張 利，吳 贊

(1.中煤建筑安裝工程集團有限公司，河北 邯鄲 056002； 2.中煤第六十八工程有限公司，山東 鄒城 273500)

殼體結構是由空間曲面板或加邊緣構件的空間曲面板組成的空間曲面結構，具有很好的空間力學性能，能以較小的構件厚度形成大跨度的空間結構，具有承載能力高、剛度大等優(yōu)點，殼體兼承重結構和圍護結構的雙重作用，可以節(jié)約結構材料。目前一般采用鋼結構建造大跨度空間結構，如國家大劇院。

鋼筋混凝土薄殼結構受力均勻合理，能充分利用混凝土抗壓強度，節(jié)省材料，自重小，也可以實現大跨度，比鋼結構工程耐久性好，運營維護費用低，如北京火車站雙曲屋面。但是鋼筋混凝土殼體結構模板及支撐體系復雜，模板材料消耗多，工效低，施工難度大，影響了鋼筋混凝土薄殼結構的應用。人們先后采用多種方法建造鋼筋混凝土薄殼結構工程，如土模法、支模法、預制裝配法等，本文結合一些案例論述利用氣膜法施工鋼筋混凝土殼體結構的技術。

1 氣膜法施工鋼筋混凝土結構技術

氣膜法施工鋼筋混凝土結構技術是以充氣膜作為外模，在膜體內側綁扎鋼筋、噴射混凝土，完成殼體結構?？梢詫⒃摷夹g理解為充氣膜結構與鋼筋混凝土薄殼結構的組合應用，該技術解決了空間殼體體型復雜，現澆施工時模板支設材料、人工耗費多，施工難度大的缺點。利用該技術已在我國建設了十多個鋼筋混凝土薄殼結構工程。對于利用氣膜法施工的鋼筋混凝土殼體結構，目前在國內簡稱氣膜鋼筋混凝土結構。

氣膜鋼筋混凝土結構工程適用于煤炭、水泥、糧食等各種物料的儲存，也適用于場館、辦公樓、別墅等民用設施。建筑物外形主要為半球形、半橢球形、圓柱與半球形組合體，或者是扁球殼。目前國內已施工的跨度最大的氣膜鋼筋混凝土結構工程為中煤大屯“上大壓小”新建項目輸煤系統(tǒng)圓形煤場，該圓形煤場跨度71.3m，高度39.15m，0～3.5m段為圓筒，3.5～39.15m段為標準半圓球，殼壁混凝土厚度自下而上由600mm厚漸變?yōu)?00mm厚，混凝土強度等級為C30。

2 氣膜鋼筋混凝土結構工程主要施工工藝

氣膜鋼筋混凝土薄殼由氣膜、聚氨酯泡沫層、鋼筋混凝土殼壁組成。施工過程包括：先吹膜成型，然后噴射聚氨酯，最后在氣膜內部施工鋼筋混凝土殼壁。

2.1 主要工藝流程

施工環(huán)形基礎、在工廠內加工充氣膜→將充氣膜安裝在環(huán)形基礎上、充氣膜充氣→在充氣膜內側噴涂聚氨酯層→分層綁扎鋼筋、噴射混凝土→開洞，施工設備出倉。

2.2 主要工序施工工藝

1)基礎施工。氣膜鋼筋混凝土殼體結構工程的基礎一般為環(huán)形基礎，采用傳統(tǒng)工藝施工，環(huán)形基礎施工后，室內回填土，澆筑混凝土地面墊層，為后續(xù)充氣膜展開、充氣膜充氣等工序提供平整、堅實的工作面。

2)安裝充氣膜并充氣。在工廠加工充氣膜，將加工好的充氣膜在基礎環(huán)梁內側展開，固定在環(huán)形基礎上，采用風機充氣，吹至預定壓力后，保持氣壓穩(wěn)定。

3)在氣膜內壁噴涂聚氨酯層。聚氨酯層起到增加氣膜剛度，與氣膜共同發(fā)揮模板的作用。聚氨酯層一般需噴涂3～4遍，噴射2遍后，在聚氨酯層上埋設鋼筋標簽，繼續(xù)噴射聚氨酯至設計厚度。

4)在聚氨酯層內壁綁扎鋼筋，噴混凝土構造層。構造層具有增加模板剛度，減少混凝土噴射過程變形的作用，當工程跨度較大時一般要設置構造層。構造層一般需配置鋼筋，間距宜為600mm，采用預埋在聚氨酯層的鋼筋標簽固定，構造層混凝土一般為40mm厚。

5)結構層施工。按“自下向上、分層交圈、底部厚、上部薄、逐層推進”的原則施工結構層，結構層通常配置多層鋼筋，施工時綁扎一層鋼筋，噴射一層混凝土，每層混凝土需多次噴射完畢，直至將殼壁施工完成。

6)開洞。在完成的鋼筋混凝土殼壁上切割永久洞口及臨時洞口，將施工設備從工程內部開出。

3 氣膜鋼筋混凝土結構工程施工關鍵技術

3.1 合理確定充氣壓力，并保持穩(wěn)定的壓力

充氣壓力直接影響氣膜剛度，進而影響混凝土噴射過程殼壁的變形。充氣壓力小，氣膜剛度小，噴射混凝土時有可能造成殼壁變形嚴重不均勻，局部凹凸；充氣壓力大，氣膜剛度大，噴射混凝土過程殼壁變形小，但是充氣過程氣膜變形大，需要氣膜具有較高的抗拉強度。因此確定充氣壓力要綜合考慮膜材抗拉強度、殼體尺寸、施工變形等因素。

穩(wěn)定的氣壓是施工成敗的關鍵，氣膜內的空氣是施工荷載支撐，如果氣壓不穩(wěn)，可能造成施工中殼壁的坍塌。保證氣壓穩(wěn)定的關鍵是充氣設備的性能穩(wěn)定，充氣風機等設備必須有備用品；另外應加強施工現場管理，控制進出氣倉人員數量及頻次，及時關閉進出氣倉通道門。

3.2 合理布置鋼筋，保證鋼筋位置準確

氣膜鋼筋混凝土結構空間尺度較大，殼壁厚度隨高度不斷變化，在殼體不同部位鋼筋規(guī)格、間距不同。因此，應在鋼筋綁扎前在殼體內基層上用彩筆標識各區(qū)域鋼筋規(guī)格、間距變化的分界線，根據放樣尺寸進行鋼筋下料。豎向鋼筋沿徑線布置，每段起點按設計間距綁扎，每段終點間距自然縮小，上段搭接時再按設計間距重新布置；水平鋼筋按緯線布置，按設計間距自下向上推進綁扎。殼頂部中心6m直徑范圍內按正交方格布置。

另外，如果殼體厚度較薄，鋼筋位置對殼體受力影響較大，為保證殼體受力符合設計要求，必須嚴格控制鋼筋位置，各層鋼筋均應貼緊基層綁扎牢固，豎向、水平鋼筋交叉點應全部綁扎。

3.3 采用合理的鋼筋搭接方式，保證鋼筋搭接長度

豎向受力鋼筋連接采用非接觸搭接，接頭設在同一標高截面上，如圖1所示。

圖1 豎向鋼筋搭接方式示意

水平受力鋼筋連接采用綁扎搭接，水平鋼筋搭接采用平行搭接。接頭位置分區(qū)段錯開，每個區(qū)段的高度宜為1800mm，兩個接頭中心線的距離至少大于1/3的鋼筋長度。

氣膜鋼筋混凝土結構殼壁鋼筋搭接長度比傳統(tǒng)鋼筋混凝土工程鋼筋搭接長度大，應嚴格按《氣膜鋼筋混凝土結構工程施工與驗收規(guī)范》規(guī)定的搭接長度進行施工。

3.4 嚴格控制混凝土分層噴射厚度及殼壁總厚度

殼壁混凝土采用噴射工藝施工，混凝土噴射厚度控制難度較大，混凝土噴射應由經考核合格的技術工人進行施工。

殼壁總厚度應采用厚度標尺進行標定。按殼壁不同部位的厚度利用鋼筋制作混凝土厚度標尺，在聚氨酯層噴射后，將厚度標尺牢固固定在構造層鋼筋網片上，厚度變化分界線兩側應適當加密厚度標尺。噴射混凝土時，按厚度標尺控制殼壁厚度。

嚴格控制混凝土分層噴射厚度?；炷翍翠摻罘謱?，每層分次噴射，噴射厚度對殼體變形影響較大，一次噴射厚度過厚可能造成殼壁較大變形，甚至造成殼體整體失穩(wěn)，應嚴格控制每層混凝土噴射厚度。噴射殼體直壁段混凝土時，可以一次噴射將鋼筋覆蓋；噴射穹頂段時，一次噴射厚度宜為10～30mm，開始噴射時噴射厚度可按10mm控制，當基層混凝土已達一定厚度，殼體具備較大承載能力時，可按30mm控制每次噴射厚度。

3.5 施工變形測量與控制

在混凝土噴射過程中，殼體將產生一定的變形。殼體變形基本規(guī)律為：噴射混凝土區(qū)域產生豎直向下變形，周圍未噴射混凝土區(qū)域一般產生豎直向上變形；在聚氨酯基層上首次噴射混凝土時氣膜變形較大，在已噴射混凝土的基層上再次噴射混凝土時，變形較??；混凝土分層噴射厚度較小時，殼壁變形較小，分層噴射厚度較大時，殼壁變形較大。

為及時掌握施工過程殼體變形情況，在施工過程中應每天觀測殼體變形。觀測方法為：在殼體內壁布置觀測點，用全站儀觀測觀測點三維坐標，得出殼體變形情況，對變形異常的點應分析原因，加密觀測頻次。

4 氣膜鋼筋混凝土結構施工技術研究方向

在國內，氣膜鋼筋混凝土結構工程技術是一項新的技術，雖然對其開展了一些研究，但總體上，應用該技術的工程案例較少，技術積累較少，筆者認為在氣膜鋼筋混凝土結構工程施工及研究中還需要繼續(xù)對以下幾個課題進行探索。

4.1 聚氨酯與膜材組成的復合模板的受力性能

聚氨酯、膜材、壓力空氣發(fā)揮模板及支撐的作用，復合模板的強度、剛度、變形特點直接影響殼壁變形，目前對該種復合模板的強度、剛度、變形特點研究的不多，沒有成熟的資料，應繼續(xù)對復合模板強度、剛度、變形、受力特點進行研究，采取措施提高復合模板承載能力，減少殼體變形。

4.2 施工過程變形分析計算

氣膜鋼筋混凝土結構工程的施工過程是不斷噴射混凝土，同時殼體承載力不斷增長的過程。在施工過程中殼體荷載與殼體承載能力動態(tài)變化、相互影響，殼體結構的受力工況不斷變化。因此必須認真研究混凝土噴射加載與殼體承載力、變形發(fā)展之間的關系，局部變形與整體變形的關系，并利用這些規(guī)律指導施工，對該規(guī)律的研究必須達到準確理論計算的水平。

施工過程變形分析計算遠比成型結構設計復雜，主要涉及到施工方案策劃，不同齡期混凝土材料強度、彈性模量、泊松比等的合理取值?；跉け趪娚浠炷潦┕さ膭討B(tài)性，施工過程中殼壁受力性質變化、殼壁承載力增長、新噴混凝土荷載大小與部位變化、殼壁變形發(fā)展的相互關聯(lián)性，施工過程變形分析計算量非常大，必須開發(fā)適用軟件進行計算。開展這項工作需有能力的設計院或大學與施工單位密切合作，收集大量工程施工的噴射變形數據，并根據現場收集的數據修正完善計算程序，最終達到可以精確計算施工變形的效果。

當突破原有經驗進行施工時，利用已有經驗不能確保施工變形可控時應利用軟件對策劃的施工方案進行施工變形模擬，只有變形是均勻的、連續(xù)的，結構可承受的，才可進行工程施工。

5 結 論

氣膜鋼筋混凝土結構技術解決了鋼筋混凝土薄殼結構支模難題，將有力推進鋼筋混凝土薄殼技術的推廣應用。其主要關鍵技術包括：

1)保證充氣設備可靠運行，保持施工過程氣壓的穩(wěn)定，宜將施工過程氣壓波動控制在50Pa以內。

2)加強混凝土噴射施工管理，嚴格控制施工過程變形，關鍵是控制混凝土一次噴射厚度。

3)當突破原有經驗進行施工時，必須對施工方案進行殼體變形模擬，將變形控制在允許范圍內，局部過大變形有可能導致結構倒塌。

4)應對聚氨酯與膜材組成的復合模板的受力性能、施工過程變形分析計算的方法與軟件開發(fā)繼續(xù)開展研究，不斷完善該項技術。