上海環(huán)球金融中心主樓深基礎(chǔ)混凝土大底板施工研究
2006-09-04 00:00
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【摘 要】對上海環(huán)球金融中心主樓深基礎(chǔ)超大體積混凝土基礎(chǔ)底板留設(shè)水平施工縫的理論分析，是進(jìn)行超大超厚混凝土施工的又一種解決辦法，而采用聚煎酸系外加劑配制的低水化熱低收縮的大體積混凝土也為施工提供了一條新的技術(shù)途徑。其2．89萬m3混凝土一次性連續(xù)澆搗，創(chuàng)造了建筑工程的世界新記錄，工程實測數(shù)據(jù)表明：該混凝土施工技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
【關(guān)鍵詞】上海環(huán)球金融中心 基礎(chǔ)底板 聚羧酸系外加劑 混凝土配制 施工縫大體積混凝土 混凝土收縮
1 工程概況
上海環(huán)球金融中心工程位于上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，與金茂大廈相鄰，該工程地上101層，地下3層，地面以上實體高度為492 m，總建筑面積為37．7萬m 2，為多功能摩天超高層建筑(見圖1)。主樓工程樁為Ф700 mm的鋼管樁，圓形圍護墻內(nèi)共1 242根，有P700 mm *15 mm、P700 mm *18 mm和P700 mm * 11 mm三種規(guī)格。主樓區(qū)域基坑呈100 m內(nèi)徑的圓形，基坑面積約7 850 m2。主樓基礎(chǔ)底板厚度一般為4．0 m和4．5 m，圓形圍護墻內(nèi)含部分裙房底板，厚度為2 m。主樓與裙房基礎(chǔ)面過渡段為坡面，高差2 m．水平投影長6．34 m。主樓基礎(chǔ)挖深18．35 m。電梯井深坑位于基坑中部，面積約2 116 m2 ，開挖深度約25．89m。主樓基礎(chǔ)底板混凝土總方量約38 900 m3，強度等級為C40，抗?jié)B等級為P8、R60。底板水平鋼筋采用鋼筋束形式，鋼筋束為兩根一束。底板內(nèi)設(shè)豎向抗剪鋼筋，主樓底板鋼筋總最約7 000 t。主樓中部的電梯井深坑處底板最大厚度為12．04 m，落深部分的基坑混凝土量約為10 000 m3(圖2)。
  2 關(guān)鍵技術(shù)研究
我們在超大體積低水化熱混凝土配制研究之前對聚羧酸系外加劑的抗裂機制、混凝土的水化熱理論分析、聚羧酸系外加劑的選擇、聚羧酸系外加劑與水泥的適應(yīng)性、攪拌工藝的改進(jìn)、混凝土初凝時間的確定、攪拌運輸車輛的確定等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為混凝土的合理配制提供了條件。
2．1 超大體積低水化熱混凝土配制研究
2．1．1 原材料選擇
(1)水泥。在選用配制大體積混凝土所用的水泥時，優(yōu)先考慮選用42．5普通硅酸鹽水泥，同時兼顧與外加劑的適應(yīng)性，其質(zhì)量指標(biāo)符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB175-1999)的規(guī)定。
(2)砂。用表面潔凈、級配良好、細(xì)度模數(shù)在2．6～3．1的中粗砂。砂的質(zhì)量指標(biāo)符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》(JGJ52—92)的規(guī)定。
(3)碎石。用質(zhì)地堅硬、級配良好、石粉臺量低、針片狀顆粒臺量少、空隙率小的5～25 mm碎石。碎石的質(zhì)量指標(biāo)符合《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》 (JGJ53—92)的規(guī)定。
(4)摻合料。用活性指數(shù)高、細(xì)度適中、流動度大、燒失量小的Ⅱ級粉煤灰、S95礦渣微粉，其質(zhì)量指標(biāo)分別符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596—2005)、《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣微粉》(GB／T18046-2000)的規(guī)定。
(5)外加劑。選用上海兆申(KFDN—SP)、上海麥斯特建工(SP一8N)、廣州西卡(V3301)的聚羧酸系外加劑。其質(zhì)量指標(biāo)符合〈混凝土外加劑〉 (GB8076—1997)的規(guī)定。
(6)水。采用自來水作為混凝土拌合用水，其質(zhì)量指標(biāo)符合〈混凝土拌合用水〉(JGJ63—1989)的規(guī)定。
2．1．2 配合比試配
(1)試配方案和結(jié)果。設(shè)計強度等級為C40，坍落度為150±30mm。通過前面對原材料的初步選擇和試驗結(jié)果，根據(jù)以往的混凝土試配經(jīng)驗和工程實踐，擬定正交試驗方案(表1)。
上表中膠凝材料按每立方米用量計算，外加劑按膠凝材料(水泥+礦粉)總量的0．8%計算。計算每一個試驗號的混凝土配合比，假定試配混凝土的密度為2 400 kg／m3 ，砂率為43％，按規(guī)范進(jìn)行試配、制作、養(yǎng)護、試壓，其結(jié)果見下表2、表3。
試配的目的是既要達(dá)到強度指標(biāo)，又要保證混凝土拌合物有良好的和易性，表3給出了各因素對混凝土強度和坍落度影響的直觀分析，可以看出，影響混凝土坍落度的主要順序為：水膠比→外摻料用量→水泥用量→外加劑，最佳組合為A1B3C2D4。影響混凝土強度主要順序為：外加荊→水膠比→外摻料用量→水泥用量，最佳組合為A1B2C1D1。由于本次試配水平選取比較接近，所以各因素對混凝土的考核指標(biāo)的影響不大。
從混凝土的強度來看，水膠比為0．45的各組合混凝土的平均強度雖達(dá)到設(shè)計要求，但相對較低，而水膠比為0．4 1和0．42的各組合混凝土平均坍落度基本相同，但前者強度的富裕量較大，同時考慮到基礎(chǔ)混凝土的坍落度不宜過大，所以選擇水膠比為0．41。從混凝土的和易性、保水性和粘聚性考慮，水泥用量選用為270 kg／m3，礦粉用量為70 kg／m3，粉煤灰用量為70 kg／m 3。試配過程中所用聚羧酸系外加劑除了廣州西卡公司的V3301外，其余的兩個外加劑所配制混凝土的坍落度有大于180 mm的現(xiàn)象，所以選擇廣州西卡公司的V3301外加劑。
(2)攪拌站驗證試驗。為比較各單位所用原材料對混凝土配合比的影響程度，分別在上海浦新、浦蓮、長橋、宏成、富康、湯臣、南航等7家攪拌站進(jìn)行了驗證試驗，結(jié)果見表4。
(3)施工現(xiàn)場驗證試驗。為檢驗混凝土性能指標(biāo)的復(fù)現(xiàn)性，在攪拌站驗證試驗的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了實地模擬驗證試驗，結(jié)果見表5、6、7。
2．1．3 試驗結(jié)果分析
(1)從表4試驗結(jié)果表明。初步配合比在混凝土強度、坍落度均滿足設(shè)計要求，而且各單位的差異也在控制范圍以內(nèi)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
(2)從表5、6試驗結(jié)果表明，由于混凝土拌合物的攪拌除了一般的混合作用之外，還起到一定的塑化、強化作用，所以攪拌站生產(chǎn)混凝土的初始坍落度、強度比試驗室試拌均有不同程度增大和提高。
(3)從表7試驗結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，水泥硬化28 d，礦粉、粉煤灰仍在繼續(xù)水化，發(fā)揮強度效應(yīng)，使混凝土進(jìn)一步致密，孔徑細(xì)化，連通孔減少，提高了混凝土質(zhì)量。
2．2 超大體積混凝土水平分層澆筑施工分析
2．2．1 建模分析
本工程在電梯井深坑中部由于圍護設(shè)計的需要，設(shè)置了一道鋼支撐，施工過程中需要進(jìn)行換撐，所以在鋼支撐底部設(shè)了一道水平施工縫，此部分底板厚度為4．74 m，此道施工縫可以減少基礎(chǔ)底板總厚度。在電梯井深坑頂部，為了加快進(jìn)度，減少基坑變形，再設(shè)了一道施工縫，此部分底板厚度為2．6 m。從而使整個大底板混凝土分3次澆筑施工。施工縫位置見圖3。
根據(jù)建模分析，第一次澆筑類型為澆筑面與基礎(chǔ)接觸，邊界條件為地基；第二次和第三次澆筑類型為澆筑面與已有混凝土面接觸，邊界條件為混凝土面。本工程電梯井深坑部位混凝土的澆筑為倒梯形，模型簡化時按照實際的工況進(jìn)行簡化?；A(chǔ)底板是圓形的塊體，在模型簡化時 將其簡化為圓形塊體的外接正方體。這樣的簡化模型偏于安全。電梯井深坑和基礎(chǔ)底板設(shè)置水平施工縫的可行性采用亦古信息科技有限公司的CCCTM軟件來進(jìn)行分析。
2．2．2主要分析結(jié)果
(1)第一次澆筑：①底板澆筑后，與地基接觸的邊界未出現(xiàn)裂縫，可見該邊界能達(dá)到理想的施工要求；②上邊界在混凝土澆筑后出現(xiàn)了裂縫，X方向的裂縫為0．119 mm，Y方向為0．098 mm，但仍可以達(dá)到工程質(zhì)量的要求(圖4)。
(2)第二次澆筑：①下邊界在混凝土澆筑后出現(xiàn)了裂縫，X方向的裂縫為0．121 mm，Y方向為0．12，可以達(dá)到工程質(zhì)量的要求；②上邊界在混凝土澆筑后出現(xiàn)了裂縫，X方向的裂縫為0．172 mm，Y方向為0．186 mm，可以達(dá)到工程質(zhì)量的要求(見圖5)。
(3)第三次澆筑：①下邊界在混凝土澆筑后出現(xiàn)了裂縫，x方向和Y方向的裂縫寬度均為0．126 mm，可以達(dá)到工程質(zhì)量的要求：②上邊界在混凝土澆筑后出現(xiàn)了裂縫，x方向和Y方向的裂縫寬度均為0．198 mm，可以達(dá)到工程質(zhì)量的要求(見圖6)。
2．2．3 結(jié)果評價
分析結(jié)果表明，本工程電梯井深坑和基礎(chǔ)底板采用分層澆筑施工方法，上述設(shè)置水平施工縫的方案是可行的，即在混凝土與地基接觸面以及新舊混凝土的接觸面能達(dá)到?jīng)]有裂縫出現(xiàn)或者出現(xiàn)的裂縫在工程的允許范圍內(nèi)。
3 主要施工方案的確定
3．1 樁頂處理方案
(1)根據(jù)設(shè)計要求首先進(jìn)行截樁，先采用人工將管內(nèi)1 000 mm段土體挖除，焊接樁帽蓋板，再利用樁帽蓋板的孔洞灌注C40混凝土。鋼管樁內(nèi)混凝土的密實度主要依據(jù)是否有混凝土漿從透氣孔冒出來判斷。
(2)在鋼管樁邊焊接錨固筋，根據(jù)底板鋼筋排列間距，制作定型鋼筋位置套板，根據(jù)鋼筋位置套板確定樁錨筋的焊接位置，可兩根排列，也可—根排列(見圖7)。
3．2 鋼筋工程施工方案
(1)由于主樓與裙房基礎(chǔ)底板將來是連為—體的，故主樓底板鋼筋端部皆設(shè)有直螺紋接頭，其接頭與地墻內(nèi)側(cè)頂緊，端部設(shè)保溫板，裙房施工時鑿除臨時地墻及保溫板，露出直螺紋接頭，以便于鋼筋連接。
(2)底板內(nèi)有抗剪暗柱鋼筋的地方，其上部鋼筋支架利用抗剪暗柱設(shè)置；無抗剪暗柱鋼筋的地方，其上部鋼筋支架利用型鋼體系支撐(見圖8)。
 3．3 模板工程施工方案
(1)上海環(huán)球金融中心主樓100 m圓環(huán)基礎(chǔ)的側(cè)模直接利用了外側(cè)的臨時地下連續(xù)墻，為保證主樓結(jié)構(gòu)自由沉降，必須對主樓底板與地墻接觸處的地墻表面進(jìn)行修整，以達(dá)到合格的標(biāo)準(zhǔn)。
(2)基礎(chǔ)底板頂面有高差2 m，水平投影6．34 m的斜坡，為了控制斜坡混凝土的設(shè)計標(biāo)高，在過渡段混凝土斜坡上設(shè)置了斜頂模，斜頂模要求固定牢固。以確?；炷列泵娉尚?。
3．4 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件施工方案
(1)主樓地下室鋼結(jié)構(gòu)主要是內(nèi)外剪力墻筒體和巨型柱中的勁性鋼柱以及內(nèi)筒體內(nèi)部的鋼柱，而鋼柱和勁性柱與基礎(chǔ)承臺的連接則是通過預(yù)埋在承臺中的鋼結(jié)構(gòu)高強地腳螺栓進(jìn)行連接。
(2)由于基礎(chǔ)承臺中地腳預(yù)埋螺栓較多，底板鋼筋束間距較小，地腳螺栓放置位置難免與基礎(chǔ)底板中的鋼筋束相碰，因此在預(yù)埋地腳螺栓時要根據(jù)需要將底板上部鋼筋束的位置作微調(diào)，以保證地腳螺栓位置正確。
(3)底板混凝土澆搗時，應(yīng)在預(yù)埋螺栓套板的適當(dāng)位置開設(shè)透氣孔，并在面板中部開一個 Ф150 mm左右的混凝土振搗孔，以保證使地腳螺栓套板下部的混凝土振搗密實。
3．5 大體積混凝土施工采用的配合比
通過試驗驗證，在混凝土各項指標(biāo)達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，考慮到有7家攪拌站參與超大體積混凝土生產(chǎn)，在大生產(chǎn)中原材料品質(zhì)指標(biāo)可能波動，以及其不確定因素較多，為此應(yīng)留有強度富裕量。我們對施工現(xiàn)場的混凝土配合比確定如表8。
3．6 超大體積混凝土澆搗施工方案
(1)為減少深基坑底部暴露時間，滿足換撐需要，保證深坑的安全、穩(wěn)定，施工時先分兩次連續(xù)澆搗深坑部位底板混凝土，而后再澆搗大面積底板的混凝土(見圖9)。
(2)第一次澆搗主樓深坑混凝土方量為3 500 m 3，用7臺汽車泵布置在基坑南側(cè)的施工便道上，接硬管澆搗。由2個混凝土攪拌站同時供料，混凝土供應(yīng)盤為260 m3/h，混凝土運輸攪拌車55輛，本次混凝土澆搗時間為13 h。
(3)第二次澆筑深坑部位剩余部分，混凝土方量為6500 m3，采用9臺汽車泵布置在基坑南側(cè)的施工便道上，接硬管澆搗。由3個混凝土攪拌站同時供料，混凝土供應(yīng)量為360 m3／h，啟用混凝土運輸攪拌車85輛，本次混凝土澆搗時間為18h。
(4)主樓基礎(chǔ)底板混凝土方量為28 900 m3，采用布置在基坑南側(cè)施工便道上的19臺汽車泵接硬管及布料桿澆搗混凝土。由7個混凝土攪拌站同時供料，混凝土供應(yīng)量為700 m3/h ，啟用混凝土運輸攪拌車350輛，本次混凝土澆搗時間為42 h。
(5)混凝土澆筑采用由北向南退搗方式澆筑。每臺混凝土泵車的泵管負(fù)責(zé)澆筑寬度為5 m左右，混凝土澆搗時依靠混凝土的流動性，采用大斜面分層下料，分皮振搗(見圖10)。
(6)每臺泵車配置6根振動棒進(jìn)行振搗，施工時應(yīng)特別重視每個澆筑帶坡頂和坡腳的振搗，確保上、下部鋼筋密集部位混凝土振實。
(7)混凝土表面處理要做到“三壓三平”。首先按面標(biāo)高用工具拍板壓實，長刮尺刮平；其次要在初凝前用鐵滾筒進(jìn)行數(shù)遍碾壓和滾平；最后在終凝前，用木蟹打磨壓實、整平，以閉合混凝土收水裂縫。
(8)保溫措施采用二層塑料薄膜和二層麻袋覆蓋，即在混凝土表面先覆蓋塑料薄膜一層，以封閉混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)的途徑，使混凝土能在潮濕條件下進(jìn)行養(yǎng)護以控制干縮裂縫產(chǎn)生，在這層薄膜之上再蓋一層麻袋，以減少混凝土表面熱量的散發(fā)；然后再覆蓋一層塑料薄膜，以防止雨水滲透。最后再覆蓋一層麻袋，加強保溫。要注意覆蓋薄膜的幅邊之間搭接寬度應(yīng)不少于100 mm，麻袋之間的邊口要拼緊。
3．7 大體積混凝土測溫方案與結(jié)果
第一次、第二次測溫方案及結(jié)果在此不再介紹，重點介紹第三次方量為28 900 m3大體量的混凝土澆搗測溫方案及結(jié)果。
基礎(chǔ)底板第三次混凝土澆搗時間為2005年1月28日23：00至2005年1月30日15：30停止。混凝土微機測溫系統(tǒng)從2005年1月28日開始實時測試至2005年2月23日結(jié)束，歷時27 d。
本次大底板測溫點自坑邊(A)始，依英文字母順序排定，至中心點(H)為一組，再由(H)到坑邊(o)點為另一組測溫點。測溫情況顯示，混凝土入模溫度為10—13℃，測點溫度、溫升值隨位置和厚度的不同而各不相同，在混凝土較厚處，由于散熱條件較差。所以溫度與溫升值較大。如：3B軸處3B3的入模溫度為12．4℃。最高溫度為67．1℃。其溫升值為54．7℃：3J軸處3J3的入模溫度為12．1℃，最高溫度為65．0℃，其溫升值為52．9℃。在承臺的邊緣處，由于散熱條件較好。所以溫度與溫升值較小。如：3A軸處3A3的入模溫度為11．6℃。最高溫度為59．1℃，其溫升值為47．5℃；3C3離電梯井較近，散熱條件也較好，其入模溫度為11．3℃，其最高溫62．4℃，其溫升值為51．1℃。另外，在基礎(chǔ)底板較薄處散熱條件也較好，如：3M2的入模溫度為11．4℃，最高溫度為53．6℃，其溫升值為42．2℃。從測溫得知，混凝土水化熱發(fā)展期主要集中在80一100h內(nèi)。
4 施工創(chuàng)新與工程總結(jié)
(1)通過大量研究試驗，摸索出聚羧酸系外加劑與水泥的適應(yīng)性規(guī)律，掌握了聚羧酸系外加劑配制低水化熱低收縮大體積混凝土技術(shù)。
(2)大體積混凝土配制技術(shù)途徑走通過水泥與活性礦物外摻料的合理匹配，利用聚羧酸系高效外加劑的復(fù)合效果，以低水膠比、少用水量、大流動的技術(shù)路線是可行的和有效的，可以確保混凝土耐久性要求。
(3)與普通混凝土相比，用聚羧酸系外加劑配制混凝土具有良好的工作性，其物理力學(xué)性能和耐久性能均有較大的優(yōu)勢。
(4)在大體積混凝土中摻入礦粉、粉煤灰等活性摻合料，取代部分水泥和部分細(xì)骨料，可以顯著改善混凝土性能，特別是改善混凝土抗?jié)B透性能。
(5)充分利用活性摻合料的后期強度，采用低水泥用量主要是為了降低大體積混凝土所產(chǎn)生較高的內(nèi)部溫度，以更好地控制混凝土內(nèi)部和表面的溫差，也有利于控制溫差裂縫。
(6)在超大體積混凝土配制上采用聚羧酸鹽外加劑，利用其卓越的坍落度保持性，使得出廠混凝土的和易性與現(xiàn)場混凝土的和易性相一致，從而在確保混凝土強度的同時又具有優(yōu)良的施工性能，這在國內(nèi)大體積混凝土配制技術(shù)上尚屬首次。
(7)在超大體積混凝土裂縫控制方面，利用聚羧酸鹽外加劑獨有的低摻量、大流動性、低收縮率特性，在控制混凝土早期收縮特別是減少干縮上發(fā)揮了突出的作用，是其他類型外加劑所不可比擬的。
(8)在超大體積基礎(chǔ)底板澆筑施工時，合理留設(shè)水平施工縫一般不會對基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響，相反能減少基礎(chǔ)底板體量，減少水化熱的產(chǎn)生。使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工方便，同時為復(fù)雜圍護體系的換撐創(chuàng)造有利條件。
(9)上海環(huán)球金融中心基礎(chǔ)底板分層理論分析與實際應(yīng)用說明設(shè)置水平施工縫的方案是合理的。施工實踐表明混凝土與地基接觸面以及新舊混凝土的接觸面能達(dá)到?jīng)]有裂縫出現(xiàn)或者出現(xiàn)的裂縫在工程的允許范圍內(nèi)。
(10)上海環(huán)球金融中心主樓基礎(chǔ)超大體積低水化熱低收縮混凝土的施工實踐，以及在施工組織、設(shè)備配置、材料供應(yīng)和預(yù)拌混凝土運輸與泵送等方面的技術(shù)集成，使28 900 m3?；炷粱A(chǔ)底板一次42 h連續(xù)澆注成功，創(chuàng)造了建筑工程中大體積混凝土一次澆筑的世界新記錄。經(jīng)實測，基礎(chǔ)底板內(nèi)部最高溫度只有67．1℃，水泥用量僅為270 kg／m3，混凝土180 d的收縮值為296 *10-6，工程成品的高質(zhì)量體現(xiàn)了現(xiàn)代混凝土施工技術(shù)的領(lǐng)先水平，為國內(nèi)建造超高層建筑積累了新的經(jīng)驗。
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| 原作者： 龔劍 張越 袁勇 |
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