超长UHPC预制悬挑结构梁质量控制研究.pdf

61建筑科技2023 年 第 4 期超长UHPC预制悬挑结构梁质量控制研究严磊（上海建工四建集团有限公司，上海 201103）摘要：随着建筑行业的不断发展，建筑的体型越来越复杂，高度、跨度不断刷新，因此对结构的材料及构件形式提出了新的要求。国内超高性能混凝土的相关研究目前刚刚起步，尚无明确规范标准可供参考。以上海大歌剧院C02-01地块工程为例，制作15 m超长UHPC预制构件，从模具选择、原材料管控、浇筑工艺控制、养护到构件验收等，把握全过程中的控制要点，得到质量较好的UHPC构件，以供其他类似工程参考。关键词：UHPC；预制构件；质量控制中图分类号：TU712+3 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）04-0061-040引言超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，简称“UHPC”）是一种新型水泥基复合材料，其抗压强度200 MPa以上，远高于常规混凝土材料。这种材料最早发明于20世纪80年代，在近些年得到了广泛的关注，不仅科研界对其材料配比、加工工艺、材料性能及设计分析理论展开了大量的研究与探索1-2，工程界也在不断对UHPC的实际应用进行尝试。UHPC真正应用于工程结构是在2002年澳大利亚建造的一座包括 4 车道和人行道的预应力 UHPC 公路桥3，之后也仅仅应用于简支桥梁构件。国内对 UHPC 的研究起步较晚，目前北京交通大学研制的无配筋 UHPC 空心板用于北京五环路桥梁中，UHPC 铁路桥梁人行道板和人行道支架用于青藏线桥梁，在曹迁铁路上也有低高度简支“T”型梁应用4-5。本文以上海大歌剧院位于浦东新区世博后滩西片区C02-01地块工程为例，通过对UHPC预制构件制作的全过程控制，特别是对浇筑过程的控制，从而确保构件质量，总结质量控制要点，达到较好的研究结果。1工程概况上海大歌剧院地上由3个歌剧厅以及剧院配套用房、教育展示用房组成，整体造型如同一把展开的中国扇，所有单体建筑均布置于以“折扇”形体呈现的屋盖结构之下。工程总建筑面积146 786 m2，核心区即为“扇轴”，其中，A区为UHPC悬挑楼梯，B区为不上人双螺旋混凝土厚壳，C区为上人钢结构屋面，D区为不上人钢结构大屋面。A区为最长达15 m的超大悬挑楼梯，施工难度大，同时为保证建筑外立面造型，结构截面高度受到了严格限制，最高仅为725 mm，传统材料无法满足结构承载力需求。因此A区采用预应力预制UHPC梁进行建造，利用高强度UHPC的超强物理力学性能突破技术壁垒，实现建筑及结构设计需求。2UHPC难点分析UHPC材料由于其高强度的优秀性能，在工程上近几年开始使用，该工程UHPC结构构件大规模用于建筑承重结构材料尚属首次，因此国内尚无明确规范标准可供参考，整个62建筑科技2023 年 第 4 期构件的质量控制、验收标准、材料检测等均需探索。主要难点如下：（1）该工程UHPC预制构件包括梁、两侧楼板、楼板外预留插筋、端部节点H型钢抗剪键、端部节点预留插筋以及端部节点预留缓黏结预应力筋。构件本身形式复杂，加之UHPC的流动性非常好，基本呈现液体状态，若孔洞封堵不良，在浇筑过程中将直接导致漏浆，并且无法在浇筑过程中封堵，从而造成构件加工质量不佳或失败。综上，构件加工对于模具平整度、拼缝等要求极高，操作技术难度大。（2）UHPC材料的配置本身并不复杂，主要为粉料及钢纤维，但是通过原材料加工生产制备性能优良、稳定的UHPC并不容易，如水胶比越低会导致混凝土的自收缩越大，因此在配置UHPC的过程中，需要特别注意控制配比6。（3）UHPC材料对温度较为敏感，因此施工时环境温度需要严格控制；另外UHPC在浇筑过程中极易形成薄膜，从而产生分层，会影响构件的质量，因此对搅拌、浇筑的时间控制以及浇筑流程上的要求也非常高。3UHPC预制梁构件质量控制方案3.1模具选定及定型钢模具孔洞的封堵UHPC构件的长度每一根均不相同，且在截面上分为6类，制作时既要考虑模具的周转性，也要考虑模具的刚度、便捷性，因此对于模具制作，比选了如表1所示的2种模具。表1模具比选表模具体系主要优点主要缺点木模具根据UHPC预制梁的形状，拼接方便，现场操作简单，材料利用率高，费用低7（1）本体刚度较低，为了增加刚度，附加的设施较多；（2）漏浆情况较多，构件表面不平整，后期修理工作量较大，另外UHPC强度太高，修理难度大定型钢模具（1）刚度大，整体性好；（2）构件平整度较好，预制构件制作精度高8（1）定型钢模具费用高；（2）由于UHPC预制构件长度不等，考虑到周转，设计难度大本文在试验阶段采用了木模具进行第1根试验梁的制作，但构件的平整度及表面效果均不理想，模板浮起情况较多，浇筑过程受到影响，最终的构件平整度影响较大，因此在正式制作时，采用了定型钢模具进行构件制作。对于开洞较少，或普通混凝土结构，首先在模具表面开洞，然后将预留钢筋或埋件插入孔洞中，再对孔洞缝隙采取一些措施进行封堵，即可完成，但对于密集的钢筋、预应力筋及型钢孔洞，该处封头模板施工十分困难。此外，过多的孔洞导致封头模板加劲肋布置空间十分有限，容易引起端部模板刚度不足，在UHPC浇筑时较大的侧压力将发生胀模甚至爆模的情况。对于钢筋及预应力钢筋的封堵，不可以采用常规的发泡剂，而是采用“硅胶+泡沫外包材料+橡胶”组合，并且在外侧采用附加钢筋顶住。对于其他接缝，采用焊接角钢的方式封堵。此做法基本解决了漏浆及短板刚度问题。3.2钢筋骨架及缓黏结预应力筋控制钢筋选用常规HRB400钢筋，验收要求同常规混凝土结构即可。钢筋笼入模时，顶部设置工字钢，工字钢与钢筋连接，吊点设置在工字钢上。缓黏结预应力钢筋第一次使用在UHPC构件中，过程中着重控制预应力钢筋的质量。检查缓黏结预应力钢筋外包护套外观，若外包护套轻微破损，可采用外包防水聚乙烯胶带或热熔胶棒进行修补。采用外包防水聚乙烯胶带修复时每圈胶带搭接长度不应小于胶带宽度的 1/2，缠绕层数不应小于2层，缠绕长度应超过破损长度的30 mm，严重破损的应予以报废。铺放前应通过计算确定缓黏结预应力筋的位置，其竖向高度宜采用架立钢筋控制，梁内架立钢筋间距不宜大于1 m；板中单根缓黏结预应力钢绞线的架立钢筋间距不宜大于2 m。缓黏结预应力筋束形控制点的设计位置竖向偏差范围应符合GB 502042015混凝土结构工程施工质量验收规范的规定，如表2所示。表2束形控制点的设计位置竖向允许偏差截面高度/mmh3003001500允许偏差/mm510153.3UHPC备料控制贮存核心胶材粉料的筒仓及其配套输送管道应在接料前，将前期贮存的其他材料清空并清洗干净。其他各组分材料也应分类分仓储存，并有明显的标识。做好防雨防潮措施，避免阳光直射与曝晒。3.4UHPC配合比控制UHPC的配合比要求极高，工程施工过程中，严格按照如表3所示的允许偏差，水胶比为0.16，钢纤维体积掺量为2.5%。UHPC配合比计量标准要求如表4所示。表3原材料计量允许偏差原材料品种预混料水减水剂纤维每盘计量允许偏差/%1111表4UHPC配合比原材料核心胶材粉料细骨料液料钢纤维水质量/kg1 2409921419519963建筑科技2023 年 第 4 期3.5UHPC预制构件搅拌控制UHPC原材料的搅拌要求非常高，直接决定了材料强度，在搅拌过程中应着重对以下几点进行质量控制：（1）UHPC干混料中的胶材粉体与细骨料需分成2个组分，其中胶材粉体需进入拌合楼筒仓贮存、上料，细骨料需进入砂仓上料；粉料筒仓需配备足够破拱设施（振动和气压），避免粉料成拱后下料困难；粉料上料管道需配备高压气嘴，以防挤压堵塞。（2）采用罐车接料前，应清洗罐体内部，并充分反转排尽余水后方可接料；高于35 气温时，罐体应持续采取保冷措施。罐车接料根据经验至少存在5%8%的损耗。当罐车到达浇筑现场时，应使罐车高速旋转2030 s，再将混凝土拌合物喂入泵车受料斗或混凝土料斗。（3）环境温度高于35 时，需对拌合用水进行降温处理，如采用冰屑替代部分或全部拌合水，使出机拌合物的温度不高于30。（4）开盘前，采用清水对搅拌仓进行润湿，排尽余水后，方可进行投料操作。（5）UHPC的拌合制度：先投入预混粉料和骨料进行干混；1 min后投入拌合水和减水剂，湿拌4 min使UHPC浆体充分搅拌；缓慢投入钢纤维(钢纤维投放需均匀缓慢避免纤维结团)；纤维投放完毕后继续搅拌3 min即可卸料。3.6UHPC预制构件浇筑控制UHPC浇筑过程也极其重要，直接影响预制构件的强度及完整性。UHPC浇筑时需要严格控制浇筑时间及浇筑顺序、方向，避免来回浇筑、浇筑时间太长形成薄膜，从而导致UHPC分层。控制要点如下：（1）悬挑梁模具纵向摆放方向应与车间行吊行走方向一致，以实现直线卸料浇筑。（2）利用行吊控制料斗匀速布料，速度约为0.01 m/s，于2.5 min内由悬挑梁模具工字钢端运行至另一端，其间人工控制料斗下料阀门开启程度以控制下料速度均匀。吊斗需回到起始位置接料，并从起始位置开始在此行走浇筑，浇筑时不可往复。（3）采用胶锤轻击模板，帮助拌合物流动及排泡，严禁使用插入式振捣。（4）溢流拌合物应及时清理，如无污染，可重新投入模具。（5）浇筑间歇应采用喷雾器保持UHPC的湿度，避免UHPC形成薄膜，以已浇筑UHPC拌合物表面不出现明水为宜。（6）连续两盘拌合物之间的浇筑间隔不宜大于10 min。（7）混凝土拌合物从搅拌结束到入模前不宜超过120 min。3.7UHPC预制构件养护控制UHPC构件的养护采用蒸汽养护方式，养护过程中控制如下：（1）浇筑完成后，对UHPC上表进行收面，在喷雾保湿后，覆盖养护薄膜保湿静养。（2）收面完成约1.5 h后，当UHPC梁上表面不再泛有水光时，进行二次收面。（3）浇筑后6 h左右，对UHPC构件进行拆模，进行10 d的蒸汽养护，蒸汽养护温度控制在40 5。（4）蒸养结束后，关闭蒸汽输入，待整体冷却至室温后，再揭开保温篷布，开展拆模操作。3.8预制构件验收UHPC预制构件的验收，尺寸外观方面可参考常规预制构件的验收规范。需要注意，对于构件的试块，构件浇筑时，应随机抽样制作标准养护和同条件养护试块，对如表5所示的项目进行抽检，并出具检测报告。同条件养护试块应在与构件相同的环境条件中成型和养护。另外，每根梁在浇筑时取样1次。表5UHPC材料主控性能指标序号性能指标执行标准1抗压强度/MPa165T/CBMF 3720182弹性极限抗拉强度/MPa8.5T/CBMF 3720183抗拉强度/MPa8.5T/CBMF 3720184峰值拉应变/%0.15T/CBMF 3720185扩展度/mm650T/CECS 1010720204质量控制效果通过以上过程控制，钢模具模板安装允许偏差为轴线位置2 mm；表面平整度2 mm；高程2 mm；局部不平整度应小于2 mm/m；相邻两板表面高低差2 mm。构件拆模后，表面平整度偏差5 mm，构件尺寸偏差5 mm，预留钢筋及预埋件偏差均5 mm，所有构件外观均达到了较好的效果，所有构件在浇筑过程中均未出现分层的现象，构件的强度均满足设计要求。此外，木模的效果并不理想，局部无法满足平整度要求。5结语在整个UHPC预制构件的制作过程中，选择理想的模具类型、严格控制模具安装偏差，严格控制UHPC配合比、浇筑及养护，层层把关，最终UHPC预制构件的质量得到了较64建筑科技2023 年 第 4 期保建筑物安全。如在监测过程中发现管道等发生位移甚至报警警示，应根据设计要求对管道进行加固。在基坑土方开挖时，若发现搭接接缝处出现明显的渗漏水现象，立即停止开挖，坑内及时堵漏，并在坑外接缝处采用双液注浆进行封堵；假如挡土墙或接缝处发现孔洞且较小时，采取凿除夹泥或疏松的混凝土直至坚固后清洗干净，用混凝土封堵、修复。假如挡土墙孔洞较大时，需进行技术核定，可采用钢板止水，结合浇筑混凝土进行封堵，同时在坑外用高压旋喷或双液注浆进行封堵和加固。6结语本工程地处市中心科研园区内，施工安全及环境保护要求高。通过前期精心策划、平面规划、专项论证，过程中采用合理有效的技术方案及措施，顺利实现了在市区狭小场地复杂工况下的深基坑工程施工。在完成既定目标的同时，妥善处理了基坑内的复杂管线及地下障碍物，且对基坑变形、周边环境保护建筑变形影响控制较好，可谓统筹兼顾、收效颇佳，希望给类似深基坑工程提供借鉴和参考。参考文献：1 赵良.闹市中心运营医院内的深基坑变形控制施工技术J.建筑施工，2019，（8）：1407-1409.2 杜理强.狭小场地、多地下障碍物深基坑工程施工技术J.建筑施工，2018，（7）：1095-1098.3 喻琢诚.狭小空间深基坑施工J.砖瓦世界，2019（11）.4 蒋剑.3#人防地下车库工程施工组织总设计z.上海建工七建集团有限公司，2019（11）.5 周君威.3#人防地下车库工程基坑设计方案z.上海广联环境岩土工程股份有限公司，2021（8）.6 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