山西某体育馆大跨度钢筋混凝土拱架结构“免预压”施工技术鲁班奖

山西****大学体育大跨度钢筋混凝土拱架结构“免预预压”施工技术****集团有有限公司凝构一、工程概况山西****大大学体育馆工工程有两道平平行的钢筋混混凝土拱自南南向北跨越体体育馆上空,用以支承其其屋盖。拱底底基础由钢筋筋混凝土灌注注桩和箱型基基础组成，每每个拱脚下均均设计了一个个箱形基础，平平面尺寸为18.5mm×10.55m。拱的中心心跨度115m，拱顶高度30.5m。拱的两端端为实体断面面，中部为矩矩形空腔断面面。截面尺寸寸为高2.5m，宽1.5m，空腔部分分壁厚400mm。两道拱轴轴线距离24m,两拱之间为为钢结构网壳壳，该大跨度度拱在国内目目前同类房屋屋建筑是跨度度之最。大跨度拱结构一一般常用于桥桥梁工程，但但随着建筑业业的发展，各各专业相互融融合，互相渗渗透，拱结构构越来越多的的在房屋建筑筑工程中得到到应用。拱结结构是建筑物物的主要受力力构件，其特特点是跨度大大、高度高、支支撑体系设计计复杂、技术术含量高、施施工难度大。目目前国内跨度度超过1000m的现浇混凝凝土拱结构尚尚不多见，研研究大跨度拱拱结构施工工工艺对工程的的正常使用和和创优具有深深远意义。为为此****集团****建设有限公公司成立了课课题组，开展展“体育馆大跨跨度钢筋混凝凝土拱施工技技术”的研究。二、大跨度拱施施工的技术难难点结合本工程具体体特点制定施施工方案，主主要技术难点点如下：1、结构预拱度度的计算问题题：拱在施工时和落落架后会产生生弹性及非弹弹性变形，所所以在支撑体体系搭设和弧弧形底模安装装时必须考虑虑预留一定量量的结构变形形值，即结构构预拱度。2、预压方案的的优化问题：：由于钢筋混凝土土拱结构施工工通常的做法法都是采用预预压方案，即即在支撑体系系及模板安装装之后要求施施加与结构设设计荷载相当当的预压荷载载。预压荷载载的方法一般般是堆积沙袋袋等，不仅施施工周期长、工工程成本高、且且安全隐患多多。3、大长细比结结构砼裂缝质质量通病的预预防问题。施施工缝的预留留位置、方向向和数量的研研究。4、拱施工过程程和落架引起起的应力转换换对拱结构的的影响问题。为了掌握第一手手资料，专门门联合高等院院校结构力学学试验中心对对拱的施工全全过程进行应应力应变监测测。三、工艺原理通过技术查新，国国外用于房建建工程长细比比如此巨大的的钢筋砼拱结结构并不多见见，且在施工工中多采用先先预压的施工工工艺，以消消除支撑体系系的非弹性变变形。本项目目通过对拱进进行施工段划划分，采取预预拱度的措施施，并进行对对称施工，最最后合龙。通通过对拱结构构划分施工段段和利用模板板自由间隙等等措施实现“免预压”施工。三、施工部署本工程拱架设计计为现浇钢筋筋混凝土结构构，经过技术术分析和方案案对比后，总总体采用沿拱拱跨方向对称称分段浇注的的方案。各分分项工程在此此总体思路下下穿插施工，桩桩基工程于7月初完成，试试桩工作在7月16日前完成，承承台于8月10日前施工完完成，整个拱拱于9月20日完成。拱拱分段示意图图修改后增加加合龙段，长长3米。合龙段合龙段拱分段对称向上上施工示意图图三、拱架工程整整体施工工艺艺流程桩基→土方工程程→承台→碾压支撑体体系基础→支撑体系→拱底模板→第一施工段段（钢筋、模模板、混凝土土）→第二施工段→第三施工段→第四施工段段（封顶合拢拢）→落架拆模。四、各工序工艺艺流程及工艺艺要点1、测量控制工工作在施工前先采用用8t压路机将拱拱下部碾压密密实后（压实实系数0.96，根据勘察察和设计单位位提供的承载载力为220KPPa），浇筑10m宽，150mmm厚C20混凝土带，抹抹压平整，并并将轴线弹在在混凝土地面面上，并在两两拱之间做永永久性水准点点，用以控制制拱的标高。其其余部分浇注注100厚C15混凝土。如如下图：拱定位示意图拱结构施工过程程中上部无稳稳定的仪器架架设工作面，无无法在上部进进行标高的统统一测量工作作，根据现场场施工条件各各部位的标高高控制可采用用吊挂钢尺的的方法进行测测量，利用全全站仪进行复复核。测量步骤：（1）将将50m钢尺从上往往下垂直悬挂挂，零点向下下悬挂，端头头挂10kg大线。（2）调整钢卷卷尺高度，使使尺寸零点略略低于仪器视视线，并在上上部支撑架杆杆件上按设计计标高做临时时标志。（3）按照内业业计算出的各各点标高，测测出各点标高高后用红漆在在支撑架上作作出标记，作作出控制底摸摸的标高线。（4）拱施工时时和卸架后会会产生弹性挠挠度及下沉变变形，各处需需设置不同的的预拱高度，各各处调整后标标高见下表：：X值（米）预拱值(mm))原标高(m)实际标高(m))备注0150.0029.2529.40σx=σ(11-4x2/L2)X值为跨中到任任意点水平距距离。5148.866627.82027.96910145.463327.28027.42515139.792226.37126.51120139.333325.07727.21625121.645523.39723.51930109.168821.22821.3373594.42318.63818.7324077.41015.46115.5384558.12911.63311.6915036.5787.3927.4295512.7601.7921.805预拱示意图预拱示意图拱的沉降和变形形可通过预埋埋件协助进行行，在预埋件件上用红漆做做好标记，并并标明标高，测测量员定期观观测，并绘制制沉降曲线，记记录拱的变形形情况。按照照设计要求在在每个承台上上还需要作一一个水平观测测点，制作前前应在建筑物物附近找一个个控制桩作为为参照物。拱在浇筑过程中中，每隔10-155m留设一个沉沉降观测点，设设在侧模下部部，施工工过过程中密切观观测。2、支撑体系钢筋混凝土拱跨跨度大、高度度高、施工荷荷载大，施工工中对支撑体体系的强度、刚刚度、稳定性性、整体性有有很高的要求求，支撑架稳稳定才能保证证钢筋混凝土土的成型质量量。支撑体系系采用碗扣式式脚手架满堂堂搭设。（1）工艺流程程：弹线、立杆定位位→摆放扫地杆→竖立杆并与与扫地杆扣紧紧→装扫地小横横杆、并与立立杆和扫地杆杆扣紧→装第一步横横杆并与各立立杆扣紧→安第二步横横杆→加设临时斜斜撑杆，上端端与第二步横横杆扣紧(装设与柱连连接杆后拆除除)→安第三、第第四步大横杆杆和小横杆→安装二层与与柱拉杆→接立杆→加设剪刀撑→铺设脚手板板，绑扎防护护栏及挡脚板板。（1）工艺要点点：支撑架基础：结结合图纸要求求拱下部地面面做法支撑架架基础做如下下处理碗扣式脚手架支撑体系A将自然地坪坪用8t压路机碾压压密实，压实实系数不小于于0.96。碗扣式脚手架支撑体系B用级配砂石石（含卵石不不少于30%）回填至－0.40m。碗扣式脚手架支撑体系细部C拱下浇注1150厚C20混凝土宽度10m(以⑦轴⑩轴为中心线线两端各5m)。碗扣式脚手架支撑体系细部碗扣式脚手架搭搭设：支架横横向间距900mmm,纵向间距1200mmm，水平步距1200mmm,在中部立杆杆两侧450mm处分别增设设一道立杆，采采用扣件式脚脚手架搭设，并并增加双向水水平杆，以承承受上部较大大荷载，由于于现场标高复复杂，局部水水平步距需调调整至600mm，楼层上由由于标高不符符合碗扣架步步距模数（600mm），所有楼楼面上立杆需需要局部增加加一道立杆，即即采用双立杆杆的形式，增增加立杆高度度不得小于2m，采用不少少于三个扣件件加固。拱顶顶部模板拼缝缝不在立杆中中心位置的部部分增设一道道方木支撑，下下部立杆采用用4m钢管加固于于中部水平杆杆上。两拱之之间设3道6m宽横向间距1500mmm、纵向间距1200mmm、步距1200mmm的支撑体系系，以增加整整个体系的横横向刚度和稳稳定性。每根根立杆底部设设一个可调支支座，横向及及立面均每隔隔6m设一道剪刀刀撑，连续设设置。由于整整个体系的弧弧形，上部需需配置异形杆杆件，局部步步距需调整为为600mm。考虑到拱圈截面面较高（2500mmm），施工时时需搭设两层层通道，在第第2、10排和第3、9排立杆上作1.5m立杆和两道道水平杆作防防护，内部分分别用脚手架架搭成台阶状状，每300mm一步，并满满铺脚手板作作为上下部通通道。脚手架拆除：拆拆除时应遵循循“先高后低，先先中间后两边边”的原则，从从脚手架中间间的顶部开始始拆除，和拱拱身连接部分分不得先拆。3、钢筋工程侧壁钢筋直螺纹连接拱内纵向受力钢钢筋设计采用用新Ⅲ级钢，钢筋筋连接方式按按规定采用机机械连接，本本工程采用直直螺纹连接技技术，钢筋工工程安装时从从两边同时对对称进行，顶顶部3米合龙部分分钢筋接头采采用冷挤压连连接方式，保保证接头质量量。施工中，严严格按规范及及操作规程施施工，加强程程控，严把钢钢筋工程质量量关，以此来来保证结构工工程的质量。侧壁钢筋直螺纹连接（1）工艺流程程：支底模→清理模模板内杂物→绑扎底部钢钢筋→绑扎侧壁钢钢筋及腹筋→安装预埋件→支顶模→绑扎顶部钢钢筋→施工缝模板板安装（2）工艺要点点：施工时首先画箍箍筋间距并摆摆放箍筋，先先穿拱上部纵纵向受力钢筋筋，用钢管架架起穿箍筋，将将箍筋按已画画好的间距逐逐个分开，最最后穿下部钢钢筋；侧壁竖竖向钢筋在拱拱内设计以箍箍筋的形式绑绑扎，开口方方向均向上，并并应相互错开开，同箍筋一一起先放置在在底模上，绑绑扎时应先沿沿纵向通长穿穿一根钢管支支撑起钢筋骨骨架后再绑扎扎。侧壁水平平筋绑扎时应应先在竖向筋筋上画出位置置线，注意起起步筋应距底底模450mm，在下部及及齐胸处绑扎扎2道水平筋固固定，接着绑绑扎其余水平平筋，最后绑绑扎拉结筋；；绑扎时，应应逐点扎牢，箍箍筋及拉结筋筋末端应加工工成135°弯钩，平直直部分不小于于10d，箍筋及拉拉结筋间距均均为200mmm;按照图纸要要求安装预埋埋件，预埋件件全部采用穿穿孔塞焊的焊焊接方式，为为保证预埋件件位置准确，在在定做模板时时按照图纸将将预埋件位置置留出螺栓口口，安装时用用螺栓加固于于模板上，保保证预埋件安安装质量；顶顶部钢筋绑扎扎方法大致与与顶部钢筋相相同，注意马马凳不得直接接放置在模板板上。合龙段钢筋冷挤压作业拱内主要纵向受受力钢筋采用用直螺纹连接接，合拢部分分无法使用时时采用冷挤压压接头，保证证同一截面接接头数量不超超过50%，相邻接头头错开1400mmm，绑扎时使使用“八字扣”，严禁使用用顺扣，钢筋筋底部垫块采采用硬质花岗岗岩，为了防防止垫块发生生滑移，在花花岗岩上锯出出2mm宽3~5mm深细槽，用用绑线将垫块块绑扎在钢筋筋上；侧壁采采用定制的塑塑料垫块，间间距1000mmm梅花形布置置。合龙段钢筋冷挤压作业保证钢筋不移位位措施：本工工程钢筋较密密相对固定，绑绑扎前先按照照图纸放样并并制作定位箍箍如下图。4、模板工程混凝土拱是本工工程的重要构构件,经过各种方方案比较后，确确定采用定型型钢模板，委委托专业模板板厂家设计制制作，按照流流水段划分配配置模板加工工量，采用86系列模板，8mm厚面板，用用槽钢做主次次龙骨，保证证其有足够的的强度和刚度度，下部支撑撑体系采用碗碗扣式脚手架架和特制的U型可调顶托托。模板配置置量如下：拱拱底模为弧形形钢制模板，配配置2套，一次搭搭成型，不考考虑周转；侧侧模为扇形钢钢制模板，侧侧模配置1套，顶模配配置1套，周转使使用。由于现现场塔吊独立立高度和臂长长无法覆盖整整个拱圈施工工范围，现场场需配置50t汽吊一台，用用以支拆模板板和吊运其他他施工材料。（1）工艺流程程：支底模→绑底筋筋→绑侧壁钢筋筋（安装预埋埋件）→支侧模→清理杂物→支顶模→浇筑混凝土→拆模（2）工艺要点点：底模支设：施工工中底模配置置2套，支设时时为减少操作作误差，采用用一次搭设成成型分段浇筑筑的方式。底底模经测量定定位后，支设设于加工定制制U形顶托上，东东西向用水平平尺找平；南南北向用全站站仪确定标高高，全部支设设完成后，检检查校正，确确保一次到位位，避免重复复挪动调整。所所有模板拼缝缝均在2mm范围内。模板支撑示意图图施工预拱度：拱拱施工时和卸卸架后会产生生下列弹性挠挠度及下沉变变形。A拱圈由于自自重所产生的的弹性挠度B拱圈因温度度变化所产生生的弹性挠度度C拱圈因承台台受挤和位移移而产生的弹弹性挠度D拱圈应混凝凝土硬化收缩缩而产生的弹弹性挠度变形形E拱架在设设计荷载下的的弹性和非弹弹性下沉F支撑体系基基础受载后的的非弹性压缩缩依据《公路施施工手册》（P122）预拱度取L/400㎜~L/8000㎜结合本工工程具体情况况拱顶预拱150mm，拱脚处为为零设置，其其余各点按照照二次抛物线线分配，任意意点的预加高高度公式如下下：σx=σ(11-4x2/L2)σ：拱顶总预加加高度；L：拱圈跨度度；X：跨中到任任意点水平距距离。侧壁模板分两种种：实心部分分：外侧全部部为钢模板，采采用对拉螺栓栓加固，保证证混凝土拱截截面尺寸。侧侧壁用特制钢钢斜撑，调整整侧壁垂直度度。空腔部分分：内模采用用竹胶板，外外模采用定制制钢模板，对对拉螺栓加固固。在底部顶顶板中部范围围钻2cm大小排气孔孔，间距500mm，防止浇筑筑混凝土时空空气无法排出出而造成露筋筋施工缝：施工缝缝摸板采用钢钢丝网和梳子子板，如下图图模板拆除：A模板拆除时时间：a顶模在混混凝土终凝后后即可拆除；；b侧模混凝凝土试块强度度达到1.2N/㎜2后方可拆除除；c底模混凝凝土强度达到到设计强度的的100%方可拆除；；拆除部署：顶顶模拆除时间间由现场混凝凝土工长确定定，在混凝土土终凝即可拆拆除。侧模在在终凝后12—24小时内将试试块送至试验验室。试压后后达到1.2МPa即可拆除。拆拆除时采用50t汽车吊配合合吊走。空腔腔内部模板不不做拆除。由于底模拆除时时涉及到拱体体应力转换，故故应按以下方方式拆除：a按照施工段段的划分由中中部向两端逐逐段拆除，为为拆模方便，在在拱顶设一块块八字型模板板作为母板；；b为使拱体逐逐渐均匀的降降落和受力,各点降落应应分三次循环环逐渐完成。按按照预拱分配配值各点底部部均卸落1/3,每次间歇24小时,间歇后应将将松动的部分分顶紧,使拱体落实,三次循环,直至全拱各各点均脱离拱拱底.模板拆除后，立立即吊离支撑撑架，运至指指定地点，堆堆码整齐。混凝土拱在底模模拆除后，应应立即用脚手手架搭成“井”字形卡紧与与两旁脚手架架用扣件连接接，每5米设置一道道，保证混凝凝土拱有足够够的侧向刚度度，钢管搭设设时应避开预预埋件，尽量量不影响网架架工程的施工工，待两拱之之间网架完成成后方可全部部拆除。5、混凝土工程程拱混凝土分实心心和空心两部部分，全部采采用商品混凝凝土。承台及及拱实心部分分为大体积混混凝土，均考考虑采用掺加加粉煤灰及高高效减水剂，其其余空腔部分分采用普通混混凝土。（1）工艺流流程：作业准备→混凝凝土运输→混凝土浇筑筑与振捣→养护（2）工艺要点点：承台混凝土施工工：承台为箱箱形基础底板板厚度为1m，中部设计计有一道大梁梁，高3m宽2m，属大体积积混凝土。为为防止混凝土土因水泥热造造成内外温差差过大及硬化化收缩裂缝，将将采取掺加磨磨细粉煤灰，在在满足设计要要求的前提下下降低水泥用用量以减少水水泥水化热；；设置温度筋筋，在上部混混凝土表面增增配Φ6@200的双向钢筋筋网片；掺加加缓凝减水剂剂；混凝土在在浇筑后采用用棉被保温，减减少混凝土内内外温差；混混凝土拆模后后立即涂刷养养护剂防止水水分散失。等等技术措施保保证混凝土质质量。混凝土采用汽车车泵泵送至浇浇筑点，布料料时应注意布布料高度，不不得超高，保保证每次布灰灰高度不大于于500mm。拱承台混混凝土浇筑斜斜面分层、循循序渐进一次次到顶的浇筑筑方法，尽量量使混凝土在在初期产生的的水化热消失失殆尽，同时时对分层混凝凝土进行两次次振捣，即在在浇筑上一层层混凝土时，先先将振动棒卧卧倒，对下层层混凝土均匀匀振捣一次，立立即浇筑上层层混凝土。混混凝土浇筑2-3小时，初步步按标高用大大杠刮平，在在初凝前用木木抹子搓平，待待混凝土表面面收水后，再再用木抹子反反复抹压，闭闭合收水裂缝缝。然后涂刷刷养护剂，再再覆盖一层草草帘子，即防防止热量过快快散失，又防防止水分蒸发发。混凝土测温：现现场配置一台台电子测温仪仪，预埋式测测温线与本机机连接后可测测出混凝土内内部及表面温温度，具有高高低温报警功功能。测温点点布置在承台台的边缘和中中间，间距5m，分表面和和中间两层。测测温从浇筑完完毕12小时后开始始，每2小时测温一一次。7天后每4小时测温一一次，14天后改为每8小时测温一一次，28天后停止测测温。拱脚及实心拱部部分施工：拱拱脚混凝土亦亦属于大体积积混凝土，施施工时也应参参照承台板大大体积混凝土土的有关技术术措施施工。拱脚混凝土支模模前，先将承承台施工缝表表面混凝土凿凿毛露出石子子并清理干净净。模板支设设完毕后，对对模板内的杂杂物清理干净净，木模板浇浇水湿润，但但不得有积水水。混凝土浇浇筑输送泵直直接入模，连连续浇筑，浇浇筑层厚度为为插入式振捣捣器作用部分分长度的1.25倍，但不大大于50cm，作业人员员要进入模内内布料和振捣捣，浇筑时要要经常观察模模板、支撑及及筋情况，当当发现有变形形，移位时，要要及时采取措措施进行处理理。拱体混凝土施工工：拱体砼浇注A、浇筑：浇筑筑混凝土前，应应将模板内的的垃圾、泥土土等杂物及钢钢筋上的油污污清除干净。混混凝土利用泵泵送运输至施施工地点，坍坍落度要求为为140±220mm，浇筑时应应保证混凝土土的供应速度度，不得随意意留缝。为减减少每段混凝凝土收缩变形形，在相邻施施工段之间，应应增加1-2m长微膨胀混混凝土，膨胀胀剂掺加量具具体由试验室室确定，微膨膨胀混凝土应应提高一个强强度等级，其其余混凝土仍仍按原设计施施工。拱体砼浇注B、施工缝处理理：施工缝应应沿法向留置置，严禁随意意留置施工缝缝。施工缝处处理作为一项项重要检查内内容，符合要要求后方可浇浇筑混凝土。此此外，施工缝缝处理时注意意剔除表面浮浮浆及松散混混凝土，剔到到实处露出石石子后用水冲冲洗、湿润，并并不得有明水水。C、养护：混凝凝土拆模后立立即涂刷一层层养护剂，防防止混凝土内内水分散失，并并且在刷完养养护剂后用塑塑料薄膜包裹裹。D、拱架合龙：：封顶合龙时时应按照设计计给定的当地地年平均温度度安排施工。一一般安排在昼昼夜平均温度度接近年平均均温度（或5-15℃）时进行；