蔡曉男,林墨翰,苗夢(mèng)琦

(中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200030)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一種具有高強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度≥150MPa)、高韌性(抗折強(qiáng)度≥25MPa)、高耐久性和高環(huán)保性的水泥基復(fù)合材料。UHPC的水泥、骨料、鋼纖維等組分在拌制過程中易聚團(tuán),影響其均質(zhì)性和材料特性,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其拌制與養(yǎng)護(hù)技術(shù)也開展了部分研究。研究表明,材料配合比、加料時(shí)間、加料順序、攪拌方法均會(huì)對(duì)材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)產(chǎn)生較大影響。也有研究表明,高溫、加壓養(yǎng)護(hù)能加速硅灰的火山灰反應(yīng),促使結(jié)晶水化物的形成與硬化漿體的脫水,有利于形成密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

本文依托第十屆中國花卉博覽會(huì)項(xiàng)目,探索使用UHPC完全制備景觀構(gòu)筑物的施工成套技術(shù),內(nèi)容包括UHPC拌合、模架體系搭設(shè)、混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)、預(yù)制節(jié)段拼裝等內(nèi)容,旨在為UHPC材料的廣泛應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 工程概況

第十屆中國花卉博覽會(huì)(簡稱“花博會(huì)”)是我國規(guī)模最大、規(guī)格最高、影響最廣、內(nèi)容最豐富的國家級(jí)花事盛會(huì)。2021年,第十屆中國花博會(huì)在上海崇明舉辦,為期42d?；ㄅc藝術(shù)展園是花博會(huì)四大核心展園之一,其主要景觀構(gòu)筑物為一座飄帶狀的懸浮座椅,造型新穎獨(dú)特。它通過空間曲線的不斷變化圍合成不同的結(jié)構(gòu)或功能區(qū)域,如座椅、滑梯、秋千等,供成人休憩與兒童玩樂使用(見圖1)。

圖1 懸浮景觀座椅3D效果

2 結(jié)構(gòu)特征

飄帶狀懸浮景觀座椅總建筑面積為133m2,最大高度2.35m。外圈由7個(gè)Π型和2個(gè)曲線構(gòu)件組成,外徑5.6m,外圈節(jié)段寬0.6m,構(gòu)件高1.85m;內(nèi)圈由3個(gè)Π型和2個(gè)曲線構(gòu)件組成,外徑2.15m,內(nèi)圈節(jié)段寬0.3m,構(gòu)件高0.45m(見圖2)。

圖2 UHPC裝置基本尺寸

懸浮座椅具備多個(gè)功能分區(qū),如座椅、滑梯、秋千等,其結(jié)構(gòu)受力要求較高。本工程采用有限元軟件SOFISTIK 2020建立計(jì)算模型,永久荷載DL=24kN/m2,活荷載LL=3kN/m2,風(fēng)荷載WL=1kN/m2,分別進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)與驗(yàn)算,結(jié)果表明:材料用量約8t,結(jié)構(gòu)厚度在30～80mm;承載力狀態(tài)下最大拉應(yīng)力為13.5MPa;正常使用狀態(tài)下最大撓度為12.7mm。為此,材料的抗壓強(qiáng)度>130MPa,抗彎強(qiáng)度>20MPa,抗拉強(qiáng)度>7MPa。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 UHPC制備

為保證結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,本工程在UHPC材料選擇方面嚴(yán)格把控,最終采用拉法基豪瑞(Ductal)UHPC原材,具體包括拉法基豪瑞B(yǎng)3型UHPC預(yù)混粉末和F4型外加劑。其中,預(yù)混粉末已包含超細(xì)粉末,充分?jǐn)嚢杩捎行p少骨料空隙,提高材料的密實(shí)度。而外加劑的主要成分為減水劑,使得混凝土的單位拌合用水量大幅度降低。

1) 材料配合比 根據(jù)拉法基豪瑞的材料說明和現(xiàn)場(chǎng)試配效果,明確材料配合比,即每1 000g拉法基豪瑞B(yǎng)3型UHPC預(yù)混粉末需要與76.9g水、10.6g F4型外加劑、45g不銹鋼纖維(長度14mm)進(jìn)行拌合,才能達(dá)到前述力學(xué)性能。

2) 拌合工藝 將UHPC原材按上述配合比加入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。首先將1 000g預(yù)混料攪拌2min,均勻混合預(yù)混料中的細(xì)骨料和超細(xì)粉末。接著加入76.9g水與10.6g外加劑攪拌5min,再加入45g不銹鋼纖維攪拌4min,最終制成UHPC拌合料備用。

3.2 節(jié)段預(yù)制

為減少場(chǎng)地占用和縮短施工工期,本工程在工廠內(nèi)進(jìn)行UHPC結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全部預(yù)制,內(nèi)容包括節(jié)段劃分、模架設(shè)計(jì)、節(jié)段預(yù)制、連接節(jié)點(diǎn)等。

3.2.1節(jié)段劃分

如圖3,4所示,根據(jù)功能分區(qū),懸浮座椅分為4部分,即可上人部分(黃色部分)、樓梯步道(綠色部分)、與地面錨固部分(紅色部分)、風(fēng)荷載主要作用區(qū)域(藍(lán)色部分)。預(yù)制節(jié)段劃分時(shí),要求單個(gè)節(jié)段至少有1處地面錨固著力點(diǎn),在此基礎(chǔ)上綜合考慮單次澆筑方量將整體結(jié)構(gòu)分割成14個(gè)預(yù)制節(jié)段,各節(jié)段長度為2～5m。

圖3 計(jì)算模型

圖4 節(jié)段劃分

3.2.2模架設(shè)計(jì)

懸浮座椅造型獨(dú)特,常規(guī)模架體系難以適用;同時(shí),因工期緊無法選用定制化鋼模板,因此,本工程提出木模板+PVC+GRC相結(jié)合的模架體系,如圖5所示。首先,運(yùn)用Rhinoceros軟件計(jì)算各節(jié)段模架體系的橫、縱斷面尺寸。然后,按各節(jié)段水平投影的形狀與尺寸,切割9mm厚夾心木質(zhì)板作為支架基礎(chǔ)(間距10cm)。最后,根據(jù)縱斷面高度和下弧形狀切割9mm厚夾心木質(zhì)板制作底模和側(cè)模,并確保底層模板與支架基礎(chǔ)穩(wěn)固連接。若支架基礎(chǔ)高度>60cm,可在適當(dāng)位置增加橫隔板以保證支架體系穩(wěn)定。

圖5 模架體系3D視圖

在上述底模、側(cè)模上鋪設(shè)4mm厚PVC卷材形成雙層模板體系,底層模板與PVC卷材間需全面膠接,支架基礎(chǔ)與底層模板間采用射釘固定。若局部結(jié)構(gòu)曲率過小或坡度過大,此時(shí)采用玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)平順過渡,保證結(jié)構(gòu)曲線順滑、無折角。與此同時(shí),當(dāng)構(gòu)件坡度較陡時(shí),還需增設(shè)單層4mm厚PVC卷材作為頂層模板。

此外,在頂模上側(cè)和底模下側(cè)設(shè)置若干對(duì)40mm×40mm×1.2mm方形鋼管,用18號(hào)鐵絲綁扎頂、底層鋼管,以防止跑?；蛎浤?。并且,頂、底層鋼管擠壓模板也可作為UHPC凝結(jié)時(shí)施加的預(yù)壓力,這利于消除孔隙和自由水,使顆粒更加緊密,提高構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度與韌性。

3.2.3澆筑養(yǎng)護(hù)

模架體系完成后即開始UHPC混合料澆筑。綜合考慮構(gòu)件大小,在各節(jié)段的高處預(yù)留1道澆筑孔,并在構(gòu)件的延伸方向每隔50cm設(shè)置1個(gè)觀察孔。澆筑時(shí),UHPC混合料從澆筑孔灌入,沿著底模自高向低自然流淌,并通過觀察孔的溢流情況實(shí)時(shí)掌握澆筑位置。特別需要注意的是,UHPC混合料澆筑時(shí)無須振搗。不銹鋼纖維在流動(dòng)過程中表現(xiàn)出一定的方向性與連接性,可大大減緩材料內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展,從而使材料表現(xiàn)出超高韌性和延性性能。最后,在常溫條件下,帶模灑水養(yǎng)護(hù)28d方可吊裝搬運(yùn),此時(shí)預(yù)制構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度>130MPa,抗彎強(qiáng)度>20MPa,抗拉強(qiáng)度>7MPa。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)拼裝

懸浮座椅累計(jì)14個(gè)預(yù)制節(jié)段,現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí),先完成預(yù)制節(jié)段與混凝土基礎(chǔ)的連接,再完成預(yù)制節(jié)段間的連接。

1) 預(yù)制節(jié)段與混凝土基礎(chǔ)連接 預(yù)制節(jié)段與混凝土基礎(chǔ)采用“預(yù)埋鋼板+高強(qiáng)螺栓”連接。如圖6所示,混凝土基礎(chǔ)中需預(yù)埋鋼制底座,它由下部鋼板、H型支座和上部鋼板組成,采用Q355B鋼材并進(jìn)行防銹處理。以懸浮座椅外圈為例,節(jié)段下部鋼板尺寸為600mm×600mm×20mm,上部鋼板尺寸為400mm×400mm×20mm,H型支座高度H為200mm,寬度B為200mm,厚度t為20mm,高度隨節(jié)段底部高度和傾斜角度的不同,在39～264mm變化。UHPC預(yù)制節(jié)段需預(yù)埋4個(gè)M20高強(qiáng)螺栓,強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝只需將預(yù)制節(jié)段的高強(qiáng)螺栓與上部鋼板的預(yù)留栓孔嵌套連接,旋緊螺母即可。

圖6 節(jié)段與預(yù)埋鋼底座錨栓連接

2) 預(yù)制節(jié)段間連接 預(yù)制節(jié)段間采用“預(yù)埋鋼板+現(xiàn)場(chǎng)灌漿”連接。以懸浮座椅外圈為例,節(jié)段寬0.6m,預(yù)埋鋼板尺寸為250mm×350mm×15mm,焊接連接鋼板尺寸為 300mm×150mm×10mm。預(yù)埋鋼板及連接鋼板均需設(shè)置預(yù)留孔。如圖7所示,2塊預(yù)埋鋼板分別澆筑在UHPC相鄰節(jié)段的連接端頭,現(xiàn)場(chǎng)2節(jié)預(yù)制構(gòu)件對(duì)齊后,先通過2塊焊接連接鋼板將預(yù)埋鋼板夾持,并且上、下預(yù)留孔應(yīng)對(duì)齊貫通,然后對(duì)預(yù)埋鋼板和連接鋼板進(jìn)行焊接固定(沿著重疊部分施作角焊縫),最后在構(gòu)件連接處灌入U(xiǎn)HPC拌合料,待凝結(jié)硬化完成后再進(jìn)行表面修復(fù)。

圖7 焊接預(yù)埋鋼板

4 結(jié)語

隨著建筑新材料的不斷發(fā)展,兼具高強(qiáng)度、高耐久性和高環(huán)保性的超高性能混凝土(UHPC)被越來越多的工程師所青睞?；ú﹫@懸浮座椅為一座異形飄帶狀景觀構(gòu)筑物,總建筑面積133m2,其完全由UHPC材料制備,以充分發(fā)揮其優(yōu)異的抗壓、抗彎、抗拉性能,滿足懸浮座椅不同功能區(qū)的受力要求。本文將懸浮座椅分為14個(gè)預(yù)制節(jié)段,系統(tǒng)研究UHPC的材料拌合、模架搭設(shè)、澆筑養(yǎng)護(hù)、預(yù)制拼裝等施工工藝。此外,本工程也創(chuàng)新性地提出木模板+PVC+GRC 相結(jié)合的模架體系,有效解決了異形結(jié)構(gòu)的模板搭設(shè)難題,為UHPC材料在景觀園林領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了參考與借鑒。