

(1)預制 UHPC 梁:按照設(shè)計要求,將 UHPC 材料

在工廠中進行分節(jié)段預制,并在高溫蒸汽養(yǎng)護條件下

成型,保證梁體質(zhì)量。

(2)拼接 UHPC 梁:將預制好的 UHPC 梁節(jié)段臨

時拼裝,然后在接縫處采用硅酮硫密封膠安裝預應力

管道密封圈,移動待拼梁段,并準確對位拼接,確保拼

接縫的牢固性和密封性。

(3)初張拉:進行初張拉,使環(huán)氧樹脂在不小于

0. 3 MPa 的壓力下固化,確保梁的初始穩(wěn)定性。

(4)澆筑濕接縫:在梁節(jié)段接縫處澆筑濕接縫材

料,保證梁的整體性和耐久性。

(5)對稱張拉:進行對稱張拉預應力,然后壓漿

封錨,使 UHPC 梁達到預定的預應力狀態(tài),確保梁體

具有足夠的承載能力。

(6)安裝 RC 橋面板:在 UHPC 梁上方安裝 RC 橋

面板,并通過剪力釘連接 UHPC 梁和 RC 橋面板,確

保橋面的平整度和穩(wěn)定性。

(7)運輸和吊裝:將組合好的 UHPC - RC 組合箱

梁整體運輸?shù)焦さ?并通過吊車將梁吊裝到橋墩上,

確保梁的安全性和穩(wěn)定性。

(8)施工橋面系及附屬設(shè)施:完成橋面系的施工

以及相關(guān)附屬設(shè)施的安裝,包括防護欄桿、標志牌等,

確保橋梁的安全性和通行性。

5 結(jié)論

本文以福建某人行天橋為工程背景,針對低高度

預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋進行設(shè)計研究,提出

2023 年 11 期 總第 305 期 林志滔·低高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋設(shè)計研究 ·133·

結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計以及相應的施工工藝,同時對橋梁結(jié)

構(gòu)整體受力性能進行計算分析。 主要結(jié)論如下:

(1)通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、截面尺寸和預應力鋼筋配

置等方面的優(yōu)化,獲得跨徑更大、建筑高度更低的低

高度預應力 UHPC - RC 組合箱梁橋結(jié)構(gòu)。 同時,該

結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段都具有足夠的承載能力,

滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2)通過采用 UHPC 材料,使該橋梁的整體剛度

得到較大提高。 使用階段橋梁的撓度比,遠低于規(guī)范

限值。 同時,與傳統(tǒng)的 RC 箱梁相比,UHPC - RC 組

合箱梁在豎向和橫向方向上具有更高的一、二階頻率

值,表明該結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性都得到了有效保證,

并且具有優(yōu)異的抗震性能。

(3)由于 UHPC 材料的復雜組成和高施工要求,

采用預制構(gòu)件的方法,以保證 UHPC 構(gòu)件的質(zhì)量和可

靠性。 通過對橋梁的整體力學分析和 UHPC 的結(jié)構(gòu)

特點,進行合理的施工技術(shù)選擇,提出相應的施工工

藝,確保了該橋梁在施工期間的安全性、穩(wěn)定性和耐

久性。

參 考 文 獻

[1] 張子軒. 超寬橋梁 UHPC - NC 組合橋面板力學性能分

析[D]. 武漢:華中科技大學,2020.

[2] 李杰. UHPC 箱梁橋面體系構(gòu)造優(yōu)化及靜力性能試驗研

究[D]. 長沙:湖南大學,2019.

[3] 張洪祥. 鋼 - 混組合連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)的 UHPC 應用研

究[D]. 重慶:重慶交通大學,2019.

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梁橋面體系優(yōu)化設(shè)計研究[ J]. 土木工程學報,2017,50

(11):87 - 9.

[5] 潘仁勝. 混凝土及 UHPC 箱梁腹板抗剪性能研究[D].

長沙:湖南大學,2017.

[6] 胡志堅,王少兵,賈麗君,等. 考慮開裂非協(xié)調(diào)變形 P 梁

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混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范:JTG 3362—2018[ S]. 北京:人民

交通出版社,2018.

[8] 張策. 超大跨徑 UHPC 連續(xù)箱梁橋接縫設(shè)計及模型試驗

[D]. 長沙:湖南大學,2014.

[9] 邵旭東,詹豪,雷薇,等. 超大跨徑單向預應力 UHPC 連

續(xù)箱梁橋概念設(shè)計與初步實驗[ J]. 土木工程學報,

2013,46(08):83 - 89.

[10] 林海. 人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D]. 成都:西南交通大

學,2013.

[11] 李興焮. 節(jié)段預制拼裝 UHPC 箱梁接縫構(gòu)造形式及力學

性能研究[D]. 長沙:湖南大學,2021.

(上接第 70 頁)

(1)類似深基坑工程項目,建議綜合考慮工期、

造價以及周邊環(huán)境的影響,進行方案選型分析,地下

室采用地連墻 + 樓板撐的半逆作方案,可有效節(jié)約造

價和工期,保護周邊環(huán)境。

(2)逆作設(shè)計中,支承立柱盡可能采取“一柱一

樁”的布置方式。 合理布置樓板逆作范圍結(jié)合工期和

土方開挖難度,減小現(xiàn)場施工難度。

(3)逆作豎向構(gòu)件垂直度的控制,地連墻接槽位

置的抗?jié)B以及逆作構(gòu)件與順作構(gòu)件接縫位置的處理

是控制要點,應加強設(shè)計和施工質(zhì)量控制。

(4)地連墻傳至樓板撐的圍壓力較大,特別是內(nèi)

撐環(huán)梁受力,樓板撐的設(shè)計,應考慮樓板變形協(xié)調(diào)的

應力重分布以及對薄弱部位樓板的影響。 此外,由于

基坑圍壓力的作用,樓蓋形成壓彎構(gòu)件,對控制混凝

土裂縫的有利作用,以及樓蓋承載力的優(yōu)化計算,也

是值得進一步探討的問題。

參 考 文 獻

[1] 王允恭. 逆作法設(shè)計與施工實例[M]. 北京:中國建筑工

業(yè)出版社,2011.

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[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑工程逆作法技

術(shù)標準:JGJ 432—2018 [ S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版

社,2018.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

某多跨連續(xù)坦拱橋梁設(shè)計探析

熊 誠 危玉蓉 謝 楊

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 湖北武漢 430010)

摘 要:拱橋造型受所跨越河道水位、橋梁縱坡、景觀需求等多方面因素限制,常采用矢跨比小于 1 / 5 的拱橋,即“坦

拱”。 由于拱軸線平坦,拱腳水平推力非常大,基礎(chǔ)抗推要求高,極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安全問題。 以某園區(qū)景觀連續(xù)坦拱橋梁

為工程背景,詳細分析了橋梁總體設(shè)計情況、結(jié)構(gòu)建模分析要點及結(jié)構(gòu)驗算主要分析結(jié)果。 通過分析研究,選用了適

宜的橋臺抗推體系(群樁基礎(chǔ) + 阻滑板組合體系),并給出了該體系相關(guān)構(gòu)件設(shè)計參數(shù)及主要計算過程,為類似橋梁設(shè)

計提供有益的經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞: 坦拱;有限元分析;基礎(chǔ)抗推;阻滑板

中圖分類號:U44 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0134 - 05

Analysis on the design of a multi - span continuous Tan - arch bridge

XIONG Cheng WEI Yurong XIE Yang

(Central&Southem China Municipal Engineening Design and Research Institute Co,Ltd. ,Wuhan 430010)

Abstract:The shape of arch bridge is limited by many factors such as the water level across the river,the longitudinal slope of the bridge

and the landscape demand,so the arch bridge with the span ratio less than 1 / 5 is often used,that is,the \" tan arch\". Due to the flat arch axis,the horizontal thrust of the arch foot is very large,and the requirement of foundation thrust is high,which is easy to cause structural safety

problems. Taking the continuous tan - arch bridge in a park as the engineering background,the overall design of the bridge,the analysis

points of structural modeling and the main analysis results of structural checking calculation are introduced in detail. Based on the analysis

and research,the appropriate abutment pushing system (pile group foundation + resistance slide composite system) is selected,and the design parameters and main calculation process of the relevant components of the system are given,which can provide useful experience reference for similar bridge design.

Keywords:Tanarch; Finite element analysis; Foundation thrust resistance; Baffle plate

作者簡介:熊誠(1986— ),男,高級工程師。

E-mail:405827614@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 26

0 引言

拱橋作為我國傳統(tǒng)基本橋型之一,因其造型典雅

優(yōu)美,常用于公園景觀橋梁。 拱橋在豎向荷載作用

下,兩端支撐除產(chǎn)生豎向反力外,還會產(chǎn)生水平推

力[1]

,推力的大小與外部受荷及矢跨比相關(guān)。 當矢跨

比小于 1 / 5 時,稱之為“坦拱”,其拱腳水平推力相對

常規(guī)拱橋而言更大。 若采用多跨連拱結(jié)構(gòu),則其受力

更為復雜,在設(shè)計過程中應特殊考慮,采取合理措施,

以保證結(jié)構(gòu)安全。 目前,對該類連續(xù)坦拱橋梁的設(shè)計

研究并不多。 本文以某園區(qū)橋梁為工程背景,結(jié)合相

關(guān)計算理論,通過有限元分析手段,詳細研究多跨連

續(xù)坦拱橋梁的受力機理,并給出了相關(guān)設(shè)計參數(shù),其

研究結(jié)論擬為類似橋梁工程設(shè)計提供有益的經(jīng)驗

參考。

1 工程概況

擬建橋梁位于園林主干路范圍,跨越既有水系,

采用三孔空腹式拱橋,橋梁總長 66 m,橋?qū)?9. 0 m,橋

面縱坡 3% 。 橋型立面如圖 1 所示。

上部結(jié)構(gòu)孔跨布置為 15. 7 m + 19. 6 m + 15. 7 m,

橋梁與兩側(cè)道路銜接。 主拱中孔為凈矢跨比 1 / 7、半

徑 R = 1855 cm 的等截面圓弧線無鉸拱;邊孔為凈矢

跨比 1 / 6、半徑 R =1310 cm 的等截面圓弧線無鉸拱,拱

圈厚度均為 50 cm。 腹拱圈采用 R = 50 cm 半圓拱,拱

圈厚度為 15 cm。 側(cè)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),頂寬

50 cm,坡比為 4∶ 1,外側(cè)采用芝麻灰荔枝面花崗巖鑲

面。 拱腳處設(shè)有 C20 素混凝土護拱,上面鋪設(shè)一層防

水層,拱上采用二灰土填料。

2023 年 11 期 總第 305 期 熊 誠,危玉蓉,謝 楊·某多跨連續(xù)坦拱橋梁設(shè)計探析 ·135·

圖 1 橋梁立面布置圖(單位:cm)

橋臺、橋墩采用樁接承臺基礎(chǔ)。 橋墩承臺尺寸厚

2. 0 m,寬 13. 5 m,承臺下設(shè) 6 根樁,樁徑 1. 2 m,樁長

45 m。 橋臺承臺尺寸為 10 m × 5. 63 m × 2. 0 m,下設(shè)

6 根樁,樁徑 1. 2 m,樁長 35 m。 橋梁典型橫斷面如圖

2 所示。

圖 2 橋梁典型橫斷面圖(單位:cm)

本橋位地質(zhì)條件一般,土層分布依次為松散狀素

填土、呈軟塑 ~ 可塑狀粉質(zhì)黏土夾粉土、呈可塑狀淤

泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、呈軟塑狀粉質(zhì)黏土、呈硬塑狀粉質(zhì)黏

土、呈可塑稍密狀質(zhì)黏土夾粉砂、呈稍密 ~ 中密狀粉

砂。 樁基持力層采用粉砂層,其上覆土層較厚。

2 技術(shù)標準

(1)道路等級:園林主干路,設(shè)計速度 30 km / h;

(2)設(shè)計荷載:城 - B 級;

(3)橫斷面布置:1. 5 m 人行道 + 6 m 行車道 +

1. 5 m 人行道 = 9. 0 m;

(4)設(shè)計基準期:100 年;

(5)設(shè)計使用年限:橋梁主體結(jié)構(gòu) 100 年,可更換

部件 15 年;

(6)通航標準:凈空 2. 5 m,小型游船通行;

(7 ) 設(shè) 計 水 位: 規(guī) 劃 水 位 23. 000, 河 床 高

程 19. 000;

(8)抗震標準:基本地震加速度值為 0. 05g;抗震

設(shè)防分類均為丁類,其抗震措施應符合本地區(qū)地震基

本烈度(6 度)的要求;

(9)環(huán)境類別:Ⅱ類環(huán)境;

(10)結(jié)構(gòu)安全等級:一級。

3 結(jié)構(gòu)建模分析

3. 1 模型建立

橋梁上部結(jié)構(gòu)拱圈采用 MIDAS 2021 V2. 1 計算

分析,有限元模型如圖 3 所示。

圖 3 橋梁有限元計算模型

模型建立要點如下:

(1)拱圈采用無鉸拱,全橋按連拱計算,建立拱

座、承臺單元;

(2)不考慮拱上建筑的聯(lián)合作用,填料按荷載加

載考慮;

(3)采用虛擬縱梁模擬橋面板,以便于汽車荷載

及人群荷載實施。 橋面板單元與主拱圈單元對應節(jié)

點采用彈性支撐;

(4)為簡化模型,采用 m 法計算群樁承臺等效

剛度,將群樁出口剛度作為邊界條件設(shè)置于承臺中

·136· 福 建 建 筑 2023 年

心下緣節(jié)點處,采用橋梁博士 3. 0 計算工具計算群

樁基礎(chǔ)剛度矩陣。

橋墩處群樁承臺剛度計算結(jié)果:承臺單位豎向位

移時,樁頂豎向反力合計 = 2. 283e + 006 kN;承臺單位

水平位移時,樁頂水平反力合計 = 3. 369e + 005 kN;承

臺單位水平位移時,樁頂反彎矩合計 = - 1. 179e +

006 kN·m;承臺單位轉(zhuǎn)角時,樁柱頂反彎矩合計 =

1. 310e + 007 kN·m。

橋臺處群樁承臺剛度計算結(jié)果:承臺單位豎向位

移時,樁頂豎向反力合計 = 2. 216e + 006 kN;承臺單位

水平位移時,樁頂水平反力合計 = 3. 309e + 005 kN;

承臺單位水平位移時,樁頂反彎矩合計 = - 1. 165e +

006 kN·m;承臺單位轉(zhuǎn)角時,樁柱頂反彎矩合計 =

1. 212e + 007 kN·m。

3. 2 計算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行荷載組合,列出有限元分析主

要計算結(jié)果如圖 4 ~ 圖 7 所示。

圖 4 主拱圈基本組合彎矩包絡圖(單位:kN)

圖 5 主拱圈基本組合軸力包絡圖(單位:kN)

圖 6 主拱圈基本組合剪力包絡圖(單位:kN)

圖 7 標準組合墩臺反力圖(單位:kN)

3. 3 主要結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù) 《 公 路 圬 工 橋 涵 設(shè) 計 規(guī) 范》 ( JTG D61—

2005)中相關(guān)規(guī)定對橋梁主要構(gòu)件進行驗算[2]

,僅列

出主拱圈拱腳截面、1 / 4 截面、跨中截面等共計3 個截

面及墩臺主要驗算結(jié)果,相關(guān)結(jié)果如表 1 所示。

表 1 主拱圈截面抗剪強度驗算表

荷載組合

主拱圈拱腳

Vd(kN) Rn = A × fvd + 1 / 1. 4 × μf × Nk(kN) γ0Vd (kN) 是否滿足

基本組合

Max 1950 15403 2145 滿足

Min 325 15305 357. 5 滿足

荷載組合 主拱圈 1 / 4 跨截面

基本組合

Max 1235 14993 1358. 5 滿足

Min 106 14716. 5 116. 6 滿足

荷載組合 主拱圈跨中截面

基本組合

Max 701 14887. 5 771. 1 滿足

Min 687 14911 755. 7 滿足

(1)主拱圈抗剪強度驗算

經(jīng)驗算,主拱圈抗剪強度驗算滿足規(guī)范要求,且

結(jié)構(gòu)安全富裕度較大。 由驗算過程可知,對于實心截

面坦拱而言,拱圈按常規(guī)經(jīng)驗確定厚度值即可,截面

抗剪不控制構(gòu)件設(shè)計。

(2)主拱圈整體“強度 - 穩(wěn)定”驗算

由于截面強度驗算與拱的整體“強度 - 穩(wěn)定”驗

算所采用公式相同,只是為考慮長細比及彎曲系數(shù)的

影響,因此,直接驗算拱的整體“強度 - 穩(wěn)定” 即可,

相關(guān)驗算結(jié)果如表 2 所示。

表 2 主拱圈“強度 - 穩(wěn)定”驗算表

荷載組合

主拱圈拱腳

e = M/ N(m) 偏心距限值 e0(m) Rn = φ × fcd × b × Ac(kN) γ0Nd (kN)

基本組合

Max 0. 45 0. 15 — —

Min 0. 16 0. 15 — —

荷載組合 主拱圈 1 / 4 跨截面

基本組合

Max 0. 02 0. 15 48546 8605

Min 0. 24 0. 15 — —

荷載組合 主拱圈跨中截面

基本組合

Max 0. 09 0. 15 33802 7170

Min 0. 16 0. 15 — —

2023 年 11 期 總第 305 期 熊 誠,危玉蓉,謝 楊·某多跨連續(xù)坦拱橋梁設(shè)計探析 ·137·

由表 2 可見,有部分截面偏心距超過《公路圬工

橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)4. 0. 9 條的規(guī)定,應

該按 4. 0. 10 的公式計算,并考慮鋼筋的承載力貢獻,

相關(guān)驗算結(jié)果如表 3 所示。

表 3 主拱圈“強度 - 穩(wěn)定”驗算表(考慮偏心距超限及普通鋼筋貢獻)

荷載組合

主拱圈拱腳

Rn(kN) RS (kN) Rn + RS (kN) γ0Nd (kN)

基本組合 Max 422. 4 19752. 6 20175 10164

基本組合 Min 1128. 5 19752. 6 20881. 1 3377

荷載組合 主拱圈 1 / 4 跨截面

基本組合 Min 831. 3 19752. 6 20583. 9 7893. 6

荷載組合 主拱圈跨中截面

基本組合 Max 297. 3 19752. 6 20049. 9 1104. 4

基本組合 Min 1256 19752. 6 21008. 6 1449. 8

主拱圈截面上下緣均設(shè)直徑 25 mm 的 HRB400

鋼筋,橫向間距 10 cm。 經(jīng)驗算,主拱圈整體“強度 -

穩(wěn)定”滿足規(guī)范要求。 由驗算過程可知,拱圈“強度

- 穩(wěn)定”驗算控制了主拱圈構(gòu)件設(shè)計。 連續(xù)坦拱橋拱

腳負彎矩相對拱頂正彎矩而言更大,拱腳截面偏心距

極易超限,需配置較多的鋼筋,以提高截面承載能力。

(3)主拱圈裂縫驗算

經(jīng) MIDAS 計 算, 拱 圈 單 元 最 大 裂 縫 寬 度 為

0. 13 mm,裂縫寬度小于 0. 2 mm,滿足規(guī)范要求。

(4)主拱圈撓度驗算

在一個橋跨范圍內(nèi)的正負撓度的絕對值之和的

最大值,不應大于計算跨徑的 1 / 1000

[2]

。 經(jīng)驗算 f =

11. 0 < 19 600 / 1000 = 19. 6 mm,滿足要求。

(5)墩臺樁頂位移驗算

由于采用連拱結(jié)構(gòu),且邊中跨拱圈跨度不一,經(jīng)

計算,橋墩取抵抗較大的不平衡推力,擬采用群樁基。

單個橋墩下設(shè)置 6 根樁徑 1. 2 m 的樁基,縱向設(shè)置兩

排。 經(jīng)驗算,樁頂最大位移值為 3. 6 mm,滿足規(guī)范

要求。

橋臺同樣擬采用群樁基礎(chǔ), 臺下設(shè) 6 根樁徑

1. 2 m的樁基,縱向設(shè)置兩排。 經(jīng)驗算,樁頂位移值為

15 mm,大于 6 mm,不滿足規(guī)范要求。

4 橋臺基礎(chǔ)抗推體系設(shè)計

由于橋臺處地質(zhì)條件一般,若盲目增大樁徑或增

設(shè)樁基根數(shù),會急劇提高工程造價,不可取。 故本次

橋臺設(shè)計需綜合分析后,采取合理抗推措施,以控制

樁頂位移。

目前中小跨度拱橋基礎(chǔ)抵抗水平力常用思路有

以下兩種:一是采用組合基礎(chǔ)形式,如群樁基礎(chǔ) + 阻

滑板體系;二是在承臺之間設(shè)剛性系桿或柔性系桿。

因本橋橋下有小型游船通行需求,為減少對船只通行

影響,本橋不宜采用拉桿體系。 此外,橋頭兩側(cè)順接

路堤,路堤為填筑段,若臺后后設(shè)阻滑板,施工較為方

便,且后期填筑土地可作為阻滑板壓重。 故橋臺基礎(chǔ)

抗推采用樁基礎(chǔ) + 阻滑板組合體系,如圖 8 所示。

圖 8 樁基礎(chǔ) + 阻滑板組合抗系推體系示意圖(單位:cm)

橋臺處拱的水平力采用變形協(xié)調(diào)法計算,其基本

原理假設(shè)前提為:

(1)橋臺及阻滑板均按剛體考慮;(2) 阻滑板底

所受的土體摩阻力分布均勻;(3)土體視為彈性變形

介質(zhì),地基系數(shù)與深度成正比[3]

。

根據(jù)群樁基礎(chǔ)布置形式及地層土體分布情況,通

過 m 法,計算出橋臺處群樁基礎(chǔ)水平抗推剛度 K樁 =

3. 309 × 10

5

kN/ m。

初擬阻滑板尺寸,阻滑板水平抗推剛度 K阻 =

CX LB。

CX = m0 h’ / 2 = 13 277 kN/ m

3

;

K阻 = 12 377 × 12 × 12 = 1. 91 × 10

6

kN/ m;

K總 = K樁 + K阻 = 2. 24 × 10

6

kN/ m;

群樁承受的水平力 F樁 = K樁 / K總 × F總 = 3. 309

× 10

5

/ (2. 24 × 10

6

) × 4971 = 732 kN;

阻滑板承受的水平力 F阻 = K阻 / K總 × F總 = 1. 91

× 10

6

/ (2. 24 × 10

6

) × 4971 = 4232. 8 kN。

阻滑板底作用的豎直力為:

N阻 = 4. 2 × 12 × 12 × 18 + 0. 8 × 12 × 12 × 25

= 13 766. 4 kN。

·138· 福 建 建 筑 2023 年

根據(jù)《 公 路 橋 涵 地 基 與 基 礎(chǔ) 設(shè) 計 規(guī) 范》 ( JTG

D63—2019)規(guī)定[4]

,阻滑板抗滑動穩(wěn)定性系數(shù) kc =

(0. 4 × 13 766. 4) / 4332. 8 = 1. 27 > 1. 2,抗滑穩(wěn)定性

滿足要求。 阻滑板擬定尺寸構(gòu)造如圖 9 所示。

圖 9 阻滑板一般構(gòu)造圖(單位:cm)

5 施工要點

(1)拱圈施工

拱架應采用鋼拱架,施工時另行設(shè)計。 施工時應

注意支架的強度、剛度及穩(wěn)定性,支架應進行堆載預

壓,預壓總量為主拱圈自重的120% ,以消除支架的非

彈性變形,并根據(jù)實際支架情況計算預留支架的彈性

變形量。 超載預壓時,48 h 內(nèi)測量的地基沉降量不大

于 3 mm。 支架預壓應分級加載,然后逐級卸載[5]

。

拱圈考慮設(shè)置預拱度保證成橋線型,拱頂最大預拱度

值為 2 cm,兩側(cè)預拱度建議采用拋物線線設(shè)置。 支架

基礎(chǔ)必須采取有效措施進行加固,施工拱圈時,注意

預埋側(cè)墻鋼筋。

拱圈混凝土澆筑對稱進行,從拱腳向拱頂澆筑,

澆筑過程中應密切觀察拱頂變形情況。 振搗砼時,要

注意振搗深度,不可振到底模板上,同時不可用振動

棒撬住鋼筋振搗。

拱圈合龍,宜選擇夜間氣溫較穩(wěn)定時段的溫度。

在卸架前,橋臺的全部工程及臺背填土必須基本完

成。 卸落拱架的次序,應自拱頂至拱腳分多次逐漸對

稱進行。

(2)側(cè)墻砼澆筑

拱圈施工完成后,必須在拱圈混凝土強度達到

90% 時才可以澆筑側(cè)墻。 側(cè)墻的澆筑同拱圈,應均勻

對稱,從兩側(cè)拱腳開始,澆筑護拱時,要注意保護好泄

水管。

(3)拱腔回填

當側(cè)墻砼強度達到 90% 時,拱腔回填應分層壓

實。 可采用蛙夯或人工夯,施工時應分層,有持續(xù)壓

實,以免擠壞側(cè)墻。 拱頂 50 cm 回填范圍內(nèi),嚴禁用

大型機械振動碾壓。 側(cè)墻及拱腔內(nèi)采用二灰土回填,

分層夯實,密度要求同道路路基(壓實度為 95% ),分

層厚度不大于 20 cm,二灰土配合比(石灰∶ 粉煤灰 ∶

土 = 10∶ 30∶ 60),7 d 浸水抗壓強度不低于 0. 6 MPa,

180 天劈裂強度不低于 0. 25 MPa。

(4)墩臺承臺澆筑

承臺由于混凝土體量較大,施工時應,注意對水

化熱的冷卻并注意預埋拱座鋼筋。

(5)臺后回填

橋臺外露部分應勾縫,并保證輪廓分明。 部分橋

梁橋臺較高,臺后土壓力較大。 為減小土壓力,臺后

填土應分層填筑壓實,臺后采用透水性好的砂性土分

層填筑碾壓(Φ≥35°),確保密實度在 95% 以上。 橋

臺基坑開挖邊坡土層為 1∶ 1. 5,施工完畢后,基坑必須

回填,并逐層夯實。

(6)阻滑板施工

阻滑板必須先于橋臺鉆孔樁施工。 阻滑板施工

后,應盡快施工上方填土,堆載沙袋預壓預沉,促使阻

滑板沉降穩(wěn)定。 碎石墊層粒徑不宜大于 3 cm,宜采用

靜力壓實法,夯填度不得大于 0. 9。

6 結(jié)語

(1)對于多跨連續(xù)拱橋,特別是孔跨跨徑相差較

大時,應考慮采用連拱建模,需準確模擬下部結(jié)構(gòu);

(2)拱橋采用群樁基礎(chǔ)時,當橋梁范圍地質(zhì)情況

變化不大時,可考慮采用群樁出口等效剛度建模分

析,簡化計算;

(3)坦拱橋梁相對普通拱橋而言,其拱腳推力更

大,需綜合分析選擇合理的橋臺抗推體系;

(4)多跨連續(xù)坦拱橋梁施工時,應嚴控混凝土澆

筑過程,并注重回填質(zhì)量。 臺后采用阻滑板抗推時,

應結(jié)合地質(zhì)情況、施工難易程度及經(jīng)濟性合理選擇樁

基承臺及阻滑板的抗推剛度比,同時應注意阻滑板及

橋臺的合理施工時序。

參 考 文 獻

[1] 邵旭東. 橋梁工程(第 5 版) [M]. 北京:人民交通出版

社,2019:285.

[2] 中華人民共和國交通運輸部. 公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范:

JTG D61—2005[S]. 北京:人民交通出版社,2005:11 -20.

[3] 田書貴. 軟土地基拱橋橋臺及阻滑板抗推計算淺析[ J].

中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2014(12):112 - 113.

[4] 中華人民共和國行業(yè)標準. 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)

范:JTG 3363—2019[ S]. 北京:人民交通出版社,2020:

26 - 27.

[5] 狄旭明. 下承式預應力系桿拱橋施工技術(shù)的研究和探討

[J]. 城市建設(shè)理論研究(電子版),2013(14):63.

2023 年第 11 期

總第 305 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 11·2023

Vol·305

基于 OGFC - 5 超薄瀝青罩面的鄉(xiāng)村振興公路

改造設(shè)計研究

柳昌華

(中交通達(福州)工程設(shè)計有限公司 福建福州 350014)

摘 要:為了促進 OGFC - 5 超薄瀝青微罩面技術(shù)的發(fā)展,分析 OGFC - 5 超薄瀝青罩面層路面改造的設(shè)計應用實踐。

在分析工程項目建設(shè)條件、自然地理情況、舊有路面結(jié)構(gòu)組成和病害情況的基礎(chǔ)上,提出總體設(shè)計思路和設(shè)計指標。

同時,比對兩種不同的瀝青加鋪方案,根據(jù)周邊環(huán)境情況和經(jīng)濟效益,最后確定采用 1. 5 cm OGFC - 5 微罩面的加鋪方

案。 最后,對設(shè)計的關(guān)鍵節(jié)點進行分析,對實際設(shè)計成果進行檢測,得出項目的設(shè)計方案,滿足業(yè)主方對于使用功能要

求和經(jīng)濟效益等方面的要求。

關(guān)鍵詞: 開級配磨耗層;微罩面;鄉(xiāng)村振興;改造設(shè)計

中圖分類號:U41 文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)11 - 0139 - 06

Research on The Design of Rural Revitalization Highway Renovation

Based on OGFC - 5 Ultra Thin Asphalt Cover

LIU Changhua

(Zhongjiao Tongda (Fuzhou) Engineering Design Co. ,Ltd,Fuzhou 350014)

Abstract:In order to promote the development of OGFC - 5 ultra - thin asphalt micro overlay technology,this paper introduces the design

and application practice of OGFC - 5 ultra - thin asphalt overlay pavement renovation. Based on the analysis of the construction conditions,

natural geographical conditions,composition of existing pavement structures,and disease conditions of the engineering project,the overall

design concept and design indicators are proposed. After comparing two different asphalt overlay schemes and considering the surrounding

environment and economic benefits,the final decision was made to use a 1. 5cm OGFC - 5 micro - Surfacing overlay scheme. Finally,by introducing the key nodes of the design and testing the actual design results,it is concluded that the design scheme of this project meets the

owner's requirements for functional use and economic benefits.

Keywords:OGFC; Micro - surfacing overlay; Rural revitalization; Reconstruction design

作者簡介:柳昌華(1990. 09— ),男,工程師。

E-mail:346872578@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 07

0 引言

隨著改革開放進程的不斷推進,中國的經(jīng)濟增長

與社會的高素質(zhì)發(fā)展都取得許多不菲的成就,工業(yè)化

和城鎮(zhèn)化都得到了長足的進步[1]

。 在這個發(fā)展過程

中,由于鄉(xiāng)村人口的外遷,使得農(nóng)村空心化和 “鄉(xiāng)村

病”的問題日益嚴重[2]

。 如何通過加強鄉(xiāng)村和城市協(xié)

同發(fā)展,二者互相發(fā)展互相支撐,是當下社會發(fā)展需

要重點解決的問題。 實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興是全面建成小康

社會的必然條件[3]

,而鄉(xiāng)村道路的建設(shè)與鄉(xiāng)村經(jīng)濟和

鄉(xiāng)村社會結(jié)構(gòu)的發(fā)展息息相關(guān),是建設(shè)城鄉(xiāng)融合系統(tǒng)

的基礎(chǔ)條件[4]

。 開級配磨耗層(OGFC) 瀝青混合料

是一種新型的能對輕、中病害道路進行修補的預防性

養(yǎng)護施工原材料,通過其改善的路面具有良好的平整

度,能夠起到很好的降噪和抗滑的作用[5]

。 此外,其

相對傳統(tǒng)瀝青混合料更加經(jīng)濟,因此成為鄉(xiāng)村道路整

體改造的重要選擇對象。

本文基于實際的鄉(xiāng)村振興公路改造的設(shè)計實踐,

對 OGFC - 5 超薄瀝青混合料微罩面的設(shè)計方案和設(shè)

計要點進行梳理和分析,為同類工程設(shè)計提供一定的

借鑒。

1 工程背景

本項目為寧德市霞浦縣北壁鄉(xiāng)東沖村道路的“白

改黑”鄉(xiāng)村振興工程,是霞浦縣打造鄉(xiāng)村旅游典型項